Atombau

1. 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. -500 0 500 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. Energiestufenmodell nach Bohr (ca. 1920): Die Atomhülle besteht aus Elektronen, die nach ihrem Energiegehalt in Energiestufen eingeteilt werden können. • 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 1/100.000 des Atoms groß. • Kugelwolkenmodell • quantenmechanisches Orbitalmodell

5. Rutherford dringt ins Innere ein... • Rutherford, Ernest, Lord of Nelson and Cambridge (1871-1937), 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 beschriebenwurde.

6. 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. Der Atomkern O H He Li Be B C N Aufgabe: entdecke die Gesetzmäßigkeit beim Aufbauen von Kernen! Legende: ProtonenNeutronen

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

14. + e- 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

15. Bohr gliedert die Hülle in Schalen... • Niels Bohr (1885-1962), dänischer Physiker und Nobelpreisträger, lieferte wichtige und grundlegende Beiträge zur Kernphysik sowie zum Verständnis des atomaren Aufbaus. • Nach Bohr umlaufen dieElektronenden Kern in verschieden großen Bahnen. • Diese nennt erElektronenschalenund gibtihnen den NamenK-Schale, L-Schale, M-Schale, N-Schaleusw.

16. H He Li Be B C N O Die Atomhülle 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=1 2 Elektronen n=2 8 Elektronen n=3 18 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 äußerstenEnergiestufe heißenAußenelektronen, sie spielen für die Chemie die entscheidende Rolle! • Die Elektronenanordnung lässt sich aus demPeriodensystemablesen: 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 = 14 OZ Ordnungszahl

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

22. 13 14 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- 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. 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! Regel: 8 wäre schön... SauerstoffatomValenzschale: 6 e- 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 Atomkerne Kugelwolken einfach besetzt Kugelwolken doppelt besetzt

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

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

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

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

31. Bauplan der Hauptgruppenelemente einfach besetzter Aufenthaltsraum doppelt besetzte Aufenthaltsräume doppelt besetzt einfach besetzt äußere Begrenzung der Hülle Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Gruppe Periode Periode 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. N H H H Zur Schreibweise Bsp.: Ammoniak NH3 Atomkern Atomrumpf Valenzstrichformel Kugelwolke, halb besetzt Kugelwolke, voll besetzt

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

37. C C Die Doppelbindung 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. C C Die Dreifachbindung 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. • Allgemeinnimmtdie EN im PSEvon linksunten nach rechts oben zu(Ausnahme: Edelmetalle)

43. Ionisierungsenergien der ersten 21 Elemente (in MeV) 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