Heizen und Antreiben: Unterschied zwischen den Versionen

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(Ionisierungsenergie)
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Nun sollst du schauen, ob du erklären und verstehen kannst, wie die Ionisierungsenergie der verschiedenen Elemente erklärt werden kann.
 
Nun sollst du schauen, ob du erklären und verstehen kannst, wie die Ionisierungsenergie der verschiedenen Elemente erklärt werden kann.
  
Die folgende Darstellung ermöglicht dir, den Vorgang der Ionisierung, also das Entfernen eines Elektrons, zu visualisieren und nachzuvollziehen. Wir konzentrieren uns auf die ersten Alkalimetalle in der ersten Hauptgruppe, also Lithium '''Li''', Natrium '''Na''' und Kalium '''K'''.  
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Die folgende verlinkten Darstellungen ermöglichen es dir, den Vorgang der Ionisierung, also das Entfernen eines Elektrons, zu visualisieren und nachzuvollziehen. Wir konzentrieren uns auf die ersten Alkalimetalle in der ersten Hauptgruppe, also Lithium '''Li''', Natrium '''Na''' und Kalium '''K'''.  
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{{AufgabeNr|'''Aufgaben:'''|
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* [https://www.geogebra.org/m/gJv9h7VK Visualisierung: Ionisierungsenergie bei den Alkalimetallen untersuchen]
  
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# Du kannst an einem der Elektronen (orangenes Dreieck) ziehen und wenn du stark genug ziehst, wird das Elektron entfernt. Probiere nun also das "Ionisieren" aus.  
 
# Du kannst an einem der Elektronen (orangenes Dreieck) ziehen und wenn du stark genug ziehst, wird das Elektron entfernt. Probiere nun also das "Ionisieren" aus.  
 
# Notiere, welche bzw.wieviele Elementarteilchen Li, Na und K haben und stelle eine Vermutung an, wie sich das auf die Ionisierungsenergie auswirken könnte. Nutze dazu den Vergleich mit Magneten, deren Nord- und Südpol sich ähnlich anziehen wie positive und ngetaive Teilchen.
 
# Notiere, welche bzw.wieviele Elementarteilchen Li, Na und K haben und stelle eine Vermutung an, wie sich das auf die Ionisierungsenergie auswirken könnte. Nutze dazu den Vergleich mit Magneten, deren Nord- und Südpol sich ähnlich anziehen wie positive und ngetaive Teilchen.
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# Begründe deinem Nachbarn deine Wahl zu den Werten der ionisierungenergie.
 
# Begründe deinem Nachbarn deine Wahl zu den Werten der ionisierungenergie.
 
# Suche nun im obigen Graph nach den Ionisierungsenergien von Li, Na und K. Hast du richtig geraten?
 
# Suche nun im obigen Graph nach den Ionisierungsenergien von Li, Na und K. Hast du richtig geraten?
'''Lösung:''' Je mehr positive und negative Ladungen die Atome haben, desto stärker sollte die Anziehung sein. Daher müsste die Anziehung, also auch die Ionisierungsenergie, von Lithium über das Natrium bis hin zum Kalium zunehmen. Den genauen Wert kann man hier nur raten, aber es sollte in etwa abnehmen, ob proportional oder nicht ist hier egal. Tatsächlich ist es aber anders herum! Die Ionisierungsenergie ist beim Lithium an größten und nimmt dann in der Hauptgruppe immer weiter ab. Kalium hat von den drei Alkalimetallen die nidrigste Ionisierungsenergie. Das ist ein Widerspruch zu unser Überlegung zu der Anziehung von Elektronen und Protonen. Ein Fazit muss sein, dass das bisherige Atommodell entweder einen Fehler hat oder nicht vollständig ist und verbessert werden muss.  
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<popup_name=Lösung>Je mehr positive und negative Ladungen die Atome haben, desto stärker sollte die Anziehung sein. Daher müsste die Anziehung, also auch die Ionisierungsenergie, von Lithium über das Natrium bis hin zum Kalium zunehmen. Den genauen Wert kann man hier nur raten, aber es sollte in etwa abnehmen, ob proportional oder nicht ist hier egal. Tatsächlich ist es aber anders herum! Die Ionisierungsenergie ist beim Lithium an größten und nimmt dann in der Hauptgruppe immer weiter ab. Kalium hat von den drei Alkalimetallen die nidrigste Ionisierungsenergie. Das ist ein Widerspruch zu unser Überlegung zu der Anziehung von Elektronen und Protonen. Ein Fazit muss sein, dass das bisherige Atommodell entweder einen Fehler hat oder nicht vollständig ist und verbessert werden muss.  
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{{Kurzregel|Das '''Schalenmodell''' ist ein Atommodell, bei dem sich die Elektronen in der Hülle auf konzentrischen Schalen verteilen, ähnlich etwa wie die Schalen einer Zwiebel. Jede Schale ist der räumliche Aufenthaltsbereich von Elektronen mit ähnlichen Bindungsenergien. Die innerste, dem Atomkern nächstgelegene Schale wird K-Schale genannt. Sie enthält maximal zwei Elektronen. Auf der nächsten Schale, der L-Schale finden maximal acht Elektronen Platz. Je weiter die Schalen vom Kern entfernt sind, desto mehr Platz ist für Elektronen vorhanden. Auf die n-te Schale passen 2n² Elektronen.}}
  
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Und wie passt das nun mit der Ionisierungsenergie zusammen?
  
[https://www.geogebra.org/m/gJv9h7VK Ionisierungsenergie bei den Alkalimetallen untersuchen]
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{{AufgabeNr|'''Aufgaben:'''|
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Betrachte die schon bekannte Darstellung zur Visualisierung der Ionisierungsenergie, nun aber mit dem Schalenmodell
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:[https://www.geogebra.org/m/btvMqGxt Neues Atommodell mit der Ionisierungsenergie]
  
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Überlege dir folgendes und halte es fest:
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* Warum ist die benötigte Ionisierungsenergie beim Natlithum so viel kleiner als beim Neon?
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* Warum nimmt die Ionisierungsenergie innerhalb einer Periode (von links nach rechts) zu?
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* Warum nimmt die Ionisierungsenergie innerhalb einer Hauptgruppe (von oben nach unten) ab?
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* [https://www.geogebra.org/m/neewySYN Die richtigen Ionisierungsenergiewerte mit dem Kern-Hülle Modell]
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{{Kurzregel|'''MERKE:''' Bei allen Elementen der Hauptgruppe gilt, dass die Anzahl der Elektronen auf der äußersten Schale der Nr. der Hauptgruppe entspricht!}}
* [https://www.geogebra.org/m/btvMqGxt Neues Atommodell mit der Ionisierungsenergie]
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=== Schalenmodell ===
 
=== Schalenmodell ===

Version vom 9. Februar 2018, 09:43 Uhr

Heizen und Antreiben? ... was hat das mit Chemie zu tun?

Drei wichtige Aspekte, die wir bisher schon bei den anderen Themen angesprochen haben, bringen hier Chemie ins Spiel:

  1. Welche Stoffe eigenen sich zum Heizen und Antreiben? Was sind ihre typischen Eigenschaften, die bei der Verwendung eine Rolle spielen?
  2. Welche chemischen Reaktionen laufen bei der Benutzung ab?
  3. Können wir die Eigenschaften und die Reaktionen auf atomarer Ebene erklären?


Ein wichtiger Aspekt, der hier eine Rolle spielt, den wir bisher noch nicht so intensiv betrachtet haben, ist das Thema "Energie". Dazu eine erste Übung.


Inhaltsverzeichnis

Energie bei chemischen Reaktionen


Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 1

Bei den in den folgenden Informationen beschriebenen Vorgängen, finden immer auch chemische Reaktionen statt. Teilweise sogar zwei chemische Reaktionen. Bei allen ist die Umsetzung von Energie von großer Bedeutung.

  1. Lies die Materialien in den grauen Kästchen durch und markiere im Text die Stoffe, die an der Reaktion beteiligt sind. Welches davon sind die Edukte und welches die Produkte?
  2. Halte die Reaktion(en) als Reaktionsschema im Heft fest (Überschriften nicht vergessen!). Bei Material 2 ist dies nicht möglich, da nicht alle beteiligten Stoffe genannt sind. Halte diese chemischen Reaktionen als Beschreibung fest.
  3. Suche in den Texten nach Formulierungen, die beschrieben, ob Energie frei wird oder zugeführt werden muss und trage dies hinter dem Reaktionsschema fest. Beispiel: Edukt + Edukt → Produkt | Energieabgabe

Die Texte können mit Aufgaben als pdf hier heruntergeladen werden.


Chloroplasten - die Bestandteile einer Pflanzenzelle, die die Sonnenergie nutzen kann.
Material 1: Photosynthese


Die Photosynthese ist ein Prozess, bei dem Lichtenergie durch Lebewesen in chemische Energie umgewandelt wird und organische Stoffe synthetisiert werden. ... Die Synthese dieser Stoffe geht überwiegend von der sehr energiearmen anorganischen Kohlenstoff-Verbindung Kohlenstoffdioxid aus. Aus Kohlenstoffdioxid und Wasser entsteht – durch Energiezufuhr (Licht) – Traubenzucker (Glucose) und Sauerstoff.



Material 2: Chemische Energie

Verwendung chemischer Energie in technischen Systemen

Aus technischer Sicht ist in Treibstoffen chemische Energie gespeichert, die durch deren Verbrennung, etwa beim Antrieb von Fahrzeugen, in mechanische Energie umgewandelt wird. Brennstoffzellen erlauben den Wandel von chemischen Reaktionsenergie einer Verbrennung direkt in elektrische Energie. Bei Nutzung von Batterien wird über elektrochemische Reaktionen die chemische Energie direkt in elektrische Energie gewandelt. Ein Akkumulator verhält sich bei der Nutzung der Energie ähnlich wie eine Batterie, kann aber auch umgekehrt elektrische Energie in chemische wandeln und so speichern.

Verwendung chemischer Energie in biologischen Systemen

Aus biologischer Sicht ist in organischer Nahrung chemische Energie gespeichert, die in ATP als Energieträger umgewandelt wird. Grüne Pflanzen beziehen ihre chemische Energie nicht aus organischer Nahrung, sondern aus dem Energiegehalt der Sonnenstrahlung ...



Ein Bleiakku, wie er als Starterbatterie in Autos verwendet wird.

Material 3: Bleiakku

Bei einem Bleiakkumulator (kurz Bleiakku, besonders beim Kfz auch Starterbatterie) handelt es sich um eine Ausführung des Akkumulators, bei der die Elektroden aus Blei und der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure besteht.
Bei der Entladung reagiert Blei mit Sauerstoff zu Bleioxid und löst sich im Elektrolyt auf. Beim Laden wird die Reaktion umgekehrt und es entsteht wieder metallisches Blei.



Eine kleine Brennstoffzelle

Material 4: Wasserstoff als Energieträger der Zukunft

Wasserstoff scheint eines der Energieträger der Zukunft zu sein. Besonders sauber wird er hergestellt, wenn der für die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff benötigte Strom mit Hilfe von Solarzellen gewonnen wird.
Wird das gasförmige Wasserstoff unter Druck verflüssigt, so kann man ihn auch in Tanks füllen und als Treibstoff verwendet werden. Dabei kann der Wasserstoff direkt mit Sauerstoff verbrannt werden oder die, in ihm enthaltene Energie, wird mit Hilfe einer sogenannten Brennstoffzelle in elektrischen Strom verwandelt werden. Und die „Abgase“? Als einziges Reaktionsprodukt entsteht Wasserdampf.




Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 2

Lies im Buch (Chemie heute I) die Seiten 73 und 75 bis 77 und halte die neuen Begriffe mit Definitionen fest, die mit dem Aspekt des Energieumsatzes bei chemischen Reaktionen zu tun haben.

Finde Definitionen für innere/chemische Energie, exotherm, endotherm, Aktivierungsenergie, Katalysator, Energiediagramm.



Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 3

Um die neuen Begriffe gleich anwenden zu können gibt es ein Zuordnungsquiz.


Energie aus physikalischer Sicht

Doel Kerncentrale.JPG
Bei Energie denkt man sicher zuerst an Strom. Sicher bekommt ihr mit, dass andauernd der Begriff Energie in den Nachrichten vorkommt: Energie sparen, Alternative Energie, fossile Energie, Sonnenenergie, ...

Für die Physiker ist der Begriff Energie von wichtiger Bedeutung. Auch wenn das Thema im Physik-Unterricht erst später durchgenommen wird, so solltet ihr vorab ein paar Dinge dazu wissen.


Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 4

Was ihr euch genauer anschauen sollt und ein paar Kontrollfragen dazu gibt es auf der Unterseite Energie in der Physik. Bearbeite alle Quizze auf dieser Seite!



Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 5

Den physikalische Aspekt der Energieumwandlungen bei chemischen Reaktion kannst du in einem weiten Quiz noch mal anwenden, bei dem ein paar Filme vorgegeben sind. Zu jedem Film gibt es dann ein paar MultipleChoice-Fragen.


Experimente zur Energie bei chemischen Reaktionen

Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 5

Führe die drei Experimente durch und betrachte die Videos zu den Experimenten, die du nicht selber durchführen kannst. Halte zu jedem Experiment die Überschrifte und Notizen über die Beobachtungen fest. Nutze dabei auch die Begriffe zum Energieumsatz bei chemischen Reaktionen, die wir besprochen haben.


Hydrating-copper(II)-sulfate.jpg
Versuche.png
VERSUCH:
Sicherheitsinformationen für Experimente
Schutzbrille verwenden Ein Schutzbrille muss verwendet werden.
(1) Kupfersulfat und Wasser

Verwende bei beiden Versuchen eine Schutzbrille!

ACHTUNG: Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Kupfersulfat  ist umweltgefährdend und darf deshalb nicht in den Abfluss! Hände nach dem Experiment waschen.

Versuch 1: Erhitze in einem waagrecht eingespannten Reagenzglas etwas "blaues Kupfersulfat" (= Kupfersulfat-Hydrat). Beobachte die Farbe des Pulvers bzw. deren Veränderung und die Wand des Reagenzglases im nicht erhitzten Teil.

Versuch 2: Versetze in einer kleinen Porzellanschale eine Spatelspitze weißes Kupfersulfat mit wenigen Wassertropfen aus der Plastikpipette und beobachte die Veränderung von Farbe und Temperatur!

Nutze die aufgebauten Geräte.

Aufräumen: Gib das erhitzte bzw. mit Wasser versetzte Kupfersulfat jeweils in das passende Behältnis und "lege" wieder alle Geräte zurück. Ein Auswaschen ist nicht notwendig. Es reicht die Reste aus zu schütten/klopfen/kratzen.


Versuche.png
VERSUCH:
Sicherheitsinformationen für Experimente
Schutzbrille verwenden Ein Schutzbrille muss verwendet werden.
(2) Verschiedene Metallpulver verglühen lassen

Du sollst in diesem Experiment vergleichen, wie heftig die Reaktion verschiedener Metalle beim Verbrennen ist. Schutzbrille verwenden! Sind die Hände gewaschen?

Dazu soll das Metallpulver in die Bunsenbrennerflamme gepustet werden. Gehe jeweils so vor:

  • Entzünde beim ersten Man den Bunsenbrenner. bzw. öffne die Luftzufuhr, damit du eine rauschende Flamme hast.
  • Nimm etwas Pulver eines der Metalle in das kürzere abgeknickte Ende des Strohhalm auf.
  • Umschließe mit der Hand die andere Öffnung des Strohhalms, so dass du durch deine Hand in den Strohhalm pusten kannst.
  • Richte die untere Öffnung des Strohhalms auf die Flamme. Puste dann das Metallpulver in die Flamme und beobachte die Heftigkeit der Reaktion. Es darf niemand "hinter" der Flamme stehen, so dass du ihn anpustest!

Für jedes Metall sollte ein eigener Strohhalm vorhanden sein! Bitte geht sparsam mit dem Material um. Das Metallpulver ist nicht so sehr billig! Pro Metall sollten zwei Versuche mit kleinen Mengen reichen!

Aufräumen: Kehrt den Bereich des Experimentes, damit kein Metallpulver mehr herumliegt. Schaltet den Bunsenbrenner ganz aus, wenn keine Gruppe direkt nach euch dran ist.


Versuche.png
VERSUCH: (3) Vergleich der Reaktion verschiedener Metalle mit Schwefel

Schau dir die folgenden Experimente an, bei denen Schwefel mit verschiedenen Metallen reagiert.

Du findest auf den verlinkten Seiten jeweils den Film sowie noch einmal Bilder aus dem Film, wo die wichtigsten Momente noch einmal festgehalten sind. Es lohnt sich meist die Filme größere anzuschauen und auch die Bilder darunter noch einmal zu betrachten und die Erklärungen durchzulesen.

UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg Magnesium, Kupfer, Eisen, Silber, Zink.


Versuche.png
VERSUCH: (4) Kettenreaktion Betrachte dir dieses Video, in dem man eine Kettenreaktion beobachten kann. UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg

Überlege dir dazu folgendes und notiere es:

  • Wenn man das Verbrennen aller Streichhölzer von weit entfernt betrachten würde, kann man nicht die einzelnen Streichhölzer erkennen. Man könnte den Vorgang dann als eine chemische Reaktion betrachten. Ist diese Reaktion dann exotherm oder endotherm.
  • Welche Bedeutung hat das Entzünden des ersten Streichholzes? Wie trägt das Entzünden jedes einzelnen Streichholzes zur Fortsetzung der "Reaktion" bei?


Verbrennung eines Zuckerwürfels.png
Versuche.png
VERSUCH:
Sicherheitsinformationen für Experimente
Schutzbrille verwenden Ein Schutzbrille muss verwendet werden.
(5) Zucker verbrennt mit Hilfe von Asche

Verwende bei beiden Versuchen eine Schutzbrille!

Nimm eines der frischen Würfelzuckerstückchen.

Versuch 1: Nutze den kleinen Gasbrenner und versuche den Zucker auf der unbrennbaren Unterfläche zu entzünden, indem du ihn stark erhitzt.

Versuch 2: Gib nun etwas von der Asche auf das Zuckerstücken und versuche erneut den Zucker entzünden. Es sollte kein Haufen Asche sein, sondern dünn über die Zuckeroberfläche verteilt werden.

Ein ähnliches Experiment kannst du dir UbuntuStudio-Icons-Video Production.svg hier ansehen. Das solltest du auch tun, da man hier noch besser die Wirkung der Asche beobachten kann.

Brandbekämpfung - praktisch und theoretisch

Ein Feuer kann nur brennen, wenn alle drei Bedingungen erfüllt sind:

Verbrennungsdreieck.svg

Umgekehrt kann ein Feuer gelöscht werden, wenn eines der drei Bedingungen nicht erfüllt ist.


Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 6

Sucht nach praktischen Möglichkeiten, wie man ein Feuer löschen kann. Ordnet dann das Löschverfahren einer Seite des Dreiecks zu, um zu erklären, warum das Löschmittel wirken kann.


Warum reagieren Stoffe miteinander?

Erst einmal zu den Ionen - Was steckt da dahinter?

Edelgasregel: Die meisten Ionen der Hauptgruppen nehmen Elektronen auf oder geben sie ab, um die gleiche Elektronenkonfiguration wie benachbarte Edelgase zu erreichen.

Offensichtlich stellt diese Anzahl einen stabilen Zustand dar, denn Edelgase sind sehr reaktionsträge und bilden fast keine Verbindungen.


Reaktion von Natrium mit Chlor - wo ist da Energie im Spiel

Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 7

Das Video zeigt, wie die Reaktion von Natrium mit Chlor zu Natriumchlorid abläuft.

Schau dir das Video zwei Mal an und halte fest an welchen Stellen eine Energiezufuhr stattfindet und wo Energie freigesetzt wird? Finde Beschreibungen für die einzelnen Schritte, und ob und wie Energie zugeführt oder frei wird.

→ Hier noch ein weiteres Video, wo das Experiment etwas anders durchgeführt wird.


Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 8

Die Reaktion von Natrium mit Chlor wird in den zwei Animationen auch auf atomarer Ebene betrachtet. Betrachte auch hier wieder, wie bei der vorherigen Aufgabe, welche Schritte hier stattfinden mit dem Energieumsatz und ergänze eventuell fehlende Schritte in deinen vorherigen Notizen.


Ionisierungsenergie

Ein Aspekt, der bei der Einzelbetrachten Schritte zur Kochsalz-Synthese war die Tatsache, dass das Entfernen eines Elektrons aus einem Atom Energie "kostet". Und das erscheint logisch, denn der Kern mit den positiv geladenen Protonen zieht die Elektronen in der Atomhülle an. Generell nennt man die benötigte Energie Ionisierungsenergie. Die Defintion lautet genau:

Ionisierungsenergie nennt man die Energie, die man benötigt um eine Elektron aus dem Atom zu entfernen.


Was sicher auch logisch ist, ist dass die Ionisierungsenergie nicht immer identisch ist, denn wir haben ja ganz unterschiedliche Atome mit unterschiedlich vielen Protonen und Elektronen. Das folgende Diagramm zeigt die Ionisierungsenergie in Abhängigkeit der Kernladungszahl bzw. dem Element.

Erste Ionisierungsenergie bis 36 Kr.png

Nun sollst du schauen, ob du erklären und verstehen kannst, wie die Ionisierungsenergie der verschiedenen Elemente erklärt werden kann.

Die folgende verlinkten Darstellungen ermöglichen es dir, den Vorgang der Ionisierung, also das Entfernen eines Elektrons, zu visualisieren und nachzuvollziehen. Wir konzentrieren uns auf die ersten Alkalimetalle in der ersten Hauptgruppe, also Lithium Li, Natrium Na und Kalium K.

Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe Aufgaben:

{{{2}}}


Das Schalenmodell ist ein Atommodell, bei dem sich die Elektronen in der Hülle auf konzentrischen Schalen verteilen, ähnlich etwa wie die Schalen einer Zwiebel. Jede Schale ist der räumliche Aufenthaltsbereich von Elektronen mit ähnlichen Bindungsenergien. Die innerste, dem Atomkern nächstgelegene Schale wird K-Schale genannt. Sie enthält maximal zwei Elektronen. Auf der nächsten Schale, der L-Schale finden maximal acht Elektronen Platz. Je weiter die Schalen vom Kern entfernt sind, desto mehr Platz ist für Elektronen vorhanden. Auf die n-te Schale passen 2n² Elektronen.


Und wie passt das nun mit der Ionisierungsenergie zusammen?

Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe Aufgaben:

Betrachte die schon bekannte Darstellung zur Visualisierung der Ionisierungsenergie, nun aber mit dem Schalenmodell

Neues Atommodell mit der Ionisierungsenergie

Überlege dir folgendes und halte es fest:

  • Warum ist die benötigte Ionisierungsenergie beim Natlithum so viel kleiner als beim Neon?
  • Warum nimmt die Ionisierungsenergie innerhalb einer Periode (von links nach rechts) zu?
  • Warum nimmt die Ionisierungsenergie innerhalb einer Hauptgruppe (von oben nach unten) ab?


MERKE: Bei allen Elementen der Hauptgruppe gilt, dass die Anzahl der Elektronen auf der äußersten Schale der Nr. der Hauptgruppe entspricht!


Schalenmodell

Spektren bei Flammenfärbungen weisen auf das Schalenmodell hin

Electromagnetic spectrum -de c.svg

Visible spectrum of hydrogen.jpg

Visible spectrum of helium.jpg

Sodium Spectra.jpg


Wasserstoff-Termschema.svg HydrogenSpectrum.PNG



Die Natriumchloridsynthese im Schalenmodell