Atommasse und Stoffmenge

(1)

Timm Wilke

Georg-August-Universität Göttingen

Wintersemester 2014 / 2015

K

APITEL

1 – A

UFBAU DER

M

ATERIE

(2)

Atombau und Elementarteilchen

(3)

Atommasse und Stoffmenge

Stoffmenge [mol]: 12 ∙1,66 ∙ 10^{12,000 𝑔}⁻²⁴ 𝑔 = _{1,66 ∙ 10}¹ ₋₂₄ = 6,02 ∙ 10²³ 𝐴𝑡𝑜𝑚𝑒 = 𝑁_𝐴

→ 1 mol eines Stoffs enthält 6,02 ∙ 10²³ Atome

→ 1 mol eines Elements entspricht der relativen Atommasse in Gramm.

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Lösung Aufgabe 1

Wie viel Gramm wiegen 50 Mol ? ₁₇³⁵Cl

(5)

Lösung Aufgabe 1

Wie viel Gramm wiegen 50 Mol ? ₁₇³⁵Cl

(6)

Lösung Aufgabe 2

Wie viel Mol entsprechen 450 g Schwefelsäure ? (Relative Atommasse: H: 1,006 g/mol, S = 32,06 g/mol, O = 15,99 g/mol ?

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Lösung Aufgabe 2

Wie viel Mol entsprechen 450 g Schwefelsäure ? (Relative Atommasse: H: 1,006 g/mol, S = 32,06 g/mol, O = 15,99 g/mol ?

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Lösung Aufgabe 3

Welche der folgenden Aussage(n) ist/sind korrekt?

1. Isotope eines Elements unterscheiden sich immer in ihrer Massenzahl,

2. Isotope (eines Elements) können sich auch in der Ordnungszahl unterscheiden, 3. Die Massenzahl ist die Summe der Protonen- und Elektronenzahl,

4. Die Massenzahl ist die Summe der Protonen- und Neutronenzahl.

(9)

Atombau, Quantenzahlen, Periodensystem

(10)

Bahnmodell nach Bohr

Verschiedene Atome im Bahnmodell

(11)

Schalenbezeichnungen nach Bohr

 Die Schalen (n = 1,2,3,4, …) werden im Bohr‘schen Modell alphabetisch, beginnend bei „K“, benannt.

Schale Bezeichnung

1 K

2 L

3 M

4 N

… …

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Valenzelektronen und Atomeigenschaften

 Valenzelektronen (Außenelektronen): Elektronen in der äußersten Schale (bzw. äußersten Orbitalen)

 Beteiligen sich an Bindungen

 Bestimmen zu einem großen Teil die Eigenschaften und Reaktionsverhalten eines Stoffes

(13)

Beispiel: Alkalimetalle

Lithium Natrium Kalium

Gemeinsamkeit: 1 Valenzelektron in der äußersten Schale

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(15)

Auswertung

 Ähnliches (Reaktions-)Verhalten bei allen fünf Elementen

→ Elemente einer Hauptgruppe besitzen ähnliche Eigenschaften

→ Innerhalb einer Hauptgruppe werden diese Eigenschaften stärker oder schwächer

(16)

Reaktionsverhalten & Edelgaskonfiguration

 Elemente streben nach abgeschlossenen - das heißt vollen oder leeren - Schalen, der sogenannten

Edelgaskonfiguration

 Elemente mit Edelgaskonfiguration sind besonders stabil (bspw. sind Helium, Argon etc. nicht brennbar)

 Durch das Streben nach Edelgaskonfiguration können Reaktionen vorhergesagt werden.

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Beispiel

 Reaktion von Natrium (1 Valenzelektron) mit Chlor (7 Valenzelektronen)

– Na → Na⁺ + 1 e^- | Cl + 1 e^- → Cl^- – Gesamtreaktion: Na + Cl → NaCl

 Reaktion von Magnesium (2 Valenzelektronen) mit Chlor (7 Valenzelektronen)

– Mg → Mg²⁺ + 2 e^- | Cl + 1 e^- → Cl^- ∙ 2 – Gesamtreaktion: Mg + 2 Cl → MgCl₂

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Atombau, Quantenzahlen, Periodensystem

 Bohr‘sches Modell: Aufbau und viele Eigenschaften erklärbar

 Problematisch: Aufenthalt der

Elektronen auf „Bahnen“ messbar falsch

 Räumliche Gestalt der Moleküle nicht erklärbar

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Orbitalmodell

 Gleich geladene Teilchen (wie bspw. 2 Plus-Pole von Magneten) stoßen sich ab.

 Kann eine Kreisbahn größtmöglichen Abstand gewährleisten?

  Messungen: Wo halten sich bestimmte Elektronen auf?

(20)

Orbitale und Quantenzahlen

(21)

Orbitalmodell

 Messungen: Wo halten sich bestimmte Elektronen auf?

 Orbital: Beschreibt ein Volumen in der Kernumgebung, in welchem man das Elektron mit 90%-iger Wahrscheinlichkeit antrifft

(22)

Warum das Orbitalmodell?

 Im Bohr‘schen Modell …

– unterscheiden sich Elektronen einer Schale nicht hinsichtlich ihrer Eigenschaften.

– werden Schalen willkürlich besetzt.

 Im Orbitalmodell …

– unterscheiden sich Elektronen einer Schale hinsichtlich ihrer Eigenschaften.

– werden Schalen in festgelegter Reihenfolge besetzt.

(23)

Bonus

 Das Orbitalmodell …

– ist das zutreffendste Modell der Wirklichkeit (bis jetzt), – kann die räumliche Gestalt von Molekülen erklären und – erklärt die chemische Bindung (Doppel-,

Dreifachbindung etc.) deutlich einfacher.

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Orbitalmodell und Quantenzahlen

 Hauptquantenzahl n: n = 1,2,3

– Beschreibt die Schale des Elektrons – Werte: n = 1,2,3, …

 Nebenquantenzahl l: l = n-1

– Beschreibt die Form des Orbitals. Werte: 0,1,2, … – l = 0 → s-Orbital

– l = 1 → p-Orbital – l = 2 → d-Orbital – l = 3 → f-Orbital

 Magnetquantenzahl m (Orientierung des Elektrons bei Magnetfeld)

 Spinquantenzahl s (Elektronenspin)

(25)

Orbitale

 Merkregel: Je größer die Schale (n), desto mehr Elektronen beinhaltet sie.

Elektronenschale

Bezeichnung Reihenfolge Hauptquantenzahl n Maximale Elektronenzahl

K 1. 1 2

L 2. 2 8

M 3. 3 18

N 4. 4 32

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Exkurs

 Wie viele Elektronen pro Schale... ?

 Unterschalen? Orbitale pro Unterschalen?

 Nebenquantenzahl?

(27)

Schalen

 Die Anzahl der Unterschalen (l) pro Schale (n) wird durch 𝑙 = (𝑛 − 1) bestimmt.

 Für 𝑛 = 3 gibt es demnach 3 Unterschalen: 0,1 und 2.

– Diese werden als 3s (𝑙 = 0), 3p (𝑙 = 1) und 3d (𝑙 = 2) bezeichnet.

– Pro Unterschale gibt es 2𝑙 + 1 Orbitale

• 3s → 1 Orbital, 3p → 3 Orbitale, 3d → 5 Orbitale

(28)

Orbitale

 Wiederholung: Die Nebenquantenzahl l wird durch n-1 bestimmt.

Nebenquantenzahl l

Bezeichnung der

Unterschale Anzahl der Orbitale Elektronen pro

Orbital (Pauli) Maximale Elektronenzahl

s 1 2 2

p 3 2 6

d 5 2 10

f 7 2 14

(29)

Zusammenfassung

Elektronenschale

Hauptquantenzahl n

Nebenquantenzahl

l Unterschalen Maximale

Elektronenzahl

1 0 1 (s) 2

2 1 2 (s,p) (2+6 =) 8

3 2 3 (s,p,d) (2+6+10=)18

4 3 4 (s,p,d,f) (2+6+10+14=) 32

(30)

Wie werden Orbitale besetzt?

 Anders als bei Bohr: Festgelegte Reihenfolge (rote Pfeile)

 Für Interessierte: d-Orbitale werden aus Stabilitätsgründen erst nach den nächsthöheren s- Orbitalen besetzt)

(31)

Wie werden Orbitale besetzt?

 Beispiel: Natrium. ( ₁₁²³Na )

(32)

Wie werden Orbitale besetzt?

Elektronenkonfiguration Natrium:

1s² 2s² 2p⁶3s¹

↑↓

↓

↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓

↑

(33)

Aufgaben

 Elektronenkonfiguration Natrium: 1s² 2s² 2p⁶3s¹

 Weitere Beispiele: Lithium (₃⁷ Li), Kohlenstoff (¹²₆ C), Sauerstoff (¹⁶₈ O), Neon (₁₀²⁰ Ne), Eisen (₂₆⁵⁶ Fe)

(34)

Rechtliches

 Abbildungsnachweis:

Folie 2: http://de.wikipedia.org/wiki/Periodensystem

Folie 7: http://www.myvideo.de/watch/5627355/Chemische_Reaktion_Alkalimetalle_in_Wasser

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Die Angaben zu den Stoffen und Experimentieranleitungen wurden jedoch sorgfältig und nach bestem Gewissen erstellt und sind in jedem Falle zu beachten,.