Grundlagen der Chemie: Periodische Trends, Atomspektren und Wellen

Periodische Trends der Elemente

1. Atomradius (J <)

Der Atomradius ist der halbe Abstand zwischen den Kernen zweier identischer, miteinander verbundener Atome.

2. Ionisierungsenergie (T >)

Die Ionisierungsenergie ist die minimale Energie, die benötigt wird, um einem neutralen Atom eines Elements im gasförmigen Zustand und im elektronischen Grundzustand ein Elektron aus seiner äußersten Schale zu entziehen. Dadurch entsteht ein einfach positiv geladenes Ion (Kation), das sich ebenfalls im gasförmigen Zustand und im elektronischen Grundzustand befindet.

Trend: Die Ionisierungsenergie nimmt im Periodensystem nach oben und rechts zu.

3. Elektronenaffinität (<J)

Die Elektronenaffinität ist die Energie, die freigesetzt oder aufgenommen wird, wenn ein neutrales Atom im gasförmigen Zustand und im elektronischen Grundzustand ein Elektron aufnimmt und dadurch zu einem einfach negativ geladenen Ion (Anion) wird.

Trend: Die Elektronenaffinität nimmt im Periodensystem tendenziell nach oben und rechts zu.

4. Elektronegativität (T >)

Die Elektronegativität ist definiert als die relative Tendenz eines Atoms, Elektronen in einer chemischen Bindung an sich zu ziehen.

Trend: Die Elektronegativität nimmt im Periodensystem nach oben und rechts zu.

Atomspektren und Quantentheorie

Elektromagnetisches Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum umfasst alle elektromagnetischen Wellen, die nach ihrer Frequenz (oder Wellenlänge) geordnet sind.

Atomemissionsspektrum (Linienspektrum)

Das Atomemissionsspektrum ist die Strahlung, die von einem Element im gasförmigen Zustand emittiert wird, wenn ihm ausreichend Energie zugeführt wird.

• Das Spektrum des Sonnenlichts ist kontinuierlich (Strahlung bei allen Frequenzen).
• Die Emissionsspektren der Elemente sind diskontinuierlich (Linienspektren), da sie nur bei bestimmten Frequenzen strahlen.

Jedes chemische Element besitzt ein einzigartiges Spektrum. Es dient daher als der Fingerabdruck des Elements.

Das Wasserstoff-Spektrum

Das Wasserstoff-Spektrum ist das einfachste aller Spektren. Es setzt sich aus mehreren Reihen von Spektrallinien zusammen, die im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Bereich erscheinen.

Plancks Quantentheorie

Nach Plancks Quantentheorie emittieren oder absorbieren Körper Energie nicht kontinuierlich, sondern in diskreten Paketen, den sogenannten Quanten.

Ionenradien und Gruppen-Trends

Trend in Gruppen (Atomradius)

Innerhalb einer Gruppe nimmt der Atomradius mit steigender Ordnungszahl zu.

• Die Anzahl der besetzten Energieniveaus steigt.
• Die effektive Kernladung auf die äußersten Elektronen bleibt relativ konstant.

Kationen (Positiv geladene Ionen)

Kationen sind kleiner als die neutralen Atome, aus denen sie entstehen.

• Durch den Verlust von Elektronen verringert sich die Abschirmung.
• Die verbleibenden äußeren Elektronen unterliegen einer stärkeren nuklearen Anziehung (höhere effektive Kernladung).

Anionen (Negativ geladene Ionen)

Anionen sind größer als die neutralen Atome, aus denen sie entstehen.

• Das Anion hat mehr Elektronen, was die Abstoßung (Abschirmung) in der äußeren Schale erhöht.
• Die effektive Kernladung auf die äußeren Elektronen ist geringer.

Folglich ist der Radius des Anions größer als der des neutralen Atoms.

Grundlagen der Wellenbewegung

Wellenbewegung

Die Wellenbewegung ist eine Form der Energieübertragung ohne Netto-Transport von Materie, die durch die Ausbreitung einer Störung erfolgt. Diese Störung wird als Welle bezeichnet.

Mechanische Wellen

Mechanische Wellen breiten sich durch ein materielles Medium (z. B. Luft, Wasser, Seil) aus und übertragen dabei mechanische Energie. Das Medium ist für die Existenz der Welle unverzichtbar.

Elektromagnetische Wellen

Elektromagnetische Wellen übertragen Energie durch die Ausbreitung von zwei oszillierenden Feldern (elektrisch und magnetisch). Sie benötigen kein materielles Medium und können sich im Vakuum ausbreiten.

Charakteristika einer elektromagnetischen Welle:

• Amplitude: Maximale Auslenkung.
• Wellenlänge: Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden identischen Punkten.
• Frequenz: Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit.
• Periodendauer: Zeit für eine vollständige Schwingung.
• Geschwindigkeit: Geschwindigkeit, mit der sich die Welle ausbreitet.