———– Beitrag noch in Arbeit ———–

In diesem Beitrag geht es um die Grundlagen der Chemie. Ihr sollt hier lernen,

1. Wie ist ein Atom aufgebaut (Basics)?
2. Wie ist das Periodensystem aufgebaut?
3. Wie lese ich aus dem Periodensystem die wichtigen Informationen heraus?
   • Masse, Anzahl Elektronen, Protonen und Neutronen
   • Elektronenkonfiguration
   • Elektronegativität
4. Wie lässt sich aus diesen Informationen eine chemische Reaktionsgleichung zwischen zwei Elementen ableiten?
5. Wie wird die Reaktion ausgeglichen?

Wenn ihr das drauf habt, und verstanden habt, dann ist das meiste in der Chemie geschafft.

Fangen wir an!

Damit man versteht worum es in der Chemie geht muss man erst mal verstehen, was sind Atome und wie sind sie aufgebaut.

Wie ist ein Atom aufgebaut?

Unteilbar

Das Atom wurde bereits von den alten Griechen erdacht. Es stammt aus einem einfachen Gedankenexperiment. Wenn man einen Gegenstand hat, z. B. einen Stein, und ihn durchschneidet und ihn dadurch in zwei Hälften teilt und weiter teilt und teilt. Dann erreicht man irgendwann einen Punkt, an dem man den kleinstmöglichen Stein hat. So zusagen ein Steinteilchen. Es besitzt dann immer noch die (chemischen) Eigenschaften des Steins.

Wenn man diesen kleinsten Stein weiter zerteilt, dann hört er auf Stein zu sein. (Die alten Griechen konnten sicht das nicht vorstellen, das man irgendwann sogar die kleinsten Steinteilchen noch Teilen können wird). Wichtig ist, würde man einen Diamanten teilen, bis man nur noch ein Atom (Diamantteilchen) hat, so hat man die ganze Zeit nichts anderes gemacht als Kohlenstoffatome verschiedener Anzahl von einander zu trennen. Wenn man dann aber beim letzten Kohlenstoffatom angekommen ist und diese in seine Bestandteile zerlegt, dann hört es auf ein Kohlenstoffatom zu sein (zumindest wenn es die Protonen betrifft, wie wir später noch sehen werden. Daher trägt das Atom den Namen Atom, weil atomos unteilbar bedeutet. Würde man weiter Teilen verliert es seine Eigenschaften.

Das unteilbare Nichts

Damit wir verstehen, wie Chemie funktioniert brauchen wir ein bischen Ahnung, wie es in so einem Atom aussieht. Wie in der Abb. 1 zu sehen ist, besteht das Atom und damit alles was uns lieb und teuer ist, von der Luft zum Atmen, die Sonne, die Erde und alle Sterne und auch eure Mama und Papa und ihr selbst zum größten Teil aus nichts.

Das Modell, das wir verwenden um später mit dem Periodensystem zu arbeiten ist das Bohrsche Atommodell und es geht von folgendem Aufbau des Atom aus:

Wie in der Abb. 1 besteht das Atom in der Regel aus drei verschiedenen Bausteinen. (Es gibt eine Ausnahme, das Wasserstoffatom ist so einfach, dass es kein Neutron besitzt.) Wichtig, ist das in einem sehr kleinen Kern in dem fast die ganze Masse des Atoms zu finden ist sich positiv geladene Protonen und ungeladenen Neutronen befinden und in einem großen Abstand (in der Abbildung kann ich das leider schlecht darstellen) umkreisen die negativ geladen Elektronen, die fast nichts wiegen den Kern auf ihrer Bahn die man Schale nennt.

Man sagt, dass wenn der Atomkern die Größe einer Erbse hätte, dann wäre die Schale des ersten Elektrons an der Spitze des Eiffelturms zu finden, wenn die Erbse auf dem Boden unter dem Eiffelturm läge. Und was ist zwischen dem Kern und der Schale? Nichts! Absolut gar nichts! Daher nimmt im Atom das Nichts bei weiten den meisten Platz ein. Es ist aber wirklich sehr schwer seinen Kopf davon zu überzeugen, das sowohl er selbst, wie auch die Glastür an der man sich gerade gestoßen hat doch eigentlich aus Nichts bestehen.

Die Geschmacksrichtungen des Nichts

Wir haben jetzt die Bausteine des Atoms kennen gelernt und wissen was sie wiegen und welche Ladung sie tragen, haben aber noch keine Ahnung auf welche Arten sie sich zusammen finden oder welche Funktion sie haben. Um das zu verstehen brauchen wir ein Werkzeug und zwar das Periodensystem der Elemente oder auch kurz einfach PSE genannt.

Bevor wir uns jetzt aber gleich mit dem Aufbau und der Funktion unseres Periodensystems beschäftigen müssen wir erst noch klären, was eigentlich ein Element ist.

W

Ein Element wird bestimmt durch die Anzahl der Protonen die es besitzt. Das einfachste Element ist Wasserstoff. Es besitzt ein Proton und ein Elektron (zu mindest so wie es im Periodensystem steht – kommen wir gleich drauf) und kein Neutron.

Was passiert wenn man jetzt noch ein Proton in den Kern des Atom packt? Zunächst hab ich dann ein kleines Problem, denn das zweite Proton ist auch positiv geladen. Gleiche Ladungen stoßen sich ab, daher stoßen sich die beiden Protonen auch ab. Ich kann also gar nicht einfach so zwei Protonen in den Kern packen, ich brauche etwas, was die beiden zusammen hält. Ein neutrales Element, dass die zwei Hitzköpfe (die Protonen) beruhigen kann, dass sie sich nicht gegenseitig abstoßen.

Na? Richtig, die neutralen Neutronen, die übernehmen die Aufgabe, den Kern zusammen zu halten. In der Regel benötigt man für jedes Proton ein Neutron, wodurch das Element mit zwei Protonen und zwei Neutronen und zwei Elektronen das Helium ist.

Wenn man einfach so auf das PSE schaut, dann ist das ein unglaubliches Gewusel, von Farben und Zahlen und Buchstaben und Namen.

Jetzt schauen wird doch einfach mal auf das Element ganz links oben in der Ecke. Das besitzt die Ordnungszahl 1 und es handelt sich um den Wasserstoff. Wir fahren mit dem Finger einmal quer über den Monitor, zum Element mit der Ordnungszahl 2, in der ganz rechten oberen Ecke, und da sehen wir Helium. Damit haben wir schon mal das wichtigste gelernt. Das Periodensystem ist nach der Ordnungszahl geordnet, deswegen heißt die Ordnungszahl Ordnungszahl und sie gibt die Anzahl der Protonen im Kern an. Da Elemente, so wie sie im Periodensystem stehen, keine Ladung besitzen entspricht die Ordnungszahl auch der Anzahl der Elektronen.

Warum haben ungeladene Elemente die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen? Na ganz einfach, ein Proton ist positiv und ein Elektron negativ geladen. Beide sind gleich stark, aber in entgegengesetzte Richtungen. Für jedes Proton wird das Element positiver und für jedes Elektron das es besitzt negativer. Die Ladungen heben sich gegenseitig auf. Ein Proton und ein Elektron zusammen haben insgesamt keine Ladung. Daher ist das Atom ungeladen, wenn die Anzahl der Protonen und die Anzahl der Elektronen gleich ist.

Bei den Neutronen kann man die Anzahl leider nicht direkt an einer Zahl im Periodensystem ablesen. Wie man die Anzahl der Neutronen für ein bestimmtes Atom eines Elements ermittelt würde ich mir gerne für einen anderen Beitrag aufheben. Nur so viel, ein Element kann es auch in unterschiedlichen Atomen geben, die sich in ihrer Anzahl der Neutronen und damit auch in ihrem Gewicht unterscheiden. Diese unterschiedlichen Atome eines Elements nennt man Isotope, von iso gleich und das p in top (langes O) kommt von Proton, bedeutet also gleiche Protonenanzahl. Sie haben alle eine unterschiedliche Masse, weil sie eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen besitzen, aber sie gehören alle zum gleichen Element, da sie alle die gleiche Anzahl an Protonen besitzen.

Kommen wir aber jetzt zu den für die Chemie eigentlich interessantesten Bauteil, den Elektronen.

Wieso, fragt ihr euch, ist das Elektron das für die Chemie wichtigste Atombaustein? Es ist schon richtig, dass die Protonen das Element und damit seine chemischen Eigenschaften bestimmen und, dass die Zusammensetzung des Kerns, also die Anzahl der Protonen und Neutronen bestimmen ob der Kern stabil oder radioaktiv ist. Die Elektronen sind für das verantwortlich was man im Allgemeine als Chemie (ausgenommen die Radiochemie, die sich mit dem Kern beschäftigt) bezeichnet.

Wie bestimmt der Kern die chemischen Eigenschaften, wenn die Chemie von den Elektronen gemacht wird? Das liegt an der elektrischen Anziehung zwischen den positiven Protonen und den negativen Elektronen. Mehr Protonen sind besser in der Lage negative Ladung, also Elektronen, zu sich ran zu ziehen als weniger Protonen. Damit bestimmen die Protonenanzahl darüber, wie viele Elektronen ein Element besitzt und wie stark die Elektronen von dem Element fest gehalten werden. Das sind wichtige chemische Eigenschaften eines Elements.

Ein Teil unseres Atommodells haben wir aber noch ignoriert. Es ist auch kein Bauteil des Atoms, wie Protonen, Neutronen und Elektronen. Es ist die Schale oder Schalen. Die Schale existiert nicht wirklich, sondern stellen, wie in dem Atommodell in Abb. 1 dargestellt, erlaubte Flugbahnen der Elektronen um den Kern dar.  Die Elektronen  umkreisen auf ihnen den Atomkern. Da die Elektronen alle negativ geladen sind, stoßen sie sich gegenseitig ab, weshalb nicht so viele Elektronen auf eine Schale passen. Wenn in eine Schale keine Elektronen mehr hinein passen, dann ist sie voll besetzt. Weitere Elektronen gehen dann auf die nächste Schale, die weiter vom Kern entfernt ist. Diese Schale ist dann größer und dadurch passen mehr Elektronen auf die Schale.

Für die Anzahl der Elektronen die maximal auf eine Schale passen gibt es eine (relativ einfache) Formel: .

Daher ergibt sich:

1. Schale (K): Elektronen
2. Schale (L): Elektronen
3. Schale (M): Elektronen
4. Schale (N): Elektronen
5. Schale (O): Elektronen
6. Schale (P): Elektronen
7. Schale (Q): Elektronen

Die Namen der Schale beginnt bei K, da die 1. Schale am nächsten am Kern ist. Danach sind sie fortlaufend nach dem Alphabet benannt.

Leider heißt das Periodensystem der Elemente nicht das Schalensystem der Elemente. Dann wäre die Sache einfach. Was ist denn jetzt eine Periode?

Damit man versteht, was eine Periode ist, muss man verstehen, was sich die beiden Chemiker bei dem Periodensystem gedacht haben, als sie es entwickelt haben. Erdacht haben das Periodensystem unabhängig von einander 1869 Dimitri Mendelejew und Lothar Meyer. Ihnen ist aufgefallen, dass es chemische Elemente mit sehr ähnlichen Eigenschaften gibt. Diese Elemente haben sie einfach untereinander geschrieben und das Ganze aufsteigend nach der Masse geordnet. Eine Periode ist dann einfach die Anzahl der Elemente, die zwischen dem einen und dem anderen Element mit sehr ähnlichen chemischen Eigenschaften liegen.

Schauen wir uns nochmal das Periodensystem an. (Am besten macht ihr den Link zum Periodensystem der Elemente in einem eigenen Browserfenster auf, damit ihr beim Lesen auf das PSE gucken könnt.)

Wir haben ja gelernt, dass die Ordnungszahl sowohl die Protonen- als auch die Elektronenanzahl angibt. Wenn wir jetzt die Schalen und die Perioden im Periodensystem vergleichen, dann sieht man, dass in der 1. Periode zwei Elemente stehen. Der Wasserstoff (H) mit einem Elektron und das Helium (He)  mit zwei Elektronen. Damit entspricht die 1. Periode der 1. Schale, auf die maximal zwei Elektronen passen. (Ich benutze hier jetzt einfach die chemischen Symbole, die man im PSE findet.) Die 2. Periode besteht aus den 8 Elementen Li, 3 Elektronen, Be, 4 Elektronen, B, 5 Elektronen, C, 6 Elektronen, N, 7 Elektronen, O, 8 Elektronen, F, 9 Elektronen und Ne, 10 Elektronen. Die 8 Elemente stehen für die 8 Elektronen die hinzu gekommen sind. Von der ersten Schale hatten wir ja bereits 2 Elektronen + 8 Elektronen der 2. Schale ist = 10 Elektronen insgesamt, wie wir sie bei Neon (Ne) finden. Damit entspricht die 2. Periode auch der 2. Schale.

Leider hört unser Glück bereits in der 3. Periode auf. In der 3. Periode finden wir 8 Elemente (Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar). Wäre die 3. Periode gleich mit der 3. Schale hätten es aber 18 Elemente sein müssen. Genau so viele Elemente wie Elektronen auf die Schale passen, da wir mit jeder Erhöhung der Ordnungszahl ein neues Element mit einem Elektron mehr bekommen.

Wo stecken also die fehlenden 10 Elemente der 3. Schale. Diese verstecken sich in der 4. Periode bei den Nebengruppenelementen. Wer es ganz genau wissen will, wie sich Schalen, Perioden und Orbitalen unterscheiden, der sollte sich mein Beitrag zu dem Thema Elektronenkonfiguration durch lesen.

Wir werden das Thema hier erst mal kurz verlassen und klären später, wie wir am besten damit um gehen, dass wir mit Hilfe des Periodensystems Reaktionsgleichungen zwischen zwei Elementen vorhersagen können.

Damit wir das machen können, müssen wir uns jetzt aber auch ein wenig mit dem Thema Elektronenkonfiguration auseinander setzen. Was ist eine Elektronenkonfiguration?

Elektronenkonfiguration

Eine Elektronenkonfiguration sagt mir, wie viel Elektronen besitzt das Element auf welcher Schale.

Im Prinzip haben wir das gerade schon gemacht. Wasserstoff hat eine Schale mit einem Elektron drauf. Helium hat auch eine Schale mit zwei Elektronen drauf. Li hat zwei Schalen auf der ersten sind zwei Elektronen drauf und auf der zweiten Schale ein Elektron. Wichtig, man füllt die Elektronen von innen nach außen auf.

Wichtig für die Chemie sind aber nicht alle Elektronen, sondern nur die Elektronen auf der äußersten Schale. (In Abb. 3 in rot markiert.) Diese Elektronen haben einen besonderen Namen, man nennt sie die Valenzelektronen. Valenz bedeutet Bindung. Diese Elektronen machen die chemische Bindung.

Warum sind nicht auch die anderen Elektronen an der chemischen Bindung beteiligt? Das liegt an der elektrischen Abstoßung. Atome können überhaupt nur mit der äußersten Schale miteinander in Kontakt kommen. Ihr erinnert euch an die Glastür, an der man sich den Kopf stößt. Hier prallen die äußersten Schalen von Atomen auf einander.  Genauso ist es auch in chemischen Reaktionen.

Die chemische Reaktion

Chemische Reaktionen sind nichts anderes als das Tauschen und Teilen von Elektronen der äußersten Schale zwischen Atomen.

Damit man eine chemische Reaktion zwischen zwei Elementen vorhersagen kann muss man einiges wissen.

1. Wie viele Valenzelektronen besitzen die Atome des Elements?
2. Welches Atom gibt Elektronen ab und welche nimmt Elektronen auf?
3. Wie viele Elektronen „wollen“ die Atome des Elements besitzen?

Alle Informationen stecken im Periodensystem drin, man muss es nur anwenden und lesen können. Die Lösung für Punkt 1 wurde bereits gezeigt. Die Anzahl der Valenzelektronen kann man aus der Elektronenkonfiguration ablesen. Dies funktioniert wie beschrieben bis zum Element 20, dem Calcium. Man kann auch, wenn man nicht die ganze Elektronenkonfiguration haben, möchte einfach die Nummer der Hauptgruppe verwenden. Für Nebengruppenelemente funktioniert das leider nicht, da muss man mit Wertigkeiten arbeiten. Das zeige ich in diesem Beitrag nicht.

Bsp.: Ich möchte Aluminium (13 – Al) mit Sauerstoff (8 – O) reagieren lassen. Dann sieht man, dass Al in der 3. Hauptgruppe steht und somit 3 Valenzelektronen besitzt und Sauerstoff in der 6. Hauptgruppe steht und somit 6 Valenzelektronen besitzt.

Das Ziel aller Atome ist es eine möglichst stabiele, also eine energetisch günstige Form anzunehmen. Man kann es sich vor stellen, wie bei einem Bus. Der Bus fährt immer dann am günstigsten, wenn jeder Platz besetzt ist, oder wie im Fall der Schale der Atome, die Schalen voll besetzt sind. Diese besondere Elektronenkonfiguration nennt man die Edelgaskonfiguration.

Es gibt zwei Möglichkeiten für ein Atom ein volle Außenschale zu bekommen, es kann entweder Elektronen aufnehmen, bis die Schale voll ist, oder es kann Elektronen abgeben, bis die bisher Außersteschale komplett leer ist und somit verschwindet und die darunterliegende Schale ist ja voll besetzt.

Am Beispiel von Aluminium sehen die beidem Möglichkeiten dann so aus:

<Bildeinfügen!!>

Woher wissen wir jetzt welche der beiden möglichen Edelgaskonfigurationen nun auf unseres Atom zutrifft? Diese Information steckt in der Elektronegativität, die wir ebenfalls im Periodensystem finden. Die Elektronegativität ist eine relative Größe, die die Elemente danach sortiert, wie sehr sie in der Lage sind die Valenzelektronen zu sich zu ziehen. Sowohl die eignen Valenzelektronen, als auch die Valenzelektronen eines anderen Atoms. Daher hängt es vom Reaktionspartner ab, welcher der beiden Edelgaskonfigurationen zu trifft. Reagiert Aluminium mit einem Element mit einer größeren Elektronegativität, so gibt es seine drei Außenektronen ab und trifft es auf ein schwächeres Atom klaut es von diesem Element so viele Elektronen, bis seine Außenschale voll ist.

Ein schönes Beispiel, an dem man dies Zeigen kann ist Stickstoff. Wenn Stickstoff mit Sauerstoff reagiert, so folgt aus der Regel, dass Stickstoff alle seine 5 Valenzelektronen abgibt. Reagiert es mit dem schwächeren Wasserstoff, dann nimmt es drei Elektronen von Wasserstoff auf, bis seine Außenschale voll ist.

Mit dieser Information wollen wir jetzt die chemische Verbindung zwischen den beiden Elementen vorhersagen. Also die Verbindung, die aus Stickstoff mit Wasserstoff oder aus Stickstoff und Sauerstoff entsteht, wenn man die Regeln anwendet.

Da Stickstoff vom Wasserstoff drei Elektronen haben möchte um seinen Außenschale voll zu bekommen, Wasserstoff aber selbst nur ein Außenelektron besitzt, so ist es notwendig, dass drei Wasserstoffe mit einem Stickstoff reagieren. Daher folgt daraus, das die Verbindung aus 1 N (Stickstoff) und 3 H (Wasserstoff) besteht. In der Formelschreibweise beziehen sich die Indexzahlen immer ganau auf das was direkt vor ihnen steht. Die Zahl 1 kann man weg lassen, wenn ein Elementsymbol in einer Formel steht, dann ist es mindestens einmal vorhanden, sonst würde man es ja nicht hinschreiben. Daher ergibt sich aus der Reaktion von Stickstoff und Wasserstoff die Verbindung Ammoniak NH₃. Bei der Reaktion von Stickstoff mit Sauerstoff gibt Sickstoff nach der Regel alle seine 5 Elektronen ab um wieder Edelgaskonfiguration zu besitzen. Da aber Sauerstoff zu einer vollen Außenschale nur zwei Elektronen haben möchte, kann ein einzelnes Sauerstoff nicht alle Elektronen eines Stickstoffatoms aufnehmen. Daher braucht man mehr Sauerstoffatome. Nimmt man 3 Sauerstoffe, so möchten sie zusammen 3 x 2, also 6 Elektronen haben, was leider ein Elektron mehr ist als ein Stickstoff besitzt. Daher braucht man ein weiteres Stickstoff. Am Ende Verbinden sich 2 Stickstoffe, die zusammen 10 Elektronen (2 x 5) abgeben und 5 Sauerstoffe, die 10 Elektronen (5 x 2) aufnehmen. Daher sit die Verbindung, die nach dieser regel entsteht Distickstoffpentoxid N₂O₅.