2 Wie arbeite ich mit diesem Buch? Alles besteht aus kleinen Teilchen 2 Forschen – Finden – Ausprobieren 2 27 26 Wie groß ist ein Atom? Im Bild rechts siehst du, dass ein Atom so groß wie ein Fußballfeld wäre, wenn der Atomkern den Durchmesser einer Stecknadel hätte. Wie „groß“ ist aber ein Atom in Wirklichkeit? Damit du dir vorstellen kannst, wie „klein“ Atome sind, hier eine ungefähre Zahl: Ein Tropfen Wasser besteht aus über Hundert Milliarden Billionen = 100 Trilliarden (100 000 000 000 000 000 000 000 = 100 · 1021) Atomen! Da ein Atom unvorstellbar klein ist, kann es mit herkömmlichen Methoden nicht gemessen werden. Versuchsanleitung: 1. Gib auf jedes Uhrglas eine Spatelspitze eines Salzes. 2. Tauche das Magnesiastäbchen in die Salzsäure und glühe es in der Flamme des Gasbrenners so lange aus, bis keine Flammenfärbung mehr zu erkennen ist. Lass es dann kurz abkühlen. 3. Tauche das Magnesiastäbchen in die Salzsäure und nimm mit dem Stäbchen einige Kristalle eines Salzes (Kaliumchlorid, Lithiumchlorid oder Natriumchlorid) auf. 4. Halte das Magnesiastäbchen in den heißen Teil (Mitte) der Flamme. Beobachte die Färbung der Flamme und trage dein Ergebnis in die Tabelle ein. 5. Beginne wieder bei Punkt 2, bis du alle drei Salze getestet hast. Wie verfärbt sich die Flamme? Salz Flammenfärbung Wie kommt es zu der Flammenfärbung? Durch die Energie der Flamme können sich die Elektronen im Atom bewegen und auf ein höheres Energieniveau angehoben werden. Dies nennt man den „angeregten Zustand“. Dieser Zustand hält aber nicht lange an und die Elektronen „fallen“ wieder auf ihr ursprüngliches Energieniveau zurück. Dabei wird die vorher zugeführte Energie frei und diese können wir in Form von farbigem Licht sehen. Dieses Phänomen wird unter anderem für Feuerwerke genutzt. Ausflug in die Berufswelt Weißt du, wie der Beruf heißt, bei dem Menschen Feuerwerke planen und durchführen? Atomkern angeregter Zustand Grundzustand Licht Was hat das Periodensystem mit Feuerwerken zu tun? Wie hängt ein Feuerwerk mit Chemie zusammen? Finde es bei diesem Versuch selbst heraus! Du brauchst: • Magnesiastäbchen • 3 Uhrgläser • kleines Becherglas • Spatel • Bunsenbrenner • Feuerzeug • Kaliumchlorid • Lithiumchlorid • Natriumchlorid • 10 %ige Salzsäure • Schutzbrille Fülle etwas Wasser in ein breites, niedriges Gefäß (zB eine Petrischale) und bestreue die Oberfläche mit Bärlappsporen. Tropfe mit einer Pipette 0,1 ml Ölsäure auf die Mitte der Wasseroberfläche und miss den Durchmesser des Ölflecks. Durchmesser des Ölflecks: Nun kannst du aus dem Volumen und der Fläche des Ölflecks die Höhe berechnen. Die Höhe des Ölflecks entspricht in etwa der Dicke eines einzelnen Öl-Moleküls (0,1 ml = 100 mm3). Fläche des Ölflecks: Volumen des Ölflecks: Höhe des Ölflecks: Bedenke: Ein Öl-Molekül besteht aus über 50 Atomen. Du kannst die ungefähre Größe eines Atoms ausrechnen, indem du die Größe des Öl-Moleküls durch vier rechnest. Tipp: Volumen = Fläche·Höhe Zu welchem Ergebnis kommst du mit deiner Gruppe? Was sagt deine Lehrerin bzw. dein Lehrer dazu? Recherchiere im Internet, wie die Größe von Atomen gemessen wird. Halte es hier fest: Materialien Petrischale Pipette Wasser Bärlappsporen Ölsäure Elektronenhülle Atom mit Atomhülle d ≈ 100 000 fm ≈ 1 Ångström ≈ 0,0000001 mm Atomkern d ≈ 10 fm Proton/ Neutron d ≈ 1,5 fm Wie kannst du die Größe eines Atoms im Versuch bestimmen? Erarbeitungs-Doppelseite 2 Alles besteht aus kleinen Teilchen 2 Digitales Zusatzmaterial xxxxxx 19 18 Atome, die Bausteine der Materie Wusstest du, dass die Geschichte der Atome vor 13,7 Milliarden Jahren mit dem Urknall begann? Eine hunderttausendstel Sekunde später entstanden die ersten Bausteine der Materie, unter anderem Protonen und Neutronen. Erst nach rund 380 000 Jahren bildeten sich aus herumschwirrenden Elektronen und den Atomkernen (Protonen und Neutronen) vollständige Atome. In diesem Kapitel werden wir uns näher mit den Atomen und ihrem Aufbau beschäftigen. Alles besteht aus kleinen Teilchen Atome – ein langer Weg der Entdeckung Bereits in der Antike vermutete der griechische Philosoph Demokrit (460–371 v. Chr.), dass alle Stoffe aus kleinsten unteilbaren Teilchen bestehen. Diese Teilchen nannte er Atome (griech.: atomos = unteilbar). Seine Ideen blieben jedoch lange Zeit unbewiesen. Der griechische Philosoph Aristoteles stellte kurz nach Demokrit eine andere Theorie vom Aufbau der Materie auf, die sich lange Zeit durchsetzte. Recherchiere dazu im Internet! Der englische Forscher John Dalton (1766–1844) nahm Demokrits Idee mit den kleinsten Teilchen wieder auf. Im Jahr 1803 gelangen ihm experimentelle Hinweise auf diese Teilchen. Er übernahm Demokrits Ausdruck ‚Atom‘. Bei seinen Versuchen stellte Dalton fest, dass die Atome eines Elements einander gleichen. Atome von unterschiedlichen Elementen unterscheiden sich dagegen in Größe und Masse. Zeichne deine Vorstellung eines Atoms! Vergleicht gemeinsam! Atome sind so klein, dass sie mit bloßem Auge nicht sichtbar sind. Durch technische Methoden, wie zB der Rastertunnelmikroskopie, können diese abgebildet werden. Um uns eine ungefähre Vorstellung zu ermöglichen, verwenden wir für ihre Darstellung Modelle. Im Laufe der Zeit entwickelten sich verschiedene Atommodelle: Kugelteilchenmodell: Dieses Modell wurde von John Dalton aufgestellt und geht von einer kugelförmigen Gestalt der Atome aus. Kern-Hülle-Modell (B2): Der englische Atomphysiker Ernest Rutherford (1871–1937) leitete den ungefähren Aufbau von Atomen aus einem Versuch ab. Im Zentrum jedes Atoms befindet sich ein winziger, positiv geladener Kern. Über 99,9 % der Atommasse befinden sich in diesem Atomkern. Den Kern umkreisen mit großer Geschwindigkeit die winzigen, negativ geladenen Elektronen in der Atomhülle. B1 Die Elemente im menschlichen Körper (in %) Sonstige (zB Stickstoff, Calcium, Phosphor, …) ï Heute weiß man durch die moderne Atomphysik, dass Atome nicht unteilbar sind. Atome sind die grundlegenden Bausteine der Materie. Sie lassen sich mit chemischen Mitteln nicht weiter zerlegen. ï Ein Modell ist ein Hilfsmittel und stellt nie die Wirklichkeit dar (siehe Seite 8). B2 Das Kern-Hülle-Modell Atomkern Elektron Atomhülle Atome bestehen aus einem winzigen Atomkern und einer Atomhülle. Der Kern ist positiv geladen und enthält über 99,9 % der Atommasse. In der Hülle befinden sich negativ geladene Elektronen. Schalenmodell (B3): Hier stellt man sich vor, dass Elektronen den Atomkern in bestimmten Energieniveaus umkreisen. Jedes Energieniveau kann nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen. Es gibt maximal sieben Energieniveaus, die mit den Buchstaben K bis Q von innen nach außen bezeichnet werden. Entwickelt wurde das Schalenmodell 1913 vom dänischen Physiker Nils Bohr. Orbitalmodell: Hier wird die Verteilung der Elektronen im Atom auf Grundlage der Quantenmechanik beschrieben. Es gibt bestimmte Bereiche, die Orbitale, in denen sich die Elektronen wahrscheinlich aufhalten. Einen wichtigen Beitrag dazu lieferte der deutsche Physiker Werner Heisenberg im Jahr 1927 mit seiner Unschärferelation. Wie sind Atome aufgebaut? Der Atomkern besteht aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen. Bereich Elementarteilchen Masse [g] x 10–24 Ladung Kern Proton p+ 1,673 + 1 Neutron n 1,675 keine Hülle Elektron e– 0,000911 – 1 Aus der Anzahl der Protonen leitet sich die Kernladungszahl oder Ordnungszahl ab. Atome eines Elements haben immer gleich viele Protonen im Kern wie Elektronen in der Hülle. Die Anzahl der Protonen bestimmt das Element. Aus der Summe der Protonen und Neutronen leitet sich die Massenzahl ab. Wenn Atome eines Elements gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen haben, dann spricht man von Isotopen. Wie lautet die Massen- bzw. Ordnungszahl von Lithium? Wodurch werden die chemischen Eigenschaften der Atome bestimmt? Die chemischen Eigenschaften eines Atoms werden durch die Elektronen bestimmt. Für das chemische Verhalten des Elementes ist das äußerste Energieniveau, das noch mit Elektronen besetzt ist, von größter Bedeutung. Für das äußerste Energieniveau gilt, dass es mit maximal acht Außenelektronen besetzt sein darf. Außenelektronen nennt man auch Valenzelektronen. Welche Rolle spielen die Elektronen beim elektrischen Strom? Atomkern mit 7 Protonen Atomhülle mit 7 Elektronen B3 Schalenmodell (Stickstoff-Atom) 0 0 + + + 0 0 Neutron Atomkern Proton Elektron B4 Aufbau eines Lithium-Atoms Manche Elemente wurden nach ihrem Entdeckungsort oder nach bedeutenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern benannt. Das Element Meitnerium ist nach der österreichischen Physikerin Lise Meitner benannt. Atomkerne bestehen aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen. Die Protonenzahl sagt uns, um welches Element es sich handelt ï Die Elektronen im äußersten besetzten Energieniveau heißen Außenelektronen (Valenzelektronen). Die chemischen Eigenschaften eines Elementes werden durch die Anzahl der Außenelektronen bestimmt. ï Übungs-Doppelseite Forschen, Finden, Ausprobieren Auf diesen Seiten kannst du dich noch weiter in das Thema vertiefen. Das kann ich 2 Alles besteht aus kleinen Teilchen 2 21 20 Atome, die Bausteine der Materie 1 Erkläre, woher der Begriff ‚Atom‘ kommt: 2 Ordne die Atommodelle richtig zu! Male zusammengehörende Kästchen mit derselben Farbe an. Kugelteilchenmodell Im Zentrum jedes Atoms befindet sich ein winziger, positiv geladener Atomkern. In der Atomhülle bewegen sich die negativ geladenen Elektronen. Kern-Hülle-Modell Es gibt bestimmte Bereiche, in denen sich die Elektronen mit großer Wahrscheinlichkeit aufhalten. Schalenmodell Atome haben eine kugelförmige Form. Orbitalmodell Elektronen umkreisen den Atomkern in bestimmen Energieniveaus. 3 Erkläre, warum es verschiedene Atommodelle gibt: 4 Begründe, warum die Bezeichnung Atom für die Bausteine der Materie unpassend ist: 5 John Dalton kam aufgrund seiner Forschungen auf folgende Atomhypothesen: Welche der Aussagen sind richtig und welche können aus heutiger Sicht der Wissenschaft als falsch eingestuft werden? Kreuze an! richtig falsch Alle Atome desselben Elements sind untereinander gleich. Atome unterschiedlicher Elemente haben unterschiedliche Masse und die gleiche Größe. Atome sind unveränderlich. Jedes Element besteht aus chemisch unteilbaren Teilchen, den Atomen. 6 Vervollständige die Tabelle. Bereich Elementarteilchen Masse [g] · 10–24 Symbol Ladung 1,673 p+ + 1 1,675 n keine 0,000911 e– – 1 W W W, S W, S W W 7 Erkläre die Begriffe. Kernladungszahl: Massenzahl: Isotope: 8 Erstelle mithilfe einer Computersimulation (Suchbegriff „Build an atom“) das Schalenmodell eines Kohlenstoff-Atoms. Recherchiere, welche Kohlenstoff-Isotope es gibt und baue sie nach. Welches davon kommt auf der Erde am häufigsten vor? Mache einen Screenshot von deinem Ergebnis. Drucke den Screenshot aus und klebe ihn in dein Chemie-Heft. 9 Die Energieniveaus der Atomhülle haben nicht beliebig viel Platz für Elektronen. Mit der Formel 2n2 (wobei n das Energieniveau ist) kannst du dir leicht die maximale Zahl an Elektronen im Energieniveau ausrechnen. Es sind jedoch nie mehr als 32 Elektronen! Ergänze die Tabelle. Zum Beispiel: M ist das 3. Energieniveau, also ist die maximale Anzahl der Elektronen 2 · 32 = ? Berechne die maximale Anzahl der Elektronen in den Energieniveaus K bis N. Energieniveaus (n) 1 (K) 2 (L) 3 (M) 4 (N) 5 (O) 6 (P) 7 (Q) maximale Elektronenzahl 32 32 32 10 Elemente werden mithilfe von Symbolen dargestellt. Für das chemische Symbol nimmt man meistens den ersten oder die ersten zwei Buchstaben des Elementnamens. Bei einigen Atomen leitet sich das Elementsymbol von der lateinischen oder griechischen Bezeichnung des Elements ab. Die Massenzahl und die Ordnungszahl werden wie im Beispiel beim Elementsymbol angegeben. • Suche im Periodensystem deines Buches den deutschen Namen der Elemente und schreibe ihn in die Tabelle. • Finde mithilfe eines Wörterbuchs oder des Internets den englischen Namen heraus und schreibe ihn ebenfalls in die Tabelle. • Ergänze die Massen- und Ordnungszahl beim Symbol. Symbol lateinischer oder griechischer Name deutscher Name englischer Name 12C Carboneum (lat.) Kohlenstoff 6O Oxygenium (gr.) H Hydrogenium (gr.) Cu Cuprum (lat.) Au Aurum (lat.) Na Natrium (lat.) N Nitrogenium (gr.) W W, E W, E C12 6 Massenzahl Ordnungzahl W, S Auf diesen Seiten lernst du ein neues Thema kennen. Hier findest du Wissen zum Thema, Aufgaben zur Erarbeitung und Versuche. Liebe Schülerin, lieber Schüler, auf dieser Doppelseite zeigen wir dir, wie „Impuls Chemie“ aufgebaut ist. Das Schulbuch hat zwölf Abschnitte. Jeder Abschnitt besteht aus zwei Kapiteln mit je einer Erarbeitungs-Doppelseite und einer Übungs-Doppelseite. Am Ende jedes Abschnitts kannst du auf einer Doppelseite selbst erforschen, Spiele spielen, Versuche ausprobieren und noch viel mehr. „Impuls Chemie“ hat zwölf Abschnitte, die jeweils aus 10 Seiten bestehen: 2 Seiten Erarbeitung 2 Seiten Übungen 2 Seiten Erarbeitung 2 Seiten Übungen 2 Seiten Forschen, Finden, Ausprobieren Du findest hier Versuche, Spiele, Bauanleitungen und vieles mehr. Probiere es aus! Hier kannst du deine Kompetenzen mit Aufgaben und Versuchen festigen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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