Übung AFB III

Musterlösung: Lea hat nur teilweise recht. Der Zahlenwert stimmt: 1 mol Chlor-Atome hat die Masse 35,5 g, und die mittlere Atommasse ist 35,5 u. Aber kein einzelnes Chlor-Atom wiegt 35,5 u. Natürliches Chlor ist ein Isotopengemisch aus etwa 76 % ³⁵Cl (≈ 35 u) und 24 % ³⁷Cl (≈ 37 u). Der Wert 35,5 u ist der gewichtete Mittelwert dieser Mischung — so wie ein Klassendurchschnitt von 2,4 keine Note ist, die jemand bekommen hat.

Musterlösung: Argon hat Z = 18 und die Atommasse 39,9 u, Kalium hat Z = 19, aber nur 39,1 u. Die Atommasse sinkt hier also, obwohl die Ordnungszahl steigt. Ursache: Die Masse hängt auch von den Neutronen ab. Natürliches Argon besteht fast nur aus ⁴⁰Ar mit 22 Neutronen, Kalium vor allem aus ³⁹K mit 20 Neutronen. Deshalb ordnet man das PSE nach der Ordnungszahl (Protonenzahl), nicht nach der Masse — sonst stünde das Edelgas Argon bei den Alkalimetallen.

Musterlösung: Für das Schalenmodell spricht, dass es viele Beobachtungen erklärt: die Sprünge in den Ionisierungsenergien, die Anordnung der Elemente in Perioden und Gruppen und die Zahl der Valenzelektronen, die die Reaktionen bestimmt. Dagegen spricht, dass niemand Elektronen auf festen Kreisbahnen beobachtet hat; Elektronen sind keine kleinen Kugeln, und die Schalen sind nur ein Bild für Energiestufen. Fazit: Das Schalenmodell ist kein Foto des Atoms, sondern ein vereinfachtes Modell. Es ist für die Chemie der Klasse 9 sehr nützlich, stößt aber an Grenzen — deshalb gibt es genauere Modelle.

Musterlösung: Durchführung (Lehrerversuch): Drei gleich große Glaswannen mit gleich viel Wasser und einigen Tropfen Phenolphthalein. Nacheinander je ein linsengroßes, frisch geschnittenes Stück Li, Na und K auflegen. Beobachtungen: Li reagiert ruhig und bleibt lange erhalten; Na schmilzt zur Kugel und flitzt zischend umher; K reagiert heftig, das Gas entzündet sich mit violetter Flamme. In allen Wannen färbt sich das Wasser pink (alkalische Lösung). Je kürzer die Reaktionsdauer und je heftiger die Reaktion, desto reaktiver das Metall. Sicherheit: Schutzbrille, Schutzscheibe, nur sehr kleine Stücke, Metalle mit der Pinzette anfassen und vorher Paraffinöl abtupfen, Abstand halten.

Musterlösung: Der Vorschlag ist gefährlich und deshalb abzulehnen. Er erfüllt zwar das Kriterium „keine Luft“, aber Natrium reagiert heftig mit Wasser: Es entstehen Natronlauge und brennbarer Wasserstoff, der sich entzünden kann. Richtig ist die Aufbewahrung unter Paraffinöl (oder Petroleum): Es hält Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit fern und reagiert selbst nicht mit dem Metall.

Musterlösung: Die Zählregel gilt für Helium nicht, trotzdem ist die Stellung sinnvoll. Die erste Schale fasst höchstens 2 Elektronen — bei Helium ist die Außenschale also voll besetzt, genau wie bei Neon (8) und Argon (8). Deshalb verhält sich Helium wie ein Edelgas: einatomig, farblos, extrem reaktionsträge. Mit Beryllium, das ebenfalls 2 Valenzelektronen hat, hat es nichts gemein; Beryllium ist ein reaktionsfähiges Metall. Entscheidend für die Gruppe ist die voll besetzte Außenschale, nicht die bloße Anzahl.

Musterlösung: a) Caesium ist reaktiver. Sein Außenelektron sitzt auf der 6. Schale, weit vom Kern entfernt und durch viele innere Elektronen abgeschirmt; es lässt sich sehr leicht abgeben (niedrige Ionisierungsenergie). b) Fluor ist reaktiver. Das Fluor-Atom ist sehr klein; ein aufzunehmendes Elektron kommt dem Kern sehr nahe und wird stark angezogen. Beim großen Iod-Atom ist diese Anziehung viel schwächer. Deshalb verlaufen die Trends gegenläufig: Alkalimetalle werden nach unten reaktiver, Halogene nach unten reaktionsträger.

Musterlösung: Innerhalb einer Hauptgruppe nimmt die erste Ionisierungsenergie von oben nach unten ab (Li 520 kJ/mol bis Rb 403 kJ/mol), weil das Außenelektron auf einer immer weiter außen liegenden Schale sitzt. Innerhalb einer Periode nimmt sie von links nach rechts im Großen und Ganzen zu (Li 520 kJ/mol bis Ne 2081 kJ/mol), weil die Kernladung bei gleicher Schalenzahl steigt; das Edelgas hat den höchsten Wert. Abweichungen: Von Be zu B und von N zu O sinkt der Wert kurz. Die einfache Regel beschreibt also den Trend, nicht jeden Einzelwert.

Musterlösung: Von Fluor zu Iod steigen die Siedetemperaturen stark an (−188 °C → 184 °C), und auch die Schmelztemperaturen nehmen zu; Iod ist bei Raumtemperatur bereits fest (Schmelztemperatur 114 °C). Setzt man den Trend fort, muss Astat noch höher schmelzen und sieden. Also ist Astat bei Raumtemperatur ein Feststoff, kein Gas. Die Vermutung des Schülers ist falsch: Er hat von den obersten Gruppenmitgliedern auf das unterste geschlossen, statt dem Trend zu folgen.