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In einfacher und übersichtlicher Form werden hier die Grundlagen zum Verstehen der chemischen Prozesse bei der Wasseraufbereitung und der technischen Vorgänge abgehandelt; dies sind im einzelnen: Atomaufbau, Periodensystem der Elemente, Chemische Bindungen, Chemische Reaktionsgleichungen, Molmasse, Konzentration eines Stoffes, Säuren und Basen, pH-Wert, Salze, Wasser, pH-Wert des Beckenwassers, Redoxpotential, Oxidierbarkeit, Nitratgehalt, Beckenwasserdesinfektion, Wasserhärte, Einstellen der Säurekapazität, Flockung, Korrosion und Korrosionsschutz. Mit Übungsaufgaben und den Lernkontrollen.
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Seitenzahl: 231
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Helmut Ruß
Chemie für den Badebetrieb
LITHO-Verlag • Wolfhagen
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© 2023 Alle Rechte vorbehalten! 8. Auflage 2023
Alle Grafiken und Bilder, soweit nicht anders angegeben von Thomas Lindemann
ISBN: 978-3-946128-68-7 (print)
ISBN: 978-3-946128-70-0 (ebook PDF)
ISBN: 978-3-946128-69-4 (ebook epub)
3
Helmut Ruß
Chemie für den Badebetrieb
8. Auflage
Vorwort des Verfassers
Das vorliegende Fachbuch „Chemie für den Badebetrieb“ enthält die chemischen Grundkenntnisse für die Bädertechnik. Es soll vor allem die Auszubildenden zum Fachangestellten für Bäderbetriebe, die Schwimmmeister sowie die in der Ausbildung tätigen Personen in Betrieb und Schule in die Lage versetzen, die z.T. komplexen chemischen Prozesse der Wasseraufbereitung zu verstehen und die umfangreichen Aufgaben der Bädertechnik besser zu bewältigen. Die chemischen Abhandlungen begleiten und ergänzen die entsprechen-den Kapitel des Buches „Bädertechnik für Betrieb und Ausbildung“. Aus diesem Fachbuch wurden Teile der Abhandlungen sowie einige Richt- und Grenzwerte übernommen und der Anwendungsbezug zu den chemischen Reaktionen hergestellt. Durch Einbeziehung der neuesten DIN-Normen und Ausführungen nach dem anerkannten Stand der Technik dürfte das Buch für viele Jahre aktuell bleiben. Der stoffliche Umfang wurde weitestgehend auf die Prüfungsanfor-derungen und das Berufsbild des „Fachangstellte/r für Bäderbetriebe“ ausgerichtet, wobei dem Autor die langjährige Unterrichtserfahrung an der Landesfachklasse für Schwimmmeistergehilfen in Hessen, Johann-Philipp-Reis-Schule in Friedberg, wertvolle Erkenntnisse lieferte. Dieses Buch entstand unter Mitarbeit von Dirk Lindemann, Fachlehrer an der Schwimmmeisterschule in Mannheim. Der Autor bedankt sich bei den Personen, die am Manuskript durch Korrektur, Anregungen etc. mitgewirkt haben. Ein besonderer Dank gebührt den Firmen Tintometer GmbH, Dortmund, ProMinent Dosiertechnik GmbH, Heidelberg und Bayrol Chemische Fabrik GmbH, München, die durch die Überlassung von Informationen, Vorlagen und Abbil-dungen zur Gestaltung des Buches beitrugen. Der Verfasser hofft, dass das Buch durch die Auswahl der Stoffinhalte und deren methodisch-didaktischen Aufbereitung in allen Bundes- und deutschsprachigen Ländern eingesetzt wird und bittet die Leser um Verbesserungsvor-schläge und Anregungen für kommende Auflagen.
Wolfhagen, im Januar 2023
4
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1. Der Atomaufbau.................................7
1.1 Vorstellungen vom Atomaufbau................7
1.1.1 Das Kern-Hülle-Modell von Rutherford7
1.1.2 Das Bohr’sche Atommodell...................8
1.2 Größenverhältnisse: Atomkern/Atomhülle...............................................10
1.3 Wie schwer sind Atome?.........................10
1.3.1 Absolute Atommasse............................10
1.3.2 Relative Atommasse ............................11
1.4 Atomaufbau am Beispiel ausge-wählter Elemente....................................11
2. Das Periodensystem der Ele-mente (PSE)....................................13
2.1 Aufbau des PSE.......................................15
2.1.1 Nebengruppen......................................15
2.2 Gesetzmäßigkeiten im PSE.....................16
2.2.1 Atomradien...........................................16
2.2.2 Metall-/Nichtmetallcharakter...............17
2.2.3 Elektronegativität (EN)........................18
3. Chemische Bindungen.....................19
3.1 Die Atombindung (Elektronenpaar-bindung, kovalente Bindung).................19
3.1.1 Atombindung zwischen gleichen Atomen...................................................19
3.1.1.1 Schreibweisen für die Atombindung.20
3.1.1.2 Doppelbindung..................................20
3.1.1.3 Dreifachbindung...............................20
3.1.2 Atombindungen zwischen ver-schiedenen Atomen.................................21
3.2 Ionenbindung .........................................23
3.2.1 Entstehung............................................23
3.2.2 Anwendung..........................................25
3.2.3 Hydratation, Dissoziation und Elektrolyse..............................................25
3.2.3.1 Hydratation.......................................25
3.2.3.2 Dissoziation.......................................25
3.2.3.3 Elektrolyse........................................27
3.3 Metallbindung.........................................28
4. Chemische Reaktionsgleichungen..28
5. Mol - Molmasse................................31
6. Die Konzentration eines Stoffes......32
6.1 Volumenprozent......................................32
6.2 Massenprozent .......................................32
6.3 Molarität..................................................33
7. Säuren und Basen (Laugen)............33
7.1 Eigenschaften:.........................................33
7.2 Sicherheitsmaßnahmen beim Um-gang mit Säuren und Basen....................34
7.3 Wichtige Säuren und Basen im Bäderbereich...........................................34
7.3.1 Salzsäure..............................................34
7.3.2 Schwefelsäure......................................35
7.3.3 Unterchlorige Säure.............................35
7.3.4 Kohlensäure.........................................36
7.3.5 Phosphorsäure......................................36
7.3.6 Natronlauge..........................................36
7.3.7 Kalkwasser (Calciumhydroxidlösung).37
7.3.8 Ammoniakwasser (Salmiakgeist).........37
7.3.9 Aluminiumhydroxid.............................37
7.3.10 Eisenhydroxid....................................37
7.4 Entstehung von Säuren und Basen (Laugen)..................................................38
7.4.1 Säuren..................................................38
7.4.1.1 Sauerstoffhaltige Säuren ..................38
7.4.1.2 Sauerstofffreie Säuren.......................38
7.4.2 Basen....................................................39
7.5 Chemischer Aufbau.................................39
7.5.1 Säuren..................................................39
7.5.2 Hydroxide und Basen ..........................39
8. Der pH-Wert.....................................41
9. Salze...................................................44
9.1 Entstehung...............................................44
9.1.1 Neutralisation.......................................44
9.1.2 Reaktion von Metallen mit...........Nichtmetallen..........................................46
9.1.3 Reaktion von Säuren mit unedlen Metallen..................................................47
9.1.4 Reaktion von Säuren mit Metalloxiden47
9.1.5 Reaktion von Säuren mit Salzen..........48
9.1.5.1 Zusammenfassung.............................49
5
Inhaltsverzeichnis
9.2 Aufbau.....................................................49
9.2.1 Benennung ..........................................49
9.3 Chemische Formel von Salzen................50
9.4 Wichtige Salze im Bäderbereich.............51
9.5 Wirkung auf den pH-Wert.......................51
10. Wasser.............................................53
10.1 Der Wasserkreislauf..............................53
10.2 Wasserverschmutzung...........................54
10.3 Trinkwasser und Trinkwasserge-winnung..................................................54
10.4 Beckenwasser .......................................55
10.5 Physikalische und chemische Eigenschaften des Wassers.....................56
11. pH-Wert des Beckenwassers.........57
11.1 Welche Probleme können bei einem zu niedrigen pH-Wert (pH<6,5) des Beckenwassers auftreten?.57
11.1.1 Korrosion von Metallen.....................57
11.1.2 Zerstörung kalkhaltiger Baustoffe......57
11.1.3 Störung der Flockung.........................58
11.1.4 Bildung von Chloraminen..................58
11.2 Welche Probleme können bei einem zu hohen pH-Wert (pH >7,6 bzw. >7,8) des Beckenwassers auftreten?................................................58
11.2.1 Verminderte Desinfektionswirkung...58
11.2.2 Zerstörung des Säureschutz-mantels der Haut.....................................59
11.2.3 Erhöhte Kalkabscheidung..................59
11.2.4 Verminderte Flockungswirkung.........59
11.3 Welche Ursachen können für pH-Wert-Veränderungen verantwort-lich sein?.................................................59
11.3.1 Das Füllwasser...................................59
11.3.2 Überdosierungen bei pH-Korrekturen60
11.3.3 Überdosierungen durch Desin-fektionsmittel..........................................60
11.3.4 Einfluss von Marmorkies...................60
11.3.5 Dolomitfilter.......................................60
11.3.6 Flockung.............................................60
11.3.7 Aufhärtung und Enthärtung................60
11.3.8 Temperatur.........................................61
11.3.9 Regen.................................................61
11.4 pH-Wert-Regelung................................61
11.5 pH-Wert-Messung.................................62
11.5.1 Kolorimetrische pH-Wert-Messung...62
11.5.1.1 Indikatoren......................................62
11.5.1.2 Komparatoren .................................66
11.5.1.3 Universalindikatoren.......................66
11.5.2 Elektrometrische pH-Wert-Messung (pH-Meter)..............................67
11.5.2.1 Theoretische Grundlagen................67
11.5.2.2 Aufbau des pH-Meters....................67
11.5.2.3 Anwendung der Einstab-mess-ketten im Bäderbereich...........................68
11.5.2.4 Vorteile der elektrometrischen pH-Wert-Messung...................................69
11.5.2.5 Nachteile der elektrometri-schen pH-Wert-Messung........................69
12. Redoxpotential................................70
12.1 Der Redox-Begriff................................70
12.2 Redoxreaktionen in wässriger Lösung..70
12.3 Die Redox-Spannungsreihe..................71
12.4 Redoxpotential des Beckenwassers......73
13. Oxidierbarkeit................................75
14. Der Nitratgehalt.............................76
15. Beckenwasser-Desinfektion...........77
15.1 Krankheitserreger..................................77
15.2 Mikrobiologische Anforderungen an Beckenwasser.....................................78
15.3 Anforderungen an ein Becken-wasser-Desinfektionsmittel.....................78
15.3.1 Zugelassene Desinfektionsmittel.......79
15.3.1.1 Chlor...............................................79
15.3.1.2 Freies wirksames Chlor...................79
15.3.1.3 Gebundenes, wirksames Chlor........81
15.3.1.4 Trihalogenmethane..........................82
15.3.1.5 Die Messung des Chlorgehalts........82
15.3.2 Natriumhypochlorit............................87
15.3.3 Calciumhypochlorit............................87
15.3.4 Trichlorisocyanursäure.......................88
15.3.4.1 Einsatz der stabilisierten Chlorverbindungen in der Becken-wasseraufbereitung.................................88
15.4 Verfahrenskombinationen zur Desinfektion............................................90
6
Inhaltsverzeichnis
15.4.1 Ozonung-Chlorung............................90
15.4.2 Chlor-Chlordioxidverfahren...............90
16. Wasserhärte....................................91
16.1 Begriff der Wasserhärte.........................91
16.2 Karbonathärte........................................93
16.2.1 Entstehung..........................................93
16.2.2 Auswirkungen auf das Beckenwasser94
16.2.2.1 Pufferwirkung.................................94
16.2.2.2 Kalkausfällung................................95
16.3 Nichtkarbonathärte................................96
16.4 Härtemessung........................................97
16.4.1 Die Maßeinheiten der Wasserhärte....98
16.4.2 Die neuen Begriffe der Wasserhärte...98
16.4.2.1 Säurekapazität bis pH 4,3...............98
16.4.2.2 Summe der Erdalkalimetalle...........99
16.4.2.3 Enthärtungsverfahren......................99
16.4.3 Ionenaustauscher................................99
16.4.4 Phosphat- und Silikatdosierungen....100
16.4.5 Behandlung des Wassers mit Magnetfeldern.......................................101
16.4.6 Schnellentkalkung durch Kalkmilch101
16.4.7 Säurezugabe.....................................101
16.5 Aufhärtungsverfahren.........................101
16.5.1 Zuleiten von Soda oder Natron........101
16.5.2 Filtermaterial aus Dolomit...............102
17. Flockung........................................102
17.1 Zweck der Flockung...........................102
17.2 Der Flockungsvorgang........................103
17.3 Einflüsse auf die Flockung..................103
17.3.1 pH-Wert............................................103
17.3.2 Karbonathärte...................................104
17.3.3 Strömungsgeschwindigkeit..............104
17.3.4 Sonstige konstruktive Einflüsse.......104
17.4 Zugelassene Flockungsmittel..............105
17.4.1 Aluminiumsulfat..............................105
17.4.2 Aluminiumchloridhexa-hydrat.........105
17.4.3 Aluminiumhydroxichloride..............106
17.4.4 Aluminiumhydroxichlorid-sulfat.....106
17.4.5 Natriumaluminat..............................106
17.4.6 Eisenhaltige Flockungsmittel...........106
18. Welche Werte gelten nach der DIN 19643 für die wich-tigsten chemischen Parameter ?..108
19. Korrosion und Korrosionsschutz109
19.1 Chemische Korrosion..........................109
19.2 Elektrochemische Korrosion...............109
19.3 Spezielle Formen der Korrosion.........110
19.3.1 Interkristalline Korrosion.................110
19.3.2 Korrosion in Kaltwasserleitungen....111
19.3.3 Korrosion in Warmwasserbehäl-tern und Warmwasserleitungen.............112
19.3.4 Steinbildung.....................................113
19.4 Sonstige Korrosionsformen im Bäderbereich.........................................113
19.4.1 Korrosion in Dampfheizungsan-lagen......................................................113
19.4.2 Korrosion von Heizölbehältern........113
19.4.3 Korrosion durch Abgase..................113
19.4.4 Korrosion durch Schwimmbad-wasseraufbereitung...............................114
Lösungsvorschläge zu den Übungen116
Sachwortverzeichnis / Index.............132
Literaturnachweis:.............................136
Nachweis der Abbildungen................136
7
Der Atomaufbau
Alle Materie der Welt besteht aus Atomen. Atome sind sehr klein. Man kann sie mit bloßem Auge nicht sehen und auch nicht mit dem Mikroskop oder dem Elektronenmikro-skop. Da man Atome nicht sehen kann, hat alles Wissen über den Aufbau von Atomen Modellcharakter.
Beim Aufbau von Atomen muss man sich also stets vergegenwärtigen, dass wir es mit Modellvorstellungen zu tun haben und nicht mit milliardenfach vergrößerte Realität.
In diesem Buch wird ein einfaches Modell, das „Bohr`sche Atommodell“ näher erläu-tert. Es wurde von dem dänischen Physiker Nils Bohr entwickelt.
Ein entscheidendes Experiment für die Entwicklung eines leis-tungsfähigen Atommodells wur-de von dem Engländer Ernest Rutherford 1911 durchgeführt.
Er beschoss dünnste Goldfolien mit energiereichen α-Strahlen (=kleinste Masseteilchen, positiv geladen). Als radioaktive Strah-lungsquelle wurde Radium in ei-nem Bleiblock verwendet.
Um kontrollieren zu können, wel-chen Weg die α-Teilchen neh-men, umgab Rutherford die Ver-suchseinrichtung mit einem Filmstreifen (Leuchtschirm), auf dem jedes auftreffende a-Teilchen einen Punkt hinterließ.
Feststellungen und Beobachtungen:
Der größte Teil der α-Teilchen durchdrang ungehindert die Goldfolie. Nur sehr wenige α-Teilchen, etwa 1 von 20.000 wurde mehr oder weniger stark abgelenkt oder in die Ausgangsrichtung zurückgeworfen.
Schlussfolgerung:
Die wenigen reflektierten oder abgelenkten Teilchen mussten auf ein kleines massives Zentrum gestoßen sein. Rutherford nannte dieses Zentrum Atomkern.
Aus der Tatsache, dass die meisten a-Teil-chen die Goldfolie ungehindert passierten, schloss Rutherford, dass die Atome über-wiegend aus einer fast masselosen, nahezu leeren Atomhülle bestehen müssen.
Vorstellungen vom Atomaufbau
Das Kern-Hülle-Modell von Rutherford
Modelle sind ganz allgemein Vorstellungen („Bilder“) von der Wirklichkeit. Sie werden der Wirklichkeit niemals ganz entsprechen und sie werden sich mit der Zu-nahme neuer experimenteller Erkenntnisse ständig ändern.
Streuversuch nach Rutherford
Der Atomaufbau
Bleiblock
Radioaktiver Quelle
a-Teilchen
Filmstreifen oder Leuchtschirm
abgelenkte a-Teilchen
Goldfolie
nicht abgelenkte a-Teilchen
8
staben: K-(1.Schale), L-(2.Schale), M-(3.Schale), N-Schale (4.Schale) usw.
Das Bohr’sche Atommodell
Die positiv geladenen α-Teilchen durchdringen den Raum, den die Goldatome einnehmen, größtenteils ohne Ablenkung. Nur wenn sie sehr dicht am Kern eines Golda-toms vorbeifliegen, werden sie von dem positiven Kern merklich abgelenkt. Wenn sie einen Atomkern treffen, pral-len sie in die Ausgangsrich-tung zurück.
Modelldarstellung zur Deutung des Streuversuchs
Atomebestehen aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Atomkern:sehr klein, positiv geladen, enthält die Ele-mentarteilchen Protonen (positiv gela-den) und die Neutronen (elektrisch neu-tral).Atomhülle:enthält die Elementar-teilchen Elektronen (negativ geladen).
Ähnlich wie die Planeten um die Sonne krei-sen, bewegen sich die Elektronen um den Atomkern. Im Gegensatz zu den Planeten, von denen jeder eine eigene Bahn hat und jeder einen anderen Abstand von der Sonne hat, hat im Atom nicht jedes Elektron eine eigene Bahn (man nennt das im Atom nicht Bahn, sondern Schale), sondern auf jeder Schale haben mehrere Elektronen Platz.
Auf den verschiedenen Schalen kann sich nur eine begrenzte Zahl von Elektronen-bewegen.
Man bezeichnet die Schalen mit Großbuch-
Der Atomaufbau
Flugbahnen der a-Teilchen
Goldatomkerne
Atomkern
K - Schale (1. Schale)
L - Schale (2. Schale)
M - Schale (3. Schale)
N - Schale (4. Schale)
Proton und Neutron bilden den Atomkern in der Atomhülle
Nicht abge-lenkte Teil-chen
Abgelenkte Teilchen
Die ersten 4 Elektronenschalen
9
Zum weiteren Verständnis des Bohr’schen Atommodells berufen wir uns auf Grundla-gen der Elektrotechnik. Alle elektrisch ge-ladenen Teilchen verhalten sich nach dem Grundgesetz der Elektrostatik:
Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Ungleichnamige Ladungen zie-hen sich an!
Gleichnamig geladene Teilchen sto-ßen sich ab. Ungleichnamige ziehen sich an.
Die Stärke der Abstoßungskraft nimmt mit zunehmendem Abstand ab.
Der Atomaufbau
Die Kraft der Anziehung bzw. der Absto-ßung lässt mit zunehmendem Abstand der geladenen Teilchen voneinander sehr stark nach.
Protonen und Elektronen ziehen sich also gegenseitig an. Warum fallen die Elekt-ronen dann nicht in den Atomkern zu den Protonen?
Begründung:Die elektrostatische Anzie-hungskraft zum Atomkern hin wird von ei-ner gleichgroßen Kraft vom Atomkern weg neutralisiert, der Zentrifugalkraft. Die um den Atomkern kreisenden Elektronen besit-zen eine bestimmte Energie, die verhindert, dass die Elektronen in den Kern stürzen.
10
Die Zentrifugalkraft tritt überall dort auf, wo sich etwas auf seiner Kreisbahn um einen Mittelpunkt bewegt. Das Zusammentreffen von Anziehungskraft und Zentrifugalkraft bewirkt, dass der kreisende Teil weder auf den Mittelpunkt hin fällt noch ganz aus dem Kreis entweicht, sondern auf seiner Kreis-bahn bleibt.
Die Zentrifugalkraft wirkt der An-ziehungskraft entgegen und bewirkt, dass die Elektronen auf ihrer Kreisbahn bleiben
9,11 x 10-28g
Die Masse eines Elektrons ist daher für die Gesamtmasse eines Atoms fast ohne Bedeu-tung und für die Berechnung der Atommas-se zu vernachlässigen.
Die absolute Atommasse (Einheit g) setzt sich daher zusammen aus der Masse der Protonen und der Masse der Neutronen. Sie ist unvorstellbar klein. Ihre Werte bewegen sich zwischen
10-24g und 10-22g
Beispiele: Wasserstoffatom: 1,67 x 10-24g (Das einfachste Wasserstoffatom hat im Atomkern nur 1 Proton. Die absolute Atom-masse des Wasserstoffs entspricht daher der Protonenmasse).
Kohlenstoffatom: 20 x 10-24g
Größenverhältnisse: Atomkern/Atomhülle
Atomkerne sind sehr klein. Der Durchmes-ser des Atomkerns (10-13cm) ist mehr als 100.000-mal kleiner als der Durchmesser des gesamten Atoms.
Zum Vergleich:
Wäre der Atomkern so groß wie ein Steck-
nadelkopf von 2 mm Durchmesser, so würde der Durchmesser der Atomhülle 200 Meter betragen. Der sehr kleine Atomkern enthält aber fast die gesamte Masse eines Atoms, während die Elektronenhülle nahezu mas-seleer ist.
Wie schwer sind Atome?
Die Atome aller Elemente (Elemente sind Grundstoffe, die chemisch nicht mehr zer-legbar sind. Sie bestehen aus vielen Ato-men) unterscheiden sich in Größe, Anzahl der Elementarteilchen(= Protonen, Neutro-nen, Elektronen) und Masse.Wie die Größe (siehe Kapitel 1.2), ist die Masse der Ato-me sehr gering.
Absolute Atommasse
Die Masse eines Protons beträgt1,67 x 10-24g
=0,000.000.000.000.000.000.000.00167g
Die Masse eines Neutrons entspricht etwa der Masse eines Protons.
Die Masse eines Elektrons ist noch rund 2000-mal kleiner als die Masse eines Pro-tons bzw. Neutrons und beträgt
Der Atomaufbau
Bewegungsrichtung des Elektrons
Zentifugalkraft
Elektron
Anziehungs-kraft
11
Relative Atommasse
Das Rechnen mit solch unvorstellbar klei-nen Atommassen, wie in Kap.1.3.1 ange-geben ist sehr umständlich. Man ist des-halb international übereingekommen, die Atommassen in einer anderen geeigneteren Einheit anzugeben. Als Bezugsgröße wähl-te man das Kohlenstoffatom, da es beson-ders stabil ist.
Die Atommasseneinheit „1 u“ ist der 12.Teil der Masse des Kohlenstoffa-toms (Kohlenstoffisotops)
[„u“ ist übersetzt aus dem Englischen „unit“ und bedeutet Einheit.]
: links unten an das Elementsym-bol schreibt man die Protonenzahl (auch Kernladungszahl oder Ord-
nungszahl im Periodensystem der Elemente genannt), links oben an das Elementsymbol schreibt man die Massenzahl, die sich aus der Zahl der Protonen und der Zahl der Neu-tronen eines Atoms zusammensetzt.
Isotope:Die Atome eines Elements haben immer die gleiche Protonenzahl; sie unter-scheiden sich aber in der Neutronenzahl und damit auch in der Massenzahl. Solche Atome oder Atomkerne bezeichnet man als Isotope. So besteht z.B. das Element Bor zu 80% aus Atomen mit der Neutronenzahl 6 bzw. Massenzahl 11(u) und zu 20% aus Atomen mit der Neutronenzahl 5 bzw. Mas-senzahl 10(u). Berechnet man nach diesen Angaben die durchschnittliche Massenzahl, so erhält man den Wert 10,8(u). Die errech-nete Massenzahl stimmt mit dem im PSE angegebenen Wert überein. Die im PSE an-gegebene Atommasse (Kommazahl) ergibt sich also aus dem Mischungsverhältnis der verschiedenen Isotope.
Atomaufbau am Beispiel ausgewählter Elemente
1. Beispiel:
Das am einfachsten gebaute Atom ist das Wasserstoffatom. Der Atomkern besteht aus einem einzigen Proton (positiv geladen). Die Kernladungszahl beträgt daher 1+. In der Atomhülle kreist 1 Elektron (negativ) auf einer Schale.
2. Beispiel:
Die Atome des Elementes Heliumhaben jeweils im Atomkern 2 Protonenund meist 2 Neutronen (siehe Begriff: „Isotop“) Die Atomhülle besitzt ebenfalls 2 Elektronen auf einer Schale.
Das Wasserstoff-Atom hat ein Elektron
Das Helium-Atom hat 2 Elektronen
Der Atomaufbau
Kern mit 1 Proton
1 H Wasserstoff
Kern mit 2 Protonen und 2 Neutronen
2 He Helium
12
3. Beispiel:
Die Atome des Elements Lithiumhaben je-weils im Atomkern 3 Protonen und meist 4 Neutronen. Die Atomhülle besitzt in diesem Fall 2 Schalen. Auf der 1. Schale (K-Scha-le) kreisen 2 Elektronen (sie ist damit voll besetzt und abgesättigt); auf der 2. Schale (K-Schale, äußerste Schale) befindet sich 1 Elektron. Das Lithiumatom hat daher ins-gesamt 3 Elektronen.
4. Beispiel:
Bor-Atom
Das Lithium-Atom hat 3 Elektro-nen
Das Bor-Atom hat 5 Elektronen
Was können Sie aus der Angabe (Chlor) ableiten?
Das Atom enthält 17 Protonen. Die Kernladungszahl beträgt demnach 17+.
Da ein Atom nach außen hin neutral ist, gilt:
Zahl der Protonen im Atomkern ent-spricht Zahl der Elektronen in der Atomhülle
Die Zahl der Elektronen beträgt daher in diesem Fall ebenfalls 17; davon sind:
2 Elektronen auf der 1. Schale (K-Schale)
8 Elektronen auf der 2. Schale (L-Schale)
7 Elektronen auf der 3. Schale (M-Schale, äußerste Schale)
Für alle Atome gilt auch:
Massenzahl = Protonenzahl zuzüglich
Neutronenzahl
Wie in Kapitel 1.3 ausgeführt, resultiert die Atommasse aus dem Mischungsver-hältnis der einzelnen Isotope. Das genaue Mischungsverhältnis ist Tabellen zu ent-nehmen.
So besteht das Element Chlor zu 75,5 % aus Atomen der Massenzahl 37 (u) und zu 24,5 % aus Atomen der Massenzahl 35 (u). Die Atome der Massenzahl 37 (u) besitzen im Atomkern 20 Neutronen, die der Mas-senzahl 35 (u) haben 18 Neutronen.
[Die Zahl der Protonen bleibt bei allen Ato-men desselben Elements gleich und beträgt in diesem Fall 17.]
Der Atomaufbau
Kern mit 3 Proto-nen und 4 Neut-ronen
3 Li Lithium
Kern mit 5 Protonen und 6 Neutronen
5 B Bor
13
Wiederholungsfragen
von 1 cm Durchmesser dargestellt. Wel-chen Durchmesser müsste die dazuge-hörige, in gleichem Verhältnis vergrö-ßerte Atomhülle haben?
9. Das Element Magnesium besteht zu 78,7 % aus Atomen der Massenzahl 24(u), 10,1% aus Atomen der Massen-zahl 25(u) und zu 11,2 % aus Atomen der Massenzahl 26(u). Berechnen Sie die Atommasse und vergleichen Sie das Ergebnis mit dem im Periodensystem der Elemente angegebenen Wert!
10. Das K-Atom (Atommasse 39u) enthält 19 Elektronen. Wie groß ist die Ladung des Atomkerns? Wie viele Neutronen sind darin enthalten?
Das Periodensystem der Elemente (PSE)
Ein Element ist ein Grundstoff, der aus Ato-men mit der gleichen Protonenzahl besteht. Reiner Sauerstoff ist z.B. ein Element oder reines Lithium usw. Die Kurzzeichen che-mischer Elemente nennt man Symbole. Sie sind vom lateinischen Wort des Elements abgeleitet.
Beispiele für Kurzzeichen
Element Lateinischer Symbol
Name (Kurzzeichen)
Wasserstoff Hydrogenium H
Eisen Ferrum Fe
Stickstoff Nitrogenium N
Vor etwa 100 Jahren (man kannte damals den Aufbau der Atome aus Protonen, Neu-tronen und auf Schalen kreisenden Elekt-ronen noch nicht), entdeckte man, dass be-stimmte Gruppen von Elementen ähnliche Eigenschaften haben. Der Russe Dimitri
Mendelejew (1834-1907) und der Deut-sche, Robert Meyer (1830-1895), ordne-ten unabhängig voneinander die Elemente nach steigenden Atommassen. Dabei stell-ten sie fest, dass in bestimmten Abständen (Perioden) immer Elemente mit ähnlichen Eigenschaften auftraten und fassten diese in Gruppen zusammen.
Daraus entstand eine regelmäßige Anord-nung von Elementen, das so genannte Peri-odensystem der Elemente (abgekürzt PSE).
Heutzutage sind die Elemente im PSE je-doch nicht nach steigenden Atommassen geordnet, sondern nach steigender Proto-nenzahl. Daher nennt man die Protonen-zahl auch die Ordnungszahl im PSE. Das Periodensystem ist das wichtigste Hilfs-mittel in der Chemie. Es ist unentbehrlich bei der Aufstellung von chemischen Reak-tionsgleichungen.
1. Welche Erkenntnisse brachte der Rutherford‘sche Versuch?
2. Wirken zwischen Neutronen und Elek-tronen anziehende Kräfte?
3. Warum müssen wir annehmen, dass sich die Elektronen in der Atomhülle ständig bewegen?
4. Wie setzt sich die Masse eines Atoms fast ausschließlich zusammen?
5. Wie ist die Elektronenverteilung auf den einzelnen Schalen beim Atom Chlor?
6. Welche Elementarteilchen sind für chem. Reaktionen von Bedeutung?
7. Was versteht man unter der Edelgaskon-figuration eines Atoms?
8. Ein Atomkern werde durch eine Kugel
Periodensystem
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Periodensystem
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Aufbau des PSE
Im Periodensystem unterscheiden wir Pe-rioden(= waagrechte Reihen) und Grup-pen(= senkrechte Spalten). Es gibt im PSE 7 Perioden und 16 Gruppen (8 Hauptgrup-pen und 8 Nebengruppen).
Den Hauptgruppen werden Namen zu-geordnet:
1. Hauptgruppe: Alkalimetalle
2. Hauptgruppe: Erdalkalimetalle
3. Hauptgruppe: Erdmetalle oder Bor-gruppe
4. Hauptgruppe: Kohlenstoffgruppe
5. Hauptgruppe: Stickstoffgruppe
6. Hauptgruppe: Chalkogene oder Erz-bildner
7. Hauptgruppe: Halogene oder Salzbild-ner
8. Hauptgruppe: Edelgase
Die Haupt- und Nebengruppen werden oft mit römischen Ziffern bezeichnet (I bis VIII).
Die Elemente der gleichen Haupt-gruppe haben gleiche oder ähnliche Eigenschaften.
Die Nummer der Hauptgruppe gibt die Anzahl der Elektronen auf der äußers-ten Schale an.
Die Nummer der Periode gibt die An-zahl der Elektronenschalen an.
Beispiele:
a) Fluor(2. Periode, 7. Hauptgruppe) hat 2 Elektronenschalen; auf der 2. Schale (äußerste Schale) sind 7 Elektronen.
b) Kalium (4. Periode, 1. Hauptgruppe) hat 4 Elektronenschalen; auf der 4. Schale (äußerste Schale) ist 1 Elektron.
Ausnahme:Helium(1. Periode, 8. Haupt-gruppe) hat auf seiner einzigen und deshalb äußersten Elektronenschale keine 8, son-dern nur 2 Elektronen.
Die Gründe, warum das Helium trotzdem zur 8.Hauptgruppe zählt, sind:
Die 1. Schale ist bereits mit 2 Elektronen abgesättigt. Die Atome der Elemente der 8. Hauptgruppe haben alle eine abgesät-tigte Außenschale, d.h. die äußerste Scha-le ist mit 8 Elektronen voll besetzt. Helium zeigt „Edelgaseigenschaften“ z.B. äußerste Reaktionsträgheit.
Nebengruppen
Es gibt 8 Nebengruppen.
Die 8. Nebengruppe enthält in jeder Periode 3 Elemente, alle andern Nebengruppen ent-halten in jeder Periode 1 Element.
Alle Nebengruppenelemente sind Metalle.Die Zahl der Außenelektronenist bei den Nebengruppenelementen gering (meist 2 Elektronen) und nicht (wie bei den Haupt-gruppen) an der Nebengruppennummer zu erkennen.
Besonderheit bei der Elektronenschalen-besetzung:Die äußerste Schale wird erst mit wenigen Elektronen (meist 2) angefüllt, bevor die darunter liegende, innere Schale aufgefüllt wird. Man spricht auch von der inneren Schalenbesetzung.Bei den Ato-men der Hauptgruppenelemente werden dagegen ausschließlich die äußersten Scha-len aufgefüllt.
Beispiel:
Zink (Zn)Die 4. Schale (Außenschale) wird mit 2 Elektronen angefüllt, bevor die darunter liegende, innere Schale um 10 Elektronen auf 18 Elektronen (max. Elek-tronenzahl der 3. Schale) aufgefüllt wird.
Periodensystem
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Gesetzmäßigkeiten im PSE
Das kleinePeriodensystem der Elemente. Es sind nur die Hauptgruppen aufge-führt. Die Elemente links unter der Diagonale sind Metalle, die Elemente rechts oben der Diagonale sind Nichtmetalle. Die Elemente ganz rechts (8. HG) sind Edelgase. Die Elemente in den grünlichen Feldern sind Halbmetalle. Es sind nur die Hauptgruppen aufgeführt.
Atomradien
Innerhalb einer Hauptgruppe nimmt der Atomradius von oben nach unten zu!
Begründung:
Die Anzahl der Schalen nimmt von oben nach unten zu. Die Abstände der Außen-elektronen vom Atomkern werden größer, so dass die Kernanziehungskraft auf die Außenelektronen (von oben nach unten) sinkt. Die Atome der unten stehenden Ele-mente geben sehr bereitwillig ihre Außen-elektronen ab. ⇒Die Reaktionsfreudigkeit der Elemente steigt von oben nach unten.
Verlauf der Atomradien im PSE bei den Hauptgruppenelementen
Periodensystem
Periodensystem der Elemente - Hauptgruppen
Perioden
1. HG
2 HG
3. HG
4. HG
5. HG
6. HG
7 HG
8. HG
1. Periode
1 H
Wasserst.
2 He
Helium
2. Periode
3 Li
Lithium
4 Be
Beryllium
5 B
Bor
6 C
Kohlenst.
7 N
Stickstoff
8 O
Sauerstoff
9 F
Fluor
10 Ne
Neon
3. Periode
11 Na
Natrium
12 MG
Magnesium
13 Al
Aluminium
14 Si
Silizium
15 P
Phosphor
16 S
Schwefel
17 Cl
Chlor
18 Ar
Argon
4. Periode
19 K
Kalium
20 Ca
Calcium
31 Ga
Gallium
32 Ge
Germanium
33 As
Arsen
34 Se
Selen
35 Br
Brom
36 Kr
Krypton
5. Periode
37 Rb
Rubidium
38 Sr
Strontium
49 In
Indium
50 Sn
Zinn
51 Sb
Antimon
52 Te
Tellur
53 J
Jod
54 Xe
Xenon
6. Periode
55 Cs
Cäsium
56 Ba
Barium
81 Ti
Thallium
82 Pb
Blei
83 Bi
Wismut
84 Po
Polonium
85 At
Astat
86 Rn
Radon
7. Periode
87 Fr
Francium
88 Ra
Radium
