Aufgaben: Stabilität von Atomen und Ionen

In der Natur findet man kaum isolierte Atome: Mit Ausnahme der Edelgase liegen die Elemente in Verbindungen oder als Metalle vor.

1. a) Erklären Sie, was es bedeutet, dass ein Atom „stabil“ ist, und was die Atome gewinnen, wenn sie sich miteinander verbinden.
2. b) Was geschieht mit der Energie des Gesamtsystems, wenn Atome eine Bindung bilden? Steigt sie oder sinkt sie?

Die Oktettregel leitet die Chemie der meisten Elemente.

1. a) Formulieren Sie sie mit eigenen Worten.
2. b) Auf welche Elektronen des Atoms bezieht sie sich?
3. c) Welche Konfiguration erreichen die Atome, wenn sie die Regel erfüllen? Nennen Sie ein Beispiel für ein Element, das sie von Natur aus bereits besitzt.

Neon ($Z = 10$) wird in Leuchtreklamen verwendet, weil es ein völlig inertes Gas ist: Es reagiert mit nichts.

1. a) Schreiben Sie seine Elektronenkonfiguration auf.
2. b) Wie viele Elektronen hat es in der äußersten Schale?
3. c) Erklären Sie anhand dieser Konfiguration, warum Edelgase unter Normalbedingungen keine Verbindungen bilden.

Ein Element hat die Elektronenkonfiguration $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^4$.

1. a) Wie lautet seine Ordnungszahl und um welches Element handelt es sich?
2. b) Wie viele Valenzelektronen hat es?
3. c) Wie viele Elektronen fehlen ihm zur Vervollständigung des Oktetts?

Wenn sich Natrium mit Chlor verbindet, gibt jedes Natriumatom ein Elektron ab und wird zum Ion $\text{Na}^+$. Das Schema stellt die Abgabe des Elektrons dar.

1. a) Definieren Sie, was ein Kation und was ein Anion ist.
2. b) Geben Sie das Vorzeichen der Ladung für jede Ionenart an.
3. c) Ist das Ion $\text{Na}^+$ ein Kation oder ein Anion? Begründen Sie Ihre Antwort.

Magnesium ($Z = 12$) reagiert, indem es Elektronen abgibt und das Ion $\text{Mg}^{2+}$ bildet.

1. a) Wie viele Elektronen gibt jedes Magnesiumatom ab?
2. b) Wie viele Elektronen hat das entstandene Ion insgesamt?
3. c) Schreiben Sie den Vorgang als Teilgleichung: $\text{Mg} \rightarrow \text{Mg}^{2+} + \ldots$ (ergänzen Sie die Anzahl der freigesetzten Elektronen).

Das Chlor ($Z = 17$) im Wasser von Schwimmbädern wirkt als Desinfektionsmittel; bei der Reaktion nimmt jedes Atom ein Elektron auf und bildet das Ion $\text{Cl}^{-}$.

1. a) Wie viele Elektronen hat das Chlorid-Ion?
2. b) Ist es ein Kation oder ein Anion?
3. c) Wie groß ist seine elektrische Nettoladung? Begründen Sie sie, indem Sie Protonen und Elektronen zählen.

Ein Teilchen enthält $12$ Protonen und $10$ Elektronen.

1. a) Berechnen Sie seine Nettoladung.
2. b) Handelt es sich um ein neutrales Atom, ein Kation oder ein Anion?
3. c) Identifizieren Sie das Element und schreiben Sie das Symbol des Ions auf.

Chlor ($Z = 17$) und Argon ($Z = 18$) sind Nachbarn im Periodensystem der Elemente.

1. a) Schreiben Sie die Elektronenkonfiguration des Chloratoms und die des Ions $\text{Cl}^{-}$ auf.
2. b) Vergleichen Sie die Konfiguration des Chlorid-Ions mit der des Argonatoms: Was stellen Sie fest?
3. c) Erklären Sie mithilfe dieses Ergebnisses, warum Chlor bei Reaktionen dazu neigt, ein Elektron aufzunehmen.

Das Aluminium ($Z = 13$) in Getränkedosen und der Schwefel ($Z = 16$) in Streichhölzern sind sehr verschiedene Elemente, aber beide bilden stabile Ionen.

1. a) Schreiben Sie die Elektronenkonfiguration jedes Atoms auf.
2. b) Sagen Sie mithilfe der Oktettregel voraus, welches stabilste Ion jedes von ihnen bildet.
3. c) Schreiben Sie die Konfiguration jedes Ions auf und nennen Sie das Edelgas, dessen Konfiguration es erreicht.

Diese Teilchen wirken sehr verschieden: $\text{N}^{3-}$, $\text{O}^{2-}$, $\text{F}^{-}$, $\text{Na}^{+}$, $\text{Mg}^{2+}$ und $\text{Al}^{3+}$. Gegeben: $Z(\text{N}) = 7$, $Z(\text{O}) = 8$, $Z(\text{F}) = 9$, $Z(\text{Na}) = 11$, $Z(\text{Mg}) = 12$, $Z(\text{Al}) = 13$.

1. a) Berechnen Sie die Elektronenanzahl jedes Teilchens.
2. b) Was haben alle gemeinsam?
3. c) Erklären Sie, was es bedeutet, dass sie isoelektronisch sind, und geben Sie an, mit welchem Edelgas sie es sind.

Ein $\text{X}^{2-}$-Ion hat $18$ Elektronen.

1. a) Wie viele Elektronen hat das neutrale Atom, aus dem es entstanden ist?
2. b) Wie lautet seine Ordnungszahl? Identifizieren Sie das Element.
3. c) Schreiben Sie die Elektronenkonfiguration des Atoms und die des Ions auf.

Zur Abkürzung der Konfigurationen verwendet man die Edelgasnotation: Die von Kalium ($Z = 19$) schreibt man $[\text{Ar}]\ 4s^1$.

1. a) Schreiben Sie seine vollständige, nicht abgekürzte Elektronenkonfiguration auf.
2. b) Wie viele Valenzelektronen hat Kalium?
3. c) Welches Ion bildet es am leichtesten? Schreiben Sie seine Konfiguration auf und erklären Sie, warum sie besonders stabil ist.

Lewis-Formeln stellen die Valenzelektronen als Punkte um das Elementsymbol dar.

1. a) Geben Sie an, wie viele Valenzelektronen Natrium ($Z = 11$), Magnesium ($Z = 12$), Sauerstoff ($Z = 8$) und Chlor ($Z = 17$) haben.
2. b) Zeichnen Sie in Ihr Heft die Lewis-Formel jedes der vier Atome.
3. c) Wie viele ungepaarte Elektronen hat jedes Atom? Setzen Sie dies in Beziehung zur Anzahl der Bindungen, die das jeweilige Element üblicherweise bildet.

Sie können es auf Papier bearbeiten und ein Foto mit Ihrer Antwort senden.

Wird ein Atom zum Ion, ändert sich seine Größe: Der Radius des Natriumatoms beträgt $186\ \text{pm}$ und der des Ions $\text{Na}^{+}$, $102\ \text{pm}$; der des Chloratoms beträgt $99\ \text{pm}$ und der des Ions $\text{Cl}^{-}$, $181\ \text{pm}$. Die vier Größen sind in der Abbildung maßstabsgetreu verglichen.

1. a) Schreiben Sie die Elektronenkonfigurationen der beiden Atome und der beiden Ionen auf.
2. b) Erklären Sie, warum das Kation viel kleiner ist als das Atom, aus dem es entstanden ist.
3. c) Erklären Sie, warum das Anion viel größer ist als sein Atom.

Calcium ($Z = 20$), das in Knochen und Milchprodukten vorkommt, bildet immer das Ion $\text{Ca}^{2+}$; es tritt nie als $\text{Ca}^{+}$ oder $\text{Ca}^{3+}$ auf.

1. a) Schreiben Sie die Elektronenkonfiguration des Calciumatoms auf.
2. b) Schreiben Sie die Konfigurationen auf, die die Ionen $\text{Ca}^{+}$, $\text{Ca}^{2+}$ und $\text{Ca}^{3+}$ hätten.
3. c) Begründen Sie mithilfe der Oktettregel, warum nur das Ion $\text{Ca}^{2+}$ stabil ist.

Dies sind die Energien, die nötig sind, um einem Magnesiumatom ($Z = 12$) nacheinander Elektronen zu entziehen: $E_1 = 738\ \text{kJ/mol}$, $E_2 = 1451\ \text{kJ/mol}$ und $E_3 = 7733\ \text{kJ/mol}$. Die Abbildung stellt die drei Energien dar.

1. a) Bestimmen Sie, zwischen welchen Ionisierungen der große Sprung auftritt, und begründen Sie ihn mit der Elektronenkonfiguration von Magnesium.
2. b) Erklären Sie, warum Magnesium in seinen Verbindungen das Ion $\text{Mg}^{2+}$ und nie das Ion $\text{Mg}^{3+}$ bildet.
3. c) Sagen Sie anhand der Konfigurationen begründet voraus, zwischen welchen Ionisierungen der große Sprung bei Natrium ($Z = 11$) und bei Aluminium ($Z = 13$) auftreten wird.

Die Teilchen $\text{O}^{2-}$, $\text{F}^{-}$, $\text{Na}^{+}$ und $\text{Mg}^{2+}$ haben alle $10$ Elektronen, aber ihre Radien betragen jeweils $140\ \text{pm}$, $133\ \text{pm}$, $102\ \text{pm}$ und $72\ \text{pm}$. Die Abbildung vergleicht die vier Radien maßstabsgetreu.

1. a) Erklären Sie, warum bei gleicher Elektronenanzahl die Größe des Teilchens von der Protonenzahl des Kerns abhängt.
2. b) Ordnen Sie die vier Teilchen nach abnehmendem Radius und setzen Sie diese Reihenfolge in Beziehung zur Ordnungszahl.
3. c) Sagen Sie ohne weitere Angaben voraus, welches der beiden Ionen $\text{N}^{3-}$ und $\text{Al}^{3+}$ den größeren Radius hat, und begründen Sie Ihre Vorhersage.

Ein $\text{M}^{3+}$-Ion hat $10$ Elektronen.

1. a) Bestimmen Sie die Ordnungszahl des Elements und identifizieren Sie es.
2. b) Schreiben Sie die Elektronenkonfiguration des neutralen Atoms und die des Ions auf.
3. c) Mit welchem Edelgas ist das Ion isoelektronisch?
4. d) Begründen Sie, warum dieses Element $3$ Elektronen abgibt, statt $5$ aufzunehmen, um das Oktett zu vervollständigen.

Das Element X hat die Ordnungszahl $Z = 12$ und das Element Y die Ordnungszahl $Z = 17$.

1. a) Schreiben Sie ihre Elektronenkonfigurationen auf und sagen Sie das stabile Ion voraus, das jedes von ihnen bildet.
2. b) Leiten Sie die Formel der Ionenverbindung her, die X und Y bilden, und beachten Sie, dass das Ganze elektrisch neutral sein muss.
3. c) Schreiben Sie die Konfiguration jedes Ions der Verbindung auf und geben Sie an, mit welchen Edelgasen sie isoelektronisch sind.

Die Oktettregel hat bekannte Ausnahmen: Im $\text{BeCl}_2$ hat Beryllium nur $4$ Elektronen um sich, und im $\text{BF}_3$ hat Bor $6$.

1. a) Zeichnen Sie in Ihr Heft die Lewis-Formeln beider Moleküle.
2. b) Erklären Sie, was es bedeutet, dass Beryllium und Bor ein „unvollständiges Oktett“ aufweisen.
3. c) Im $\text{PCl}_5$ ist der Phosphor von $10$ Elektronen umgeben („erweitertes Oktett“): Erörtern Sie, warum die Oktettregel trotzdem eine nützliche Orientierung bleibt, auch wenn sie kein strenges Gesetz ist.

Sie können es auf Papier bearbeiten und ein Foto mit Ihrer Antwort senden.

Wasserstoff ist ein Sonderfall: Er kann sein Elektron abgeben und als $\text{H}^{+}$ vorliegen, eines aufnehmen und das Hydrid-Ion $\text{H}^{-}$ bilden oder es teilen, wie im Molekül $\text{H}_2$.

1. a) Schreiben Sie die Elektronenkonfiguration der drei Teilchen auf.
2. b) Mit welchem Edelgas ist das Ion $\text{H}^{-}$ isoelektronisch? Erklären Sie, warum die Oktettregel für Wasserstoff zu einer „Duettregel“ wird.
3. c) Natriumhydrid, $\text{NaH}$, wird in Laboren als Reagenz verwendet: Begründen Sie mit den Konfigurationen von Natrium ($Z = 11$) und Wasserstoff, dass es aus den Ionen $\text{Na}^{+}$ und $\text{H}^{-}$ besteht.

Einem Neonatom ein Elektron zu entziehen kostet $2081\ \text{kJ/mol}$, aber es dem Ion $\text{Na}^{+}$ zu entziehen, das genau dieselbe Elektronenkonfiguration hat, kostet $4562\ \text{kJ/mol}$. Dem neutralen Natriumatom dagegen kostet es nur $496\ \text{kJ/mol}$, sein Elektron $3s$ abzugeben. Die Abbildung vergleicht die drei Ionisierungsenergien.

1. a) Erklären Sie, warum es mehr kostet, $\text{Na}^{+}$ zu ionisieren als $\text{Ne}$, obwohl beide dieselben Elektronen haben.
2. b) Begründen Sie anhand der Daten, warum Natrium leicht das Ion $\text{Na}^{+}$ bildet, aber in chemischen Verbindungen nie als $\text{Na}^{2+}$ auftritt.
3. c) Verknüpfen Sie Ihre Antworten mit dem Gedanken der Stabilität der Edelgaskonfiguration.

Aufsatz: „Stabilität treibt die Atome an“.

1. a) Erklären Sie anhand der Elektronenkonfigurationen von Natrium ($Z = 11$), Magnesium ($Z = 12$), Sauerstoff ($Z = 8$) und Chlor ($Z = 17$), welches Ion jedes Element bildet und warum.
2. b) Leiten Sie die Formel der Verbindungen $\text{NaCl}$, $\text{MgO}$ und $\text{MgCl}_2$ aus der elektrischen Neutralität des Ganzen her.
3. c) Schließen Sie, indem Sie erklären, welche Rolle die Edelgaskonfiguration im gesamten Prozess der Ionenbildung spielt.