Calcium im harten Wasser
AFB I–IIHartes Leitungswasser enthält Calcium-Ionen. Sie stammen aus Kalkgestein und liegen im Wasser immer als \(\mathrm{Ca^{2+}}\) vor — nie als \(\mathrm{Ca^{+}}\) oder \(\mathrm{Ca^{3+}}\). Das Diagramm zeigt die ersten vier Ionisierungsenergien eines Calciumatoms (linear aufgetragen).
- Lies die vier Ionisierungsenergien aus dem Diagramm ab (auf 100 kJ/mol genau).
- Berechne jeweils, das Wievielfache ein Wert vom vorherigen ist.
- Erkläre mithilfe deiner Ergebnisse, warum Calcium als \(\mathrm{Ca^{2+}}\) und nicht als \(\mathrm{Ca^{3+}}\) vorkommt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(E_1 \approx 600\) kJ/mol, \(E_2 \approx 1100\) kJ/mol, \(E_3 \approx 4900\) kJ/mol, \(E_4 \approx 6500\) kJ/mol (Tabellenwerte: 590, 1145, 4912, 6491).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(E_2 : E_1 \approx 1{,}9\) · \(E_3 : E_2 \approx 4{,}3\) · \(E_4 : E_3 \approx 1{,}3\). Nur zwischen dem 2. und 3. Elektron steigt die Energie stark.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die ersten beiden Elektronen gehören zur Außenschale und lassen sich mit vergleichsweise wenig Energie abtrennen. Das dritte Elektron stammt aus einer kernnäheren Schale und ist mehr als viermal so stark gebunden. Diese Energie steht bei chemischen Vorgängen nicht zur Verfügung, deshalb bildet Calcium \(\mathrm{Ca^{2+}}\)-Ionen.
Stickstoff im Plasmaschneider
AFB II–IIIEin Plasmaschneider trennt Stahlbleche mit einem extrem heißen Gasstrahl. Im Strahl werden Stickstoffatome so stark erhitzt, dass sie Elektronen verlieren — es entsteht ein Plasma aus Ionen und freien Elektronen.
| Elektron | 1. | 2. | 3. | 4. | 5. | 6. | 7. |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| E in kJ/mol | 1 402 | 2 856 | 4 578 | 7 475 | 9 445 | 53 267 | 64 360 |
- Ermittle aus der Tabelle die Zahl der Schalen und ihre Besetzung beim Stickstoffatom.
- Bestimme die Energie, die man braucht, um 1 mol Stickstoffatome in \(\mathrm{N^{3+}}\)-Ionen zu verwandeln.
- Ein Techniker meint: „Wenn wir die Energie für \(\mathrm{N^{5+}}\) aufbringen, schaffen wir mit ungefähr gleich viel Energie noch ein weiteres Elektron.“ Beurteile diese Aussage.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(53\,267 : 9\,445 \approx 5{,}6\) — der einzige große Sprung liegt vor dem 6. Elektron. Fünf Elektronen gehören zur äußeren, zwei zur inneren Schale: 2 Schalen, Besetzung 2 · 5.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(E = 1402 + 2856 + 4578 = 8836\) kJ. Für 1 mol Stickstoffatome braucht man rund 8,8 MJ.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Für \(\mathrm{N^{5+}}\) braucht man \(1402 + 2856 + 4578 + 7475 + 9445 = 25\,756\) kJ/mol. Das 6. Elektron allein kostet 53 267 kJ/mol, also mehr als das Doppelte der ganzen bisherigen Summe. Es stammt aus der innersten Schale und ist viel stärker gebunden. Die Aussage ist falsch.
