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Textaufgaben: Das Energiestufenmodell

Zwei Sachaufgaben, in denen das Energiestufenmodell ein Regal und eine Straßenlaterne erklärt.

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Das Regal-Modell

AFB I–II

Für ein Referat baut Mia ein Modell der Atomhülle aus einem Regal: Jeder Regalboden ist eine Energiestufe, jede Murmel ein Elektron. Auf den untersten Boden passen 2 Murmeln, auf die nächsten beiden jeweils 8. Mia möchte die Atome von Stickstoff (Z = 7) und Magnesium (Z = 12) darstellen.

  1. Gib für beide Atome die Besetzung der Energiestufen im Grundzustand an.
  2. Zeichne das Energiestufenschema des Magnesiumatoms mit Energieachse, Stufen und Elektronen.
  3. Erläutere, warum im Regal-Modell die unteren Böden weiter auseinanderliegen sollten als die oberen und welche Murmeln sich am leichtesten „aus dem Regal nehmen“ lassen.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Elektronenzahl = Ordnungszahl. Fülle von unten: 2, dann 8, dann der Rest.
Hinweis zu Aufgabe b)
Die Energieachse zeigt nach oben. Stufe 1 unten, darüber Stufe 2 und 3 — mit kleiner werdendem Abstand.
Hinweis zu Aufgabe c)
Denke an die Ionisierungsenergien: Welche Elektronen sind am schwächsten gebunden?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Stickstoff: 7 Elektronen → 2 · 5. Magnesium: 12 Elektronen → 2 · 8 · 2.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Senkrechter Pfeil „Energie“ nach oben; drei waagerechte Linien (Stufe 1 unten mit 2 Elektronen, Stufe 2 mit 8, Stufe 3 mit 2). Der Abstand zwischen Stufe 1 und 2 ist größer als zwischen Stufe 2 und 3.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Energiestufen liegen nicht gleich weit auseinander: Der Unterschied zwischen Stufe 1 und 2 ist viel größer als zwischen den oberen Stufen. Das Regal sollte das zeigen. Am leichtesten lassen sich die Murmeln auf dem obersten besetzten Boden entnehmen — sie stehen für die energiereichsten Elektronen mit der kleinsten Ionisierungsenergie (beim Magnesium die beiden Elektronen auf Stufe 3).

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Gelbes Licht der Straßenlaterne

AFB II–III

Ältere Straßenlaternen enthalten Natriumdampf. Im Betrieb wird das äußerste Elektron vieler Natriumatome durch Energiezufuhr auf ein höheres Energieniveau gehoben. Fällt es zurück, gibt es die Energie als gelbes Licht ab. Für 1 mol Natriumatome entspricht das Licht einer Energie von 203 kJ; die 1. Ionisierungsenergie von Natrium beträgt 496 kJ/mol.

Energie Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3 höheres Niveau Elektron abgetrennt 8 Elektronen
  1. Beschreibe mithilfe des Energiestufenmodells, was mit dem äußersten Elektron eines Natriumatoms in der Laterne geschieht.
  2. Vergleiche die Energie des gelben Lichts mit der Ionisierungsenergie und deute den Unterschied.
  3. Ein Mitschüler meint: „Im Grundzustand könnte das äußere Elektron doch auch auf Stufe 2 sitzen, da wäre es energieärmer.“ Beurteile diese Aussage.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Unterscheide drei Schritte: Energie aufnehmen, oben sein, zurückfallen.
Hinweis zu Aufgabe b)
Welcher Anteil der Ionisierungsenergie wird für das Anheben gebraucht? Was würde passieren, wenn das Elektron 496 kJ/mol bekäme?
Hinweis zu Aufgabe c)
Wie viele Elektronen sitzen beim Natrium schon auf Stufe 2 — und wie viele passen dort hin?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Im Grundzustand sitzt das äußerste Elektron auf Stufe 3. Durch zugeführte Energie (Strom, Wärme) wird es auf ein höheres Energieniveau gehoben — das Atom ist angeregt. Beim Zurückfallen auf Stufe 3 gibt es die Energiedifferenz als gelbes Licht ab. Das Atom bleibt dabei ein Atom, es wird nicht ionisiert.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

203 kJ/mol sind weniger als die Hälfte von 496 kJ/mol (\(203 : 496 \approx 0{,}41\)). Zum Anheben reicht ein Teil der Energie; das Elektron bleibt im Atom. Erst mit 496 kJ/mol würde es das Atom ganz verlassen und es entstünde ein \(\mathrm{Na^+}\)-Ion.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Aussage ist falsch. Natrium hat 11 Elektronen: Stufe 1 trägt 2, Stufe 2 trägt bereits 8 und ist damit voll. Für das 11. Elektron ist dort kein Platz — es muss auf Stufe 3. Die Besetzung 2 · 8 · 1 ist deshalb der Grundzustand.