Arbeitsblatt: Aufbau der Stoffe

Aufbau der Stoffe Ich kann genau erklären wie ein Atom aufgebaut ist Ich kann die Grösse eines Atoms mit einem Vergleich aufzeigen Ich kann erklären, wie ein Molekül aufgebaut ist Ich kann einfache Moleküle mit einem Kugelmodell (Kalottenmodell) zeichnen Ich kenne verschiedene Elemente und kenne einige Eigenschaften Ich kann Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle unterscheiden Ich weiss, wie viele Elemente man heute etwa kennt Ich kenne den Aufbau des Periodensystems und kann daraus verschiedene Informationen über Elemente herauslesen Ich kenne die Kurzschreibweise der wichtigsten Elemente Ich weiss was Elektronenschalen sind und kann die Elektronenkonfiguration verschiedener Elemente zeichnen Ich weiss wie aus Elementen Verbindungen entstehen Ich weiss, was das „Edelgasprinzip ist fühle ich mich noch unsicher fühle ich mich sicher beherrsche ich verstehe ich nicht Nl Lernziele Aufbau der Stoffe Das Teilchenmodell Nl Grosse und kleine Teilchen Einheitliche Stoffgemische wie Salzwasser sind in ihre verschiedenen Komponenten zerlegbar, obwohl im Gemisch kein Salz sichtbar ist. Wie ist das möglich? Offenbar haben sich die Salzkristalle im Wasser aufgelöst, das heisst sie sind unsichtbar klein geworden. Versuch: Wir mischen 50 ml Alkohol mit 50 ml Wasser. Wir erwarten ein Gesamtvolumen von ml. Beobachtung: Erklärung: In den Naturwissenschaften bedient man sich oft eines Modells, damit man sich eine Vorstellung von einem Phänomen machen kann. Ein Modell ist also eine vereinfachte Darstellung und kein Abbild der Wirklichkeit! Aufbau der Stoffe Nl Das Teilchenmodell II Die kleinsten Teilchen besitzen eine Eigenbewegung Stark riechende Stoffe, wie etwa Parfüm, die in einem offenen Gefäss auf dem Tisch stehen, sind nach kurzer Zeit überall im Raum wahrzunehmen. Die Geruchsteilchen verdunsten und verteilen sich im ganzen Raum – auch beim Fehlen jeglicher Luftströmung. Diesen Ausbreitungsvorgang nennt man. Aber nicht nur in Gasen, sondern auch in Flüssigkeiten können sich Teilchen durch Diffusion ausbreiten. Die Diffusion lässt sich auch mit dem Teilchenmodell erklären. Dazu nimmt man an, dass die kleinsten Teilchen eines Stoffes ständig in Bewegung sind. Wegen dieser Eigenbewegung verteilen sie sich im ganzen Raum. Beginn nach nach Wenn man für den Färbeversuch warmes statt kaltes Wasser nimmt, läuft die Diffusion schneller ab, weil Die Geschwindigkeit der Teilchen Die Geschwindigkeit der kleinsten Teilchen ist sehr gross Trotzdem kommen sie nur langsam voran: sie stossen schon nach sehr kurzen Strecken von nur etwa 0,0001 mm mit anderen Teilchen zusammen – wie Billardkugeln. Dabei ändern sie ständig ihre Bewegungsrichtung: sie bewegen sich in unregelmässigen Zickzacklinien. Mit steigender Temperatur nimmt die Geschwindigkeit zu. Berechne die Geschwindigkeit eines Autos in m/s, wenn es 100 km/h fährt. Berechne die Geschwindigkeit von Wasserstoffteilchen bei 0Grad in km/h. Berechne die Geschwindigkeit von Sauerstoffteilchen bei 1000C in km/h. Aufbau der Stoffe Nl Die kleinsten Teilchen Atome Bereits 400 v. Chr. hat sich der Grieche die Natur als ein Gebilde vorgestellt, das aus kleinsten aufgebaut ist. Diesen kleinsten Teilchen sagte er (gr. atomos unteilbar). Während rund 200 Jahren wurde die Idee von Demokrit vergessen. Erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts nahm sie der Engländer wieder auf und entwickelte daraus die moderne Atomtheorie. Danach bestehen die aus kleinsten Teilen, den . Diese Atome verbinden sich zu den kleinsten Verbindungen, den . Beispiel: aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen entsteht Wasser (O 2H H2O). Anfangs des 20. Jahrhunderts konnte beweisen, dass auch Atome aus noch kleineren Teilchen aufgebaut sind. Er stellte fest, dass Atome keine kompakten Kugeln sein konnten. Atome bestehen aus einem Kern und einer Hülle. Sie sind unvorstellbar klein. Ein Vergleich, um sich die Grösse des Atomkerns vorzustellen: zu zu Es gibt verschiedene Sorten von Atomen. Bis heute kennt man 115 Sorten. Ein Stoff, der aus Atomen der gleichen Sorte zusammengesetzt ist, nennt man auch chemisches Element. Daher gibt es auch 115 chemische Elemente. Die Atome haben unterschiedliche Massen. Das leichteste Atom ist Wasserstoff, ihm wurde das Gewicht 1 gegeben. Quecksilberatome haben das Gewicht 200, sind als 200 mal schwerer als Wasserstoffatome. Zur Bezeichnung von Atomen und Elementen benutzt man Elementensymbole. Sie sind vom lateinischen Namen des Elementes abgeleitet. Beispiel: Sauerstoff Oxigenium O Moleküle Neben den Elementen, die nur aus einer Sorte Atome aufgebaut sind, gibt es tausende von Stoffen, die aus verschiedenen Atomsorten zusammengesetzt sind. Beispiel: Zucker: 6 Kohlenstoffatome 12 Wasserstoffatome 6 Sauerstoffatome Ein solches aus verschiedenen Atomsorten zusammengesetztes Gebilde nennt man Molekül. Aufbau der Stoffe Nl Wie ist ein Atom aufgebaut? Rutherfords Kern-Hülle-Modell Ernest Rutherford fand durch Experimente heraus, dass ein Atom aus einem Kern und einer Hülle besteht. Danach befindet sich im Zentrum jedes Atoms ein winziger, geladener Kern. Er enthält über 99,9% der Masse eines Atoms und wird aus kleinsten elektrisch positiv geladenen Teilchen, den Protonen gebildet. Später wurden dann auch noch neutrale Teilchen die Neutronen, im Atomkern entdeckt. Ihr Durchmesser beträgt 0,00000000001mm. Der Atomkern ist von einer nahezu leeren Atomhülle umgeben. Sie wird von winzigen elektrisch negativ geladenen Elektronen gebildet, die sich sehr schnell um den Kern bewegen. Die Atomhülle ist fast 100000mal grösser als der Atomkern. Obwohl ein Atom demnach zum grössten Teil aus leerem Raum besteht, ist es nicht etwa zerbrechlich wie eine Seifenblase, sondern es ist ein überaus stabiles Teilchen. Man müsste einen Druck von Milliarden Tonnen pro cm 2 ausüben, um die Atomhülle zu zerquetschen. Das Atom ist nicht das kleinste Teilchen Hülle: Kern: Niels Bohr, dänischer Physiker, befasste sich mit dem Aufbau der Atomhülle. Nach Bohr wiederholt sich das Planetensystem der Sonne in jedem Atom. Ähnlich sie Planeten in verschiedenen Bahnen um die Sonne kreisen, kreisen Elektronen auf ganz bestimmten Bahnen um den Atomkern. Dabei gibt es sieben solcher Bahnen oder Elektronenschalen, welche alle unterschiedliche Abstände zum Kern aufweisen. Aufbau der Stoffe Das Periodensystem der Elemente Nl Da ein Atom nach aussen hin neutral ist, befinden sich im Atomkern gleich viele positiv geladene Protonen wie in der Atomhülle negativ geladene Elektronen. Die Neutronenzahl im Kern hat nur einen Einfluss auf das Atomgewicht, nicht aber auf die Ladung des Atoms! Schon zu Beginn des 19. Jahrhunderts hatten verschiedene Chemiker entdeckt, dass gewisse Elemente (z.B. Eisen und Kupfer) in ihren chemischen Eigenschaften einander ähnlich sind. 1868 und 1869 fanden der Russe Dimitri Mendelejew und der Deutsche Lothar Meyer unabhängig voneinander die noch heute gültige Anordnung der bekannten chemischen Elemente. Sie stellten dabei fest, dass die Eigenschaften der Elemente in periodischer Weise regelmässig wechseln. So entstand nach und nach das wichtige Verzeichnis der bekannten Elemente, das Periodensystem. Die Einteilung des Periodensystems in Perioden und Gruppen 1) Perioden: Die waagrechten Reihen heissen Perioden. Innerhalb jeder Periode nimmt der Metallcharakter der Elemente von links nach rechts ab. Die Elemente besitzen immer die gleiche Zahl an Elektronenschalen. 2) Gruppen: Die senkrechten Reihen heissen Gruppen. Innerhalb jeder Gruppe nimmt der Metallcharakter der Elemente von oben nach unten zu. Elemente, die in der selben Gruppe stehen, sind chemisch miteinander verwandt. Die Elemente besitzen auf ihrer äussersten Schale immer die gleiche Anzahl Elektronen. Bezeichnungen im Periodensystem ( Protonen- und Neutronenzahl) (Ordnungszahl) Die obere Zahl ist die Atommasse. Sie gibt an, wie viele Protonen und Neutronen im Kern vorhanden sind. Die Ordnungszahl gibt die Elektronenzahl an. Damit das Element nach aussen neutral ist, müssen Elektronen wie Protonen vorhanden sein. Im Fall von Lithium (Li) sind das also drei. Die Atommasse macht der des Atoms aus. Die Atommasse runden wir auf oder ab. Für Lithium also 7. Da es im Kern 3 Protonen hat, erhalten wir zu den Protonen noch 4 Neutronen. Ein Proton bzw. ein Neutron zählen bei der Atommasse immer 1. Warum steht dann bei Lithium 6,94 und nicht 7? In der Natur kommen Lithiumatome meistens mit 4 Neutronen vor. Vereinzelt gibt es aber welche mit nur 3, das sind so genannte . Zusammengezählt ergibt sich dann der Mittelwert von 3,94 Neutronen pro Atom. Aufbau der Stoffe Das Periodensystem der Elemente II Nl Aufbau der Stoffe Das Periodensystem der Elemente III Nl Aufbau der Stoffe Verwendungszweck der Elemente Nl Aufbau der Stoffe Nl Übungen zum Periodensystem 1. Benenne die ersten 20 Elemente. He Li Be Ne Na Mg Al Si Cl Ar Ca 2. Welche Ordnungszahlen besitzen folgende Elemente? Argon Bor Fermium Silber Iod Titan 3. Welche Massenzahlen besitzen die folgenden Elemente? Runde die Werte auf ganze Zahlen. Europium Helium Kohlenstoff Nickel Vanadium Quecksilber 4. Wie viele Protonen besitzt ein Bleiatom? 5. Wie viele Elektronen besitzt ein (ungeladenes) Zinkatom? 6. Wie viele Neutronen besitzt ein Xenonatom? 7. Welches Atom besitzt im ungeladenen Zustand 13 Elektronen? 8. Welches Atom besitzt 110 Neutronen? 9. Welches Atom besitzt 17 Protonen? 10. Wähle ein chemisches Element aus. Notiere sämtliche Eigenschaften, die du zu diesem Element aus dem Periodensystem herauslesen kannst. Was weißt du sonst noch über dieses Element? Aufbau der Stoffe Nl Die wichtigsten Hauptgruppen im Periodensystem Gruppe 1 IA 2 II 3 III 4 IV 5 VB 6 7 8 9 10 VI VII VIII VIII VIII 11 IB 12 II 13 III 14 IV 15 VA 16 17 18 VI VII VIII Periode Schale 1 1 2 3 Li 4 Be 5 6 7 8 3 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 4 19 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 5 37 Rb 38 Sr 39 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 6 55 Cs 56 Ba 57 La 72 Hf 73 Ta 74 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 7 87 Fr 88 Ra 89 104 ** Ac Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 Ds 111 Rg 112 Uub 113 Uut Lanthanoide 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu ** Actinoide 90 Th 91 Pa 92 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr Legende: Gruppe 1 2 He 9 10 Ne 16 17 Cl 18 Ar 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 54 Xe 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 117 Uus 118 Uuo 114 115 116 Uuq Uup Uuh Natürliche Elemente Alkalimetalle Erdalkalimetalle Lanthanoide Actinoide Übergangsmetalle Künstliche Elemente Metalle Halbmetalle Halogene Edelgase Nichtmetalle 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Aufbau der Stoffe Nl Die wichtigsten Hauptgruppen im Periodensystem IA II III IV VB VI VII VIII VIII VIII IB II III IV VA VI VII VIII Periode Schale 1 1 2 3 Li 4 Be 5 6 7 8 3 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 4 19 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 5 37 Rb 38 Sr 39 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 6 55 Cs 56 Ba 57 La 72 Hf 73 Ta 74 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 7 87 Fr 88 Ra 89 104 ** Ac Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 Ds 111 Rg 112 Uub 113 Uut Lanthanoide 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu ** Actinoide 90 Th 91 Pa 92 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr Legende: 2 He 9 10 Ne 16 17 Cl 18 Ar 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 54 Xe 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 117 Uus 118 Uuo 114 115 116 Uuq Uup Uuh Natürliche Elemente Alkalimetalle Erdalkalimetalle Lanthanoide Actinoide Übergangsmetalle Künstliche Elemente Metalle Halbmetalle Halogene Edelgase Nichtmetalle Aufbau der Stoffe Die wichtigsten Hauptgruppen im Periodensystem Nl Besonders deutlich ist die Übereinstimmung der Eigenschaften bei den Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, den Halogenen und den Edelgasen: Die Elemente der Alkalimetalle sind Wasserstoff wobei Wasserstoff eine Sonderstellung einnimmt, da es ein Nichtmetall ist Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium und Francium. Die einzelnen Elemente kommen in der Natur nur in Verbindungen vor. Die Alkalimetalle haben eine geringe Schmelztemperatur, reagieren schnell und heftig mit Wasser und Sauerstoff, haben niedrige Dichten, sind allesamt brennbare Leichtmetalle und zeigen charakteristischen Flammenfärbungen. Die Erdalkalimetalle zeigen ein ähnliches Verhalten wie die Alkalimetalle, sind aber in allen Eigenschaften abgeschwächt. Zu dieser Gruppe gehören Beryllium, Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium und Radium Die Elemente der Halogene, die auch Salzbildner genannt werden, sind Fluor, Chlor, Brom, Iod und Astat. Auch diese Elemente kommen in der Natur nur in Verbindungen vor und reagieren heftig mit Wasserstoffgas (zu Säuren), Metallen (zu Salzen) und sind zudem farbig und gesundheitsschädlich bis giftig. Da Fluor und Chlor recht schnell und aggressiv an der Luft reagieren, sollte man vorsichtig sein, mit ihnen Versuche durchzuführen. Die Elemente der Edelgase sind Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon. Sie kommen in der Natur nur elementar vor. Die Edelgase sind geruchlos, farblos und gasförmig. Sie sind in der Luft nur in geringer Menge vorhanden und reagieren so gut wie nicht mit anderen Stoffen; eine Eigenschaft, die sie mit den Edelmetallen gemeinsam haben. Deshalb nennt man sie Edelgase. Die Tatsache, dass die Elemente der Hauptgruppen ähnliche Eigenschaften haben, hängt mit dem Aufbau der Atome zusammen. Die Hauptgruppenelemente versuchen durch Reaktionen mit anderen Stoffen eine Edelgaskonfiguration der Elektronenhülle zu erreichen. Elemente in derselben Hauptgruppe müssen gleich viele Elektronen abgeben oder aufnehmen, um dies zu erreichen; daher resultieren die gleichen Eigenschaften. Aufbau der Stoffe Ein chemisches Element unter der Lupe Zu zweit bereitet ihr einen Kurzvortrag zu einem chemischen Element vor. Was soll Dein Kurzvortrag enthalten? Allgemeine Informationen zu eurem chemischen Element, die ihr aus dem Periodensystem der Elemente herauslesen könnt. Vorkommen eures chemischen Elements im Alltag Besonderheiten Evtl. Stoffe präsentieren, die euer chemisches Element enthalten. Nicht nur sprechen, sondern auch bildlich erklären! Allgemeine Bestimmungen Partnerarbeit Zeit: 200 Sekunden Folgende chemische Elemente stehen zur Auswahl: Iod Helium Silicium Kupfer Calcium Radium Natrium Aluminium Silber Stickstoff Phosphor Chlor Materialien Medien: Artikel über das Element, Nachschlagewerke, Chemiebücher, Periodensystem der Elemente, HP-Folien, Wandtafel, Alltagsgegenstände, u.s.w. Nl Aufbau der Stoffe Nl Rätsel zum Periodensystem Versuche, das Rätsel mit Hilfe deines Periodensystems zu lösen. Schreibe Zahlen als Wort! Als Lösungswort erhältst du den Namen und das Geburtsland jenes Chemikers, der das Periodensystem erstmals aufgestellt hat. Element mit 77 Protonen im Kern Element mit der Massenzahl 65 Element mit der Ordnungszahl 24 Dieses Element hat 88 Elektronen Symbol für Platin Seltenes Element der sechsten Periode Element der 6.Periode mit zwei Außenelektronen Element der 4.Periode, I. Hauptgruppe Edelgas Besitzt 22 Protonen im Kern Welches Element wird mit Rb abgekürzt? Element der 4.Periode, VI. Hauptgruppe Element mit der Massenzahl 197 Welches Element wird mit Pb abgekürzt? Spurenelement für den Körper, VII. Hauptgruppe (I J) Symbol für Eisen Massenzahl von Kohlenstoff Ordnungszahl von Beryllium Welches Element hat das Symbol Cm? Symbol für Antimon Element mit 47 Elektronen Massenzahl von Bor Die Ordnungszahl dieses Elements ist 92 Dieses Element hat 50 Protonen im Kern Edelgas mit der höchsten Ordnungszahl Aufbau der Stoffe Elektronenschalen Nl Aufteilung von Elektronen Um den Atomkern herum fliegen die Elektronen in verschiedenen „Schalen. Die erste Schale kann 2 Elektronen aufnehmen, jede weitere 8 Elektronen. Zeichne die Elektronen des Atoms Neon in die nebenstehende Darstellung ein Geben und Nehmen, um wie ein Edelgas zu sein Ein Naturprinzip ist die Grundlage aller chemischen Bindungen. Alle Elemente möchten gerne eine Elektronenhülle wie ein Edelgas haben. Edelgase sind chemisch sehr träge, stabile Elemente. Andere Elemente, wie z.B. Natrium oder Chlor, zeichnen sich dagegen durch eine besonders starke Reaktionsfreudigkeit aus. Wie kommt das? Edelgase sind Elemente in der Gruppe . Das heisst, dass sie ihre vollständig mit Elektronen haben. Aufnahme/Abgabe von Elektronen Alle Atome versuchen, durch Abgeben eigener Elektronen aus der äussersten Schale oder durch die Aufnahme von Elektronen fremder Atome ihren Aufbau so zu verändern, dass sie scheinbar wie Edelgase aussehen. Natrium gibt sein äusserstes Elektron ab, es wird dadurch elektrisch geladen, denn es hat nun eine Protonenladung zu viel. Aus dem Natriumatom wird durch das Abgeben einesein. Umgekehrt nimmt zum Beispiel Chlor, welches auf der äussersten Schale 7 Elektronen hat, sehr bereitwillig ein Elektron eines anderen Atoms auf. In gleicher Weise gibt z.B. Calcium 2 Aussenelektronen ab, der Sauerstoff nimmt 2 freie Elektronen auf. Nicht alle Gruppen im Periodensystem können leicht Ionen bilden. Je weniger Elektronen aufgenommen oder abgegeben werden müssen, desto leichter erfolgt eine Ionenbindung. Kohlenstoff in der Gruppe IV kann z.B. nicht 4 Elektronen aufnehmen oder abgeben. Auch für Aluminium in der Gruppe III ist das Abgeben von 3 Elektronen nur ausnahmsweise möglich. Aufbau der Stoffe Verteilung der Elektronen Nl Aufbau der Stoffe Die Oktettregel Nl Aufbau der Stoffe Nl Ionenbindung Atome, die nicht die selbe Anzahl Protonen und Elektronen besitzen, sind elektrisch geladen. Man nennt sie Ionen. Weil auch bei dieser Art der Bindung die einzelnen Atome nicht mehr neutral sondern elektrisch geladen sind, spricht man von einer Ionenbindung. Beispiel 1: Natrium und Chlor bilden Kochsalz Beispiel 2: Berillium und Fluor bilden Berylliumfluorid Stelle nun selber Ionenverbindungen zusammen. Die Produkte sind vorgegeben Lithium Fluor Lithiumfluorid Natriumoxid Magnesiumsulfid Aluminiumoxid Kaliumfluorid Berylliumchlorid Aufbau der Stoffe Einige Moleküle Nl