Aufbau der Materie

1
Aufbau der Materie

• Modelle und

Modellvorstellungen
2
1. Modelle
3
Modellentstehung
Sachverhalt (Original)
Wahrneh-mung
(abstraktes) Denk- modell
Veranschau-lichung
(konkretes) Anschauungs- Modell
Verständnis
4
Bsp. Modellexperiment
Exo- und endotherme Reaktionen
5
Begriff Modell

• http//de.wikipedia.org/wiki/Modell
• Das Wort aus Italien (Renaissance)
• modello, aus modulo, dem Maßstab in der
  Architektur
• bis 18. Jh. Fachsprache der bildenden Künstler
• um 1800 verdrängte im Deutschen das ältere,
  direkt vom lat. modulus entlehnte Model (Muster,
  Form, z.B. Kuchenform), das noch im Verb ummodeln
  fortlebt.

6
Begriff Modell

1. Abbildung natürlicher oder künstlicher Originale
   (die selbst wieder Modelle sein können).
2. Verkürzung. Erfasst nicht alle Seiten des
   Originals, sondern nur diejenigen, die dem
   Modellschaffer bzw. Modellnutzer relevant
   erscheinen.
3. Pragmatische Orientierung am Nützlichen. Frage
   Wozu? Ein Modell wird vom Modellschaffer bzw.
   Modellnutzer innerhalb einer bestimmten
   Zeitspanne und zu einem bestimmten Zweck für ein
   Original eingesetzt.

7
Begriff Modell
Ein Modell zeichnet sich durch die bewusste
Vernachlässigung bestimmter Merkmale aus, um die
für den Modellierer oder den Modellierungszweck
wesentlichen Modelleigenschaften
hervorzuheben. Literatur Stachowiak, Herbert
(1973) Allgemeine Modelltheorie, Wien. Nach
http//de.wikipedia.org/wiki/Modell
8
Schlussfolgerungen

1. Ein Modell ist nie richtig, also mit der
   Wirklichkeit identisch (Bsp. Kochsalz,
   Strukturmodelle).
2. Ein Modell ist nie endgültig (Bsp. Atommodell).
3. Ein Modell ist nie falsch, aber es kann für den
   Zweck ungeeignet sein.
4. Die Wissenschaft verwendet i.d.R. nur ein Modell
   (die exakteste Beschreibung der Wirklichkeit),
   die Schule viele (z.B. historische Stufen).

9
Klassifikationsmöglichkeit für Modellarten
Simulationen
Struk- tur- mo- delle
mathe- matisch- logische Modelle
Modellexperiment
bildliche Modelle
Modellsubstanzen
symbolische Modelle
Cl-Cl
S8, Cl2
pH -log(c)
10
Modellbau
11
Ein Kalottenmodell

• Materielles Modell
• Strukturmodell
• Kalottenmodell
• H2O, NH3, CH4
• Theorie später

12
Anleitung Kalottenmodell aus Styropor

1. Stecken Sie einen Zahnstocher möglichst senkrecht
   mitten in den Ring, der auf der großen
   Styroporkugel an den Polen zu sehen ist.
2. Stellen Sie die Styroporkugel so in das Loch der
   Scha-blone, dass der Zahnstocher möglichst
   senkrecht steht.
3. Markieren Sie mit dem Filzstift die Position der
   120-Markierungen auf der Styroporkugel mit einem
   senk-rechten Strich.
4. Binden Sie den Faden mit einem Ende an dem schon
   steckenden Zahnstocher fest.
5. Markieren Sie mit dem Filzstift die Entfernung
   von 109/360 U mit einem waagrechten Strich. U d
   p. 109/3600,30. An den entstehenden
   Kreuzungspunkten befinden sich die Positionen der
   Liganden.

13
Anleitung

1. Markieren Sie an einem Zahnstocher von einem Ende
   her die Entfernung von 5mm. Stecken Sie den
   Zahnstocher an jeder Ligandenposition bis zur
   Markierung hinein.
2. Schleifen Sie an jeder Markierung möglichst
   tangential so viel Styropor weg, dass das Loch
   nicht mehr zu sehen ist.
3. Streichen Sie die Kugel in der CPK-Farbe (Corey,
   Pauling, Koltun) des gewünschten Atoms (C
   schwarz, H weiß, O rot, N blau, S gelb,
   Cl grün...)
4. Schleifen Sie die Wasserstoff-Kugeln nach 6-7
   auch an und kleben Sie sie einzeln mit etwas
   Styroporkleber auf erst nach dem Trocknen folgt
   die nächste.

14
2. Atombau und Bindung
15
Aus dem Lehrplan

• Aufbau der Materie
• Größenverhältnisse Zelle Molekül Atom
  (Elementarteilchen)
• Aufbau der Atome aus Kern (p, n) und Hülle (e-)
• Atommodelle Kugelmodell Kern-Hülle-Modell
• Unterscheiden von Elementen, z.B. H, He, Na, Cl,
  C aufgrund der Zahl der Protonen
• Unterscheidung von Isotopen aufgrund der
  Massezahl (p n)

16
Größenverhältnisse

• Durchmesser eines C-Atoms 150pm 1,510-10 m

• Größenunterschied zwischen Kirchturm (100m) und
  einem (sehr kleinen) Sandkorn (1mm) 10-5

• Das Kohlenstoffatom ist so viel mal kleiner als
  ein Sandkorn, wie ein Sandkorn kleiner ist als
  ein Kirchturm.

• 10-5 10-5 10-10

Moleküle sind 1(-100) nm 10-9 m groß.C60
1,002 nm
Bakterien sind 1 µm 10-6 m groß.
Zellen sind 0,1 mm 10-4 m groß.
17
2.1 Ein herkömmlicher Weg zum Atombau
18
Ein wenig Geschichte
EMPEDOKLES Luft, Feuer, Wasser, Erde
DEMOKRIT Atomos
EPIKUR Chem. Bindung
ARISTOTELES 4 Elemente Feuer, Wasser, Erde,
Luft
2000 Jahre Kirchenvakuum 322 v. Chr. 1632 n.
Chr. Aristotelisches Weltbild wird dogmatisch
übernommen, Ketzer hingerichtet.
GASSENDI, KEPLER, GALILEI
DALTON 1. und 2. Verbindungsgesetz AVOGADRO
Gase, Moleküle
FARADAY elektrische Natur der Atome
RUTHERFORD experimentelle Beweise
BOHR PLANCK, HEISENBERG Orbitaltheorie
19
Rutherfords Versuch
Radioaktive Strahlen
Radioaktives Präparat (bitte anklicken)
Goldfolie
Leuchtschirm
20
Was wäre wenn...
21
Was wäre wenn...
22
Der Atomkern
H
He
Li
Be
B
C
N
O
Aufgabe entdecke die Gesetzmäßigkeit beim
Aufbauen von Kernen!
Wg
Legende ProtonenNeutronen
Wt
23
Die Bedeutung von Kernteilchen

• Elemente unterscheiden sich durch die Zahl ihrer
  Protonen. Neutronen spielen hierbei keine Rolle.

Aufeinander folgende Elemente im PSE besitzen
immer genau ein Proton mehr.
Zu jedem Proton muss in der Schale ein Elektron
existieren. Elektronen bestimmen die chemischen
Eigenschaften eines Elementes.
24
Die Bedeutung von Kernteilchen
Mit Ausnahme des Wasserstoffs besitzt jedes
Element auch Neutronen im Kern.
Je Proton benötigt man mindestens ein Neutron,
damit der Kern stabil ist.
Bis zum Element 40Ca gilt Je Proton genau ein
Neutron, danach werden es mehr.
Bsp.
238 Nu - 92 p 146 n
146 n 92 p 1,6
25
Eine Applikation

• D ein selbst gebautes Atomkernmodell

26
Isotope
Isotop 1
Isotop 1
Isotop 1
Isotop 1
Isotop 1
Isotop 2
Isotop 2
Isotop 2
Isotop 2
Isotop 2
Isotop 3
Isotop 3
Isotop 3
Aufgabe entdecke die Definition, was Isotope
sind!
Nat.Vor-kommen
W
27
Die Bedeutung von Kernteilchen

• Isotope unterscheiden sich durch die Zahl ihrer
  Neutronen.

Es gibt unterschiedliche Zahlen von natürlichen
stabilen Isotopen.
Viele Isotope sind instabil und zerfallen, indem
sie radioaktive Strahlung abgeben.
Bsp. Kohlenstoff-Atom-Zerfall
28
Die Atomhülle
Aufgabe zähle jeweils Protonen und Elektronen!
29
Aufbau der Elektronenhülle

• Elektronen kommen in Schalen um den Kern vor.
• In die erste Schale passen zwei Elektronen, in
  die zweite mehr.
• Die Zahl der passenden Elektronen erhält man
• 2n2, wobei n Schalennummer
• n1 2 Elektronen
• n2 8 Elektronen
• n3 18 Elektronen

1. Die Zahl der Protonen und Elektronen ist immer
   gleich.
2. Deshalb sind Atome immer neutral.

30
Das Bohr-Sommerfeld Modell
Elektron
Atomkern
Schale 1 (K)
Verbotene Zone
Schale 2 (L)
Schale 2 (L)
31
2.2 Probleme
32
Aus dem Lehrplan

• 10.3.2 Atome, Elemente, Bindungen
• Atommodell Kern-Schale (Hülle) PSE als
  Erklärungshilfe für das Reaktionsverhalten
  chemischer Elemente
• Ionenbindung, Elektronenpaarbindung,
  physikalisch-chemische Eigenschaften aufgrund der
  Bindungsart
• Modelle und Formeln als Verständnishilfen für
  chemische Bindungen

Verständnishilfen
33
Warum?
34
2.3 Lösung das Kugelwolkenmodell nach KIMBALL
35
Der Weg zum Kugelwolkenmodell
Bsp. ein Stickstoffatom N
Schreibweisen
N
N
Elektronenformel
Valenzstrichformel
Atomkern Atomrumpf
halb besetzt
Kugelwolke,
Kugelwolke, voll besetzt
36
Leistungen
Bsp. ein Kohlenstoffatom C
109idealer Tetraederwinkel
Atomkern Atomrumpf
Kugelwolke,
halb besetzt
37
Der Weg zur chemischen Bindung
Bsp. Methan CH4
Atomkern Atomrumpf Elektron
38
Der Weg zur chemischen Bindung
Atomkern Atomrumpf
halb besetzt
Kugelwolke,
Kugelwolke, voll besetzt
39
Orbitale
40
Zur Schreibweise
Bsp. Ammoniak NH3
Atomkern Atomrumpf
Valenzstrichformel
halb besetzt
Kugelwolke,
Kugelwolke, voll besetzt
41
Abweichungen von der Idealgeometrie
Bsp. Wasser H2O
105
Atomkern Atomrumpf
halb besetzt
Kugelwolke,
A
Kugelwolke, voll besetzt
42
Partialladungen und Dipol
43
Partialladungen und Dipol
44
Demonstration

• V Nachweis des Dipolcharakters von Wasser

45
2.4 Weitere Beispiele für die Anwendung des
Kugelwolkenmodells
46
Bsp. 1 Ionenbindung

Al
Al3
3 e-

Folgerung das Al3-Kation ist viel kleiner als
das Al-Atom.
47
Bsp. 1 Ionenbindung
-

e -

Br
Br -
Folgerung das Br--Anion ist viel größer als das
Br-Atom.
48
Bsp. 2 Mehrfachbindungen
Aus dem Lehrplan

• 10.5.1 Kohlenwasserstoffe
• ungesättigte KW, z.B. Ethen, Propen Modelle,
  Strukturformel, Summenformel
• Chemische Vorgänge bei der Herstellung von
  Kunststoffen Polymerisation, Polykondensation,
  Makromoleküle Modelle
• ...

49
Die Doppelbindung
Atomkern Atomrumpf
halb besetzt
Kugelwolke,
Kugelwolke, voll besetzt
50
Die Doppelbindung
Atomkern Atomrumpf
halb besetzt
Kugelwolke,
Kugelwolke, voll besetzt
51
Die Dreifachbindung
Atomkern Atomrumpf
halb besetzt
Kugelwolke,
Kugelwolke, voll besetzt
52
Die Dreifachbindung
Atomkern Atomrumpf
halb besetzt
Kugelwolke,
Kugelwolke, voll besetzt
53
Die Dreifachbindung
Atomkern Atomrumpf
halb besetzt
Kugelwolke,
Kugelwolke, voll besetzt
54
Demonstration

• Ein Modell zur Polymerisation

55
2.5 PSE und Bindung
56
PSE Elektronegativitäten

2.2
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
1 1 1.5 1.8 2.1 2.5 3
1 1 1.6 1.8 2 2.4 2.8
1 1 1.7 1.8 2 2.1 2.5
0.7

Schale I/1 Alkali-metalle II/2 Erdalkali-metalle III/13 Borgruppe IV/14 Kohlenstoff-gruppe V/15 Stickstoff-gruppe VI/16 Sauerstoff-gruppe VII/17 Halogene VIII/18 Edelgase
1 K
2 L
3 M
4 N
5 O
6 P
7 Q

H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra
57
Die chemische Bindung in Schubladen
Kovalente Bindung
H2, O2, F2, N2
1.
CH4
H2O
2.
Polare Bindung
NH3
CF4
CCl4
HF
Ionenbindung
CsF
NaCl
3.
58
Die chemische Bindung
3.0
0.3
0.8
1.0
1.3
1.8
2.5
1.5
0
H2O2F2N2
CsF
CH4
NH3
CCl4
H2O
HF
NaCl
CF4
Koval. Bindung
Ionenbindung
Polare Bindung
100Kovalenzcharakter 0Ionencharakter
0Kovalenzcharakter 100Ionencharakter
Metalle?
59
Zusammenhänge zwischen Bindungstypen
Cs
SEN2
SENgt2
H2, O2, F2
CsF
CH4
NH3
CCl4
H2O
HF
NaCl
CF4
60
2.6 Zwischenmolekulare Kräfte
61
Van-der-Waals-Kräfte wirken zwischen unpolaren
Molekülen(enthalten nur kovalente Bindungen).
62
momentaner Dipol
d-
d-
kein Dipol
momentaner Dipol
d
d
63
induzierter Dipol
momentaner Dipol
induzierter Dipol
z.B.
Br2
Br2
64
Dipolkräfte wirken zwischen Molekülenmit polaren
Bindungen.
65
Partialladungen und Dipol
z.B.
H2O
66
Elektrostatische Anziehung wirkt zwischen Ionen.
67
Elektrostatische Anziehung
68
Folgen Eigenschaften von ion. Verb.
-

-

-

-
69
Folgen Eigenschaften von Metallen
70
Folgen Formelschreibweise HCl
HCl
HCl
HCl
71
Die Summenformel

• Die Schreibweise AnBm bezeichnet bei kovalenten
  und polaren Bindungen Moleküle, weil
• die Bindungen gerichtet sind und
• die Zuordnung der Atome eindeutig ist.

72
Folgen Formelschreibweise NaCl
Na
Cl-
Na
Na
Na
73
Die Summenformel

• Die Schreibweise AnBm bezeichnet bei ionischen
  Bindungen das Zahlenverhältnis von Kationen zu
  Anionen, weil
• die Bindungen nicht gerichtet sind und
• die Zuordnung der Ionen zueinander nicht
  eindeutig ist.

Diese Gleichbehandlung, wo keine Gleichheit
herrscht, ist für Schüler in höchstem Maße
irreführend.
74
Vorschläge zur Lösung
Kovalente Verbindungen
Polare Verbindungen
Ionische Verbindungen
NaCl-
HCl
H2
Nicht Salzsäure!
H2O
O2
Ca2O2-
NH3
Cl2
Nicht Ammoniakwasser!
Pb4O22-
75
Ein Modell für kovalente Bindungen
76
Modelle für ionische Bindungen

• NaCl 1 käufliches Gittermodell
• NaCl 2 Gittermodell Wattekugeln
• NaCl 3 Gittermodell Glas
• Magnetmodell / Overhead

77
Ein Selbstbau-PSE-Modell...
...und sein Einsatz im schülerzentrierten
Unterricht
78
3. Schlussbesprechung

• Was haben Sie heute gelernt?
• Was ist ein Modell?
• Sind Modelle immer anfassbar?
• Wozu braucht ein Naturwissenschaftler Modelle?
• Wozu braucht ein Chemiker Modelle?
• Wozu brauchen wir in der Schule Modelle?

79
Epikurs Atome harter Materialien
QuelleBeer Glöckner - Letterer.Chemische
Analytik...,C. C. Buchner,Bamberg 1983.
80
z.B. Ammoniak NH3
Schritt 2 Finden der Tetraeder-Positionen auf
der Kugel,
Schablone
120
120
120
81
z.B. Ammoniak NH3
Schritt 3 Winkelmarkierung
82
Das Geiger-Müller-Zählrohr
-
Glimmerfolie
Sehr hohe Spannung U 2-10 kV
R
R
Zählgas (He, Ne) Löschgas (BF3, C2H4)
Verstärker
Schreiber
W