Elektronen - fst

Fachschule für Technik
Aufbau der Stoffe
.
Dipl.FL
D.Strache
Fachschule für Technik
Teilchenmodell:
Festkörper:
In Festkörpern liegen die Atome dicht an dicht. Jedes dieser Atome wird von den
umgebenen anderen Atomen an seinen Platz gehalten.
Die Atome sind jedoch nicht in Ruhe, sondern führen um ihren Platz Schwingungen
(Zappelbewegungen) herum aus. Sie können ihren Platz nicht verlassen
Flüssigkeiten:
In Flüssigkeiten liegen die Atome ebenfalls dicht an dicht. Sie können aber problemlos ihre
Plätze untereinander tauschen. Auch ohne Einfluss von außen, bewegen sie sich dauernd um
einander herum. Die Flüssigkeit können sie aber nicht ohne weiteres verlassen. Wegen der
leichten Verschiebbarkeit der Atome, lassen sich Flüssigkeiten gießen, nehmen jede Gefäßform
an, weichen beim Eintauchen fester Körper aus und neigen dazu eine waagerechte Oberfläche
zu bilden.
Gase:
In Gasen bewegen sich die Atome mit großer
Geschwindigkeit völlig unabhängig voneinander. Sie
nehmen deshalb jeden verfügbaren Raum ein. Stoßen sie
auf Nachbaratome, werden sie wie Billardkugeln in eine
andere Richtung geworfen. Diese Eigenschaft lassen
Gase im freien Raum schnell verflüchtigen.
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D.Strache
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Atome, Elektronen und Ionen
Um 500 vor Christus (v. Chr.) hat der griechische Naturphilosoph Leukipp den Begriff Atom
eingeführt. Das Atom wird vom griechischen Atomos abgeleitet, was unteilbar bedeutet. Heute
wissen wir, dass Atome nicht unteilbar sind und aus einer Anordnung von Neutronen, Protonen
und Elektronen bestehen.
Atommodelle
Damals, zur Zeit Leukipps, wie auch heute, sind fast alle Definitionen und Erklärungen um
Atome und Atommodelle eher theoretischer Natur. Nicht selten werden Atommodelle dazu
benutzt unerklärbare Effekte oder Mechanismen eines Atoms plausibel zu erklären.
Beispielsweise hat 1911 Rutherford das Atommodell mit Kern und Hülle entwickelt. Seiner
Annahme zufolge bestand der Atomkern aus der gesamten positiven Ladung und die negativ
geladenen Elektronen umkreisen in einer Hülle den Kern. Die Fliehkraft der kreisenden
Elektronen sollte die Anziehungskraft durch den Kern auflösen und so die Elektronen in ihrer
Bahn halten.1913 berechnete der dänische Physiker Niels Bohr die verschiedenen
Energiestufen in einem Atom. Er entwickelte das Bohrsche Atommodell. Mit Rutherford
stimmte er überein, dass Atome aus Kern und Hülle bestehen. Nur mit dem Unterschied, dass
die Elektronen auf mehreren Bahnen, auch Schalen genannt, kreisen.
Ein Atom ist der kleinste Baustein der chemischen Elemente. Es gibt über 100 verschiedene
Atome, die ähnlich aufgebaut sind.
Atome setzen sich aus einem Atomkern und einer Atomhülle zusammen. Der Aufbau ist mit
einem Planetensystem vergleichbar: Eine Sonne, das soll der Atomkern sein, um die sich die
Planeten drehen (Atomhülle).
Der Atomkern befindet sich im Zentrum des Atoms. Er ist positiv geladen und enthält fast
die gesamte Masse des Atoms. Er setzt sich aus Protonen und Neutronen zusammen.
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D.Strache
.
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Atom / Atome
Das hier dargestellte Atommodell ist das BohrAtommodell. Es ist eine Sicht, wie Elektronen,
Protonen und Neutronen zueinander stehen. Dabei
geht man davon aus, dass sich Elektronen auf einer
festen Bahn um den Atomkern drehen.
Neutronen sind elektrisch neutrale Teilchen. Sie
kommen nur im Atomkern vor, weil sie in freiem
Zustand nicht stabil sind. Die Anzahl der Protonen
im Atomkern ist immer auch die gleiche Anzahl an
Elektronen in der Atomhülle. Protonen existieren
auch im freien Zustand.
Elektronen
Die Atomhülle ist aus Elektronen aufgebaut. Die Elektronen sind elektrisch negativ geladene
Teilchen.
Die Elektronen auf dem äußersten Ring (Schale) des Atoms werden Valenzelektronen
genannt.
Das Fließen des elektrischen Stroms in leitendem Material entspricht der Bewegung der
Valenzelektronen.
Ein Atom ist nach außen hin elektrisch neutral.
Der Atomkern und die Atomhülle haben die gleiche Anzahl elektrischer Ladungen (Protonen
und Elektronen).
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D.Strache
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Ionen:
Atome mit mehr Elektronen als Protonen oder mehr Protonen als Elektronen werden Ionen
genannt. Das Wort Ion stammt aus dem griechischen und bedeutet der Wandernde.
Atome, die positiv oder negativ, also nicht elektrisch neutral, geladen sind, können sich
gegenseitig anziehen oder abstoßen. Das heißt, sie können bewegt werden. Bei Atomen mit
negativer Ladung spricht man von einem Elektronenüberschuss. Bei Atomen mit positiver
Ladung spricht man von einem Elektronenmangel.
Wird einem neutralen Atom Elektronen entnommen, so
besitzt das Atom mehr positive als negative
Ladungen. Das Atom zieht negative Ladungen an, und
stößt positive Ladungen ab.
Wird einem neutralen Atom Elektronen
zugeführt, so besitzt das Atom mehr
negative als positive Ladungen. Das Atom
zieht positive Ladungen an, und stößt
negative Ladungen ab.
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Ladungsträger
Ladungsträger sind für den elektrischen Strom sehr wichtig.
Ein elektrischer Strom kann nur fließen,
wenn genug freie Ladungsträger vorhanden sind.
Ladungsträger können Elektronen (metallische
Ladungsträger)
und
Ionen (flüssige Ladungsträger) sein.
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Die Welt des ganz Kleinen
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D.Strache
Vorstellungen über den Bau
der Materie
Demokrit
denkt sich das Unteilbare, das Atom
Dalton entwirft ein Atommodell
Rutherford formuliert das Kern-Hüllenmodell
Bohr spricht von Elektronenschalen
Kimball postuliert Elektronenwolken
Schrödinger und Heisenberg entdecken
Orbitale ...
Jedes Modell erklärt auf seine Weise
Naturerscheinungen, aber noch niemand
hat je ein Atom sehen können!
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D.Strache
Unsere Ziele:
Wir wollen vor allem mit den
Atommodellen von Bohr und
Kimball umgehen können.
Mit Hilfe dieser Modelle können
wir einfache Bindungen, wie z.B.
Wasser, erklären
Wir können einfache Bindungen
mit Mol- und mit Strukturformeln
darstellen.
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D.Strache
Gedankenexperimente...
Der griechische Philosoph Demokrit überlegte sich:
Wenn ich eine Stoffprobe halbiere und
dann wieder halbiere und wieder
halbiere und so fort, so gelange ich zu
einem kleinsten, nicht mehr teilbaren
Teilchen. Alle Stoffe müssen aus
solchen unteilbaren Atomen bestehen
... und das vor fast 2400 Jahren!
John Dalton‘s Entdeckung...
Dalton, John (1766-1844), britischer Chemiker und
Physiker, entwickelte die Atomtheorie, auf der die
moderne physikalische Wissenschaft beruht. Dalton
wurde 1766 in Eaglesfield als Sohn eines Webers
geboren. Unterricht erhielt er von seinem Vater.
Dalton stellte sich die Atome als kleinste Kugeln
verschiedener Grösse vor. Je nach Atomgewicht
gehören diese Kugeln verschiedenen Elementen an.
Elemente sind die Grundbaustoffe, aus denen alle
Materie besteht:
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 beschrieben
wurde.
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 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.
Bohr‘sches Atommodell...
Neutronen
elektrisch
neutral
Protonen
positiv
geladen
Atomkern
Atomhülle
Bohr‘sches Atommodell...
Neutronen
elektrisch
neutral
Protonen
positiv
geladen
Atomkern
K-Schale
Elektronen
negativ geladen
L-Schale
M-Schale
Atomhülle
Bohr‘sches Atommodell...
Merke dir folgende Begriffe rund um das Atommodell:
Atomhülle
Proton
Neutron
Symbol
Nukleonen
Atomkern
Name
Ladung
positiv
neutral
Schalenname
Anordnung
Machen fast das gesamte
Gewicht des Atoms aus!
Elektron
negativ K-Schale max. 2
Elektron
negativ L-Schale max. 8
Elektron
negativ M-Schale max. 18
Bohr‘sches Atommodell...
Jede Schale kann nur eine ganz bestimmte,
höchste Anzahl Elektronen aufnehmen.
Diese Elektronenzahl lässt sich sehr einfach
berechnen:
Maximale E- Zahl = 2 * (Schalennummer) 2
Schale
K
L
M
N
O
P
Q
Schalennummer
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Schale
Schale
Schale
Schale
Schale
Schale
Schale
Formel
=
=
=
=
=
=
=
2
2
2
2
2
2
2
*
*
*
*
*
*
*
1
2
3
4
5
6
7
max. Elektronenzahl
2
2
2
2
2
2
2
= 2 Elektronen
= 8 Elektronen
= 18 Elektronen
= 32 Elektronen
= 50 Elektronen
= 72 Elektronen
= 98 Elektronen
Die Elemente unterscheiden sich
durch die Masse ihrer Atome....
MZ Massenzahl
27 (
+
13
=
14
OZ Ordnungszahl
)
27
Chem. Symbol
für Aluminium
Al
13
und jedes Proton....
... kann genau ein Elektron halten!
Wir bauen das Modell für Aluminium:
-
27
13 Al
..enthält 27 Nukleonen
..davon sind 13 Protonen, die je 1 Elektron festhalten
14 Nukleonen sind also Neutronen
K-Schale max. 2 e13
14
L-Schale max. 8 eM-Schale also noch 3 e Diese Schale heisst auch
Valenzschale
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!
Hückel-Regel: 8 wäre schön...
Atome haben das
Bestreben, ihre
äusserste Schale
voll besetzt zu
haben:
K-Schale: 2 eL-Schale: 8 eM- Schale: 8 eDies erreichen sie
durch Bindungen!
Sauerstoffatom
Valenzschale: 6 e-
Gemeinsame
Benützung
von je 2 e -
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!
Molformel, was ist das?
1 Atom O + 1 Atom O 1 Molekül O2
O
+
O
Die tiefgestellte 2
bedeutet, dass das
Molekül aus 2
Sauerstoffatomen
besteht!
O2
MOLFORMEL
Molformel, wie geht das jetzt?
Was passiert, wenn du Kohle verbrennst?
Also: Für jede Verbrennung (Oxidation) braucht es Sauerstoff.
Kohle und Sauerstoff verbrennen zu Kohlendioxid.
Kurz:
Kohle
12
Beteiligte Stoffe: 6
+
C +
Sauerstoff
16
8
K-Schale:
Valenzschale:
Fehlende e-
2 e4 e4 e-
*2
Reaktionsschema:
C
+
Kohlendioxid
O
2e6 e2 e-
Hückel-Regel:
8 wäre schön...
O2
????
CO2
Molformeln für Sauerstoff- und Kohlendioxidmoleküle
Wie habe ich mir CO2 nach
Bohr vorzustellen?
1 Atom Kohlenstoff und 2 Atome
Sauerstoff bilden zusammen 1 Molekül
Kohlendioxid
Kohlenstoff möchte 2 x 2 e- vom
Sauerstoff
Sauerstoff möchte je 2 e- vom
Kohlenstoff
Sauerstoff
Sauerstoff
Kohlenstoff
Wie sehen die Bindungen in CO2
vereinfacht aus?
Ein Molekül nach Bohr zu zeichnen gibt
recht viel Arbeit!
Wir vereinfachen, indem wir nur noch
die Bindungen darstellen
(Strukturformel):
O
C
O
Bindungen haben einen Namen:
Beispiel
Molformel
Strukturformel
CO2 O C O
Bindungsart
Doppelbindung
Kohlendioxid
Wasserstoffmolekül
Stickstoffmolekül
H2
N2
H
N
H
Einfachbindung
N
Dreifachbindung
Alle drei sind Atombindungen!
Zusammenfassung:
Der Chemiker beschäftigt sich in erster
Linie mit den Valenzelektronen.
Atommodelle helfen uns, Reaktionen
zwischen Stoffen und deren Bindungen
zu verstehen.
Dalton und Bohr wurden hier vorgestellt.
Wir arbeiten mit Mol- und
Strukturformeln und sprechen von
folgenden Atombindungen: Einfach-,
Doppel- und Dreifachbindungen
Einschränkung:
Das Bohr‘sche
Atommodell erklärt
nicht alles!
Für einfache Moleküle
genügt es
hinreichend
Bindungswinkel
werden hingegen
nicht berücksichtigt.
Sie vereinfacht das
neue Modell zur
Kurzschreibweise nach
Kimball
Die Strukturformeln
bekommen eine
Bindungsrichtung
Ausblick:
Das Wissen um Bohr und Kimball ist wichtig. Mit Hilfe der
Ordnungszahlen lassen sich die Bindungszahlen ermitteln und
daraus die Strukturformeln der Moleküle:
Stoffname
Stoff 1
BindungsStoff 1
Stoff 2
BindungsStoff 2
Mol
formel
Strukturformel
Wasserstoffmolekül
H
I
H
I
H2
H-H
Sauerstoffmolekül
O
II
O
II
O2
O=O
Wasser
H
I
O
II
H2O
O
Kohlendioxid
C
IV
O
II
CO2
O=C=O
Ammoniak
H
I
N
III
NH3
N
H
H
H
H
H
Modell nach Kimball:
Kimball Elektronen bewegen sich auf bestimmten Energiestufen.
Elektronen bewegen sich (innerhalb dieser Stufen) in
Kugelwolken.
Jede Kugelwolke fasst maximal zwei Elektronen.
Die äußere Energiestufe enthält maximal 8 Elektronen in 4
Kugelwolken.
Kugelwolken werden zunächst einzeln und dann doppelt besetzt.
Kimball - Kugelwolken
Modellvorstellung am Beispiel ausgewählter Atome:
Wasserstoff:
Helium:
Lithium:
Der Pfeil steht für das Elektron eines
Wasserstoffatoms. Die grüne Kugel beschreibt
den Bereich um den Atomkern in dem das
Elektron des Wasserstoffatoms mit 99%
Wahrscheinlichkeit anzutreffen ist.
Die Kugelwolke ist mit zwei Elektronen belegt.
Die Elektronen unterscheiden sich in ihrem
"Drehsinn".
Die Kugelwolke des tiefsten Energieniveaus ist
mit zwei Elektronen voll besetzt. Das dritte
Elektron des Lithium belegt eine neue
Kugelwolke, die weiter vom Atomkern entfernt
ist.
In der zweiten Periode erweitert sich der Raum (Aufenthaltsbereich der
Kugelwolken) so, dass insgesamt vier weitere Platz haben.
Kohlenstoff:
Da die Elektronen einerseits von den Protonen im
Atomkern angezogen werden, sich andererseits
aber die Elektronen gegenseitig abstoßen werden
Kugelwolken eines Hauptenergieniveaus zunächst
einfach besetzt.
Stickstoff:
Die vier Kugelwolken des Stickstoffatoms richten
sich in die Ecken eines Tetraeders aus. Vom
Zentrum aus gemessen beträgt der Winkel 109°.
Eine Kugelwolke ist mit zwei Elektronen doppelt
besetzt.
Dipl.FL.
D.Strache

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