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Atombau und gekürztes Periodensystem der Elemente 6h

Die Schüler begreifen, dass neue Erkenntnisse zu einer Weiterentwicklung bzw. Ablösung bisheriger Modellvorstellungen führen. Sie sollen dabei das für die Naturwissenschaften so wichtige Wechselspiel von experimentellen Arbeiten und erklärender Modellbildung nachvollziehen. Neue Modellvorstellungen zum Atombau helfen den Schülern, die Elementanordnung im Periodensystem besser zu verstehen und dieses als Informationsquelle zu nutzen.

Grundbegriffe:

Elementarteilchen, Isotopie, Valenzelektronen, Oktettegel, Periodensystem der Elemente

Kern-Hülle-Modell                                                                         

Bausteine der Atome: Proton, Neutron, Elektron

Radioaktivität

Radioaktivität als Folge des Atomzerfalls

Rückblick auf die historische Entwicklung der Atomvorstellung (Demokrit, Dalton)

Anknüpfung an Ionentheorie: Atome sind aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt.

Wie kann der Aufbau der Atome erforscht werden?

Prinzipiell zwei Möglichkeiten: Kernstrahlung, Beschuss

Entdeckungsgeschichte der Radioaktivität

1896 Entdeckung der Röntgenstahlen

1896 Becquerels Entdeckung der Radioaktivität

Becquerels Hypothese: Wenn die Röntgenstrahlen eine Begleiterscheinung der Fluoreszenz wären, dann sollte auch ein fluoreszierendes Uransalz bei Belichtung mit UV-reichem Sonnenlicht Röntgenstrahlen aussenden, die eine darunter liegende Fotoplatte schwärzen müssten.

Entdeckung des Radiums

Leuchtzifferblatt  (Radium + Zinksulfid)

Spuren von a-Strahlen des Radiums in der Nebelkammer

Komponenten der radioaktiven Strahlung und ihre Eigenschaften:

Ablenkung von radioaktiven Strahlen im elektrischen Feld liefert 3 Komponenten: b-Strahlen Masse = 1/2000 u Ladung = - e Elektronen   g-Strahlen Masse = 0 Ladung = 0 Elektromagnet. Wellen   a-Strahlen Masse = 4 u Ladung = + 2 e Heliumkerne

Reichweite und Abschirmung der radioaktiven Strahlung

Rutherfords Streuversuch - Kern-Hülle-Modell

Ergebnis: Atommodell von Rutherford

Die gesamte positive Atomladung und nahezu die gesamte Atommasse sind auf einen kleinen Bereich von der Größenordnung 10^-14 m im Mittelpunkt des Atoms konzentriert. Dies ist der Atomkern. Hiernach beträgt der Kerndurchmesser nur rund 1/10000 des Atomdurchmessers. Das bedeutet aber, dass der überwiegende Teil des Atoms leerer Raum ist.

Da das Atom nach außen hin elektrisch neutral ist, muss die positive Kernladung durch eine entsprechende Anzahl von Elektronen kompensiert werden. Diese Elektronen werden durch die Coulomb-Kräfte von dem positiv geladenem Kern angezogen und im Atomverband festgehalten. Damit sie nicht in den Kern hineinstürzen, muss angenommen werden, dass sie sich – ähnlich wie die Planeten um die Sonne – um den Kern bewegen. Die Gesamtheit dieser Elektronen bildet die Atomhülle.

Das Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle.

Der Atomkern enthält nahezu die gesamte Masse des Atoms und ist positiv geladen.

Die Atomhülle enthält die der positiven Kernladung entsprechende negative Ladung in Form von Elektronen.

Veranschaulichung der Größenverhältnisse Atomkern zu Hülle: Erbse im Kölner Dom

Atomkern und Elementarteilchen, Isotope

Bausteine des Atoms:

Kern: Protonen und Neutronen (=Nukleonen)

Hülle: Elektronen    

Bau einfacher Atome:

Schreibweise der Nuklide:

Ein chemisches Element ist eine Substanz, deren Atome in ihrer Protonenzahl (=Kernladungszahl) übereinstimmen

Übungen zum Bau einfacher Atome

Isotope

Ungeradzahligkeit vieler Atommassen im Periodensystem! Ursache?

Isotope sind Atome eines Elements, die sich in der Zahl der Neutronen und damit in ihrer Atommasse unterscheiden

Beispiele:

Weitere Beispiele:               Chlor-35, Chlor-37               Uran-238, Uran-235 

Übung: Flammenfärbungen und Spektroskopie

Calciumchlorid-L. Strontiumnitrat-L. Bariumchlorid-L.

Durchführung:

Mit einem Eisendraht oder Magnesiastäbchen werden Verbindungen der folgenden Elemente in die Flamme gehalten:

Ergebnis: Atome senden bei hohen Temperaturen (oder elektrischer Anregung) Licht mit charakteristischer Farbe aus.

Im Spektroskop werden charakteristische Linien sichtbar, die Spektrallinien.

Hohe Empfindlichkeit der Methode!

Erklärung: Anregung der Elektronen durch hohe Temperatur -> Anhebung auf höheres Energieniveau - Rückkehr in den Grundzustand unter Energieabgabe in Form von Lichtstrahlung ganz bestimmter Wellenlänge (Quanten).

Emissionsspektrum von Magnesium

Emissionsspektrum von Silicium

Spektrallinien und ihre Deutung

Emissionsspektrum (Wasserstoff)

Absorptionsspektrum (Wasserstoff)

Elektronenübergänge im Wasserstoffatom

Ordnung der Elemente im Periodensystem - gekürztes Periodensystem

Energiestufen und Schalenmodell der Atomhülle

Ionisierungsenergie: Energie, die zur Abtrennung eines Elektrons aus einem Atom benötigt wird

Energiestufenschema - Deutung der Energiestufen als Schalen:

Valenzelektronen: Elektronen auf der äußersten Schale

Atomhülle und Periodensystem

Entdeckung des Periodensystems (Mendelejew, Lothar Meyer, 1869)

Ordnet man die Elemente nach steigender Ordnungszahl (=Protonenzahl, Kernladungszahl) und stellt Elemente mit ähnlichen Eigenschaften untereinander, so erhält man das Periodensystem der Elemente.  

Das Periodensystem spiegelt die Elektronenverteilung

(= Elektronenkonfiguration) der Atome der verschiedenen Elemente wider.

Mit jeder Periode beginnt die Besetzung einer neuen Schale.

Die Elemente einer Gruppe besitzen gleich viele Valenzelektronen.  

Hauptgruppen des Periodensystems

Verteilung der Metalle und Nichtmetalle im Periodensystem:

Elektronenkonfiguration und Reaktionsverhalten  

Elementgruppe der Alkalimetalle

Elementgruppe der Halogene

Übung: Die Elementgruppe der Halogene

Versuch: Nachweis der Halogenidionen mit Silbernitratlösung

Kaliumchlorid-, Kaliumbromid- und Kaliumiodidlösung mit 3 Tr. verd. Salpetersäure ansäuern, mit 10 Tr. 0,5 ml Silbernitratlösung versetzen.

Prüfung der Löslichkeit der Niederschläge in verd. Ammoniak (bzw. konz. Ammoniak als Lehrerversuch).

Ergebnis:

KCl  +  AgNO₃  ->  AgCl  +  KNO₃

                                                        Silberchlorid (weiß)

KBr  +  AgNO3  ----->  AgBr  +  KNO3

                                             Silberbromid (gelblich)

KI  +  AgNO3  ----->  AgI  +  KNO3

                                                     Silberiodid (gelb)

Hinweis auf Lichtempfindlichkeit der Silberhalogenide und Bedeutung für die Fotografie

Versuch: Salzbildung der Halogene mit Metallen

Chlorwasser, Bromwasser und Iodlösung werden mit Magnesium- bzw. Zinkpulver geschüttelt.

Ergebnis: Verschwinden der Halogenfarbe und des Halogengeruchs - mit Silbernitratlösung lassen sich Halogenidionen nachweisen.

2 e^-  +  Cl₂  ->  2 Cl^-

Zn   ->  Zn²⁺  2 e^-

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Zn  +  Cl₂  ->  Zn²⁺  +  2 Cl^-

Zn  +  Cl₂  ->  ZnCl₂

Versuch: Unterscheidung von Brom und Iod durch Ausschütteln mit Benzin

Ergebnis: Brom löst sich in Benzin mit brauner, Iod mit violetter Farbe

Versuch: Reaktion der Halogene Chlor, Brom, Iod mit Chloriden, Bromiden und Iodiden

Reaktionsgleichungen:

2 KBr  +  Cl₂  ->  2 KCl  +  Br₂

2 KI  +  Cl₂  ->  2 KCl  +  I₂

2 KI  +  Br₂  ->  2 KBr  +  I₂