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Universität Institut fürBauphysik und MaterialwissenschaftAtomaufbau
Elementarteilchen
NukleonenProtonen p (+)
Neutronen n (o)
Atomkern
Elektronene (-)
Atomhülle
Atom
WIBA-NET
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Elementarteilchen
Name Symbol Masse ElementarladungProton p 1,672614 10-27 kg
1,0072766 u1,6022 10-19C
Neutron n 1,67492 10-27 kg1,008665 u
0
Elektron e 9,109534 10-31 kg5,4859 10-4 u
1,6022 10-19C
Die atomare Masseneinheit (u) ist definiert als 1/12 der Masse des Kohlenstoffatoms 12C, 1 u = 1,6606*10-27 kg
Die Elementarladung e ist die kleinste beobachtete Ladungseinheit.
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Elektronenhülle
• Der Radius des Kerns ist ca. 10-14 bis 10-15 m.• Der Radius eines Atoms ist ca. 10-12 m -
Elektronenhülle.• Die Zahl der Elektronen ist gleich der der
Protonen. Sie bestimmt die chemischen Eigenschaften.
• Zwischen Kern und Elektronen besteht eine Coulomb-Anziehung.
• Bohrsches Postulat: Nur bestimmte Bahnen sind erlaubt.
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Atom - Charakteristika
• Masse eines Atoms ist ca. die Summe der Nukleonen.• Der Radius des Kerns ist ca. 10-14 bis 10-15 m• Der Radius eines Atoms ist ca. 10-12 m• Bezeichnung eines Nuklids:
Pr otonenzahlNukleonenzahlElementsymbol
• Beispiele: 6
126
136
148
168
17C C C O O, , , ,Atome mit gleicher Protonen- d.h. Kernladungszahl und unterschiedlicher Nukleonenzahl heißen Isotope
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Elektronenbahnen
Kriterien für Elektronenbahnen:Die Bindungsenergie ist bestimmt durch die Quantenzahl n: E const
nnn = =. ; , , ...1 1 2 32
Bei einem Energieniveau sind nur bestimmte Bahnen mit gegebenem Drehimpuls erlaubt , Drehimpulsquantenzahl: l
l n≤ −1
Bei gegebenem Drehimpuls sind nur bestimmte Ausrichtungen im Raum erlaubt. Magnetquantenzahl: m
− ≤ ≤ +l m ll
Jede Bahn kann 2 Elektronen aufnehmen Spinquantenzahl: s s = ±
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Hauptquantenzahl n, gibt das Energieniveau an
n Schale Energie
1 K E1 Grundzustand
2 L ¼ E1
AngeregteZustände
3 M 1/9 E1
4 N 1/16 E1
5 O 1/25 E1
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Nebenquantenzahl l, gibt den Drehimpuls an
Beispiel: n=1 l=0; n=2 l=0,1
Schale K L M N
n 1 2 3 4
l 0 0; 1 0; 1; 2 0; 1; 2; 3
Bezeichnung s s; p s; p; d s; p; d; f
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Nebenquantenzahl m, gibt die Ausrichtung an
− ≤ ≤l m l
l m Anzahl der Zustände 2l+1
0 0 1 s
1 -1 0 +1 3 p
2 -2 -1 0 +1 +2 5 d
3 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 7 f
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Orbitale
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Auffüllen der Schalen eines Atoms
Schale s p d f
O 5s 5p 5d 5f
N 4s 4p 4d 4f
M 3s 3p 3d
2sL 2s 2p
1sK
P 6s 6p 6d
Q 7s 7p
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Periodensystem der Elemente
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Periodensystem der Elemente
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Edelgase,haben abgeschlossene s,p Schalen
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Elementgruppe: Edelgase
Name Symbol Schale
Helium He 1s2
Neon Ne [He]2s2 2p6
Argon Ar [Ne] 3s2 3p6
Krypton Kr [Ar] 3d10 4s2 4p6
Xenon Xe [Kr] 4d10 5s2 5p6
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Alkalimetalle (Gruppe Ia) haben ein zusätzliches s Elektron
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Alkalimetalle (Gruppe Ia) haben ein zusätzliches s Elektron
Name Symbol Schale
Lithium Li [He]2s1
Natrium Na [Ne] 3s1
Kalium K [Ar] 4s1
Rubidium Rb [Kr] 5s1
Cäsium Cs [Xe] 6s1
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Den Halogenen (Gruppe VIIa) fehlt ein Elektron in der p Schale
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Den Halogenen (Gruppe VIIa) fehlt ein Elektron zur vollen Schale
Name Symbol Schale
Fluor F [He]2s2 2p5
Chlor Cl [Ne] 3s2 3p5
Brom Br [Ar] 3d10 4s2 4p5
Iod I [Kr] 4d10 5s2 5p5
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Den Chalkogenen (Gruppe VIa) fehlen 2 Elektronen in der p Schale
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Gruppierung im Periodensystem
• Die Alkalimetalle (Gruppe Ia) haben 1 zusätzliches (s) Elektronen.
• Die Erdalkalimetalle (Gruppe IIa) haben 2 zusätzliche (s) Elektronen.
• Den Chalkogenen (VIa) fehlen 2 (p) Elektronen.• Den Halogenen (VIIa) fehlt 1 (p) Elektron• Die d-Orbitale bilden die sog. Übergangselemente.
(Metalle)
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Bindung - ionisch
Es gibt Konfigurationen der Elektronenhülle, die besonders stabilsind d.h. ein energetisches Minimumhaben. (8er Schale, Helium 2er Schale)
Beachte: Jede Bahn kann 2 Elektronen aufnehmen.
Um sie zu erzeugen, werden Elektronen ausgetauscht
Li Li→ +
F F→ −
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NaCl-Kristall (Kochsalz)
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Kristallgitter
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Ionische Bindung 2
• In der ionischen Bindung wird ein Atom ionisiert, indem es ein Elektron abgibt und eines ionisiert indem es ein Elektron aufnimmt.
• X + Ionisierungsenergie I → X+ + e-
• Y + e- → Y+ + Elektronenaffinität• + Elektrische potentielle Energie bei Abstand r• = Ionische Bindung
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Charakteristika der Stoffe mit ionischer Bindung
1. Die unterschiedlich geladenen Ionen müssen die nächsten Nachbarn sein. D.h. die Ionen wechseln sich ab.
2. Die Packungsdichte hängt vom Verhältnis der Ionenradien ab.3. Die Bindung ist nicht gerichtet zwischen zwei Atomen sondern durch
abwechselnde Ladungen gegeben. Ein Ion ist von mehreren anders geladenen Ionen umgeben.
4. Die Struktur ist in der Regel geordnet d.h. kristallin.5. Die Schmelzpunkte sind hoch.6. Die plastische Verformbarkeit ist minimal.7. Die elektrische Leitfähigkeit ist gering.
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Beispiele für Stoffe mit ionischer Bindung
• Gebrannter Kalk: CaO• Kalk: CaCO3
• Kochsalz: NaCl• Quarz: SiO2
• Zement• Ziegel
• Die sog. „Keramischen Werkstoffe“ bestehen aus Ionenkristallen.
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Bindung - metallisch
Um die optimale Konfiguration zu erzeugen, werden Elektronen in äußeren Atomschalen vom gesamten Atomensemblegleichzeitig genutzt.Beachte: Diese Bindung ist nur mit den schwächer gebundenen äußeren Elektronen möglich.
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Ladungsband
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Metallische Bindung 2
• Atome mit außen liegenden (s) Elektronen können so dicht gepackt werden, dass die äußeren Elektronen, zwischen allen beteiligten Atomen geteilt werden.
• Es bildet sich das Elektronengas. • Das Elektronengas verbindet die (positiv geladenen)
Restatome.
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Charakteristika der Stoffe mit metallischer Bindung
• Die Elektronen sind frei beweglich: – Elektrische Leitfähigkeit– Wärmeleitfähigkeit– Glanz (Reflexion des Lichts)
• Die Atome sind dicht gepackt. Hohe Reindichte.• Das Material ist verformbar.• Geordnete Struktur, d.h. Kristalle
Die Metalle bilden aufgrund der metallischen Bindung eine Werkstoffgruppe.
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Bindung - kovalent
Um die optimale Konfiguration zu erzeugen, werden Elektronen in mehreren Atomschalen von 2 Atomengleichzeitig genutzt.
Die Orientierung der jeweiligen Bindungspartner ist festgelegt.
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Kohlenstoff Elektronenbahnen - Methan
sp2 Hybrid
Methan
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Kovalente Bindung (homeopolare Bindung, Atombindung)
• Die kovalente Bindung tritt dann auf, wenn Nichtmetallatome miteinander eine chemische Bindung eingehen.
• Beispiel: H2, O2, Cl2, H2O, NH3, CO2, SO2
• Bei einer kovalenten Bindung erfolgt der Zusammenhalt dadurch, dass ein Elektronenpaar beiden Atomen gemeinsam angehört.
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Charakteristika der Stoffe mit kovalenter Bindung
• Die Bindung ist aufgrund der vorgegebenen Elektronenbahnen ausgerichtet.
• Die Bindungspartner sind definiert. (Begrenzt)• Wesentlich für eine Vernetzung ist, ob ein Atom 1, 2,
oder mehrere Bindungspartner haben kann (Keine, lineare Ketten, räumliches Netzwerk)
• Gegebenenfalls sind sekundäre Bindungen erforderlich. Sekundäre Bindungen können wesentlich sein.
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Charakteristika der Stoffe mit kovalenter Bindung
• Der Aggregatzustand hängt davon ab, wie viele Bindungspartner vernetzt sind.
• Die Leitfähigkeit ist in der Regel gering.• Die Verformbarkeit hängt häufig von den sekundären
Bindungen ab.Die atomare Bindung ist vor allem bei organischen
Werkstoffen wesentlich (Kohlenstoffchemie)Die meisten Gase haben Atombindung. (Wesentliche
Ausnahme Edelgase)
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Sekundäre Bindung
• Van der Waals Bindung: Bindung durch Dipol-Dipol Anziehung.
• Wasserstoffbrückenbindung: Bindung durch kurzzeitigen Austausch eines Protons (Wasserstoffkerns)
• Die sekundären Bindungen sind wesentlich schwächer als die primären
• Niedriger Schmelzpunkt.• Niedriger E-Modul• Geringe Festigkeit
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Bindung und Werkstoffe
Primäre Bindung
Ionische Bindung
Atom-, kovalente Bindung
Metallische Bindung
Keramische Werkstoffe (Gesteine,
Beton, Glas)
Organische Werkstoffe (Bitumen,
Kunststoffe)Metalle
Sekundäre Bindung