1 DAS PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE NW-Chemie 3.Semester 2 CHNOPS Elemente Ca, P K, S, Cl, Na, Mg I, Fe, Zn… > 2% > 0,1% Spuren Periodensystem der Elemente 3 Elemente werden nach steigender Ordnungszahl geordnet ◼ 90 nat.Elemente entdeckt + 30 künstliche Elemente ◼ Ordnungszahl = Kernladungszahl = Protonenzahl Elemente sind also Stoffe mit der selben Anzahl an Protonen im Kern! Massenzahl = Protonenzahl + Neutronenzahl e- verschwindend geringe Masse! PSE 4 Anordnung der Element im PE spiegelt den Aufbau ihrer Atome wieder! Ordnungszahl = Anzahl der Protonen im Kern Hauptgruppe= Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale (Valenzelektronen) Exkurs Isotope 5 Atome eines Elements die sich durch Anzahl der Neutronen im Kern unterscheiden werden ISOTOPE genannt! Gleiche Ordnungszahl; unterschiedliche Massenzahl! → Gewichtsunterschied! 14C Methode - Radiocarbondatierung 6 14 C Isotop wird über Nahrung (Pflanze vs. Tier) aufgenommen – rel. Konstant in Lebewesen Nach Tod nimmt Anteil in ehem. Lebewesen ab → Zerfallsgesetz 5730a (±40) Halbwertszeit Ab 600a bis max. 60.000a Exkurs Elektronenhülle 7 s,p,d- Orbitale K,L,M,-Schalen Exkurs Elektronenhülle 8 Atomkerne – Forschungsfeld der Kernphysik (Valenz-)Elektronen sind für chemische Bindungen verantwortlich Elektronen und die daraus resultierenden Verbindungen, Reaktionen und Eigenschaften – Forschungsfeld der Chemie „Geschichte“ der Elemente 9 H & He sind die einzigen „original“ BB Atome! Geschichte des PTE (Periodic table of the elements) 10 PSE / PE 11 Manche Elemente verfügen über ähnliche Eigenschaften! Mendeljew / Meyer 1869 -> Prognose über noch nicht entdeckte Elemente PSE 12 Elemente mit ähnlichen Eigenschaften stehen im PSE untereinander!!! PSE Conclusio: Durch Stellung im PSE Rückschluss auf Element/Atomaufbau! 13 Senkrechte Reihen heißen Gruppen Gruppe: Element mit gleicher Anzahl an V-e- Waagrechte Reihen heißen Perioden Perioden: Elemente mit gleicher Anzahl an Elektronenschalen Bsp.: H – 1V-eO – 6V-eF – 7V-eNe - 8V-e- Übungsbeispiele: B, K, Cl, Ne Beispiel Na Atom 14 OZ= 11 → 11p+ & 11 e- MZ= 23 → OZ-MZ=n0 Periodennummer =3 → 3 Schalen (k, l, m) Hauptgruppennummer=1 → 1 Ve- p+ n0 e- Schalen Ve- 11 12 11 3 1 PSE - Hauptgruppen 15 Einerstelle der Hauptgruppennummer Entspricht der Anzahl der Valenz-e- Hauptgruppe Name 1 Wasserstoff & Alkalimetalle 2 Erdalkalimetalle 13 (3) Erdmetalle 14 (4) Kohlenstoffgr. 15 (5) Stickstoffgr. 16 (6) Chalkogene (Erzbildner) 17 (7) Halogene (Salzbildner) 18 (8) Edelgase PSE 16 Senkrechte Reihen heißen Gruppen Haupt- und Nebengruppen (HG8 / NG10) Waagrechte Reihen heißen Perioden Edelgase = Energie „Paradies“ PSE / PTE 17 Metalle (s) e- ab Nichtmetalle (g)(s) e- auf Metalle vs. Nichtmetalle 18 80% der Elemente im PSE sind Metalle Fe, O, Si, Mg → 93 gew.% der Erde (35,30,15,13%) Energie Trend im PSE 19 PSE / PE Übergangsmetalle 20 Lanthanoide Actinoide Halbmetalle Übergangsbereich zwischen Metallen & Nichtmetallen Schwermetalle - Dichte 21 Dichtevergleiche Ab 5 g/cm3 – kg/dm3 – t/m3 = Schwermetall Schwimmt LM Material [20°C] Dichte ρ [g/cm3] Luft 1,2 kg/m3 (!) Styropor 0,02 - 0,04 Fichtenholz 0,5 Wasser 0,998 (1) Al 2,71 Ti 4,5 Fe (Stahl) SM 7,85 – 7,9 Pb 11,3 Au 19,3 Os 22,6 Teuersten Elemente der Welt 22 Antiwasserstoff 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. C Antimaterie (H) 57*10^9€/g Californium 25.000.000€/g Kohlenstoff 19000€/g Plutonium 3700€/g AKW Osmium 1300€/g Rhodium 38€/g Gold 35€/g Platin 30€/g Ca - Schmuck Kugelschr. Schmuck Schmuck Schmuck PSE / PE 23 1. Hauptgruppe → Alkalimetalle (ohne H Wasserstoff) 2. Hauptgruppe → Erdalkalimetalle Exkurs Alkali- & Erdalkalimetalle 24 Alkalimetalle Hauptgruppe – 1 Ve Weich, silbrig glänzend, niedrige Ionisierungsenergie ~5% in der Erdkruste (K vor Na…) Liegen meist als Kationen vor (e- Abgabe) Teil heftige Reaktion mit Wasser Vertreter: 1. ◼ Li steigende Nachfrage durch Akkumulatoren (Handy) ◼ Na in Natriumchlorid - Kochsalz Li-Ionen /Li-Polymerakku Exkurs Smartphone 25 Bis zu 30 versch. (teils wertvolle) Metalle im Smartphone 400mg Silber 35mg Gold 10mg Palladium Achtung nur 2-3% des Akkugewichts entfällt auf Li! Quellen und Bildquellen ua.: https://www.faz.net/aktuell/wirtschaft/digitec/smartphone-so-wertvoll-sind-die-metalle-in-den-geraeten-17907326.html Exkurs Smartphone 26 Quellen und Bildquellen ua.: https://www.faz.net/aktuell/wirtschaft/digitec/smartphone-so-wertvoll-sind-die-metalle-in-den-geraeten-17907326.html Exkurs Smartphone 27 Im Jahr 2021 Ww → 20400000 Handys Verkauft Enormer Impact auf die Natur • Förderung der Rohstoffe • Abbau, Minen, Transport • Aufreinigung • Weiterverarbeitung • Bauteile Quellen und Bildquellen ua.: https://www.faz.net/aktuell/wirtschaft/digitec/smartphone-so-wertvoll-sind-die-metalle-in-den-geraeten-17907326.html Konfliktminerale / Konfliktrohstoffe 28 Exkurs Smartphone 29 Umweltschutz Handys möglichst lange verwenden Alte Handys / Handhelds recyclieren ◼ Meisten Rohstoffe super recyclebar (~85%) ◼ Urban Mining ◼ 1t Handys → 200 - 300g Gold ua. Metalle enthalten (Cu, Ag, Pt,…) Enormer ◼ Alu, ◼ Eingriff in die Natur Gold, Cu – Urproduktion 1t Cu → 200t Erdreich abtragen! „Natriumdampflampen“ 30 Gasentladungslampe Natriumdampf-Hochdrucklampen Monochromatisches Licht Keine Leuchtstoffschicht benötigt → Sichtbarer Emissionsbereich (gelb-orange, 590nm) Exkurs Alkali- & Erdalkalimetalle 31 Erdalkalimetalle 2. Hauptgruppe – 2 Ve Leichtmetalle, silbrig-weiß glänzend, eher niedrige Ionisierungsenergie ~4% in der Erdkruste (Ca vor Mg…) Liegen meist als Kationen vor (e- Abgabe) ◼ Geben 2e- ab → Ca0 → Ca2+ + 2e- Weniger reaktiv als Alkalimetalle Vertreter: Mg → wichtig für Muskeln und Nerven ◼ Ca → Hartsubstanz der Knochen (CaPO4) ◼ Exkurs Alkali- & Erdalkalimetalle 32 Reaktion von Alkalimetallen mit Wasser → Beachte die steigende Reaktivität PSE / PE 33 Conclusio: Elemente mit ähnlichen Eigen-schaften stehen in räumlicher Nähe. PSE / PE 34 7. Hauptgruppe → Halogene 8. Hauptgruppe → Edelgase Exkurs Halogene 35 „Salzbildner“ Reagieren mit Metallen unter Bildung von Salzen Hohe EN 7 Valenzelektronen→ Oktettregel „Elektronenräuber“! F, Cl, Br, I (meist Anion) Reaktionsfreudige NM! (liegen selten elementar vor) Meist Gasförmig vorkommend Verb.: Natriumchlorid NaCl Exkurs Edelgase Oktettregel 36 8 (2) Valenzelektronen → Edelgaskonfiguration Achtung He ist eine Ausnahme – 2Ve-! He, Ne, Ar, Xe, Kr Reaktionsunfreudig Liegen Atomar vor Nur sehr wenige Verbindungen mit EN Elementen Lampen (Neonröhren), Gasentladungslampen, Luftschiffe (He), Inertgas-Schweißen Exkurs Edelgase – Noble gases 37 Gasentladungslampen Exkurs „Neonröhren“ 38 Umgangssprachlich für Leuchtstoffröhren Niederdruck-Gasentladungsröhre ◼ Hg-Dampf + Neon-Argon Gemisch Fluoreszierende Leuchtstoffschicht ◼ Phosphorverbindungen Hg-Atome werden mit e- beschossen (Angeregt) → Plasma entsteht → Rückfall der e- → UVLicht wird abgegeben → Leuchtstoffschicht wandelt Licht in sichtbares Licht um Überblick ☺ 39 https://www.youtube.com/watch?v=rz4Dd1I_fX0 Gruppenarbeit 2P – PTE App 40 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Nenne drei Elemente mit besonders großen und drei Elemente mit besonders kleinen Atomen! Nenne drei besonders elektronegative Element! Welche Gruppe im PSE verfügt über besonders hohe Ionisierungsenergien (IE)? Welches Element besitzt den niedrigsten Kondensationspunkt & Siedepunkt? Welche Elemente sind bei Normalbedingungen (l) bzw. (g)? Welche drei Elemente besitzen die höchste Schmelztemperatur? Wann wurde der Sauerstoff (ungefähr) entdeckt? Welche beiden radioaktiven Elemente teilen sich neuerdings die größte relative Atommasse? Was sind deren Halbwertszeiten? Welches oft giftige chemische Element kannten Cäsar und Alexander der Große noch nicht – Kolumbus aber schon!? Nenne die drei am häufigsten in der Erdhülle vorkommenden Elemente! Trends im PSE 41 1. 2. 3. 4. Atomradius Metallcharakter Ionisierungsenergie Elektronegativität Trends im PSE 42 Atomradius Nimmt ab Nimmt zu Steigende Anzahl von p im Kern erhöht e- Anziehung (Kernabschirmung) Je Periode eine Elektronenschale mehr Trends im PSE 43 Metallcharakter abnehmend zunehmend Übergangsbereich Bor-Astat-Linie Metalle geben e- ab – große Atome Ausnahme Wasserstoff! (Links aber kein M) Trends im PSE 44 Ionisierungsenergie Energie die benötigt wird um eine Atom in ein Ion dh. geladenes Atom zu überführen Da Protonen fest im Kern sitzen können nur e- entzogen werden Große Atome (vgl. Atomradien) können ihre äußersten e- nur sehr schwer festhalten zunehmend Na→ Na+ + eabnehmend Edelgaskonfiguration von Neon ☺ Trends im PSE Edelgase höchsten Ionisierungsenergien Große Metallatome Niedrige IE 45 Ionisierungsenergie Quelle Wikipedia Trends im PSE 46 Elektronegativität zunehmend abnehmend Achtung Edelgase – keine EN da volle Schalen! Exkurs Elektronegativität 47 Polare Atombindungen: Linus Pauling: „Elektronegativität ist das Vermögen eines Atoms (in einer Verbindung) Elektronen an sich zu ziehen!“ Hohe EN: ◼ Halogene ◼ O, N, C (F, Cl, I, Br) Exkurs Elektronegativität 48 Berechnung der Elektronegativitätsdifferenz PSE – Elektronegativitätswerte Jede Bindung einzeln betrachten Keine negativ-Werte Bsp.: NaCl / H2 / H2O / O2 Exkurs - Elektronegativität 49 F Na Große EN∆ der Bindungspartner (zBsp. Metall & Nichtmetall-Halogen) Exkurs Elektronegativität 50 N N Keine EN∆ der Bindungspartner (Elementverbindungen; N2, O2,…) PSE / PE 51 Alternative Periodensysteme! Langform-PSE Kreis-PSE Spiralform-PSE PSE / PE 52 Film: Das Periodensystem der Elemente Weiterführende Informationen 53 Nette Links: http://www.periodensystem.info/periodensystem/?cc_y es=1&cc_time=1446987578 http://www.ptable.com/?lang=de#Writeup/Wikipedi a Eigenschaften Orbitale Isotope … Fragen zum Kapitel 54 Skizziere ein PSE und zeichne die Hauptgruppen sowie deren Namen ein Eigenschaften der Halogene, Alkali-, Erdalkalimetalle und Edelgase Ionisierungsenergie & Elektronegativität erklären können (Tendenz im PSE) Metalle, Nichtmetalle und Halbmetalle im PSE verorten Stöchiometrische Berechnungen Fragen zum Kapitel 55 p, n, e, Ve- & Schalenanzahl aus dem PSE herauslesen Erkläre warum H Wasserstoff nicht zu den Alkalimetallen gehört aber dennoch in der 1. Hauptgruppe steht? Erkläre die Oktettregel; Warum bildet He Helium hier eine Ausnahme? Ausblick 56 Nächstes Kapitel Chemische Bindung ◼ Kernstück der Chemie – ohne Verständnis des Bindungsaufbau keine Chemie möglich ◼ Atombindung, Ionenbindung, Metallbindung ◼ Materialeigenschaften Gruppenarbeit Elemente 57 1. Klasse Tagesschule Ziel: Wichtigsten Eigenschaften der wichtigsten Elemente in Gruppen herausarbeiten!