Arbeitsblatt: Manuskript Aufbau der Materie

eie a der a aerie nerriceinei eer Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie Inhaltsverzeichnis 1. NATURWISSENSCHAFTEN. 3 1.1. DEFINITIONEN.3 1.2. TEILCHENMODELL .4 1.3. AGGREGATZUSTAND .5 1.4. VERSUCH 93: EIN GAS, DAS HOCH HINAUS WILL 6 1.5. V94: GROSSE MOLEKÜLE: GRÖSSENBESTIMMUNG DER TEILCHEN .8 1.5.1. Modellversuch. 8 1.5.2. Auswertung . 9 1.5.3. Ölversuch 9 2. DAS RUTHERFORDSCHE ATOMMODELL . 11 2.1. SIR ERNEST RUTHERFORD 11 2.2. ATOMBAU 12 3. DAS PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE 14 3.1. INFORMATIONEN AUS DEM PSE .15 3.2. SYMBOLDARSTELLUNG VON ELEMENTEN AUS DEM PSE 16 3.3. ISOTOPE 17 4. ATOMMODELL VON BOHR. 18 4.1. DAS SCHALENMODELL VON BOHR .18 4.1.1. Übersicht über die ersten 20 Elemente im Schalenmodell 19 4.2. GRUPPENBEZEICHNUNGEN. 20 4.3. V95: REINES KUPFER .21 4.4. IONENBILDUNG . 22 4.4.1. Theorie 22 4.4.2. Auftrag 22 4.5. BINDUNGSFREUDIGE ATOME 23 4.5.1. Ionenbildung und Ionenbindung . 23 4.5.2. Molekülverbindungen . 23 4.6. V96: KOCHSALZ ZERLEGEN . 23 Aufbau der Materie; ste Seite 2 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 1. Naturwissenschaften Die Naturwissenschaften befassen sich mit allen Erscheinungen und Phänomenen der Natur im Allgemeinen und unseres Lebens im Speziellen. Zu den Naturwissenschaften zählen: Physik Biologie Chemie Eine exakte Abgrenzung der drei Bereiche ist nicht möglich, da die Grenzen schleichend verlaufen, bzw. die einzelnen Gebiete ineinander übergreifen. 1.1. Definitionen Damit wir die einzelnen Bereiche besser unterscheiden können, müssen wir sie zuerst genau definieren: Physik Die Physik (griechisch physike „die Natürliche) beschreibt allgemeine und grundlegende Gesetzmässigkeiten in der Natur und ist die grundlegende Naturwissenschaft. Biologie Die Biologie (griech. bios, „Leben und logos, „Lehre) ist die Naturwissenschaft, die sich mit allgemeinen Gesetzmäßigkeiten des Lebendigen, aber auch mit den speziellen Besonderheiten der Lebewesen, ihrer Organisation und Entwicklung sowie ihren vielfältigen Strukturen und Prozessen befasst. Chemie Die Chemie ist die Lehre vom Aufbau, Verhalten und der Umwandlung von Stoffen sowie den dabei geltenden Gesetzmäßigkeiten. Aufbau der Materie; ste Seite 3 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 1.2. Teilchenmodell Nehmen wir einen Gegenstand und zerlegen wir ihn in zwei kleinere Teile, so haben wir zwei Teile des gleichen Stoffes, logisch. Was passiert jedoch, wenn wir immer kleinere Teilchen abschneiden und immer weiter teilen? Kommen wir mal an ein Ende? Was ist am Schluss vorhanden? Die Frage nach einem kleinsten Teilchen der Materie ist uralt. Schon Demokrit (460 – 371 v. Chr.) und andere griechische Philosophen behaupteten, dass die Materie einen „körnigen Aufbau besitze. Demokrit kannte diese kleinsten Teilchen natürlich noch nicht in unserem Sine, er vermutete nur ihre Existenz. Er gab ihnen auch einen Namen: Atome (atomos [griech.] unteilbar) Jeder Stoff (beispielsweise Eisen oder Gold) besteht also aus kleinsten Eisenteilchen in Form von kleinsten Kügelchen. Alle Kügelchen sind untereinander gleich. Merke: Alle Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen, am einfachsten aus Kugeln (Kugelteilchenmodell). Die Teilchen eines Stoffes sind untereinander gleich. Die Teilchen verschiedener Stoffe unterscheiden sich in ihrer Grösse. Das Teilchenmodell gilt als das erste und eines der wichtigste Modelle in der Chemie. Solche Modelle werden in den Naturwissenschaften entwickelt, um Beobachtungen zu erklären und zu verstehen. Nenne Vor- und Nachteile eines Modells bzw. einer Modellvorstellung: Vorteile: Nachteile: Anschaulichkeit wird erhöht nur bedingt der Realität entsprechend Einfachheit nur für bestimmte Erscheinungen Erklärbarkeit von Phänomenen zutreffend mehrere Modelle für die Wirklichkeit Aufbau der Materie; ste Seite 4 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 1.3. Aggregatzustand Jeder Stoff kann in drei unterschiedlichen Zuständen vorkommen. Diese Zustände nennt man auch Aggregatzustände. Lies das Beiblatt aufmerksam durch und bearbeite anschliessend damit die folgenden Punkte: Die drei Aggregatzustände heissen fest – flüssig – gasförmig Wie heissen die drei Aggregatzustände von Was- Eis – Wasser – Wasserdampf ser? Der Aggregatzustand ist abhängig von Temperatur und Druck Wie lassen sich die Aggregatzustände eines Zufuhr bzw. Abfuhr von Wärme Stoffes ändern? Wie heisst der Übergangspunkt von fest zu flüs- Schmelz- bzw. Gefrierpunkt sig? Wie heisst der Übergangspunkt von flüssig zu Siede- bzw. Kondensierpunkt gasförmig? Beschrifte die drei Modelldarstellungen der Stoffe Gold, Quecksilber und Sauerstoff und kennzeichne die Aggregatzustände. Stoff: Gold Sauerstoff Quecksilber AZ: fest gasförmig flüssig Smp: 1064C -218C -39C Sdp: 2856C -183C 630C 19.32 kg/dm3 1.4 kg/m3 13.5 kg/dm3 Dichte: Löse die 3 Aufgaben auf dem Beiblatt. Aufbau der Materie; ste Seite 5 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 1.4. Versuch 93: Ein Gas, das hoch hinaus will Versuch 93 Zeit: 20 Minuten Sitzreihe Gruppe Ziel siehe auf der Versuchskarte Material siehe auf der Versuchskarte Sicherheit Die Schutzbrille und die Gummihandschuhe musst du während der gesamten Experimentierphase tragen. Auftrag 1. Lies und befolge die Arbeitsaufträge auf der Versuchskarte 93 2. Beschreibe den Ablauf deines Versuches und notiere ihn unten 3. Räume sauber den Versuchsplatz auf 4. Formuliere, was du dir aus diesem Versuch merken musst 5. Löse die Aufgabe auf der Rückseite 6. Wenn du noch übrige Zeit hast, dann lies die Doppelseite 48 noch einmal aufmerksam durch. Versuchsbeschreibung Merksatz Aufbau der Materie; ste Seite 6 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Aufgabe 1: Vom Aufbau der Materie NMM Chemie Zink (Zn) verdrängt die Wasserstoffatome (H) aus der Salzsäure (HCl) und nimmt deren Stelle ein, als Reaktionsprodukt bleibt im Reagenzglas eine Zinkchloridlösung übrig. Ergänze die Reaktionsgleichung: 2 HCl Zn 2 (Anleitung: Die einzelnen Symbole und deren Anzahl müssen links und rechts des Reaktionspfeiles übereinstimmen (ähnlich einer mathematischen Gleichung). Daher spricht man auch von Reaktionsgleichung) Aufgabe 2: Wird Wasserstoffgas angezündet, verbinden sich beim Verbrennen jeweils zwei Wasserstoffatome mit einem Sauerstoffatom. Was entsteht bei dieser Reaktion? 2HO? Eigene Notizen: Aufbau der Materie; ste Seite 7 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 1.5. V94: Grosse Moleküle: Grössenbestimmung der Teilchen 1.5.1. Modellversuch Lässt man einen Öltropfen auf eine Wasseroberfläche fallen, breitet sich das Öl nach allen Seiten gleichmässig aus und bildet einen kreisrunden Fleck. Dieser Fleck ist so dünn, dass er nur aus einer Einteilchenschicht besteht, in der die Ölteilchen lückenlos nebeneinander liegen. Hat man die Fläche dieses Flecks ausgemessen, kann man die Grösse der Ölteilchen berechnen. Um den Ablauf und die Auswertung des Versuchs V94 zu verstehen, führen wir vorerst einen Vorversuch durch, bei dem Erbsen statt Ölteilchen verwendet werden. Da die Erbsen ein Modell für die kleinsten Ölteilchen sind, nennt man einen solchen Versuch Modellversuch. Material: Messzylinder Erbsen Lineal Geo-Dreieck Häuschenpapier, Bücher, etc Ablauf: 1. Fülle 50 cm3 Erbsen in einen Messzylinder ab 2. Schütte die Erbsen auf ein Blatt Papier. Achte darauf, dass die Erbsen nicht wegrollen können. 3. Ordne die Erbsen zu einem Rechteck an. Begrenze das Rechteck mit Hilfe von Büchern oder so. 4. Ermittle nun die Fläche des Rechteckes. Bestimme die Länge und die Breite und berechne den Flächeninhalt. Notiere hier deine Ergebnisse: Art der Teilchen: Erbsen Volumen (cm3 Länge des Rechteckes Breite des Rechteckes Fläche des Rechteckes Durchmesser der Teilchen Aufbau der Materie; ste Seite 8 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 1.5.2. Auswertung Die rechteckig angeordneten Erbsen bilden die Form eines Quaders. Die Höhe eines Quaders wird nach der Formel Höhe Volumen berechnet. Da der Quader nur aus einer Fläche Schicht Erbsen besteht, ist die berechnete Höhe gleich dem Durchmesser einer Erbse. Wiederhole nun den Versuch mit einer zweiten Menge Erbsen oder mit Pfefferkörner. Verfahre nach dem genau gleichen Versuchsablauf. 1.5.3. Ölversuch Versuch 94 Zeit: 30 Minuten Sitzreihe Gruppe Ziel siehe auf der Versuchskarte Material siehe auf der Versuchskarte Besonderes Ste wird dir die Bärlappsporen über das Wasser streuen Auftrag 1. Lies und befolge die Arbeitsaufträge auf der Versuchskarte 94 2. Notiere den Versuchsablauf 3. Räume sauber den Versuchsplatz auf 4. Formuliere, was du dir aus diesem Versuch merken musst 5. Löse die Aufgabe auf der Rückseite 6. Wenn du noch übrige Zeit hast, dann lies die Doppelseite 49 aufmerksam durch. Versuchsbeschreibung Aufbau der Materie; ste Seite 9 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie Merksatz Aufgabe: Wie viele Ölmoleküle müssten aufeinander gestellt werden, um einen Turm von 1mm Höhe zu erhalten? Aufbau der Materie; ste Seite 10 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 2. Das Rutherfordsche Atommodell 2.1. Sir Ernest Rutherford Das Teilchenmodell genügte den Menschen lange Zeit vollumfänglich, um Geschehnisse aus dem Alltag oder Phänomene der Natur zu erklären. Im 19. und 20. Jahrhundert beschäftigten sich dann aber immer mehr Forscher und Wissenschaftler mit der Frage: Woraus bestehen dann eigentlich diese kleinen Kugeln der einzelnen Stoffe? Sir Ernest Rutherford Beim Beschuss von Goldfolie mit radioaktiver Strahlung entdeckte Rutherford, dass die Goldfolie einzelne Teilchen durchlassen und andere aufhalten. Er leitet daraufhin ab, dass die kleinsten Teilchen nicht aus undurchlässigem Material bestehen. Aufbau der Materie; ste Seite 11 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 2.2. Atombau Atome bestehen aus einem positiv geladenen Atomkern, der den Hauptteil der Masse ausmacht und einer negativ geladenen Atomhülle. Atomkern Atomhülle Proton p positiv geladen Neutron n0 neutral Elektron e- negativ geladen Die Anzahl der Protonen innerhalb des Atomkerns bestimmen die Art des Stoffes. Ein bestimmtes Element besteht also aus Atomen mit der gleichen Protonenzahl. Ein HeliumAtom hat also immer 2 Protonen, ein Goldatom immer 79 Protonen. Man nennt die Anzahl Protonen auch Ordnungszahl. Die Anzahl der Neutronen kann unterschiedlich sein. Die Zahl der Protonen und der Neutronen machen zusammen die Masse des Atoms aus. Im Normalfall sind Atome elektrisch neutral, also muss innerhalb eines Atomes die gleiche Anzahl Elektronen vorhanden sein wie Protonen. Besitzt ein Atom mehr Elektronen als Protonen, so ist es negativ geladen. Besitzt es weniger Elektronen als Protonen, so ist es positiv geladen. Elektrisch geladene Atome heissen auch Ionen. Die Elektronen sind in der Atomhülle untergebracht. Sie umkreisen den Atomkern wie Planeten die Sonne. Aufbau der Materie; ste Seite 12 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie Damit wir uns die Grösse der Atome etwas besser vorstellen können: Aufbau der Materie; ste Seite 13 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 3. Das Periodensystem der Elemente Jedes Element besteht also aus einzelnen, genau gleich aufgebauten Atomen. Im ganzen Weltall werden die genau gleichen Elemente gefunden wie auf der Erde. 99.8 aller Atome im Universum sind Atome der leichtesten Elemente Wasserstoff und Helium. Die Erde hingegen ist arm an Wasserstoff und anderen sehr leichten Elementen. Die häufigsten Elemente der Erdkruste sind Sauerstoff, Eisen, Silizium und Magnesium. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts versuchte man eine gewisse Ordnung in die Vielfalt der einzelnen Elemente zu bringen. Der Russe Mendelejew (1834 – 1907) und der Deutsche Meyer (1830 – 1895) haben dann als erste eine bestimmte Ordnung in die Elementevielfalt gebracht und das Periodensystem der Elemente „erfunden. Es basiert auf der Anordnung der Elemente gemäss ihrer Bauart. Im Periodensystem der Elemente (kurz PSE) wird jedem Elemente ein bestimmter Platz zugewiesen. Bei der Anordnung der damals bekannten Elemente zeigten sich Lücken, woraus man den richtigen Schluss zog, dass noch unbekannte Elemente existieren müssten. Heute ist das PSE das wichtigste Verzeichnis der bekannten 105 Elemente. Unter ihnen sind allerdings einige, die in der Natur nicht existieren. Die moderne Atomphysik hat es ermöglicht neue Elemente künstlich herzustellen. Sie sind aber nicht stabil, man nennt sie auch radioaktiv. Sie zerfallen wieder in kleinere Atome unter Aussendung von radioaktiver Strahlung. Wir unterscheiden 7 Perioden. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Elemente ändern innerhalb jeder Periode in der gleichen systematischen Weise. Die Elemente lassen sich in Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle einteilen. Über drei Viertel aller Elemente sind Metalle. Sie befinden sich vor allem auf der linken Seite und in der Mitte des PSE. Aufbau der Materie; ste Seite 14 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 3.1. Informationen aus dem PSE Der Bau eines Atoms bestimmt die Stellung des Atoms im Periodensystem der Elemente. Deshalb kann man umgekehrt aus dem PSE viele Angaben über den Bau eines Atoms entnehmen. Fülle die folgende Tabelle aus! Element Stellung im PSE Hauptgruppen- Periode Symbol nummer Bau des Atoms Anzahl p Anzahl e– Anzahl n0 Massenzahl Kalium Sauerstoff Blei Barium Chlor Helium Indium Schwefel Kobalt Quecksilber Magnesium Uran Arsen Aufbau der Materie; ste Seite 15 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 3.2. Symboldarstellung von Elementen aus dem PSE Atom/Ion 19 Ordnungszahl (Z) Nukleonenzahl (A) 15 31 Anzahl p Anzahl n0 Anzahl e- Elementname 19 27 27 Al Al3 23 14 15 5 6 5 8 8 10 11 10 31 18 16 22 12 24 3 7 18 10 10 10 40 20 4 Aufbau der Materie; ste 18 5 Seite 16 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 3.3. Isotope Atome mit der gleichen Ordnungszahl aber unterschiedlicher Massenzahl heissen Isotope. Die unterschiedliche Masse stammt von der unterschiedlichen Anzahl Neutronen, welche der Atomkern aufweisen kann. Name Zeichnung Wasserstoff (Protium) Deuterium Tritium Nukleonen Massenzahl Es ist von Element zu Element sehr unterschiedlich, ob sich die Isotope voneinander unterscheiden. Von blossem Auge sind die Unterschiede nicht auszumachen. Es gibt aber Isotope, die radioaktiv sind oder andere chemische Eigenschaften aufweisen. Dies wird dann vor allem in der Medizin oder in der Wissenschaft als Kontrastflüssigkeit verwendet, um Vorgänge sichtbar zu machen, oder um das Alter eines Gesteins feststellen zu können. Aufbau der Materie; ste Seite 17 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 4. Atommodell von Bohr Das Rutherfordsche Atommodell kann die Zugehörigkeit eines Elementes zur entsprechenden Periode bzw. Gruppe nicht exakt zu erklären. Hierzu bedarf es einer Erweiterung des Atommodelles. Nils Bohr (1885 – 1962) entwickelte das Atommodell von Rutherford weiter und erhielt dafür 1922 den Nobelpreis. Nach seinen Vorstellungen ist die Atomhülle in verschiedene Schalen aufgeteilt. Diese Schalen beinhalten die Elektronen des jeweiligen Atoms. Jede Schale kann nur eine bestimmte Anzahl Elektronen aufnehmen. Auf der ersten, sprich innersten Schale können sich höchstens 2 Elektronen aufhalten, dann ist sie voll. 4.1. Das Schalenmodell von Bohr Periode Schale Max. Elektronen Die jeweiligen Schalen entsprechen einem bestimmten Energie-Niveau. Die äusserste Schale eines Atomes kann höchstens Elektronen aufnehmen. Diese Elektronen sind entscheidend für die chemische Reaktionsfreudigkeit des Elementes. Die Aussenelektronen werden Valenzelektronen genannt. Die Valenzelektronen entsprechen der Hauptgruppen-Nummer. Aufbau der Materie; ste Seite 18 Aufbau der Materie; ste 4.1.1. Übersicht über die ersten 20 Elemente im Schalenmodell IIHauptgruppe IIIHauptgruppe IVHaupgruppe VHauptgruppe VIHauptgruppe VIIHauptgruppe VIIIHauptgruppe 1. Periode K-Schale Schulzentrum Längenstein 8. Klasse IHauptgruppe 2. Periode L-Schale 4. Periode N-Schale Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 3. Periode M-Schale Seite 19 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 4.2. Gruppenbezeichnungen II III IV VI VII VIII Alkalimetalle Erdalkalimetalle Erdmetalle Kohlenstoff-Silicium-Gruppe Stickstoff-Phosphor-Gruppe Chalkogene Halogene Edelgase Die einzelnen Hauptgruppen im PSE haben eigene und spezielle Namen. Hier die entsprechende Zuweisung: Schreibe sämtliche Elemente in die jeweiligen Hauptgruppen. Verwende dazu das PSE. Aufbau der Materie; ste Seite 20 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 4.3. V95: Reines Kupfer Ziel: Material: Auftrag: Auswertung: Sicherheit: Du lernst eine Methode kenne, wie Metalle gewonnen werden können. siehe 95 siehe Versuchsanleitung 95 Schreibe einen umfassenden Versuchsbericht Die Schutzbrille ist immer zu tragen. Erklärung: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau der Materie; ste Seite 21 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 4.4. Ionenbildung Salze sind aus Ionen aufgebaut. Die Bildung von Ionen aus Atomen und der Aufbau der Ionen können mit dem Schalenmodell erklärt werden. 4.4.1. Theorie Lies auf der Seite 3/53 im Urknall 9 das Kapitel „Salze bestehen aus Ionen und fasse ihn hier kurz zusammen: . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. Auftrag Zuerst sollst du die Reaktion im Buch mit Hilfe der 2. und 3. Seite des Arbeitsblattes nachvollziehen. Schneide aus und befolge die Anweisungen auf dem AB. Färbe: 1. Schale: hellbraun 2. Schale: rot 3. Schale: grün 4. Schale blau Bearbeite die erste Seite des Arbeitsblattes und übertrage deine Kenntnisse auf Magnesiumoxid. Aufbau der Materie; ste Seite 22 Schulzentrum Längenstein 8. Klasse Vom Aufbau der Materie NMM Chemie 4.5. Bindungsfreudige Atome 4.5.1. Ionenbildung und Ionenbindung Alle Atome mit ungesättigter Aussenschale streben den Edelgaszustand (Edelgaskonfiguration) an. Also muss in der Aussenschale eine Veränderung stattfinden. Das elektrisch neutral Natrium-Atom gibt sein Elektron aus der Aussenschale ab und wird zum einfach positiv geladenen Natrium-Ion. Na Na 1eDas elektrisch neutrale Chlor-Atom (VII. Hauptgruppe) nimmt das Elektron in seine Aussenschale auf und wird zum negativ geladenen Chlorid-Ion. Cl 1e- ClWeil sich ungleichnamig geladene Ionen (elektrostatisch) anziehen, entsteht eine Ionenbindung: Na Cl- NaCl NaCl oder Natriumchlorid heisst auch Kochsalz. Ionenverbindungen, oder allgemein als Salze, werden alle Verbindungen der I. Hauptgruppe mit der VII. Hauptgruppe genannt. Merke: Ein Alkalimetall mit einem Halogen zusammen ergibt ein Salz! 4.5.2. Molekülverbindungen Andere Atome bilden keine Ionenverbindungen. Bsp. Wasser Hier verbinden sich zwei Wasserstoffatome mit einem Sauerstoffatom zu H2O. Dabei werden die Valenzelektronen nicht auf ein anderes Atom übertragen. Sie werden gemeinsam genutzt. Das Wasserstoff-Atom gibt also sein Elektron nicht an das Sauerstoff-Atom ab. 4.6. V96: Kochsalz zerlegen Aufbau der Materie; ste Seite 23