Berzelius erfindet die Symbolschreibweise: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 7. Mai 2012, 14:45 Uhr

Dalton ist ja bekannter als Berzelius, was sicher daran liegt, das er die Idee der Atome als erster vorstellte und auch der erste war, der relative Atommassen bestimmte, während Berzelius dessen Arbeit eher verfeinerte. Aber er ist auch der "Vater" der Symbolschreibweise.

Berzelius war eigentlich Mediziner, der interessanter Weise, seine Doktorarbeit zum Thema "Effekte von galvanischer Elektrizität auf Patienten" schrieb - sprich er setzte seine Patienten unter Strom. Da dies, wie er erkannte, nichts brachte, setzte er den Strom anders ein und kam so zur Chemie, denn er zerlegte durch Elektrolyse Stoffe und entdeckte dabei auch einige neue Elemente.

Wichtiger für uns heute sind aber zwei Dinge nämlich das er der Erfinder der Symbolschreibweise ist und dank mehr und genaueren Experimenten die relativen Atommassen schon erstaunlich genau bestimmte.

Symbolschreibweise und Atommasse

In der folgenden Tabelle, die aus Berzelius' Buch "Lehrbuch der Chemie" aus dem Jahr 1828 stammt, sieht man die neuen Atomsymbole, die wir immer noch nutzen. Außerdem hat Berzelius die Atommassen angeben. Allerdings finden sich bei jedem Element zwei Werte:

• In der vierten Spalte verwendet er als Vergleichswert den Wasserstoff, der eine Masse von 1 bekommt.
• In der dritten Spalte werden die Massen relativ zur Masse des Sauerstoffs angegeben, der dabei die Masse 100 bekommt. Die Masse 1 würde hier keinen Sinn machen, denn es gibt ein paar Elemente, die leichter als Sauerstoff sind.

Es ist wirklich erstaunlich, wie überwiegend genau Berzelius die Massen bestimmt hat, wenn man die Zahlen in der vierten Spalte mit den Werten aus dem PSE vergleicht und dabei bedenkt, welche, für unser Verständnis primitiven Hilfsmittel, er zur Verfügung hatte.

Aufgabe 1 Bearbeite das Arbeitsblatt "Namen und Zeichen für Elemente". Beachte bei den Aufgaben 2 bis 4, genau die Informationen, die gegeben werden. Ergänzend dazu gibt es ein Zuordnung-Quiz, mit dem du testen kannst, ob du die Verwendung der Symbolschreibweise verstanden hast.

Wie groß und wie schwer ist denn so ein Atom eigentlich?

Die Größe eines Atoms

Verglichen mit alltäglichen Gegenständen sind Atome mit einem Durchmesser von etwa 0,1 nm (nm = nanometer) winzig klein und da sie deutlich kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, kann man sie einzeln auch nicht in einem Mikroskop sehen. Einzelne Atome können daher nur mit speziellen Hilfsmitteln wie dem  Rastertunnelmikroskop  "beobachtet" werden. Auf einer Seite des deutschen Museums wird die Funktionsweise noch besser erklärt.

    

Die Bilder von Atomen die man sieht, sind allerdings nicht echte Bilder. Ein Computer erstellt sie, aus der Untersuchung der Oberfläche einer Probe.

Im Buch zu lesen: Zum Thema Fotoreise in die Welt der Atome findest du in unserem Buch Informationen auf Seite 139.

Weil du dir diese Zahlen vermutlich nur schlecht vorstellen kannst, gibt es einen Vergleich, damit man einschätzen kann, wie groß (bzw. klein) so ein Atom ist.

Vergleicht man die Größe eines Atoms mit der Größe eines Apfels, so ist es genauso, also würde man die Größe des Apfels mit der Erdkugel vergleichen.

Atom	zu	Apfel	=	Apfel	zu	Erde
	zu		=		zu

Im Buch zu lesen: Zum Thema Atomgröße findest du in unserem Buch Informationen auf Seite 137.

VERSUCH: Bestimmmung der Größe von Molekülen durch den Ölfleck-Versuch Mit sehr einfachen Mitteln kann man ungefähr die Größe der Teilchen der Ölsäure bestimmen. Die Versuch-Beschreibung findest du in unserem Buch auf Seite 138.

Die Masse eines Atoms

Wie du schon gelernt hast, wird heute die Masse der Atome ja in u (= atomare Masseneinheit) angegeben. Dalton hatte keine Möglichkeit abzuschätzen wie viel so ein einzelnes Atom wirklich wiegt. Deshalb waren seine damals bestimmten Werte relative Atommassen.

Wir verwenden die Werte, wie sie Dalton bzw. Berzelius damals zusammengestellt haben immer noch, können aber inzwischen recht genau sagen, wie schwer sie sind, bzw. wie viel ist.

Im Buch zu lesen: Zum Thema Wie schwer ist ein Atom? und Wie bestimmt man Atommassen? findest du in unserem Buch Informationen auf Seiten 136.

Moderne Methoden zur Bestimmung der Atommasse

Die Physik hat mit der  Massenspektrometrie  eine Möglichkeit gefunden, Atommassen genau zu bestimmen. Im Buch auf Seite 136 wird in einem Modellversuch (Bild dazu) erklärt, was das Prinzip der Massenspektrometrie ist.

Im Jahr 1897, publizierte der Physiker  Thomson  verschiedene Experimente, mit denen er die Grundlage für die Massenspektroskopie legte. Ein Schüler von Thomson, der britische Chemiker und Physiker  William Aston Francis William Aston , baute 1919 das erste funktionierende Massenspektrometer. Aston wurden schließlich im Jahr 1922 mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt.

    

ACHTUNG, Kontrolle!! - Zeigen Sie Ihre Kenntnisse zu dem Atommodell nach Dalton vor!

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Auf dieser Seite gibt es einen Multiple-Choice-Test, in dem du testen kannst, ob du verstanden hast, wie Dalton auf die Idee der Atome kam und wie er als erste Atommassen bestimmte. 
 

Ergänzung: Wie dünn kann eigentlich "etwas" sein?

Wenn ihr jetzt schon wisst, wie "groß" Atome sind, ist die Frage nach dem dünnsten Material ja gerade passend. Also ... wie dünn kann man etwas machen und wieviele Atome liegen da übereinander?

Dazu habe ich zwei Themen gefunden, die hier passen ... das erste Thema recht traditionell, das zweite hochaktuell.

Blattgold

Im Wikipedia-Artikel  Blattgold  und Artikel die davon abzweigen, findet man ein paar Informationen, die ich hier ein wenig neu zusammengesetzt habe:

Blattgold ist die Bezeichnung für eine aus gold oder goldhaltigen Legierungen hergestellte dünne Folie. Verwendet wird es, um nichtmetallischen Gegenständen das Aussehen von echtem Gold zu geben (Vergolden). Die Stärke der Goldfolie entspricht heute etwa 0,1 Mikrometern bzw. 100 Nanometern. Blattgold kann in Stärken von 100 bis 1000 Atomlagen dünn hergestellt werden.

Das hört sich schon recht interessant an. Es gibt kein anders Material das sich so gut verformen lässt wie Gold. Stahl zum Beispiel kann man nur um etwa 25 % plastisch verformen, bevor er reißt. Man nennt diese Eigenschaft von Gold auch  Duktilität , was in etwa "Verformbarkeit" bedeutet.

Die Beimischung von anderen Metallen (Metallmischung = Legierung) soll übrigens nur dafür da sein, die Farbe zu verändern.

Ein Gold-Barren wird zu einem Goldband von etwa der Stärke von Zeitungspapier ausgewalzt und in Quadrate (Quartiere genannt) geschnitten. 400 bis 500 dieser Quadrate werden in einer "Quetsche" übereinander gelegt und in mehreren Arbeitsgängen immer wieder geschlagen und beschnitten, bis die Quadrate etwa 8 mal 8 cm groß und einen zehntausendstel Millimeter stark sind.

Blattgold herzustellen ist ein uraltes Handwerk. Schon vor mehr als 5000 Jahren wurde das Handwerk in Indien ausgeübt. Später, zur Zeit der Pharaonen, konnte man Blattgold auch in Ägypten herstellen, bis es im Mittelalter die Mönche in den Klöstern lernten. Erst vor 500 Jahren begannen Handwerker mit der Herstellung von Blattgold in Deutschland. Die mittelfränkische Stadt Schwabach entwickelte sich zum Weltzentrum dieses Handwerks, jeder sechste Einwohner hatte damit zu tun.

In der folgenden Bildergallerie habe ich ein paar Bilder dazu zusammengesucht. Die Unterschriften informieren euch über den Inhalt.

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  Bild von Gold aus dem Rastertunnelmikroskop

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  Verarbeitung von Blattgold

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  Goldschläger-Denkmal in Schwabach

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  Goldschläger in Burma

Vor dem Verkauf werden die feinen Blätter auf gleich große Quadrate zurecht geschnitten, die dann in Buchform mit 25 bis 30 Seiten vertrieben werden können. Ein solches Heftchen kann preislich sehr unterschiedlich sein, ist aber schon für circa 40 Euro erhältlich.

Ein Gramm Gold ergibt bei der üblichen Dicke von 100 Nanometern eine Fläche von etwa einem halben Quadratmeter. Im römischen Zeitalter betrug die Dicke noch etwa drei Mikrometer, im 14. Jahrhundert einen Mikrometer.

Darum vergoldet man ja auch. Dadurch, dass man nur ganz wenig Gold braucht, um eine Fläche gold-glänzend erscheinen zu lassen spart man einiges an Gold und damit Geld. So müssen die Gegenstände nicht aus massivem Gold sein, sondern nur dessen Oberfläche. Natürlich ist die Herstellung von Blattgold sehr aufwendig. Da in den westlichen Ländern die Arbeitskräfte sehr teuer sind, wird - wie im letzten Bild der Gallerie zu sehen ist - auch viel Blattgold in Ländern hergestellt, wo die Arbeitskraft billig ist. Ein Film erklärt knapp, wie Blattgold hergestellt wird.

Im Auflicht glänzt Blattgold goldgelb, im Gegenlicht scheint eine weiße Lichtquelle grünlich-blau durch.

Das kannst du übrigens im Film auch sehen oder auch auf diesem Bild hier. Warum das so ist?

Zunächst müssen wir daran denken, dass Atome sehr klein sind. Man kann sie nicht wirklich sehen, da Lichtwellen von ihnen nicht zurückgeworfen werden. Erst wenn viele Atome zusammenkommen kann Licht reflektiert werden und wird so wird es für uns sichtbar. Die bläulich-grüne Farbe hat damit zu tun, dass ein Teil des weißen Lichtes, was ja eine Mischung aus Licht verschiedener Farbe ist, durch die Goldfolie herausgefiltert wird. Ich vermute mal, dass dies gerade die  Komplementärfarbe  zu der Goldfarbe ist, wie wir sie kennen.

Stellt sich noch abschließend die Frage, warum das Blattgold überhaupt durchscheinend ist, schließlich sind es trotzdem ja immer noch ein paar Lagen Atome!? Zunächst einmal ... Glas ist ja auch durchscheinend und dass ist wesentlich dicker als Gold.

Allerdings ist Gold normalerweise ja nicht durchsichtig. Hier muss ich nun auch ein wenig raten bzw. Vermutungen anstellen. Am leichtesten lässt sich hier an Daltons Idee zweifeln, ob den Atome wirklich, wie er vermutet, kompakte Kugeln ähnlich wie Murmeln sind. Wenn das nicht der Fall ist, ich also keine fest Begrenzung der Atome habe, könnte es natürlich sein, dass da etwas durchschimmert. ... Ich werde mich noch mal genauer informieren.

Anschließend noch der Hinweis auf die Seite vom Deutschen Museum zum Thema Blattgold.

Was noch ganz interessant ist. Um auch beim Blattgold noch zu sparen gibt es ein Ersatz für das Gold. So gibt es inzwischen das sogenannte  Kompositionsgold , was hauchdünn ausgewalztes oder geschlagenes Messing oder Bronze ist. Früher war dagegen das sogenannte  Rauschgold , wobei es sich um papierdünne Messingfolien handelt. Es diente früher vor allem zur Verzierung von Weihnachtsbäumen als Christbaumschmuck. Falls ihr also beabsichtigt, Blattgold bei Ebay zu kaufen, sollte ihr es vielleicht mal testen, ob es wirklich Gold ist und nicht ein unedleres Metall.

Graphen

In der Praxis wurden strikt zweidimensionale Strukturen allerdings nicht für möglich gehalten, da sie zu instabil sein sollten.

Konstantin Novoselov, Andre Geim und ihre Mitarbeitern gelang 2004 die Herstellung freier, einschichtiger Graphenkristalle, was zur Verleihung des Nobelpreises im Jahre 2010 führte.

Graphen hat ungewöhnliche Eigenschaften, die es sowohl für die Grundlagenforschung als auch für Anwendungen interessant machen, und zwar vor allem in der Physik.

Beispielsweise sind Graphen-Flächeneinkristalle innerhalb der Flächen außerordentlich steif und fest. Seine Zugfestigkeit ist um ein vielfaches größer als bei Stahl und man glaubt in Graphen ein mögliches Material für einen Weltraumlift zu haben.

Wegen der hohen elektrischen Leitfähigkeit von Graphen wird derzeit an der Frage geforscht, ob Graphen Silicium als Transistormaterial für Computer-Chips ablösen könnte. Erste Erfolge wie die Darstellung eines Graphit-Microchips konnten bereits verbucht werden.

Weitere Ideen für die Nutzung werden getestet.