Die Welt des ganz Kleinen

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1 Die Welt des ganz Kleinen
Atombau Die Welt des ganz Kleinen

2 Modellvorstellungen als Verständnishilfen
Stoffebene Teilchenebene Elemente sind Grundstoffe Atome sind Grundbausteine Stoffe können elektrisch geladen sein Atome bestehen aus geladenen Elementarteilchen Elemente reagieren zu Verbindungen in bestimmten Mengenverhältnissen Die Atome verbinden sich in bestimmten Zahlenverhältnissen

3 2000 Jahre „Kirchenvakuum“: 322 v. Chr. – 1632 n. Chr.
-500 500 1000 1500 2000 DEMOKRIT: „Atomos“, das Atom gedacht als unteilbares Teilchen EPIKUR: „Chem. Bindung“ ARISTOTELES: „4 Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft“ 2000 Jahre „Kirchenvakuum“: 322 v. Chr. – 1632 n. Chr. Aristotelisches Weltbild wird dogmatisch übernommen, „Ketzer“ hingerichtet. GASSENDI, KEPLER, GALILEI DALTON: 1. und 2. Verbindungsgesetz AVOGADRO: Gase, Moleküle FARADAY: elektrische Natur der Atome RUTHERFORD: Treuversuche BOHR; PLANCK, HEISENBERG: Orbitaltheorie

4 Entwicklung der Atommodelle
Atombegriff nach Demokrit (ca. 300 v. Chr.): Das Atom als philosophisch erdachtes „unteilbares“ Teilchen. Atomtheorie der Neuzeit nach Dalton (ca.1805): Atome sind die kleinsten, unteilbaren Teilchen der Elemente. Kern-Hülle-Modell nach Rutherford (1900): Atome bestehen aus geladenen Elementarteilchen, der Atomkern ist nur 1/ des Atoms groß. Energiestufenmodell nach Bohr (ca. 1920): Die Atomhülle besteht aus Elektronen, die nach ihrem Energiegehalt in Energiestufen eingeteilt werden können. Kugelwolkenmodell quantenmechanisches Orbitalmodell

5 Rutherford dringt ins Innere ein...
Rutherford, Ernest, Lord of Nelson and Cambridge ( ), britischer Physiker, der für seine bahnbrechende Arbeit in der Kernphysik und für seine Theorie zur Atomstruktur den Nobelpreis erhielt. Anhand von Strahlungsuntersuchungen stellte Rutherford seine Theorie der Atomstruktur auf, in der das Atom erstmalig als dichter Kern mit ihn umkreisenden Elektronen beschrieben wurde.

6 Radioaktives Präparat
Rutherfords Versuch Radioaktive Strahlen Radioaktives Präparat Goldfolie Leuchtschirm

7 Was wäre wenn...

8 Was wäre wenn...

9 Der Streuversuch von Rutherford
Das Kern-Hülle-Modell: Atome bestehen aus einem winzigen, positiv geladenen Kern und einer riesigen, negativ geladenen Elektronenhülle.

10 Die Bedeutung von Kernteilchen
Elemente unterscheiden sich durch die Zahl ihrer Protonen. Neutronen spielen hierbei keine Rolle. Aufeinander folgende Elemente im PSE besitzen immer genau ein Proton mehr. Zu jedem Proton muss in der Schale ein Elektron existieren. Elektronen bestimmen die chemischen Eigenschaften eines Elementes.

11 Die Bedeutung von Kernteilchen
Mit Ausnahme des Wasserstoffs besitzt jedes Element auch Neutronen im Kern. Je Proton benötigt man mindestens ein Neutron, damit der Kern stabil ist. Bis zum Element 40Ca gilt: je Proton genau ein Neutron, danach werden es mehr. Bsp.: 238 Nu - 92 p = 146 n 146 n : 92 p = 1,6

12 Aufgabe: entdecke die Gesetzmäßigkeit beim Aufbauen von Kernen!
Der Atomkern H He Li Be B C N O Aufgabe: entdecke die Gesetzmäßigkeit beim Aufbauen von Kernen! Legende: Protonen Neutronen

13 Aufgabe: entdecke die Definition, was Isotope sind!
H Li C N O Aufgabe: entdecke die Definition, was Isotope sind! % Nat.Vor-kommen 2H 0,015 1H 99,9 3H 6Li 7,5 7Li 92,5 12C 98,9 13C 1,1 14N 99,6 15N 0,4 16O 99,7 17O 0,1 18O 0,2

14 Die Bedeutung von Kernteilchen
Isotope unterscheiden sich durch die Zahl ihrer Neutronen. Es gibt unterschiedliche Zahlen von natürlichen stabilen Isotopen. Viele Isotope sind instabil und zerfallen, indem sie radioaktive Strahlung abgeben. Bsp.: β-Zerfall + e-

15 Bohr gliedert die Hülle in Schalen...
Niels Bohr ( ), dänischer Physiker und Nobelpreisträger, lieferte wichtige und grundlegende Beiträge zur Kernphysik sowie zum Verständnis des atomaren Aufbaus. Nach Bohr umlaufen die Elektronen den Kern in verschieden großen Bahnen. Diese nennt er Elektronenschalen und gibt ihnen den Namen K-Schale, L-Schale, M-Schale, N-Schale usw.

16 Aufgabe: zähle jeweils Protonen und Elektronen!
Die Atomhülle Be He Li H B C N O Aufgabe: zähle jeweils Protonen und Elektronen!

17 Das Bohrsche Atommodell
Elektron Atomkern Schale 1 (K) Verbotene Zone Schale 2 (L) Schale 2 (L)

18 Aufbau der Elektronenhülle
1. Elektronen kommen in Schalen um den Kern vor. 2. In die erste Schale passen zwei Elektronen, in die zweite mehr. 3. Die Zahl der passenden Elektronen erhält man: 2n2, wobei n = Schalennummer n= Elektronen n= Elektronen n= Elektronen 4. Die Zahl der Protonen und Elektronen ist immer gleich. 5. Deshalb sind Atome immer neutral.

19 Die Elektronenhülle ist in Energiestufen aufgebaut
Die Elektronen eines Atoms unterscheiden sich in der Entfernung zum Kern und ihrem Energiezustand. Die Elektronen befinden sich nach diesem Modell in bestimmten Energiestufen (nach Bohr nennt man diese auch „Schalen“). Die Elektronen der äußersten Energiestufe heißen Außenelektronen, sie spielen für die Chemie die entscheidende Rolle! Die Elektronenanordnung lässt sich aus dem Periodensystem ablesen: Die Hauptgruppe entspricht der Zahl der Außenelektronen, die Periode entspricht der Zahl der Energiestufen.

20 Die Elemente unterscheiden sich durch die Masse ihrer Atome....
MZ Massenzahl 27 ( ) - Chem. Symbol für Aluminium 13 = OZ Ordnungszahl

21 ... kann genau ein Elektron halten!
und jedes Proton.... ... kann genau ein Elektron halten!

22 Wir bauen das Modell für Aluminium:
..enthält 27 Nukleonen - ..davon sind 13 Protonen, die je 1 Elektron festhalten 14 Nukleonen sind also Neutronen K-Schale max. 2 e- 13 14 L-Schale max. 8 e- M-Schale also noch 3 e - Diese Schale heisst auch Valenzschale

23 Edelgaskonfiguration? Na ja...
Atome sind dann „zufrieden“, wenn sie ihre Valenzschale mit 8 Elektronen gefüllt haben. Dies erreichen sie, indem sie fehlende Elektronen stehlen oder überzählige abgeben. Die Valenzschale von Argon ist mit 8 e- voll!

24 Regel: 8 wäre schön... Sauerstoffatom Valenzschale: 6 e- Atome haben das Bestreben, ihre äusserste Schale voll besetzt zu haben: K-Schale: 2 e- L-Schale: 8 e- M- Schale: 8 e- Dies erreichen sie durch Bindungen! Gemeinsame Benützung von je 2 e -

25 Der Weg zum Kugelwolkenmodell
Bsp.: ein Stickstoffatom N Schreibweisen: N N Elektronenformel „Valenzstrichformel“ Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt

26 Kugelwolkenmodelle der Atome 1. & 2. Periode
Kugelwolken einfach besetzt Atomkerne Kugelwolken doppelt besetzt

27 Kugelwolkenmodelle der Atome
1. Periode Verhältnisse der Atomradien  korrekt 2. Periode 3. Periode 4. Periode Kugelwolken einfach besetzt Atomkerne äußere Begrenzung der Hülle doppelt besetzt

28 Kugelwolkenmodelle der Atome
1. Periode H He 2. Periode Li Be B C N O F Ne 3. Periode Na S Cl Ar 4. Periode K Kugelwolken einfach besetzt Atomkerne äußere Begrenzung der Hülle doppelt besetzt Verhältnisse der Atomradien  korrekt

29 Kugelwolkenmodelle der Atome
und Lewis-Formeln 1. Periode H He 2. Periode Li Be B C N O F Ne 3. Periode Na S Cl Ar Atomkerne äußere Begrenzung der Hülle 4. Periode K Kugelwolken Lewis-Schreibweise einfach besetzt einfach besetzter Aufenthaltsraum doppelt besetzt doppelt besetzte Aufenthaltsräume Verhältnisse der Atomradien  korrekt

30 Bauplan der Hauptgruppenelemente
Lewis-Formeln 1. Periode 2. Periode 3. Periode Atomkerne äußere Begrenzung der Hülle 4. Periode Kugelwolken Lewis-Schreibweise einfach besetzt einfach besetzter Aufenthaltsraum doppelt besetzt doppelt besetzte Aufenthaltsräume Verhältnisse der Atomradien  korrekt

31 Bauplan der Hauptgruppenelemente
Periode Periode einfach besetzt doppelt besetzt äußere Begrenzung der Hülle einfach besetzter Aufenthaltsraum doppelt besetzte Aufenthaltsräume Periode Periode

32 Vom Atom zum Molekül... Zwei Sauerstoffatome binden sich chemisch zu einem Molekül Sauerstoff. Beide Atome können so zeitweise 8 Elektronen benützen. Das Molekül ist der kleinste Teil einer Verbindung!

33 Der Weg zur chemischen Bindung
Bsp.: Methan CH4 Atomkern Atomrumpf Elektron

34 Der Weg zur chemischen Bindung
Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt

35 Zur Schreibweise Bsp.: Ammoniak NH3 N H Valenzstrichformel Atomkern
Atomrumpf Valenzstrichformel Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt

36 Die Doppelbindung Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt
Kugelwolke, voll besetzt

37 Die Doppelbindung C Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt
Kugelwolke, voll besetzt

38 Die Dreifachbindung Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt
Kugelwolke, voll besetzt

39 Die Dreifachbindung Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt
Kugelwolke, voll besetzt

40 Die Dreifachbindung C Atomkern Atomrumpf Kugelwolke, halb besetzt
Kugelwolke, voll besetzt

41 Edelgaszustand (Oktettregel)
Die Edelgase sind reaktionsträge, also chemisch stabil, weil sie keinen Bedarf an zusätzlichen Elektronen haben. Sie haben eine volle äußere Energiestufe. Dieser Edelgaszustand der Elektronenhülle (Edelgaskonfiguration) wird von allen Atomen angestrebt. In der jeweils äußersten Energiestufe finden zunächst acht Elektronen Platz. (Ausnahme Helium: zwei).

42 Die EN im Periodensystem
Fluor hat die höchste EN. Es folgen Sauerstoff, Stickstoff und Chlor. Allgemein nimmt die EN im PSE von links unten nach rechts oben zu (Ausnahme: Edelmetalle)

43 Ionisierungsenergien
Die äußeren Elektronen werden unterschiedlich stark festgehalten hohe Ionisierungs-energien bei den Edelgasen Niedriege IE bei den Alkalimetallen (I. Hauptgruppe) IE nimmt von links nach rechts zu Ionisierungsenergien der ersten 21 Elemente (in MeV)