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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: 220
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Helmut Ruß
Chemie für den Badebetrieb
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© 2019 Alle Rechte vorbehalten! 7. Auflage 2019
Alle Grafiken und Bilder, soweit nicht anders angegeben von Thomas Lindemann
ISBN: 978-3-941484-02-3 (print)
ISBN: 978-3-941484-42-9 (ebook PDF)
ISBN: 978-3-946128-36-6 (ebook epub)
3
Helmut Ruß
Chemie für den Badebetrieb
7. 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 2019
4
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 ausgewählter Elemente...........................11
2. Das Periodensystem der Elemente (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 (Elektronenpaarbindung, 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 verschiedenen Atomen............................21
3.1.2.1 Wiederholungsfragen........................22
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 Wiederholungsfragen........................26
3.2.3.4 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 Umgang 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
Inhaltsverzeichnis
5
Inhaltsverzeichnis
9.1.4 Reaktion von Säuren mit Metalloxiden47
9.1.5 Reaktion von Säuren mit Salzen..........48
9.1.5.1 Zusammenfassung.............................49
9.2 Aufbau.....................................................49
9.3 Benennung .............................................49
9.4 Chemische Formel von Salzen................50
9.5 Wichtige Salze im Bäderbereich.............51
9.6 Wirkung auf den pH-Wert.......................51
10. Wasser.............................................53
10.1 Der Wasserkreislauf..............................53
10.2 Wasserverschmutzung...........................54
10.3 Trinkwasser und Trinkwassergewinnung...........................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 Säureschutzmantels der Haut..................59
11.2.3 Erhöhte Kalkabscheidung..................59
11.2.4 Verminderte Flockungswirkung.........59
11.3 Welche Ursachen können für pH-Wert-Veränderungen verantwortlich sein?................................59
11.3.1 Das Füllwasser...................................59
11.3.2 Überdosierungen bei pH-Korrekturen60
11.3.3 Überdosierungen durch Desinfektionsmittel.................................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 .................................65
11.5.1.3 Universalindikatoren.......................65
11.5.2 Elektrometrische pH-Wert-Messung (pH-Meter)..............................66
11.5.2.1 Theoretische Grundlagen................66
11.5.2.2 Aufbau des pH-Meters....................66
11.5.2.3 Anwendung der Einstabmessketten im Bäderbereich.......67
11.5.2.4 Nachteile der elektro-metrischen pH-Wert-Messung................68
12. Redoxpotential................................69
12.1 Der Redox-Begriff................................69
12.2 Redoxreaktionen in wässriger Lösung..69
12.3 Die Redox-Spannungsreihe..................70
12.4 Redoxpotential des Beckenwassers......72
13. Oxidierbarkeit................................74
14. Der Nitratgehalt.............................75
15. Beckenwasser-Desinfektion...........76
15.1 Krankheitserreger..................................76
15.2 Mikrobiologische Anforderungen an Beckenwasser.....................................77
15.3 Anforderungen an ein Beckenwasser-Desinfektionsmittel.........77
15.4 Zugelassene Desinfektionsmittel..........78
15.4.1 Chlor..................................................78
15.4.1.1 Freies wirksames Chlor...................78
15.4.1.2 Gebundenes, wirksames Chlor........80
15.4.1.3 Trihalogenmethane..........................81
15.4.1.4 Die Messung des Chlorgehalts........81
15.4.2 Natriumhypochlorit............................85
15.4.3 Calciumhypochlorit............................85
15.4.4 Trichlorisocyanursäure.......................86
15.4.4.1 Einsatz der stabilisierten Chlorverbindungen in der Beckenwasseraufbereitung.....................86
6
Inhaltsverzeichnis
15.5 Verfahrenskombinationen zur Desinfektion............................................88
15.5.1 Ozonung-Chlorung............................88
15.5.2 Chlor-Chlordioxidverfahren...............88
16. Wasserhärte....................................89
16.1 Begriff der Wasserhärte.........................89
16.2 Karbonathärte........................................91
16.2.1 Entstehung..........................................91
16.2.2 Auswirkungen auf das Beckenwasser92
16.2.2.1 Pufferwirkung.................................92
16.2.2.2 Kalkausfällung................................93
16.3 Nichtkarbonathärte................................94
16.4 Härtemessung........................................95
16.4.1 Die Maßeinheiten der Wasserhärte....96
16.4.2 Die neuen Begriffe der Wasserhärte...96
16.4.2.1 Säurekapazität bis pH 4,3...............96
16.4.2.2 Summe der Erdalkalimetalle...........97
16.5 Enthärtungsverfahren............................97
16.5.1 Ionenaustauscher................................97
16.5.2 Phosphat- und Silikatdosierungen......98
16.5.3 Behandlung des Wassers mit Magnetfeldern.........................................99
16.5.4 Schnellentkalkung durch Kalkmilch..99
16.5.5 Säurezugabe.......................................99
16.6 Aufhärtungsverfahren...........................99
16.6.1 Zuleiten von Soda oder Natron..........99
16.6.2 Filtermaterial aus Dolomit...............100
17. Flockung........................................100
17.1 Zweck der Flockung...........................100
17.2 Der Flockungsvorgang........................101
17.3 Einflüsse auf die Flockung..................101
17.3.1 pH-Wert............................................101
17.3.2 Karbonathärte...................................102
17.3.3 Strömungsgeschwindigkeit..............102
17.3.4 Sonstige konstruktive Einflüsse.......102
17.4 Zugelassene Flockungsmittel..............103
17.4.1 Aluminiumsulfat..............................103
17.4.2 Aluminiumchloridhexa-hydrat.........103
17.4.3 Aluminiumhydroxichloride..............104
17.4.4 Aluminiumhydroxichlorid-sulfat.....104
17.4.5 Natriumaluminat..............................104
17.4.6 Eisenhaltige Flockungsmittel...........104
18. Welche Werte gelten nach der DIN 19643 für die wichtigsten chemischen Parameter ?..............106
19. Korrosion und Korrosionsschutz107
19.1 Chemische Korrosion..........................107
19.2 Elektrochemische Korrosion...............107
19.3 Spezielle Formen der Korrosion.........108
19.3.1 Interkristalline Korrosion.................108
19.3.2 Korrosion in Kaltwasserleitungen....109
19.3.3 Korrosion in Warmwasserbehältern und Warmwasserleitungen...........................110
19.3.4 Steinbildung.....................................111
19.4 Sonstige Korrosionsformen im Bäderbereich.........................................111
19.4.1 Korrosion in Dampfheizungsanlagen111
19.4.2 Korrosion von Heizölbehältern........111
19.4.3 Korrosion durch Abgase..................111
19.4.4 Korrosion durch Schwimmbadwasseraufbereitung.........112
Lösungsvorschläge zu den Übungen115
Sachwortverzeichnis / Index.............131
Literaturnachweis..............................135
Nachweis der Abbildungen................135
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 Stoff
a-Teilchen
Filmstreifen oder Leuchtschirm
abgelenkte a-Teilchen
Goldfolie
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
Elektronenhülle
Atomkern
K - Schale (1. Schale)
L - Schale (2. Schale)
M - Schale (3. Schale)
N - Schale (4. Schale)
Atomkern und Atomhülle
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 Massen-zahl 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 6 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
14
Periodensystem
Periode
Schale
Unter-schale
Gruppe Ia b
Gruppe IIb a
Gruppe IIIb a
Gruppe IVb a
Gruppe Vb a
Gruppe VIb a
Gruppe VIIb a
Gruppe VIIIb(Gruppe VIII)
Gruppe VIIIa(Gruppe 0)
Anzahl
1
1. (K)
1 s
1 HWasserstoff1,0079 1
2 HeHelium4,00260 2
2
2
2. (L)
2 p2 s
3 LiLithium6,941 1
4 BeBeryllium9,01218 2
5 B1 Bor2 10,81
6 C2 Kohlenstoff2 12,011
7 N3 Stickstoff2 14,0067
8 O4 Sauerstoff2 15,9994
9 F5 Fluor2 18,998403
10 NeNeon 620,179 2
8
3
3. (M)
3 p3 s
11 NaNatrium22,98977 1
12 MgMagnesium24,305 2
13 Al1 Aluminium2 26,98154
14 Si2 Silicium2 28,0855
15 P3 Phosphor2 30,97376
16 S4 Schwefel2 32,06
17 Cl5 Chlor2 35,435
18 ArArgon 639,948 2
18
4
3. (M)4. (N)
3 d4 s
19 KKalium39,0983 1
20 CaCalcium40,08 2
21 ScScondium 144,9559 2
22 TiTitan 247,88 2
23 VVanadium 350,9415 2
24 CrChrom 551,996 1
25 MnMangan 554,9380 2
26 Fe 27 Co 28 NiEisen 5 Kobalt 7 Nickel 855,847 2 58,9332 2 58,69 2
18
3. (M)4. (N)
4 p3 d4 s
29 Cu10 Kupfer1 63,548
30 Zn10 Zink2 65,38
1 31 Ga10 Gallium2 69,72
2 32 Ge10 Germanium2 72,59
3 33 As10 Arsen2 74,9216
4 34 Se10 Selen2 78,96
5 36 Br10 Brom2 79,904
36 Kr 6Krypton 1083,80 2
5
4. (N)5. (O)
4 d5 s
37 RbRubidium85,4678 1
38 SrStrontium87,62 2
39 YYttrium 188,9059 2
40 ZrZirkonium 291,22 2
41 NbNiob 492,9064 1
42 MoMolybdän 595,94 1
43 TcTechnetium 6(98) 1
44 Ru 45 Rh 46 PdRuthenium 7 Rhodium 8 Palladium 10101,07 1 102,9055 1 106,42
18
4. (N)5. (O)
5 p4 d5 s
47 Ag10 Silber1 107,868
48 Cd10 Cadmium2 112,41
1 49 In10 Indium2 114,82
2 50 Sn10 Zinn2 116,69
3 51 Sb10 Antimon2 121,75
4 52 Te10 Tellur2 127,60
5 53 I10 Jod2 126,9045
54 Xe 6Xenon 10131,29 2
6
5. (O)6. (P)
5 d6 s
55 CsCäsium132,9054 1
56 BaBarium137,33 2
57 La *)Lanthan 1138,9055 2
72 HfHafnium 2178,49 2
73 TaTantal 3180,9479 2
74 WWolfram 4183,85 2
75 ReRhenium 5186,207 2
76 Os 77 Ir 78 PtOsmium 6 Iridum 7 Platin 9190,2 2 192,22 2 195,08 1
32
5. (O)6. (P)
6 p5 d6 s
79 Au10 Gold1 196,9655
80 Hg10 Quecksilber2 200,59
1 81 Tl10 Thalium2 204,383
2 82 Pb10 Blei2 207,2
3 83 Bi10 Wismut2 208,9804
4 84 Po10 Polonium2 (209)
5 85 At10 Aslat2 (210)
86 Rn 6Radon 10(222) 2
7
6. (P)7. (Q)
6 d7 s
87 FrFrancium(223) 1
88 RaRadium223,0254 2
89 Ac **)Actinium 1227,0278 2
104 RfRutherfordium(261)
105 DbDubnium(262)
106 SgSeaborgium266,1219
107 BhBohrium264,1247
108 Hs 109 MtHassium Meitnerium269,1341 268,1388
*) Lanthanoide
5 d7 s5 f
58 CeCer 2140,12 2
59 PrPraseodym 2140,90 3
60 NdNeodym 2144,24 4
61 PmPromethium 2(145) 5
62 SmSamarium 2150,36 6
63 EuEuropium 2151,96 7
64 Gd 1Gadolinium 2157,25 7
65 TbTerbium 2158,9254 9
66 DyDysprosium 2162,50 10
67 HoHolmium 2164,9304
68 ErErbium 2167,26
69 TmThulium 2168,9342 13
70 YbYtterbium 2173,04 14
71 Lu 1Lutatium 2174,967 14
**) Actinoide
6 d7 s5 f
90 ThTho- 2
rium 2232,0381
91 PaProtacti- 1
nium 2231,03 2
92 UUran 1
2238,02 3
93 Np
Neptu- 1
nium 2
237,0482
94 PU
Plutonium 1
2
(244) 5
95 Am
Ameri- 1
cium 2
(243) 6
96 Cm
Curium 1
2
(247) 7
97Bk
Berke- 1
lium 2
(247) 8
98 Cf
Califor- 1
nium 2
(251) 9
99 Es
Einstein 1
ium 2
(252) 9
100 Fm
Fer 1
mium 2
(257) 11
101 Md
Mende- 1
levium 2
(258) 12
102 No
Nobelium 1
2
(259) 13
103 Lr
Lawren- 1
cium 2
(269) 14
Die in den einzelnen Gruppen unter dem Buchstaben a senkrecht stehenden Elemente sind die Hauptgruppenelemente
Die in den einzelnen Gruppen unter dem
