Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.09.10

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2.2 Atombau

Ziele:
  1. Welche Vorstellung können wir uns von den Teilchen machen, mit denen man in der Chemie umgehen muss? Lassen sich aus ihrem Bau Eigenschaften ableiten?
  2. Wir bewegen uns auf der (submikroskopischen) Modellebene!
  3. Naturwissenschaftliche Arbeitsweise: der Umgang mit Modellvorstellungen und die Genese von Modellen.
Material:
bulletHandspektroskop
bulletModellversuch „Gummiband“

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2.2.1 Vorstellungen in der Antike

Folie: Zeitachse; Teil 1 von 3: Antike Vorstellungen vom Bau der Materie

Die erste überlieferte Vorstellung über die Natur der Materie ist die vom EMPEDOKLES, 490-430 v. Chr.: er führte den Bau aller Dinge zurück auf die vier Elemente

bulletLuft
bulletWasser
bulletFeuer und
bulletErde

Demokrit, 460-380 v.Chr., ging noch weiter, und seine Vorstellung klingt heute noch sehr modern: Materie, also die vier Elemente des Empedokles, einschließlich der Seele, ist zusammengesetzt aus:

bulletunteilbaren
bulletbeweglichen und
bulletunwahrnehmbar kleinen Masseteilchen.

„Die kleinsten Teilchen der Seele sind besonders fein, leicht und glatt“.

Auf Demokrit geht der Begriff des Atoms (atomos = gr. unteilbar) zurück.

Noch viel überraschender ist die Entwicklung der Atomvorstellung durch EPIKUR, 341-270 v. Chr.: seine Haken an verschiedenen Atomen und die durch Pfeile symbolisierte ungeordnete Bewegung würden wir heute als

bulletchemische Bindung bzw.
bulletBrownsche Molekularbewegung (Wärmebewegung) bezeichnen.

Folie: Epikur-Atome

Der wahre Verdienst Demokrits ist nicht so sehr der Inhalt seiner Hypothese, sondern die Methodik:

bulletdie Suche nach guten, möglichst vielseitigen Erklärungen für Vorgänge in der Natur.
bulletSein Weltbild war kausal: Vorgänge hatten eine Ursache, er brauchte keine Götter.

Vom „Großmeister der antiken Wissenschaft“ ARISTOTELES, 384-322 v. Chr., kamen nicht etwa neue, moderne Impulse, sondern genau das Gegenteil: sein Weltbild war teleologisch, d.h. Vorgänge sind für ihn immer an einem Zweck orientiert. Die Erfüllung des Zwecks liegt in der Zukunft, deshalb benötigt Aristoteles eine „planende Hand“: Götter bzw. einen Gott.

Der christlichen Kirche war diese Vorstellung sehr genehm: sie übernahm sie und wer sie anzweifelte, galt als Ketzer.

Folie: Zeitachse; Teil 2 von 3: Das Kirchenloch

Zitat: A. March, Physiker, 1891-1957, über Aristoteles:

„Es besteht für Naturwissenschaftler kein Grund, in die Verehrung einzustimmen, die A. genießt. Er hat durch seine Ablehnung des Atomismus den Fortschritt der Wissenschaft zwei Jahrtausende lang aufgehalten. Und was vielleicht noch schlimmer ist: er hat als Urheber einer Geistesrichtung, die alle Grundsätze des physikalischen Denkens verkannte und die er mit dem ganzen Gewicht seiner ungeheuren Autorität vertrat, auf die spätere Entwicklung nicht bloß der Physik, sondern auch der übrigen Naturwissenschaften den verderblichsten Einfluss genommen.“

Beide, die katholische Kirche und Aristoteles, sind dafür verantwortlich, dass die Naturwissenschaften 2000 Jahre lang keine Weiterentwicklung zeigten.

Folie: Zeitachse; Teil 3 von 3: Wiedererwachen der Naturwissenschaft

Erst im 17. Jh. wurde das Aristotelische Weltbild durch GALILEI, KEPPLER und, bezüglich der Atomvorstellung, durch GASSENDI (1592-1655) ernsthaft in Frage gestellt und unter Lebensgefahr revidiert. Gleichzeitig setzte sich eine entscheidende Methodik durch:

Das spekulative Vorgehen verliert an Bedeutung, das Erfahrbare wird zum Kriterium für „Wahrheit“.

Hinweis: Heutige Trennung in Geisteswissenschaften mit einem sehr hohen spekulativen Anteil, und Naturwissenschaften, die sich i.d.R. am Erfahrbaren und Messbaren orientieren.

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2.2.2 Atomhypothesen im 18./19. Jh.

John DALTON, 1766-1844:

Typisch für die heutige naturwissenschaftliche Betrachtungsweise ist das Vorgehen in der Reihenfolge:

Hypothesenbildung: Hypothesen sind reine Gedankengebäude, subjektive Vorstellungen, spekulativ.

bulletTheorien sind durch experimentelle Befunde erhärtete Hypothesen.
bulletBeweise im strengen naturwissenschaftlichen Sinn sind leider selten.

Daltons Hypothese war folgende:

  1. Alle Elemente bestehen aus Atomen, die unteilbar sind.
  2. In Verbindungen behalten diese Atome ihre Individualität, d.h. sie können aus ihnen unverändert wieder hervorgehen. Alle Atome desselben Elementes sind untereinander gleichartig, gleich groß und von gleicher Masse.
  3. In Verbindungen findet man ganzzahlige Mengenverhältnisse. Die kleinste Einheit dabei besteht aus zwei Atomen.

Kritik aus heutiger Sicht: Unteilbar? Isotope?

Dalton`s Hypothese brachte zwei chemische Gesetze "unter einen Hut":

Den Massenerhaltungssatz (A. Lavoisier, um 1770): Masse wird durch chemische Vorgänge nicht vermehrt oder vernichtet.

Das Gesetz der konstanten Proportionen (oder 1. Verbindungsgesetz, J. Proust, 1799): das Massenverhältnis bestimmter Elemente in einer chemischen Verbindung ist konstant.

Beispiele: Man findet bei der Analyse von Wasser oder von Quecksilberoxiden verschiedenster Herkunft immer die gleichen Massenverhältnisse:

m(H) : m(O) = 1 : 7.936 * 2 = 2 : 15.872

m(H) : m(Hg) = 1 : 12.537 *16 = 16 : 200.592

Selber formulierte er:

Das Gesetz der multiplen Proportionen (oder 2. Verbindungsgesetz): bildet ein bestimmtes Element (z.B. O) mit einem anderen (z.B. Cu) zwei verschiedene chemische Verbindungen, so findet man jeweils ganzzahlige Massenverhältnisse.

Kritik aus heutiger Sicht: Nichtdaltonide (nichtstöchiometrische, berthollide Verbindungen, z.B. Legierungen, Keramiken, dotierte Halbleiter...)

Beispiel:

bullet1 Teilchen Cu bindet in CuO an 1 Teilchen O.
bullet2 Teilchen Cu binden in Cu2O an 1 Teilchen O.

Das Ausmaß, in dem die Daltonsche Atomhypothese gültig war, konnten erst die Atomphysiker 100 Jahre später (Beginn dieses Jahrhunderts) ermessen und bestätigen.

Amedeo Avogadro, 1776 - 1856:

Im Sinne der Daltonschen Verhältnisse fand er bald, dass sich bei Reaktionen zwischen Gasen ganzzahlige Volumenverhältnisse zwischen den Edukten und Produkten einstellten:

H2 + Cl2 -----> 2 HCl
z.B.:1.3 RT + 1.3 RT -----> 2.6 RT
1 : 1 : 2

Avogadro ging davon aus, dass jedes Gasteilchen, ob Atom (Edelgas) oder mehratomiges Molekül (H2, HCl) das gleiche, bestimmte Volumen beansprucht, sofern man Druck und Temperatur konstant hielt. Also konnte er weiter folgern, dass man von dem Verhältnis der Volumina

V(H2) : V(HCl) = 1 : 1

auf das Verhältnis der Teilchenzahlen schließen könne. Das führte ihn zum Molbegriff und zur Avogadro-Konstanten (siehe später).

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2.2.3 Atommodelle im 20. Jh.

Das eigentlich erste Atommodell stammt von J. J. THOMSON, 1856 - 1940. Sein „Rosinenkuchen“-Modell ging von einer gleichmäßigen Verteilung positiver und negativer Ladungen im Atom aus. Damit konnten die Faradayschen Experimente und die Entstehung von Ionen erklärt werden, aber die Anordnung der Teilchen im Atom war noch schleierhaft.

Ernest RUTHERFORD, 1871 - 1937:

Letztendliche Beweise für den Aufbau der Atome lieferte nach 1900 die Erforschung der Radioaktivität z.B. durch Rutherford:

bulletdie Entdeckung der α-Strahlung; Identifizierung als zweifach positiv geladener He-Kern; damit gekoppelt: Elementumwandlung durch Aussendung von α-Strahlen
bulletRutherford-Experiment: Beschuss der Goldfolie mit α-Teilchen

Tafelskizze/Folie: Der Rutherford-Versuch

Die Zahl der α-Teilchen mit großem Streuwinkel ist der Dicke der Goldfolie proportional.

Modellbeschreibung:

  1. Atome sind kugelförmige Gebilde mit einem Radius von ca. 10-10m und bestehen aus einem Kern und einer Hülle.
  2. Der Atomkern besitzt einen Radius von ca. 10-14m, besteht (mindestens) aus positiven Ladungsträgern (Protonen) und enthält fast die gesamte Masse des Atoms.
  3. In der Hülle bewegen sich negative Ladungsträger (Elektronen) sehr geringer Masse auf kreisförmigen Bahnen mit so hoher Geschwindigkeit, dass ihre Zentrifugalkraft FZ die Coulombanziehung FC (durch den Kern) kompensiert.

Tafelskizze: Vektordarstellung von FZ und FC am Elektron

Hinweis: Die abgestrahlte Energie (auch in Form von sichtbarem Licht möglich) ist der Umlauffrequenz proportional. Sie müsste also, wird das Elektron immer schneller oder langsamer, ein kontinuierliches Spektrum („Regenbogen“) ergeben. BALMER fand aber (für Wasserstoff) ein Linienspektrum, d.h. die Elektronen senden nur bestimmte Energiewerte aus.

Demonstration: Spektrallinien des Leuchtstoffröhren-Lichtes

Hinweis: Bis hierher reicht zunächst die Tiefe der Betrachtung des Atombaues. Geschichtlich ist das der Stand des Jahres 1912. Auf Wunsch (und nach Zeit) erfolgt am Ende der Vorlesung eine Erweiterung auf die Orbitaltheorie.

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2.2.4 Elektronenbesetzung

Folie: Theoretisches Modellexperiment Ionisierungsenergien

Die Vorstellung von der Anordnung der Elektronen um den Kern haben sich mit den Atommodellen entwickelt:

bulletTHOMSON´s „Erdbeermodell“ vermutete die Elektronen festsitzend auf der Oberfläche einer positiv geladenen Kugel.
bulletRUTHERFORD´s Elektronen umkreisen einen positiven Kern, jedes auf einer eigenen Kreisbahn.
bulletBOHR formulierte nur bestimmte Kreisbahnen, auf denen aber mehrere Elektronen Platz haben. Dazwischen gab es „verbotene Zonen“.
bulletPAULI postulierte 1925, dass sich die Elektronen einer Bahn in mindestens einem Parameter unterscheiden müssten. Die Elektronenbahnen (BOHR / SOMMERFELD) waren nicht mehr ausschließlich kreisförmig.
bulletHEISENBERG und SCHRÖDINGER sahen die Elektronen dann nicht mehr als Teilchen, sondern als Wellen an.

Demonstration: Gummiband schwingt.

Folien: Orbital-Geometrien (s, p, d, f)

Sie konnten geometrische Formen von Schwingungszuständen (Orbitalen) berechnen und eine Formel angeben, nach der man die Zahl der Elektronen errechnen kann, die in einer „Schale“ Platz haben:

2n2 , wobei n=Schalennummer.

Beispiele:

bulletSchale 1: 2 Elektronen.
bulletSchale 2: 8 Elektronen.
bulletSchale 3: 18 Elektronen.
bulletSchale 4: 32 Elektronen....

Worin sich die Elektronen einer Schale genau unterscheiden ist Teil der Orbitalvorstellung, die in diesem Rahmen nur auf Wunsch der Teilnehmer vorgestellt wird.

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2.2.5 Zusammenfassung:

Teilchen Symbol  Masse [g] Masse [u] Q Ort
Neutronen n 1.6748*10-24 1.008 0 Kern
Protonen p 1.6725*10-24 1.007 +1 Kern
Elektronen e- 0.911*10-28 5.5*10-4 -1 Hülle
  1. Atome sind nach außen hin neutral, d.h. die Zahl der Elektronen entspricht genau der Zahl der Protonen (Kernladungszahl Z).
  2. Für jedes Proton enthält der Atomkern mindestens ein Neutron.

 

   Sy Bsp. 1 Bsp. 2 Bsp. 3
Protonen p 1 5 34
Neutronen n - 5 45
Elektronen e 1 5 34
Atommasse mA 1 10 79
Name   Wasserstoff Bor Selen
Symbol   H B Se

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    E-Mail an: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de