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Textaufgaben: Ionisierungsenergien

Zwei Sachaufgaben, in denen Messwerte der Ionisierungsenergie den Aufbau der Atomhülle verraten.

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1

Calcium im harten Wasser

AFB I–II

Hartes 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).

E in kJ/mol 01000200030004000500060007000 1.2.3.4. abgetrenntes Elektron
  1. Lies die vier Ionisierungsenergien aus dem Diagramm ab (auf 100 kJ/mol genau).
  2. Berechne jeweils, das Wievielfache ein Wert vom vorherigen ist.
  3. Erkläre mithilfe deiner Ergebnisse, warum Calcium als \(\mathrm{Ca^{2+}}\) und nicht als \(\mathrm{Ca^{3+}}\) vorkommt.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Eine Hilfslinie entspricht 1000 kJ/mol. Schätze, wie weit jede Säule über der letzten Linie endet.
Hinweis zu Aufgabe b)
Rechne \(E_2 : E_1\), \(E_3 : E_2\) und \(E_4 : E_3\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Wo liegt der große Sprung? Welche Elektronen gehören demnach zur äußeren Schale?

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.

2

Stickstoff im Plasmaschneider

AFB II–III

Ein 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.

Ionisierungsenergien eines Stickstoffatoms
Elektron1.2.3.4.5.6.7.
E in kJ/mol1 4022 8564 5787 4759 44553 26764 360
  1. Ermittle aus der Tabelle die Zahl der Schalen und ihre Besetzung beim Stickstoffatom.
  2. Bestimme die Energie, die man braucht, um 1 mol Stickstoffatome in \(\mathrm{N^{3+}}\)-Ionen zu verwandeln.
  3. 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)
Suche den Wert, der ein Vielfaches des vorherigen ist. Wie viele Werte stehen davor, wie viele danach?
Hinweis zu Aufgabe b)
Für \(\mathrm{N^{3+}}\) müssen drei Elektronen nacheinander abgetrennt werden — die Energien addieren sich.
Hinweis zu Aufgabe c)
Vergleiche die Summe \(E_1 + \dots + E_5\) mit \(E_6\).

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.