Atomtheorie, Periodensystem & chemische Reaktionen

Grundlagen der Atomtheorie

Daltons Atomtheorie und Grenzen

Daltons Atomtheorie besagt, dass Materie aus unteilbaren Teilchen, den Atomen, besteht. Die Entdeckung subatomarer Teilchen wie des Elektrons widerlegte jedoch Teile dieser Theorie.

Entdeckung von Elektron und Proton

Kathodenstrahlen und das Elektron

Eigenschaften von Kathodenstrahlen:

• Sie bewegen sich geradlinig von der Kathode zur Anode.
• Treffen sie auf die Röhrenwand, erzeugen sie Fluoreszenz.
• Sie verhalten sich wie ein elektrischer Strom negativer Ladung und werden durch ein äußeres elektrisches Feld zur positiven Platte abgelenkt.
• Die Ergebnisse sind unabhängig vom Gas im Rohr.
• Sie besitzen hohe kinetische Energie (können z. B. ein Schaufelrad drehen) und sind somit materielle Teilchen, keine reine Strahlung.

Elektron: Das Elementarteilchen mit der kleinsten negativen elektrischen Ladung.

Kanalstrahlen und das Proton

Kanalstrahlen sind positiv geladene Ionen, deren Art vom Gas im Entladungsrohr abhängt. Befindet sich Wasserstoff im Rohr, entstehen positive Wasserstoffionen (H+). Dies ist ein weiteres Elementarteilchen: das Proton, 1914 von Rutherford so benannt.

Entwicklung der Atommodelle

Thomsons Atommodell

Zwischen 1898 und 1904 entwickelte Thomson, der Elektronen als universellen Bestandteil der Materie betrachtete, das „Rosinenkuchen“-Modell. Er stellte sich das Atom als eine positiv geladene Masse vor, in die Elektronen wie kleine Körnchen eingebettet sind. Die Anzahl der Elektronen ist so gewählt, dass das Atom insgesamt elektrisch neutral und stabil ist.

Rutherfords Kern-Hülle-Modell

Das Atom besitzt laut Rutherford eine Struktur mit einem zentralen Kern, der fast die gesamte Masse und die gesamte positive elektrische Ladung konzentriert. In großem Abstand um den Kern rotieren Elektronen in der Hülle auf Bahnen, gehalten durch elektrostatische Anziehungskraft.

Bohrs Atommodell

Im Bohr-Modell umkreisen Elektronen den Kern nur auf bestimmten, erlaubten Kreisbahnen (Schalen). Beim Übergang eines Elektrons von einer Bahn zu einer anderen wird Energie in Form eines Photons ausgetauscht, beschrieben durch die Planck-Gleichung: ΔE = hν.

Modernes Orbitalmodell

Das heute akzeptierte Orbitalmodell beschreibt Elektronen nicht auf festen Bahnen, sondern in einem Raumbereich um den Kern, dem Orbital. In Orbitalen bewegen sich Elektronen ohne definierten Weg auf unterschiedlichen Energieniveaus oder Schalen.

Ionen und Spektren

Ionenbildung erklärt

Die Umwandlung eines Atoms in ein Ion erfolgt durch Elektronenaufnahme oder -abgabe aus seinem elektrisch neutralen Zustand. Nimmt ein Atom Elektronen auf, wird es zum Anion (negativ geladen). Verliert es Elektronen, wird es zum Kation (positiv geladen).

Elektromagnetisches Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum umfasst die Gesamtheit der existierenden elektromagnetischen Wellen, geordnet nach ihrer Frequenz (oder Wellenlänge). Von niedrigster zu höchster Frequenz:

• Radiowellen
• Mikrowellen
• Infrarotstrahlung (IR)
• Sichtbares Licht
• Ultraviolettstrahlung (UV)
• Röntgenstrahlung
• Gammastrahlung

Atomspektren

Ein Spektrum entsteht durch die Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie. Es zeigt die Verteilung der Intensität der Strahlung als Funktion der Wellenlänge oder Frequenz und ist charakteristisch für das jeweilige Atom oder Molekül.

Periodensystem und Eigenschaften

Das Periodensystem der Elemente

Das Periodensystem ordnet die chemischen Elemente nach steigender Ordnungszahl (Anzahl der Protonen im Kern) und gruppiert sie nach ähnlichen chemischen Eigenschaften.

Wichtige periodische Trends

Ionisierungsenergie

Die Ionisierungsenergie ist die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron vollständig aus einem Atom eines chemischen Elements im gasförmigen Zustand zu entfernen.

Elektronenaffinität

Die Elektronenaffinität ist die Energie, die freigesetzt (oder benötigt) wird, wenn ein Elektron einem Atom eines chemischen Elements im gasförmigen Zustand hinzugefügt wird.

Elektronegativität

Die Elektronegativität beschreibt die Tendenz eines Atoms, in einer chemischen Bindung die Bindungselektronen an sich zu ziehen.

Metallischer Charakter

Der metallische Charakter beschreibt die Tendenz eines Atoms eines chemischen Elements, Elektronen abzugeben und positive Ionen zu bilden.

Grundlegende chemische Reaktionen

Synthesereaktion (Bildung)

Synthesereaktionen sind Reaktionen, bei denen mehrere Reaktanten zu einem einzigen Produkt reagieren. Schema: A + B → C.

Zersetzungsreaktion (Zerfall)

Zersetzungsreaktionen:

• Einfache Zersetzung: Ein Stoff zerfällt in zwei oder mehr einfachere Produkte. Dies ist die Umkehrung der Synthese. Schema: A → B + C.
• Reaktive Zersetzung (selten als eigener Typ betrachtet): Ein Stoff AB reagiert mit einem Reagenz C und zerfällt dabei zu AC und BC. Schema: AB + C → AC + BC. (Anmerkung: Dies ähnelt eher einer Substitutions- oder Additionsreaktion, je nach Kontext).

Verdrängungsreaktion (Einfach)

Bei Verdrängungsreaktionen (oder einfachen Substitutionsreaktionen) ersetzt ein Element (C) ein anderes Element (B) in einer Verbindung (AB). Schema: AB + C → AC + B. Dies geschieht typischerweise, wenn das Element C reaktiver (unedler) ist als das Element B.

Doppelte Substitution (Metathese)

Bei doppelten Substitutionsreaktionen (oder Metathesereaktionen) tauschen zwei Verbindungen (AB und CD) ihre Partner aus, um zwei neue Verbindungen (AD und CB) zu bilden. Schema: AB + CD → AD + CB. Oft finden diese Reaktionen in Lösung statt, wobei z.B. ein unlöslicher Niederschlag entsteht.