Arbeitsblatt: Einführung in das PS

Einführung in das Periodensystem Darstellung: Es gibt verschiedene Möglichkeiten: Aus welchem Land wohl stammt diese Darstellung? Und diese oben rechts ist stark vereinfacht. Nachstehend ist das Periodensystem in seiner heute bekanntesten Form als Langperiodensystem wiedergegeben: • Die Elemente sind mit ihrer Ordnungszahl und ihrem Symbol aufgeführt. • Als Perioden werden die waagrechten Zeilen oder Reihen bezeichnet, als Gruppen die senkrechten Spalten. • Die Schalen beziehen sich auf das Atommodell von Niels Bohr (mehr dazu später). Zusätzliche Informationen im PSE: Im Periodensystem kann man feststellen, dass einige Eigenschaften der Elemente sich in bestimmten Positionen und Bereichen im Periodensystem und im Periodensystem finden bzw. darstellen lassen: • Masse – nimmt von oben nach unten und von links nach rechts zu (Ausnahmen: Ar vor K, Te vor I, Co vor Ni, Th vor Pa) • Atomradius – nimmt von oben nach unten zu, von links nach rechts ab (bei Hauptgruppenelementen) • Elektronegativität – nimmt von oben nach unten ab, von links nach rechts zu (Ausnahme: Edelgase) • Metallcharakter – nimmt von oben nach unten zu, von links nach rechts ab • und zwei, drei andere hier nicht genannte Hier gibts gute Infos zur Namensherkunft der Elemente: Und hier eine Alphabetische Liste: Elemente Warum überhaupt ein Periodensystem? Richtig: Um die Elemente einzuteilen. Zuerst wurde das PS nach und nach mit neu entdeckten Elementen ergänzt, heute dient es vor allem der Übersicht. Definiere folgende Begriffe (alle Hilfsmittel erlaubt, separates Blatt oder Rückseite): 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Element Verbindung Reinstoff homogene Gemische homogene Stoffe heterogene Stoffe (Gemische) Stoffe Elemente in der Erde Zusammensetzung von Luft: Die verschiedenen Gaszustände Wichtig: Jedes Element hat einen spezifischen (nur für es gültigen) Schmelz und Siedepunkt. Eigenschaften von Reinstoffen • Schmelzpunkt • Siedepunkt • Dichte • Löslichkeit • Härte • Kristallform • Farbe • elektrische Leitfähigkeit • Wärmeleitfähigkeit • Geruch • Geschmack • Lichtbrechungsvermögen • Chemische Reaktion Durch diese Eigenschaften können sie unterschieden werden! Abgrenzung chemischer Reaktionen von physikalischen Vorgängen Vorgänge, bei denen sich nur der Zustand eines Stoffes ändert, nennt man physikalische Vorgänge (z.B. Aggregatzustandsänderungen, Lösung, Kristallisation) Bei chemischen Vorgängen treten bleibende Stoffänderungen ein. Die neu entstandenen Stoffe besitzen andere Eigenschaften als die Ausgangsstoffe. Grundtypen chemischer Reaktionen Stoffvereinigung (Synthese): Aufbau einer Verbindung, z.B. durch Vereinigung zweier Elemente --------- AB Beispiele: Magnesium Sauerstoff -------- Magnesiumoxid Kohlenstoff Sauerstoff -------- Kohlenstoffdioxid Eisen Schwefel -------- Eisensulfid Kupfer Sauerstoff ------ Kupferoxid Wasserstoff Sauerstoff --(Verbrennung, Knallgasreaktion)---- Wasser Zink Iod ------- Zinkiodid Stoffzerlegung (Analyse): Zerlegung einer Verbindung, z.B. in die Elemente, aus denen sie entstanden ist AB -------- Beispiele: Silberoxid --(Erhitzen)--- Silber Sauerstoff Wasser ----(Elektrolyse)----- Wasserstoff Sauerstoff Zinkiodid ----(Elektrolyse)----- Zink Iod Wasserstoffperoxid ---(Katalysator)-- Wasser Sauerstoff Umsetzung: Kopplung von Analyse und Synthese allgemein: AB C -------- AC B Beispiele: Kupferoxid Kohlenstoff -------- Kupfer Kohlenstoffdioxid Wasser Magnesium -------- Wasserstoff Magnesiumoxid Nachweisreaktionen Gase Sauerstoff: Glimmspanprobe Wasserstoff: Knallgasprobe Kohlenstoffdioxid: Kalkwasser trübt sich Flüssigkeiten Iod: Stärke (Blaufärbung) in Benzin mit violetter Farbe löslich Chlor: Blaufärbung von Kaliumiodid-Stärke-Papier Metalle Natrium: Flammenfärbung orange Kalium: Flammenfärbung violett Nachweis saurer, neutraler und alkalischer Lösungen mit Säure-BaseIndikatoren: sauer neutral alkalisch Phenolphthalein farblos farblos rot Bromthymolblau gelb grün blau Chemische Grundgesetze Gesetz von der Erhaltung der Masse Bei einer chemischen Reaktion bleibt die Gesamtmasse der beteiligten Stoffe unverändert. Gesetz von den konstanten Massenverhältnissen Die Elemente vereinigen sich zu einer bestimmten Verbindung immer im gleichen Massenverhältnis. Zwei Elemente können auch unterschiedliche Verbindungen miteinander bilden. Beispiele: schwarzes und rotes Kupferoxid; Kohlenstoffmonooxid und Kohlenstoffdioxid Volumengesetz Gase reagieren miteinander bei gleichem Druck und gleicher Temperatur in einfachen, ganzzahligen Volumenverhältnissen. Gesetz von Avogadro Gleiche Volumina von Gasen enthalten bei gleichem Druck und gleicher Temperatur gleich viele Teilchen. Begriffe: Energetik und Katalyse 1. Chemisches System: Der Ausschnitt aus der stofflichen Welt, der gerade betrachtet wird. 2. Umgebung: Der „Rest der Welt, der gerade nicht betrachtet wird. 3. Energie: Die Fähigkeit eines Systems, Arbeit, Wärme oder Licht abzugeben. 4. Exotherm: Ein Vorgang, bei dem Wärme frei wird. 5. Endotherm: Ein Vorgang, der unter Wärmezufuhr abläuft. 6. Aktivierungsenergie: die zur Auslösung einer Reaktion erforderliche Energie 7. Bildungsenergie: Die bei der Bildung einer Verbindung aus den Elementen frei werdende bzw. aufzuwendende Energie Energiediagramme für eine exotherme und für eine endotherme Reaktion: 8. Katalysator: Ein Katalysator beschleunigt eine chemische Reaktion und geht daraus unverändert hervor. Er wirkt beschleunigend durch Herabsetzung der Aktivierungsenergie. Atombau Periodensystem Warum so fett? Weil der Atombau (nach Niels Bohr SEHR Wichtig für das Verständnis des Aufbaus des PS ist !!! Kern-Hülle-Modell Das Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Der Atomkern enthält nahezu die gesamte Masse des Atoms und ist positiv geladen. Die Atomhülle enthält die der positiven Kernladung entsprechende negative Ladung in Form von Elektronen. Atomkern und Elementarteilchen, Isotope Bausteine des Atoms: Kern: Protonen und Neutronen ( Nukleonen) Hülle: Ladung: Masse: Elektronen -e 1/2000 Elektron e 1u Proton/Neutron 0 1u 1 1 Nanometer 1,00·10-9 Ein chemisches Element ist eine Substanz, deren Atome in ihrer Protonenzahl (Kernladungszahl) übereinstimmen Isotope Isotope sind Atome eines Elements, die sich in der Zahl der Neutronen und damit in ihrer Atommasse unterscheiden Beispiele: Spektrallinien und ihre Deutung Lichtquant wird absorbiert (verschluckt) Lichtquant wird emittiert (abgesondert) Ein Spektrometer teilt z.B. den Lichtstrahl in seine einzelnen Farbstrahlen auf: Energiestufen und Schalenmodell der Atomhülle Ionisierungsenergie: Energie, die zur Abtrennung eines Elektrons aus einem Atom benötigt wird. Energiestufenschema Deutung der Energiestufen als Schalen Valenzelektronen: Elektronen auf der äußersten Schale UND WAS HAT DIE ATOMHÜLLE NUN MIT DEM PS ZU TUN? Atomhülle und Periodensystem Ordnet man die Elemente nach steigender Ordnungszahl (Protonenzahl, Kernladungszahl) und stellt Elemente mit ähnlichen Eigenschaften untereinander, so erhält man Periodensystem der Elemente. das Das Periodensystem spiegelt die Elektronenverteilung ( Elektronenkonfiguration) der Atome der verschiedenen Elemente wieder. Mit jeder Periode beginnt die Besetzung einer neuen Schale. Die Elemente einer Gruppe besitzen gleich viele Valenzelektronen. Hauptgruppen des Periodensystems: • Die Elemente einer Hauptgruppe Valenzelektronen ( Gruppennummer) • Die Elemente einer Periode haben die gleiche Anzahl Schalen ( Periodennummer) haben die gleiche Anzahl Beispiel für die Darstellung eines Elements im Periodensystem und die daraus abzulesenden Informationen: Verteilung der Metalle und Nichtmetalle im Periodensystem: • Metalle haben die Tendenz zur Elektronenabgabe Bildung positiver Ionen (Kationen) • Nichtmetalle haben die Tendenz zur Elektronenaufnahme Bildung negativer Ionen (Anionen) Elektronenkonfiguration und Reaktionsverhalten Edelgasregel ( Oktettregel): Atome können durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen die gleiche Anzahl und Anordnung von Elektronen wie die Edelgas-Atome erreichen. Man spricht dann von Edelgaskonfiguration. Elementgruppe der Alkalimetalle Eigenschaften und Reaktionsverhalten sehr ähnlich: leichte, weiche (schneidbare) Metalle, die an der Luft rasch anlaufen (Aufbewahrung in Petroleum) Reaktion mit Wasser unter Wasserstoffentwicklung und Bildung von Hydroxiden, z.B.: 2 Li 2 H2O - 2 LiOH H2 Zunahme der Reaktionsfähigkeit in der Reihenfolge Li-Na-K-Rb-Cs (Tendenz zur Elektronenabgabe nimmt zu, weil sich der Abstand zwischen Valenzelektron und Atomkern mit der Anzahl der Schalen vergrößert) Durch Abgabe des einzigen Valenzelektrons wird eine stabile Edelgasschale erreicht Bildung einfach positiv geladener Kationen Elementgruppe der Halogene Eigenschaften und Reaktionsverhalten: Die Schmelz- und Siedepunkte nehmen innerhalb der Gruppe von oben nach unten (in der Reihenfolge F2-Cl2-Br2-I2) zu Sieben Valenzelektronen starkes Bestreben zur Aufnahme eines Elektrons zur Erreichung der Edelgaskonfiguration Bildung einfach negativ geladener Anionen Die Tendenz zur Elektronenaufnahme (und damit die Reaktionsfähigkeit) nimmt innerhalb der Gruppe von oben nach unten (in der Reihenfolge F2-Cl2-Br2-I2) ab Reaktion mit Wasserstoff - Halogenwasserstoffverbindungen, z.B.: H2 Cl2 2 HCl Reaktion mit Metallen - Salze, z.B.: 2 Al 3 Cl2 - 2 AlCl3 Verdrängungsreaktionen, z.B.: Cl2 2 I- - 2 Cl- I2 Salze, Metalle und molekular gebaute Stoffe: Wichtige Begriffe: Ionen: elektrisch geladene Atome (Atomionen) bzw. Moleküle (Molekülionen) Anionen: negativ geladene Ionen Kationen: positiv geladene Ionen Ionenbindung: die chemische Bindung, die als Anziehungskraft zwischen Kationen und Anionen wirkt. Gitter: die regelmäßige Anordnung von Teilchen in einem Feststoff 1. Atomgitter 2. Molekülgitter 3. Ionengitter 4. Metallgitter Salze: Verbindungen, die aus Ionen aufgebaut sind Möglichkeiten zur Herstellung von Salzen: aus den Elementen: aus unedlen Metallen und Säuren: aus Metalloxiden und Säuren: durch Neutralisation: Fällung eines unlöslichen Salzes aus dem Salz einer schwächeren oder flüchtigen Säure durch eine stärkere oder nichtflüchtige Säure 2 Na Cl2 - 2 NaCl Mg 2 HCl - MgCl2 H2 CuO 2 HCl - CuCl2 H2O HCl NaOH - NaCl H2O AgNO3 NaCl - AgCl NaNO3 :Na2CO3 2 HCl - 2 NaCl H2CO3 Metallbindung: die chemische Bindung, die in den Metallen zwischen positiv geladenen MetallAtomrümpfen und dem Elektronengas wirkt. Eigenschaften von Metallen: Glanz hohe elektrische Leitfähigkeit gute Wärmeleitfähigkeit Verformbarkeit (Duktilität) unedle Metalle (z.B. Magnesium): geben leicht Elektronen ab unter Bildung von Kationen reagieren mit Säuren unter Wasserstoffentwicklung reagieren mit Sauerstoff leicht zu Oxiden edle Metalle (z.B. Kupfer, Silber, Gold) geben nur schwer Elektronen ab, reagieren nicht mit verdünnten Säuren, sind relativ korrosionsbeständig Atombindung ( Elektronenpaarbindung, Kovalente gemeinsame Elektronenpaare entsteht. Bindung): Bindung, die durch Bindigkeit (Bindungswertigkeit): Die Anzahl der Elektronenpaarbindungen, die ein Atom in einem Molekül (oder Molekül-Ion) ausbildet Wasserstoff, Halogene (Fluor, Chlor, Brom Iod): 1 Sauerstoff: 2 Stickstoff: 3 Kohlenstoff: 4 Elektronenformeln einfacher Moleküle und Ionen: Beispiel für ein ungeladenes Molekül: Wasser H2O 1. Summe der Valenzelektronen bilden: 2*1 6 8 2. Jedes Elektronenpaar wird durch einen Strich symbolisiert, 8 Elektronen ergeben also 4 Striche; diese sind so zu verteilen, dass die Edelgasregel erfüllt ist, d.h. Wasserstoffatome von 2, die übrigen Atome von 8 Elektronen umgeben sind. Das Atom mit der höchsten Bindungswertigkeit steht im Mittelpunkt, einbindige Atome (Wasserstoff) können nur endständig sein. Ergebnis: !? UFFFFFFF, dass Gehirn ist jetzt wohl kurz vor der Das war eine kurze Einführung zum Thema: PS, Elemente, Atommodell nach Niels Bohr, PS-Gruppen, Bindungen etc.