Das Periodensystem der Elemente und erste Erkenntnisse zum Atombau: Unterschied zwischen den Versionen

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(Das Periodensystem - die Ordnung in der Chemie)
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Die Experimente, die Dalton damals duchführte waren verhältnismäßig einfach. Wir wollen sie selber experimentell nachvollziehen und versuchen zu verstehen, wie Dalton mit einer einfachen Balkenwaagen die Massen der Atome erstaunlich genau bestimmen konnte. Vorab aber, damit wir seine Idee besser würdigen können, die genauen Daten zu den Atomen.
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Die Experimente, die Dalton damals duchführte waren verhältnismäßig einfach. Wir wollen sie selber später noch experimentell nachvollziehen und versuchen zu verstehen, wie Dalton mit einer einfachen Balkenwaagen die Massen der Atome erstaunlich genau bestimmen konnte. Vorab aber, damit wir seine Idee besser würdigen können, die genauen Daten zu den Atomen.
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=== Die Größe eines Atoms ===
 
=== Die Größe eines Atoms ===

Version vom 29. Oktober 2013, 08:39 Uhr

Inhaltsverzeichnis

Das Periodensystem - die Ordnung in der Chemie

Ab dem 18. Jahrhundert fängt die Chemie an ... nach und nach ... das Chaos bei den Elementen zu beseitigen. Das Endergebnis ist das Periodensystem der Elemente, dass jeder Schüler aus den Chemie-Räumen kennt.

Wir wollen uns auf den Weg machen, die Ideen nachzuvollziehen und so einen tieferen Einblick in die Elemente zu bekommen. Denn nur so kann man verstehen, warum Elemente eine chemische Reaktion eingehen. Der Weg ist recht lang, da hier viele theoretische Dinge auftauchen, die wir mit unseren einfachen Mittel nicht experimentell nachvollziehen können.

Hier zunächst einmal drei Bilder, die die Entwicklung des Periodensystem zeigen.

Von John Daltons ersten Atomsymbolen ...    ... über den ersten Entwurf eines Periodensystems von Dmitri Mendelejew...   ... hin zum heutigen Periodensystem der Elemente.
  • Im ersten Bild sieht man eine Darstellung von Element-Symbolen, wie sie der englische Chemiker John Dalton für die Atome verwendet hat. Er nannte die kleinsten Teilchen Atome und erklärte mit deren Umlagerung die chemischen Reaktionen.
  • Das zweite Bild zeigt einen ersten Entwurf einer systematischen Anordnung der bekannten Elemente des Russen Dimitri Mendelejew.
  • Beim dritten Bild handelt es sich um ein modernes Periodensystem, wie es nun gebräuchlich ist.

Das Periodensystem ist für Chemiker ein wichtiges Hilfsmittel, deren Bedeutung du nach und nach genauer kennenlernen wirst. Für uns gilt im Moment:


Das Periodensystem zeigt alle bekannter Elemente (natürlich und künstlich hergestellt) mit ihren Atomsymbolen.


In besondere Einteilung und Anordnung erfolgt aus bestimmten Gründen so. Wir werden uns nach und nach erschließen ... dazu müssen wir uns auf den Weg der Erforschung des Atoms an sich begeben.

Man findet in jedem Periodensystem, immer zwei Zahlen.

Polonium.gif
  • Die Ordnungszahl (unten), nach der die Elemente sortiert sind.
  • Die Atommasse in der Einheit u (oben), die später noch genauer erklärt wird.


WICHTIG: Die Atommasse scheint etwas mit der Sortierung zu tun haben, wenn man aber genauer hinschaut, sieht man Ausnahmen.

Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 1

Finde Ausnahmen, bei denen die Sortierung der Elemente nicht mit einer Massenzunahme einhergeht.


Dalton und das erste Atommodell

Eigentlich waren es schon griechische Philosophen, die die Atomvorstellung erstmals im 5. Jahrhundert v. Chr. postulierten. Demokrit systematisierte die Vorstellung seines Lehrers Leukipp und führte auch den Begriff átomos ein, was etwa „das Unzerschneidbare“ bedeutet, also ein nicht weiter zerteilbares Objekt. Doch diese Ideen beruhten zunächst ausschließlich auf philosophischen Überlegungen und nicht auf experimenteller Untersuchung.

Die Bezeichnung Atom wurde Ende des 18. Jahrhunderts für die damals hypothetischen kleinsten Einheiten der chemischen Elemente der beginnenden modernen Chemie übernommen. Nachdem Antoine Lavoisier 1789 den heutigen Begriff des chemischen Elements geprägt und die ersten Elemente richtig identifiziert hatte, was es 1803 John Dalton, der das Atomkonzept wieder aufgriff und mit quantitativen Experimenten deren Existenz begründen konnte.

Dalton ging dabei davon aus, dass jedes Element aus gleichartigen Atomen besteht, die sich nach festen Regeln miteinander verbinden können und dann Stoffe mit anderen Materialeigenschaften bilden. Er nahm an, dass alle Atome eines Elements die gleiche Masse hätten, und begründete den Begriff Atomgewicht.

Nuvola apps korganizer.png   Aufgabe 2

Passend dazu wäre ein Filmausschnitt aus dem Film Faszination Chemie (Teil 2 von 3), wo das Dalton'sche Atommodell vorgestellt wird.


Wie Dalton sich vorstellte, wie sich Atome verbinden.
Atommodell nach Dalton:
  • Jeder Stoff besteht aus kleinsten, nicht weiter teilbaren kugelförmigen Teilchen, den Atomen.
  • Alle Atome eines bestimmten Elements haben die gleiche Größe und Masse. Die Atome unterschiedlicher Elemente unterscheiden sich in ihrer Größe und in ihrer Masse.
  • Atome sind unzerstörbar. Sie können durch chemische Reaktionen weder vernichtet noch erzeugt werden.
  • Bei chemischen Reaktionen werden die Atome der Ausgangsstoffe nur neu angeordnet und in bestimmten Anzahlverhältnissen miteinander verbunden.


Alte Apotheker- oder Laborwaage mit einer Genauigkeit von 0,1g

Die Experimente, die Dalton damals duchführte waren verhältnismäßig einfach. Wir wollen sie selber später noch experimentell nachvollziehen und versuchen zu verstehen, wie Dalton mit einer einfachen Balkenwaagen die Massen der Atome erstaunlich genau bestimmen konnte. Vorab aber, damit wir seine Idee besser würdigen können, die genauen Daten zu den Atomen.



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 Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Rastertunnelmikroskop  "beobachtet" werden. Auf einer Seite des deutschen Museums wird die Funktionsweise noch besser erklärt.

Rastertunnelmikroskop-schema.svg    Graphit-Oberfläche im Rastertunnelmikroskop

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

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


Ungefähre Größe eines Wasserstoff-Atoms: 0,1 nm = 10-10 m = 0,000 000 000 1 m


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
ScientificLinux-Logo.gif zu Apfel 06.jpg = Apfel 06.jpg zu The Earth seen from Apollo 17.jpg
Nuvola apps kpdf recolored.png Im Buch zu lesen: Zum Thema Atomgröße findest du in unserem Buch Informationen auf Seite 137.
Versuche.png
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

Als Einheit für die Atommassen verwenden wir das Symbol u (für atomic mass unit = atomare Masseneinheit).
Hinweis: Die Einheit u verwendete Dalton früher nicht. Sie entspricht aber in etwa der Einheit Dalton, die damals von Dalton für die Angabe von Atommassen genutzt wurde. Wir verwenden u aber ab sofort immer, wenn wir Atommassen angeben.
Nuvola apps kpdf recolored.png Im Buch zu lesen: Zum Thema Dalton und sein Atommodell findest du in unserem Buch Informationen auf der Seite 135.

Dalton hatte keine Möglichkeit abzuschätzen wie viel so ein einzelnes Atom wirklich wiegt. Deshalb waren seine damals bestimmten Werte relative Atommassen. Man konnte also ablesen, um wieviel schwerer ein Atom als ein anderes ist!

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 1 u ist.

1\,\mathrm{u} = 1{,}660\,538\,921(73) \cdot 10^{-27}\,\mathrm{kg} = 0,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,001\,660\,...\,\mathrm{kg}
Nuvola apps kpdf recolored.png 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 Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite 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 Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Thomson  verschiedene Experimente, mit denen er die Grundlage für die Massenspektroskopie legte. Ein Schüler von Thomson, der britische Chemiker und Physiker Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite William Aston Francis William Aston , baute 1919 das erste funktionierende Massenspektrometer. Aston wurden schließlich im Jahr 1922 mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt.


Nachbau von Thomsons Massenspektrometer    Schematische Zeichnung eines hochauflösenden Sektorfeld-Massenspektrometers


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

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 Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite 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 Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite 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.


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 UbuntuStudio-Icons-Video Production.svgFilm 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 Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite 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 Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Kompositionsgold , was hauchdünn ausgewalztes oder geschlagenes Messing oder Bronze ist. Früher war dagegen das sogenannte Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite 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 UbuntuStudio-Icons-Video Production.svgtesten, ob es wirklich Gold ist und nicht ein unedleres Metall.

Graphen

Graphen.jpg
Etwas Neueres ist das Link zu einer deutschen Wikipedia-Seite Graphen  (sprich: "Graf-fen"). Es handelt sich dabei um ein Material, dass nur eine Schicht Kohlenstoff-Atome "dick" ist. So ergibt sich eine zweidimensionale Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom von drei weiteren umgeben ist, so dass sich ein bienenwabenförmiges Muster ausbildet.

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.