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Wertigkeit und relative Atommasse chemischer Elemente
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FernAbi16
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Anmeldungsdatum: 16.09.2014
Beiträge: 53

BeitragVerfasst am: 29 Apr 2015 - 18:03:49    Titel: Wertigkeit und relative Atommasse chemischer Elemente

Hallo!

In Verbindung mit meinem Fernabitur das ich derzeit mache, bearbeite ich ein Heft, in dem es um Atomphysik geht.
Dort werden zwei Grundkenntnisse aus dem Bereich der Chemie kurz angerissen und für weitere Bearbeitung des Heftes als erforderlich angegeben.

Diese beiden Punkte wären zum einen die Wertigkeit chemischer Elemente und zum zweiten die relative Atommasse.

Meine Kenntnisse zu beiden Punkten möchte ich einmal schildern und Defizite mit euch aufarbeiten.

Relative Atommasse
Die absolute Atommasse eines Elements setzt sich Additiv aus den beteiligten Massen der Nukleonen und Elektronen zusammen.
Die absolute Atommasse eines Sauerstoffatoms wird also folgendermaßen berechnet:

Sauerstoff (O) hat die Ordnung/Kernladungszahl 8, es befinden sich 8 Protonen im Kern des Atoms.
Wenn wir von den Isotopen absehen, befinden sich zu diesen 8 Protonen auch 8 Neutronen im Kern. Die Atommasse sollte also theoretisch wie folgt berechenbar sein:

8 (Elektron+Neutron+Proton) = m_Nukleonen = 2,678 764 847 * 10^-26 kg

M.M.n. müsste dies also die absolute Masse eines Sauerstoff-Atoms sein.

Die relative Atommasse aber beschreibt nun die Masse eines Atoms im relativ (also im Vergleich) zu der Masse eines Wasserstoffatoms.
Möchte ich also weiterhin für mein Verständnis jegliche Isotope unberücksichtigt lassen, berechne ich mir die Masse eines Wasserstoff-Atoms:
m_W = 1 * 9,109 382 91 · 10^−31 kg + 1,672 621 777 · 10−27 kg

Die relative Atommasse von Sauerstoff zu Wasserstoff müsste doch dann sein:
Masse Sauerstoff / Masse Wasserstoff = [relative Atommasse] u
(2,678 764 847 * 10^-26 kg) / (1,672 621 777 · 10−27 kg) = 16,0066 u

Die Abweichungen zum PES ergeben sich daraus, dass im PES die Isotope, also eine mittlere Masse errechnet wurde.

Sind die ersten Ansätze korrekt?

Die nächste Frage. Ausgehend von diesen Zahlen und den vorangegangenen Voraussetzungen müsste nun die Malmasse, die angibt welche Masse ein Mol der jeweiligen Stoffe ja einfach nur lauten:

m_O * N_A = M_O
m_O = Masse Sauerstoff
N_A = Avogadrokonstante
M_O = Molare Masse

M_O(Sauerstoff) = 2,678 764 847 * 10^-26 kg * 6,022 * 10^23 = 0,0161315(...) kg =(ca) 16g

Sind meine Überlegungen soweit alle korrekt?

Wertigkeit
Zum Thema Wertigkeit weiß ich leider nicht viel.
Ich weiß, dass Elemente der Gruppen nach höhere Elektronegativitäten und damit von der ersten Hauptgruppe aufsteigend dichter an dem Elektronenoktett sind.
Was ich nun über ein Video gesehen habe, allerdings äußerst unzufriedenstellen finde ist, dass "grob" gesagt die Wertigkeit über die Gruppennummer bestimmt werden kann.
In meinen Unterlagen finde ich folgende Erklärung für die Wertigkeit:
"Die Wertigkeit eines chemischen Elementes ist gleich der Zahl, der Wasserstoffatome, die das Element binden oder in anderen chemischen Verbindungen ersetzen kann. Wasserstoff ist immer einwertig."

Was schlussfolgere ich daraus:
Wasserstoff befindet sich in der ersten Hauptgruppe, es hat ein Proton, ein Elektron.
Wenn ich mich nicht täusche hat Wasserstoff die Eigenschaft, nur ein weiteres Elektron aufnehmen zu können. Auf der ersten Schale der jeweiligen Elemente haben lediglich zwei Elektronen "Platz".
Geht also Wasserstoff eine Bindung mit einem anderen Element ein, oder bildet ein Wassermolekül, ist es dem Element nicht weiter möglich ohne weiteres weitere Bindungen einzugehen.
Um ein weiteres Beispiel zu nennen: Sauerstoff, es befindet sich in der 6. Hauptgruppe und 2. Periode. Es enthält also 8 Elektronen (Kernladungszahl), von denen der Schalen nach aufgefüllt wird:
erste Schale: zwei Elektronen, bleiben noch 6 Valenzelektronen über, die die zweite Schale besetzen. Die Hauptgruppe gibt dies ja auch schon an.
Nun wäre dieses Atom in der Lage, dass Sauerstoff zwei Wasserstoffatome zu binden, es bildet sich H2O.

Sind meine Annahmen und die Ausarbeitung also korrekt?
Bedeutet das, dass der "Platz" der für mögliche Bindung mit dem H-Atom in der Valenzschale vorhanden ist, die Wertigkeit darstellt?

Ich verzichte hier bewusst auf die Nebengruppen und auf Isotope, Isobare u. ähliches, da ich bisher so weit nicht bin. Bei Isobaren weiß ich im Moment nicht einmal, was das sein könnte. Dies soll in dem vorliegenden Heft geklärt werden!

Wäre toll, wenn sich jemand von euch die Mühe machen und Zeit nehmen würde, meinen Beitrag zu prüfen, eventuell zu korrigieren und mir Denkanstöße geben würdet!
bernadette
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Anmeldungsdatum: 02.05.2014
Beiträge: 349

BeitragVerfasst am: 29 Apr 2015 - 20:15:05    Titel: Re: Wertigkeit und relative Atommasse chemischer Elemente

FernAbi16 hat folgendes geschrieben:
Hallo!

In Verbindung mit meinem Fernabitur das ich derzeit mache, bearbeite ich ein Heft, in dem es um Atomphysik geht.
Dort werden zwei Grundkenntnisse aus dem Bereich der Chemie kurz angerissen und für weitere Bearbeitung des Heftes als erforderlich angegeben.

Diese beiden Punkte wären zum einen die Wertigkeit chemischer Elemente und zum zweiten die relative Atommasse.

Meine Kenntnisse zu beiden Punkten möchte ich einmal schildern und Defizite mit euch aufarbeiten.

Relative Atommasse
Die absolute Atommasse eines Elements setzt sich Additiv aus den beteiligten Massen der Nukleonen und Elektronen zusammen.
Die absolute Atommasse eines Sauerstoffatoms wird also folgendermaßen berechnet:

Sauerstoff (O) hat die Ordnung/Kernladungszahl 8, es befinden sich 8 Protonen im Kern des Atoms.
Wenn wir von den Isotopen absehen, befinden sich zu diesen 8 Protonen auch 8 Neutronen im Kern. Die Atommasse sollte also theoretisch wie folgt berechenbar sein:

8 (Elektron+Neutron+Proton) = m_Nukleonen = 2,678 764 847 * 10^-26 kg

M.M.n. müsste dies also die absolute Masse eines Sauerstoff-Atoms sein.

Die relative Atommasse aber beschreibt nun die Masse eines Atoms im relativ (also im Vergleich) zu der Masse eines Wasserstoffatoms.
Möchte ich also weiterhin für mein Verständnis jegliche Isotope unberücksichtigt lassen, berechne ich mir die Masse eines Wasserstoff-Atoms:
m_W = 1 * 9,109 382 91 · 10^−31 kg + 1,672 621 777 · 10−27 kg

Die relative Atommasse von Sauerstoff zu Wasserstoff müsste doch dann sein:
Masse Sauerstoff / Masse Wasserstoff = [relative Atommasse] u
(2,678 764 847 * 10^-26 kg) / (1,672 621 777 · 10−27 kg) = 16,0066 u

Die Abweichungen zum PES ergeben sich daraus, dass im PES die Isotope, also eine mittlere Masse errechnet wurde.

Sind die ersten Ansätze korrekt?[/b]
Teils teils. Die Masse eines Atoms ist nicht gleich der Summe der Massen der Protonen und Neutronen. Stichwort Massendefekt bzw. starke Wechselwirkung.

Zweitens:

Kurzes googeln ergibt:
http://en.wikipedia.org/wiki/Relative_atomic_mass

Zitat:
Relative atomic mass (symbol: Ar) is a dimensionless physical quantity, the ratio of the average mass of atoms of an element (from a single given sample or source) to 1⁄12 of the mass of an atom of carbon-12 (known as the unified atomic mass unit).
D.h. es bezieht sich auf C-12 und nicht auf Wasserstoff (s. Massendefekt)

Zitat:
Die nächste Frage. Ausgehend von diesen Zahlen und den vorangegangenen Voraussetzungen müsste nun die Malmasse, die angibt welche Masse ein Mol der jeweiligen Stoffe ja einfach nur lauten:

m_O * N_A = M_O
m_O = Masse Sauerstoff
N_A = Avogadrokonstante
M_O = Molare Masse

M_O(Sauerstoff) = 2,678 764 847 * 10^-26 kg * 6,022 * 10^23 = 0,0161315(...) kg =(ca) 16g

Sind meine Überlegungen soweit alle korrekt?
Sieht gut aus von den Überlegungen, die Formel ist aber naja, fragwürdig. Die molare Masse gibt die Masse pro Mol an. D.h.

M_O = m_O/n_O.

Falls n_O = N_A, also der Avogadrokonstante, erhältst du natürlcih aus

m_O = M_O*n_O = M_O*N_A die Masse von einem Mol Sauerstoff. (Atomar natürlich. Sauerstoff liegt in der Regel molekular als O2 vor, die Masse eines Mols molekularen Sauerstoffs ist dann natürlich doppelt so groß.)

Zitat:
Wertigkeit
Zum Thema Wertigkeit weiß ich leider nicht viel.
Ich weiß, dass Elemente der Gruppen nach höhere Elektronegativitäten und damit von der ersten Hauptgruppe aufsteigend dichter an dem Elektronenoktett sind.
Was ich nun über ein Video gesehen habe, allerdings äußerst unzufriedenstellen finde ist, dass "grob" gesagt die Wertigkeit über die Gruppennummer bestimmt werden kann.
In meinen Unterlagen finde ich folgende Erklärung für die Wertigkeit:
"Die Wertigkeit eines chemischen Elementes ist gleich der Zahl, der Wasserstoffatome, die das Element binden oder in anderen chemischen Verbindungen ersetzen kann. Wasserstoff ist immer einwertig."

Was schlussfolgere ich daraus:
Wasserstoff befindet sich in der ersten Hauptgruppe, es hat ein Proton, ein Elektron.
Wenn ich mich nicht täusche hat Wasserstoff die Eigenschaft, nur ein weiteres Elektron aufnehmen zu können. Auf der ersten Schale der jeweiligen Elemente haben lediglich zwei Elektronen "Platz".
Geht also Wasserstoff eine Bindung mit einem anderen Element ein, oder bildet ein Wassermolekül, ist es dem Element nicht weiter möglich ohne weiteres weitere Bindungen einzugehen.
Um ein weiteres Beispiel zu nennen: Sauerstoff, es befindet sich in der 6. Hauptgruppe und 2. Periode. Es enthält also 8 Elektronen (Kernladungszahl), von denen der Schalen nach aufgefüllt wird:
erste Schale: zwei Elektronen, bleiben noch 6 Valenzelektronen über, die die zweite Schale besetzen. Die Hauptgruppe gibt dies ja auch schon an.
Nun wäre dieses Atom in der Lage, dass Sauerstoff zwei Wasserstoffatome zu binden, es bildet sich H2O.

Sind meine Annahmen und die Ausarbeitung also korrekt?
Bedeutet das, dass der "Platz" der für mögliche Bindung mit dem H-Atom in der Valenzschale vorhanden ist, die Wertigkeit darstellt?
http://www.chemie.de/lexikon/Wertigkeit_%28Chemie%29.html

Sieht gut aus

Zitat:
Ich verzichte hier bewusst auf die Nebengruppen und auf Isotope, Isobare u. ähliches, da ich bisher so weit nicht bin. Bei Isobaren weiß ich im Moment nicht einmal, was das sein könnte. Dies soll in dem vorliegenden Heft geklärt werden!
Isotope haben gleiches Bindungsverhalten, die Kinetikvon Reaktionen ist aber speziell beim Wasserstoff anders (ist halt ungefähr die doppelte Masse bei H und D). Isobare reagieren anders, aber das liegt halt daran, dass es untereschiedliche Elemente sind. Für Nebengruppen und höhere Perioden funktioniert deine Berechnung der Wertigkeit nicht mehr so ganz. (Bspw. wäre Sn nach deiner Rechnung vierwertig, kann aber auch zweiwertig sein).
FernAbi16
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Anmeldungsdatum: 16.09.2014
Beiträge: 53

BeitragVerfasst am: 30 Apr 2015 - 11:03:27    Titel:

Hallo und danke für die Antwort!

Ich habe im vorletzen Absatz geschrieben, dass ich auf viele Inhalte nicht eingehe, darunter Fällt auch der Massendefekt und Co.
Diese Themen wurden von uns noch nicht behandelt.

Mir geht es in erster Linie darum, das Grundgerüst der Theorie zu verstehen, bevor ich mich mit Abweichungen und auf die kleinen Dinge konzentriere.

Ausgehend von diesem Standpunkt ist die Masse eines Atoms die Summe der Massen der Protonen, Neutronen und Elektronen oder nicht?

Dein Hinweis auf google hilft mir aber nicht weiter. Ich habe schon etwas gegoogelt und versuche hier gerade Struktur und Klarheit über das Resultat zu bekommen,
dass ich von Wasserstoff geschrieben habe, war ein Versehen. Gemeint war Kohlenstoff.

Zu der molaren Masse:
Um die Masse von einem Mol Sauerstoff zu ermitteln, muss ich doch
berechnen:

molare Masse = (Masse eines Atoms) * (Avogad.konst)
Das habe ich in meiner Rechnung gemacht, warum ist die Formel "naja, Fragwürdig"?
Die Avo.konst. hat die Einheit ^-mol, damit ist am Ende die Einheit der molaren Masse (k)g/mol...
Das ich natürlich die Einheit in der Formel unberücksichtigt habe war fehlerhaft.
bernadette
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Anmeldungsdatum: 02.05.2014
Beiträge: 349

BeitragVerfasst am: 30 Apr 2015 - 20:06:10    Titel:

FernAbi16 hat folgendes geschrieben:
Hallo und danke für die Antwort!

Ich habe im vorletzen Absatz geschrieben, dass ich auf viele Inhalte nicht eingehe, darunter Fällt auch der Massendefekt und Co.
Diese Themen wurden von uns noch nicht behandelt.

Mir geht es in erster Linie darum, das Grundgerüst der Theorie zu verstehen, bevor ich mich mit Abweichungen und auf die kleinen Dinge konzentriere.

Ausgehend von diesem Standpunkt ist die Masse eines Atoms die Summe der Massen der Protonen, Neutronen und Elektronen oder nicht?
In erster Näherung ja. Streng genommen nein. Die Bestandteile des Kerns werden durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten. Diese starke Wechselwirkung bedingt, dass die Protonen und Neutronen, wenn sie, lachs ausgedrückt, als Atomkern aneinander haften, deutlich weniger Energie besitzen als im freien Zustand. Gemäß E=m*c^2 ergibt sich ein Massenverlust. Streng genommen ändert sich die Masse bei so ziemlich allen Energieänderungen, bei dem Massendefekt ist die Änderung allerdings so groß, dass sie signifikant ist.

Deshalb: als einfaches Modell ja, streng genommen ist es eigentlich falsch.

Zitat:
Dein Hinweis auf google hilft mir aber nicht weiter. Ich habe schon etwas gegoogelt und versuche hier gerade Struktur und Klarheit über das Resultat zu bekommen,
dass ich von Wasserstoff geschrieben habe, war ein Versehen. Gemeint war Kohlenstoff.
Von Kohlenstoff gibt es mehrere Isotope (6 Protonen im Kern, aber unterschiedlich viele Neutronen). Gemeint ist das Isotop C-12, also 6 Protonen und 6 Neutonen. Ansonsten stimmt es soweit.

Der Hinweis auf Kohlenstoff hat auch damit zu tun, dass auch hier bei mehr als einem Kernbestandteil der Massendefekt zum Tragen kommt.

Zitat:
Zu der molaren Masse:
Um die Masse von einem Mol Sauerstoff zu ermitteln, muss ich doch
berechnen:

molare Masse = (Masse eines Atoms) * (Avogad.konst)
Das habe ich in meiner Rechnung gemacht, warum ist die Formel "naja, Fragwürdig"?
Die Avo.konst. hat die Einheit ^-mol, damit ist am Ende die Einheit der molaren Masse (k)g/mol...
Das ich natürlich die Einheit in der Formel unberücksichtigt habe war fehlerhaft.


Genau. Einheiten sollten am Ende hinhauen. Ansonsten passt die Rechnung. Wie gesagt, pass aber auf, ob molekularer oder atomarer Sauerstoff gemeint ist. Molekular (Sauerstoff ist zweiwertig) ist die molare Masse zweimal so groß.
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