EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

Von den Anfängen bis zur Elektronenhülle KM-5: Modellbildung 15 15 Die Avogadro Konstante Der Begriff Mol wurde schon verwendet, als man noch nicht wusste, wie groß die Teilchenzahl in einem Mol ist. Die „relativen Atommassen“, die schon vor den heutigen Erkenntnissen über den Atombau ermittelt wurden, stimmten ja zahlenmäßig mit den heutigen Atommassen überein. Man definierte nun, dass die relative Atommasse eines Elements in der Einheit g als ein Mol des Elements bezeichnet werde. Damit war klar: hat man von zwei Elementen je- weils ein Mol, so hat man die gleiche Anzahl von Atomen. Wie groß diese Zahl ist, wusste man zu dieser Zeit noch nicht. Der Italiener Amedeo Avogadro entdeckte, dass gleiche Gasvolumina bei glei- chen Bedingungen die gleiche Zahl von Gasteilchen enthalten. Dem österreichischen Chemiker Josef Loschmidt gelang es später, diese Teil- chenzahl in 1 m 3 Gas erstmalig in richtiger Größenordnung abzuschätzen. Jean-Baptiste Perrin , ein französischer Physiker bestätigte durch seine Arbeit die Anzahl der Teilchen in einem Mol mit 6,022 . 10 23 . Er schlug 1909 vor diese Zahl – zum Gedenken an Amedeo Avogadro – Avogadro-Konstante zu nennen. Daher bezeichnet man heute die Zahl der Gasteilchen in einem m 3 als Loschmidt’sche Zahl, die Zahl der Teilchen in einem Mol als Avogadro’sche Zahl. Dies ist international festgelegt. Die innere Struktur der Atome Demokrit (400 v. Chr.) betrachtete Atome als unteilbar und unzerstörbar. Auch Dalton (1803) beschäftigte sich nicht mit einem inneren Aufbau der Atome. 1897 entdeckte der Deutsche Emil Wiechert die Elektronen in der Kathodenstrahlung. Im gleichen Jahr bestimmte der Engländer Joseph John Thomson ihre Masse als viel kleiner als die des Wasserstoffatoms. Er entwickelte daraus 1903 das erste Atommodell mit innerem Aufbau. In einer positiv geladenen Grundmasse des Atoms sind die negativ geladenen Elektronen verstreut (Rosinenkuchenmodell), sodass das gesamte Atom ungeladen ist. Elektronen sind Teile von Atomen. 1911 veröffentlichte Ernest Rutherford, ein Schüler von Thomson, das Kern-Hülle-Mo- dell. Es war auch Rutherford, der 1919 beim Beschuss von Stickstoffkernen mit α -Strahlen entdeckte, dass manchmal Wasserstoffkerne herausgeschlagen wer- den. Er schloss, das alle Atomkerne aus Wasserstoffkernen bestehen und nannte den Wasserstoffkern Proton. Die Neutronen wurden erst 1932 von James Chadwick entdeckt. Es gab allerdings schon früher Vermutungen, dass im Kern auch ein ungeladenes Teilchen vorhan- den sein müsste. Diese Neutronen waren dann das „Werkzeug“ für die erste Kern- spaltung 1938 durch die deutschen Chemiker Otto Hahn und Fritz Strassmann. Die Interpretation dieses Experiments gelang der österreichischen Kernphysike- rin Lise Meitner, die 1938 nach Schweden ins Exil ging. Die Kernspaltung war die Voraussetzung für den Bau von Kernkraftwerken und Atombomben. Die Elektronenhülle Da genauere Theorien zum Aufbau des Atomkerns in das Gebiet der Kernphysik fallen, sollen hier im Weiteren nur die Theorien zum Aufbau der für die Chemie entscheidenden Elektronenhülle betrachtet werden. Bereits Rutherford nahm an, dass die Elektronen den Kern auf Kreisbahnen um- kreisen, ähnlich wie Planeten die Sonne, um zu erklären, weshalb sie nicht in den Kern stürzen. 1913 veröffentlichte der Däne Niels Bohr ein Atommodell, das vor allem die Beobachtungen der Lichtabsorption durch Atome und der Licht- emission aus Atomen erklären sollte. Nur bestimmte Lichtwellenlängen werden von bestimmten Atomen absorbiert und emittiert. Bohr nahm nun an, dass Elek- tronen nur auf bestimmten „erlaubten“ Kreisbahnen um den Kern kreisen. Diese entsprechen unterschiedlichen Energieniveaus. Ein Wechsel der Elektronen auf energetisch höher liegende Bahnen wird durch zum Energieunterschied pas- sende Lichtquanten verursacht – so entstehen die Absorptionsspektren. Die an- geregten Elektronen „fallen“ wieder auf ihre ursprünglichen energetisch tiefer- liegenden Bahnen zurück – die Emissionsspektren werden so erklärt. Die Anzahl der Teilchen Loschmidt: n 0 = 2,6867811 . 10 25 . m –3 (bei Normalbedingungen, dh.: T 0 = 273 K, p 0 = 1 bar) Avogadro: N A = 6,022140857 . 10 23 . mol –1 Abb. 015–3: Die Konstanten für die Anzahl von Teilchen Abb. 015–2: Die Grundlagen der Entdeckung der Avogadro-Konstante N A (Volumen gültig für Normalbedin- gungen) Abb. 015–1: Amedeo Avogadro (1776 – 1856) 1 mol Wasserstoff (H 2 ) 22,4 L Wasserstoff (H 2 ) 6,022 . 10 23 H 2 -Moleküle 2 g Wasserstoff 1 mol Sauerstoff (O 2 ) 22,4 L Sauerstoff (O 2 ) 6,022 . 10 23 O 2 -Moleküle 32 g Sauerstoff 1 mol Ammoniak (NH 3 ) 22,4 L Ammoniak (NH 3 ) 6,022 . 10 23 NH 3 -Moleküle 17 g Ammoniak 1 mol Methan (CH 4 ) 22,4 L Methan (CH 4 ) 6,022 . 10 23 CH 4 -Moleküle 16 g Methan Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv