Element- und Atombegriff heute

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Element- und Atombegriff heute

„elementares Gold“

Sehr edles, gelb glänzendes und duktiles Metall.

Hohe Leitfähigkeit von 312 Wm ^-1 K ^-1 . Hohe Dichte von 19,32 g/cm³.

Schmelzpunkt 1064 °C.

„atomares Gold“

Ein Atom mit 79 Protonen und 118 Neutronen Im Kern sowie 79 Elektronen mit der

Elektronenkonfiguration [Xe]6s ¹ 5d ¹⁰ in der Hülle.

196.96 Au

79

atomare Sicht

elementare Sicht

Entwicklung von Element- & Atombegriff

Altertum

6.-3. Jhd. v. Chr. Zwei unterschiedliche philosophische Schulen.

Atomistische Lehre (Demokrit, Leukipp)

Einführung des Atombegriffes ( ατοµοσ = unteilbar).

Materie besteht aus kleinsten, nicht weiter teilbaren Einheiten, den Atomen.

Es gibt eine begrenzte Anzahl von Atomen. Sie bewegen sich im Raum.

Vierelementlehre (Thales, Heraklit, Platon, Aristoteles) Materie besteht aus vier Elementen.

Aristoteles: Einführung von Elementeigen- schaften und der „quinta essentia“, dem Äther, einem alles umgebenden fünften Element. Umwandlungen der Elemente durch Liebe und Hass möglich.

Die Vierelementlehre setzt sich für die nächsten 2 Jahrtausende durch !!

Entwicklung von Element- & Atombegriff

Mittelalter

Ab dem 9.Jhd.

Hochentwickelte arabische Al-chimie, erst später setzt eine europäische Alchemie ein (vgl. Al-kohol, Al-kali, Al-aun, S´Al-miak, S´Al-peter).

Ibn Ruschd (1126): Die Materie ist nur begrenzt physikalisch teilbar.

1200-1600 Blütezeit der Alchemie in Europa.

Große Fortschritte auf dem Gebiet der präparativen Chemie, aber brüchiger theoretischer Unterbau. Oftmals Vermischung mit Esoterik und Astrologie (vgl. Quecksilber = mercury[eng.]). Einführen von kryptischen Geheimsprachen zum Hüten der „Erkenntnisse“.

Kupfer ≡ ≡ Venus Eisen ≡ ≡ Mars Gold ≡ ≡ Sonne Wichtige Vertreter sind z.B. Albertus Magnus (1193-1280) oder

Thomas von Aquin (1225-1274).

Entwicklung von Element- und Atombegriff

Neuzeit

1627-1691 Robert Boyle

• Legt dar, dass es nicht vier Elemente – Wasser, Erde, Feuer, Luft – sondern sehr viel mehr Elemente geben muss, um die Vielfalt der Stoffe zu erklären.

• Als Element müssen diejenigen

einheitlichen Stoffe bezeichnen werden,

die man auf keine Weise mehr in zwei

verschiedene andere Stoffe umwandeln

kann.

Entwicklung von Element- und Atombegriff

Neuzeit

1743-1794 Antoine Lavoisier

• Entdeckt eine Reihe von Elementen.

• Unterscheidet Stoffe in elementarer Form (matière) und als Bestandteil in

Verbindungen (principe).

z.B. Schwefel: matière sulfurique; Sauerstoff: matière oxygènique; Schwefelsäure: Hier ist das principe sulfurique – das Schwefelprinzip– mit dem principe oxygènique – dem säurezeugenden Prinzip wirksam.

• Auch Wärme und Licht sind matière.

• Entwickelt die Oxidationstheorie als Gegensatz zur damals gebräuchlichen Phlogiston-Theorie, einer Weiter-

entwicklung des „Äther“-Begriffes von

Aristoteles. "Traité élémentaire de chimie" von 1789

Daltonsche Atomhypothese

Neuzeit

1803 John Dalton

• Atome sind die kleinsten Teilchen chemischer Elemente.

• Atome unterschiedlicher Elemente besitzen unterschiedliche Massen.

• Alle Atome eines Elements sind untereinander gleich.

• Atome werden kugelförmig angenommen.

Daltons Theorie bewährt sich in der Praxis sehr gut. Sie erklärt auch die einige Jahre zuvor aufgestellten stöchiometrischen Gesetze.

Nach über 2000 Jahren knüpft damit wieder eine Theorie an die

Vorstellungen Demokrits an.

Daltonsche Atomhypothese

Zeitliche Entdeckung der Elemente

Entdeckung vieler neuer Elemente im im 18. & 19. Jhd.

(hauptsächlich aufgrund der aufkommenden Elektrizität).

Die Entwicklung des Periodensystems

• Entdeckung vieler neuer Elemente

• Die Kenntnisse über reine Stoffe wurden immer größer.

• Ein Ordnungssystem für die Elemente wurde immer dringlicher.

1817-1829 Einteilen damals bekannter Elemente mit ähnlichen Eigenschaften in Triaden durch J.W.Döbereiner, z.B.

Li Ca S Cl

Na Sr Se Br

K Ba Te I

Die Entwicklung des Periodensystems

1864 Der englische Chemiker John A.R. Newlands veröffentlicht das

"Gesetz der Oktaven”: Ordnet man die Elemente nach steigenden Atommassen folgt nach jeweils sieben Elementen ein Element, welches dem ersten in seinen Eigenschaften ähnlich ist.

1869 Dimitrij I. Mendelejew und Lothar Meyer formulieren diese Beziehungen schärfer und fassten sie zum Periodensystem der Elemente zusammen.

• Die Elemente werden nach ihrer Masse angeordnet.

• Grundlegende Eigenschaften der Elemente wiederholen sich periodisch.

Solche gleichartigen Elemente werden zu Gruppen zusammengefasst.

Aus den bleibenden Lücken schloss Mendelejew auf die Existenz und

Eigenschaften von noch fehlenden Elementen. Bald darauf wurde

Scandium und Germanium entdeckt. Dies verhalf dem Periodensystems

Mendelejews zum Durchbruch.

Frühe Periodensysteme

Urperiodensystem von Mendelejev (1869)

Periodensystem

von Pettenkofer (1900)

Fehler der frühen Periodensysteme

Das Ordnungsprinzip nach Atommassen führt zu offensichtlich falschen Anordnungen der Elemente:

• Argon (Ar) steht demnach in der Gruppe der Alkalimetalle, Kalium (K) steht dagegen bei den Edelgasen.

• Iod (I) steht im PSE vor Tellur (Te), Tellur wird den Halogenen zugeordnet.

• Nickel (Ni) und Cobalt (Co) sowie Protactinium (Pa) und Thorium (Th) tauschen ihre Plätze.

=> Nicht die relative Atommasse ist das Ordnungsprinzip des PSEs,

sondern eine andere, mit der Atommasse in Zusammenhang stehende

Größe gibt den Ausschlag.

Atomare Massen

Atomare Massen werden nicht in Gramm angegeben, sondern man führt die Einheit u ein (u=unit):

• 1u entspricht 1/12 der Masse eines Atoms des Kohlenstoffisotops ¹² C.

• 1u = 1.660566*10 ^-27 kg

• m _e = 9.109534*10 ^-31 kg = 5.48*10 ^-4 u

• m _n = 1.674954*10 ^-27 kg = 1.0087 u

• m _p = 1.672649*10 ^-27 kg = 1.0087 u

Massendefekt

z.B.: ⁴ He besteht aus 2 ¹ p + 2 ¹ n experimentelle Masse 4.0015 u

berechnete Masse 2 x 1.0073 + 2x 1.0087

= 4.0319 u

Differenz 0.0304 u

E = m c²

Kernbindungsenergie 2.72x10 ¹² J/mol

pro Nukleon 6.08x10 ¹¹ J/mol

Zum Vergleich: chemische Bindungen liegen im Bereich 10 ⁵ J/mol.

Aufbau der Atome und Ordnungsprinzip des PSE

• Atome bestehen aus einem Atomkern mit

Neutronen und Protonen, sowie einer Atomhülle aus Elektronen.

• Neutronen und Protonen bestimmen die Masse

des Atoms, die Elektronenmasse kann vernachlässigt werden.

• Die Zahl der Protonen und Elektronen entsprechen sich, Elektronen können durch chemische Reaktionen aus der Hülle entfernt oder hinzugefügt werden (= chemische Reaktion).

Kernladung Massenzahl

lementsymbol

Ladungszahl(Ionen)

E

hl Protonenza -

zahl Elektronen

ol lementsymb ahl

Neutronenz hl

Protonenza

szahl) hl(Ordnung

Protonenza ⁺ E

•Die Zahl der Elektronen

(und damit die Zahl der Protonen) bestimmt die Natur des Atoms.

Die Protonenzahl ist damit das ordnende Prinzip des PSE, nicht die Atommasse.

• Die Zahl der Neutronen und

Protonen kann chemisch nicht

verändert werden.

• 112 Elemente

ca. 1900 Nuklide (=unterschiedliche Atomkerne) davon: 340 natürliche

270 stabil

⇒ Die meisten Elemente sind Mischelemente!

• 20 Reinelemente

(alle außer Beryllium besitzen ungerade Ordnungszahlen):

Be, F, Na, Al, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Au, Bi Einteilung von Nukliden:

gleich verschieden verschieden Isotope

gleich gleich gleich Isomere

verschieden verschieden gleich Isobare

Protonenzahl (p)

Neutronenzahl (n)

Nukleonenzahl (m = p+n)

Bezeichnung

verschieden gleich verschieden Isotone

Nuklide

modernes Periodensystem

Ist das Periodensystem der Elemente universell gültig ?

"Gelegentlich bin ich gefragt worden, wie man so sicher sein kann, dass es nicht irgendwo im Weltall weitere Elemente gibt, die anders sind, als die im Periodensystem vorkommenden.

Ich habe darauf zu antworten versucht, indem ich sagte, dass dies etwa der Frage entspricht, woher man weiß, dass nicht irgendwo im Universum noch eine ganze Zahl zwischen 4 und 5 existiert.

Leider gibt es jedoch Leute, die auch dies für eine gute Frage halten."

(Georg Wald, 1964)

Mängel des Bohr´schen Modells

Nachdem sich das Bohr´sche Modell durch Einführung der Postulate noch einmal behaupten konnte, musste es kurze Zeit später endgültig fallen gelassen werden, denn nicht erklärt werden konnten:

• Linienintensitäten

• Feinaufspaltungen

• Mehrelektronensysteme

• Chemische Bindungen

=> Quantenmechanische Beschreibung der Elektronenhülle notwendig.

Zur Quantenmechanik

„... Es gab eine Zeit, als die Zeitungen schrieben, dass nur zwölf Menschen die Relativitätstheorie verstehen.

Ich bezweifle, dass es jemals solch eine Zeit gab. Es mag eine Zeit gegeben haben, als dies nur ein Mensch tat – nämlich bevor er seinen Artikel schrieb. Aber danach, als die Leute begonnen hatten, den Artikel zu lesen, verstanden viele Menschen die Relativitätstheorie in der einen oder anderen Weise – sicher mehr als zwölf.

Andererseits, denke ich, kann man sicher sagen, dass niemand die Quantenmechanik versteht."

(Richard Feynman, 1965)