Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse

1.Atombau und PSE
1.1Energie und Materie

Auch in anderen modernen Techniken werden chemische Vorgänge
ausgenutzt, um Energie zu gewinnen, z.B. der PEM Brennstoffzelle
(PEM=Proton Exchange Membrane). Dabei wird kontrolliert Wasserstoff mit
Sauerstoff zusammengebracht und es entsteht Wasser. Es werden als Energie
elektrische Energie (Strom) und Wärmeenergie frei.
Die elektrische Energie wird z.B. genutzt, um einen Motor anzutreiben.

FuelCel1 - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse

In der Chemie formuliert man den Vorgang vereinfacht
so:

2 H2 +O2
—>2 H2O
+Energie

Die Reaktion heißt eigentlich Knallgasreaktion,
weil normalerweise, ohne die trickreiche Anordnung der Brennstoffzelle
die beiden Gase explosionsartig miteinander reagieren.

Auch
in der Weltraumfahrt beim Space Shuttle wird diese Reaktion genutzt.

Wie man sieht wird
beim Liftoff des Space Shuttles bei der kontrollierten Knallgasreaktion
neben Wärme auch extrem helles Licht abgestrahlt.

Eine ähnlich intensive Verbrennung
mit starker Wärme- und Lichtemission findet bei der Verbrennung
des Metalls Magnesium
in Luft statt. Dabei findet folgende Reaktion
statt:

magn1 - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse

2 Mg + O2 —>
2 MgO + Energie

Tun wir mal so, wie wenn wir keine 2 Jahre Chemie in
der Mittelstufe gehabt hätten und betrachten uns die beiden chemischen
Gleichungen.

Der
Chemiker benutzt für jeden bei der Reaktion teilnehmenden Stoff eine
Formel oder ein bestimmtes Symbol: O für Sauerstoff, Mg
für Magnesium und H für Wasserstoff. Die Symbole findet
man im Periodensystem der Elemente (PSE). Wie der Name schon sagt, bei
einer Gleichung muß auf beiden Seiten das Gleiche stehen; in der
Chemie verwendet man statt dem =-Zeichen einen Reaktionspfeil. Nehmen
wir die Knallgasreaktion. Eine chemische Gleichung gibt uns verschiedene
Information oder anders ausgedrückt, man kann sie auf verschiedene
Art lesen:

1.
Lesart:

Der
Stoff Wasserstoff reagiert mit dem Stoff Sauerstoff zu Wasser.

2.
Lesart:
Ein Teilchen Wasserstoff reagiert
mit einem halben Teilchen Sauerstoff zu einem Teilchen Wasser.
3. Lesart: 2g Wasserstoff
reagieren mit 8g Sauerstoff zu 18g Wasserstoff.

Die 1. Lesart
sagt einfach aus, welcher Stoff mit welchem zu welchem reagiert. Dabei
nennt man die Stoffe die reagieren Ausgangsstoffe oder Edukte
und die Stoffe die entstehen Endstoffe oder Produkte.

Die 2. Lesart macht nun
eine Aussage über die Menge der Teilchen, die miteinander reagieren.
Die Gesamtzahl der Atome (egal ob
geladen oder nicht) auf der linken und rechten Seite der Gleichung ist
gleich.

Die
3. Lesart
sagt etwas über die Stoffmengen und Stoffmassen aus, die bei
einem chemischen Vorgang mit einander reagieren.

Seit den alten Griechen und Dalton (um 1800) wissen wir,
daß Stoffe aus kleinsten Teilchen bestehen. Vereinfacht gesagt
gibt es davon 3 Sorten, aus denen die Stoffe bestehen:

Atome, Moleküle (=Verbindungen von
Atomen) und Ionen (= geladene Atome oder Moleküle). Wenn wir
uns diese Teilchen einfach kugelig vorstellen sieht das so aus:

teil1 - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse

 

 

 


Abb.1.1.1

PEM Brennstoffzelle

 


Abb. 1.1.2

Start des Space-Shuttles
 

spsh1 - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse

 

 

 


Abb.1.1.3

Verbrennung von Mg-Pulver

 

 

 

Chemische
Vorgänge kann man vereinfacht als Verbindung oder Trennung solcher
Teilchen verstehen. Dabei geschehen Energieänderungen.

 

Heute kann man mit dem Raster-Tunnelmikroskop
Atome sichtbar machen. Dabei wird die äußere Form der Atome
abgetastet. In der Abb.1.1.4 sind Silizium-Atome auf einer Kristalloberfläche
zu sehen.

Seit
ca. 75 Jahren weiß man, daß Atome aus den folgenden noch kleineren
Teilchen bestehen. Dies sind Protonen und Neutronen im Atomkern
und Elektronen in der Atomhülle. Diese Elektronen sind
ca. 2000 mal leichter als Protonen. Protonen (e+) sind positiv
(+) , Elektronen (e) (-) negativ geladen. Die Neutronen besitzen
keine Ladung. (siehe unten rechts) Protonen und Neutronen heißen
auch Nukleonen.

Solche
Teilchen sind sehr klein, ihr Durchmesser liegt im Bereich von pm
(Picometer) bis nm (Nanometer). Zur Erinnerung hier
die wichtigsten Längeneinheiten:


Abb. 1.1.4

Siliziumatome
 

atom7 - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse

Meter
Millimeter
Mikrometer
100m
10-3
m
10-6m
1
1/1000m
1/1
000 000m
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insek - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse
zellen - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse
Nanometer
Picometer
10-9m
10-12m
1/1000
000 000m
1/1000
000 000 000m
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atom1 - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse
atom8 - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse
Atommassen, Molmasse

In
der Natur hat man 92 verschiedene Atomsorten gefunden. Diese sind im Periodensystem
der Elemente (PSE) aufgeführt (siehe Kapitel später).

Beim Zusammentreten von Nukleonen zu einem
Atomkern tritt stets ein Massendefekt auf, d.h. die Nukleonenmasse
ist immer kleiner als die Summe der Protonen und Neutronen. Dies kommt
daher, daß ein Teil der Masse in Energie umgewandelt wird, um den
Kern zu stabilisieren. Bei mittelschweren Nukleonen beträgt der Massendefekt
etwa 0,00814 g/mol.
Der Zusammenhang der nuklearen Bindungsenergie mit der Masse wird durch
die berühmte Relativitätsformel E = mc2
hergestellt. (E = Energie, m = Masse, und c = Lichtgeschwindigkeit).

Seit Avogadro
und Loschmidt kennen wir die

Molzahl

(=
Avogadrozahl
=Loschmidtzahl)
,
also
die Zahl der Atome (Teilchen in einem Mol).

Dies sind 6,022
x 1023 Teilchen
.
(Loschmidt berechnete als erster 1821 die Anzahl Teilchen in einem m3
Gas) 1Mol = 602 000 000 000 000 000 000 000 Teilchen.

ein Mol Schwefel sind 6,02 x 1023 Schwefelatome
ein Mol Aluminium sind 6,02 x 1023 Aluminiumatome
ein Mol Wasser sind 6 x 1023 Wassermoleküle
ein Mol Kochsalz sind 6 x 1023 Natrium- und Chloridionen
(je 1 Mol Na+ und 1 Mol Cl)

Unten
sind die Mole von Schwefel, Eisen, Kochsalz, Kaliumdichromat und Saccharose
(Rohrzucker) dargestellt.


Abb. 1.1.5

Massen der Elementarteilchen
 


Elementarteilchen

Masse (kg)

Protonen

1,67252 x 10-27

Neutronen

1,67482 . 10-27

Elektronen

9,10908 . 10-31

 

 


Abb. 1.1.6

Massendefekt
 

massd - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse


Abb. 1.1.7

Molmassen

mole2 - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse

Berechnungsbeispiel


Berechnung der Anzahl Partikel
in einem Mol

a. Wieviele Aluminiumatome sind in 2 Mol Al?
b. Wieviele Mole Wasser sind in 2.6 x 10 24 Molekülen
Wasser?

Lösung

a.
Die Avogadrozahl wird benötigt, um von Molen auf Aluminiumatome
zu schließen.

2 Mole Al x
6.02 x 10 23 Atome Al /
1 Mol Al = 1.2 x 10 24 Atome
Al

b.
Die Avogadrozahl wird benötigt, um von Wassermolekülen auf
Mole Wasser zu schließen.

2.6
x 10 24 Moleküle H2O
x 1 Mol H2O / 6.02 x
10 23 Moleküle H2O =
4.3 Mole H2O

 

 

Diese Menge Teilchen haben auch eine Masse, die Molmasse.
Sie ist eine Dezimalzahl und identisch mit der Atommasse (Einheit u),
der Zahl, die im Periodensystem der Elemente bei einem Elementsymbol steht
und angibt, wieviel mal schwerer ein Atom ist als der 12. Teil eines C-Atoms
(Definition).

1 u = 1,6605402 . 10-27
kg


Abb. 1.1.8

Molmassen

molmas - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse

Berechnungsbeispiel

Berechnung
der Molmasse aus einer Formel

a. Was ist die Molmasse von Wasser?
b. Was wiegen 0, 5 Mole Na2CO3 (Natriumcarbonat)?

Lösung
a. H2O: Molmasse von 2 x H = 2g; Molmasse von O = 16g.

Molmasse
H2O = 2 + 16 = 18g

b. Na2CO3: Molmasse
von Na= 23g; Molmasse von C = 12g; Molmasse von 3 x O = 48g.

Molmasse Na2CO3
= 46 + 12 + 48 = 106g

0,5 Mol Na2CO3
wiegen
53g.

 

Berechnungsbeispiel

Berechnung
der Massenverhältnisse der Gleichung
:
CH4 + 2O2 —-> CO2
+ 2H2O

Lösung

molm - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse

Wie sich solche Atome oder Ionen miteinander verbinden
werden wir später besprechen. Stoffe aus einzelnen Atomen kommen
selten vor. Dies sind z.B. die Edelgase Ar, Ne, He, Kr, Xe und Radon.

Was
bedeuten nun die Zahlen vor und hinter den Symbolen? Die
Zahl vorne ist klar. Sie gibt an wieviele von dem Teichen reagieren und
die Zahl hinter den Teilchen bedeutet, wieviele vom selben Teilchen z.B
in einem Molekül miteinander verbunden sind. Z.B. N2
bedeutet 2 N-Atome (Stickstoff) sind zu einem Stickstoffmolekül verbunden
und reagieren damit zusammen.

Bei
der Verbrennung des Magnesiums kommt noch eine Besonderheit hinzu. Bei
der Reaktionen entstehen Ionen (Mg2+ und O2-). Vollständigerweise
müßte man die Formel Mg2+O2-
auch so schreiben (Ionenschreibweise). Um alle Vorgänge zu
vereinheitlichen kann man jedoch die Ladungen weglassen und die Molekülschreibweise
anwenden, also MgO.

Energieumsatz

Wenden wir uns nun dem Energieumsatz bei chemischen
Reaktionen zu.
Energie
ist die Fähigkeit, Arbeit zu leisten
.
Kraft K = m × b; Arbeit A = K × s (Kraft: 1 dyn
= 1 gcm / sec2 ; Arbeit: 1 Joule = 107 erg.

Unser Beispiele oben sind solche mit einem recht großen
Energieumsatz, d.h. es wird viel Energie frei. Welche Energieformen gibt
es überhaupt? Man kann alle möglichen Formen einordnen in:


Abb. 1.1.9

Formeln
 

mole4 - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse

 


Abb. 1.1.10

Molare Lösungen

Molarität = Mol/Liter
mM = millimolar

z.B.

1 molare HCl oder 1M HCl =

1Mol HCl in 1 Liter Wasser

 

Chemische Energie

Strahlungsenergie

Atomenergie
Wärmeenergie,
kinetische Energie (=Bewegungsenergie)
elektrische Energie

Energie die in chemischen Stoffen enthalten ist
= Enthalpie.

Energie der elektromagnetischen Strahlung UV, Licht,
IR usw.

Energie, die aus Atomen durch Kernspaltung frei
wird
Energie sich bewegender Teilchen
Energie des elektrischen Stroms

 

Die
beiden Reaktionsbeispiele oben sind typisch bezüglich der Energiefreisetzung.
In den meisten Fällen werden elektromagnetische Strahlung
als Licht oder Wärme frei (bzw. benötigt). Wir wollen
uns kurz klarmachen, welche Eigenschaften diese beiden Energieformen haben.
Was
ist Wärme?

Wärme ist, vereinfacht gesprochen, die
kinetische und potentielle Energie der Teilchen
also die Energie der
ungeordneten Teilchenbewegung (= Brownsche Bewegung).
Als Beispiel kann ein ideales Gas dienen. Der gesamte Energieinhalt des
idealen Gases ist die Summe der kinetischen Energien seiner Moleküle,

waerme1 - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse

d.h. Summe Ekin =
Wärme

Im engeren Sinne wird unter Wärme
nur die Energieübertragung von einem System auf ein anderes verstanden.

Dabei gibt es 3 Formen des Wärmetransports:

  1. Wärmestrahlung
    (nicht substanzgebunden)

    Wärme, die durch das Vakuum
    über Infrarotstrahlung übertragen.

    Beispiel: Aufwärmung des Körpers durch Sonnenstrahlung
  2. Wärmeleitung
    (substanzgebunden),

    Wärmetransfer von einer Substanz
    auf einen andere durch den direkten Kontakt der Teilchen.

    Beispiel: Man berührt eine heiße Herdplatte.
  3. Wärmeströmung
    (substanzgebunden),

    Wärme, die in Flüssigkeiten
    oder Gasen durch Dichteunterschiede von einem Ort zum anderen transportiert
    wird, indem sich die Moleküle bewegen.

    Beispiel: Warme Luft steigt auf.

Falls
kein Phasenübergang stattfindet, ist die Übertragung von Wärme
stets mit einer Temperaturänderung verbunden und erfolgt stets in
Richtung zur geringeren Temperatur.


1 Kalorie
= 4.186 Joule
= die Wärmemenge,
die notwendig ist, um die Temperatur von 1 g Wasser um 1 °C zu erhöhen.

Die
Temperatur ist eine sog. Zustandsgröße
der Thermodynamik
und beschreibt die mittlere kinetische Energie der
Moleküle eines Systems. (Temperatur ist ungeordnete Teilchenbewegung)

Die
Temperaturmessung erfolgt meist über Wärmeströmung
(= Druckerhöhung) z. B. mit einem Thermometer oder mit den
Wärmerezeptoren (= Ruffinische Endbüschel) der Haut.

Man benutzt neben der Celsius-Skala die absolute
Temperatur
in K (Kelvin), um die Temperatur zu benennen.
Bewegen sich die Teilchen nicht mehr, muß die Temperatur = 0°
K sein oder -273,16 °C. Dies ist der absolute Nullpunkt. Eine
solche Temperatur herrscht näherungsweise im Weltall (2,7°K).

 

 

 

 

 

 


Abb. 1.1.11

Wärme

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 1.1.12

Wärme
tges - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse
temoq - Atombau: Definition, Atommassen & Molmasse
Weiterführende
Quellen:
Brennstoffzellen: http://www.innovation-brennstoffzelle.de/

NASA: http://spaceflight.nasa.gov/

Atommassen: http://ac16.uni-paderborn.de/lehrveranstaltungen/_aac/vorles/skript/kap_2/kap2_5/a_massen.html

Thermodynamik: http://saftsack.fs.uni-bayreuth.de/thermo/skript.html
und
http://physik1.physik.uni-heidelberg.de/vrlsg/data/inhalt.htm
und http://www.techfak.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/index.html
und http://www.cond-mat.physik.uni-mainz.de/~metzger/preview/index.html

Maxwell: http://comp.uark.edu/~jgeabana/mol_dyn/
und http://www-groups.dcs.st-andrews.ac.uk/~history/Mathematicians/Maxwell.html

Kirchhoffsche Strahlungsgesetze: http://didaktik.physik.uni-wuerzburg.de/~pkrahmer/home/kirchho.html
und http://www.geographie.ruhr-uni-bochum.de/agklima/vorlesung/strahlung/gesetze.html
und http://www.adnex.de/data/strahlungsmessung/

Elektromagnetische Strahlung:
http://www.ccinfo.de/technik/strahlen/strahlung.htm
und
http://www.tp2.ruhr-uni-bochum.de/~goeke/Vorlesung_SS2001/html/06-Beobachtungen-im-Universum.htm
und http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Lab/1166/infrarot.htm

Photogallerie der Chemiker: http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/Gallery/GalleryMenu.html
Laser: http://www.bell-labs.com/history/laser/laser_def.html

Flammenfärbungen: http://library.thinkquest.org/3310/lographics/experiments/flmwatch.html

Raster-Tunnelmikroskop: http://www.aip.org/history/einstein/atoms.htm

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