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Baustein 8: Die Ionisierungsenergie

In Baustein 7 hast du das Energiestufen- und das Schalenmodell der Elektronenhülle kennengelernt.

In diesem Modell ist ein Atom aus einem Atomkern und der Atomhülle aufgebaut. Der Atomkern ist aus Protonen und Neutronen aufgebaut und ist positiv geladen. Die negativ geladenen Elektronen befinden sich auf festgelegten Energiestufen, bzw. Schalen mit festgelegtem Abstand zum Atomkern.

Du hast auch gelernt, dass Energie benötigt wird, um ein Elektron auf eine höhere Energiestufe anzuregen. Es ist sogar möglich die Elektronen ganz aus dem Atom zu entfernen, wenn genügend Energie aufgewendet wird.

Die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron von der Anziehungskraft des positiv geladenen Kerns zu lösen, nennen wir Ionisierungsenergie.

 

Ionisierungsenergien der Elemente

Die Ionisierungsenergie der Elemente kann mit Experimenten bestimmt werden. So können wir eine Tabelle aufstellen, die angibt, wie viel Energie mindestens notwendig ist, um einem Atom eines Elements genau ein Elektron zu entziehen. Diese 1. Ionisierungsenergie ist für die ersten 20 Elemente in der folgenden Tabelle dargestellt.

Element Ionisierungsenergie in eV
Wasserstoff 13,6
Helium 24,6
Lithium 5,4
Beryllium 9,3
Bor 8,3
Kohlenstoff 11,3
Stickstoff 14,5
Sauerstoff 13,6
Fluor 17,4
Neon 21,6
Natrium 5,1
Magnesium 7,6
Aluminium 6,0
Silicium 8,2
Phosphor 10,5
Schwefel 10,4
Chlor 13,0
Argon 15,8
Kalium 4,3
Calcium 6,1
...  

 

Aufgabe für Excel Profis (optional)

  1. Erstelle mithilfe der Tabelle ein Diagramm, welches den Verlauf der Ionisierungsenergie der ersten 20 Elemente zeigt

Verlauf der Ionisierungsenergie im Periodensystem

Wird die 1. Ionisierungsenergie der Elemente von Wasserstoff bis Calcium grafisch dargestellt, erhält man das folgende Diagramm.

Aufgabe

  • Beschreibe das Diagramm unter Beachtung der bekannten Strategie.
  • Formuliere anhand des Diagramms Regeln, die den groben Verlauf der Ionisierungsenergie beschreiben:
  1. Von oben nach unten (Innerhalb einer Hauptgruppe)...
  2. Von links nach rechts (Innerhalb einer Periode)...
  • Begründe mithilfe des Schalenmodells der Elektronenhülle warum...
  1. ... die Ionisierungsenergie mit dem Beginn einer neuen Periode so stark abnimmt (Beispiel: von Neon zu Natrium).
  2. ... die Ionisierungsenergie innerhalb einer Hauptgruppe von oben nach unten abnimmt (Beispiel: von Lithium zu Kalium).
  3. ... die Ionisierungsenergie innerhalb einer Periode von links nach rechts insgesamt steigt (Beispiel: von Lithium zu Neon).

Besonders stabile Zustände

Sicher ist dir schon aufgefallen, dass die Ionisierungsenergie innerhalb einer Periode von links nach rechts nicht gleichmäßig ansteigt, sondern es sogar Elemente gibt, deren Ionisierungsenergie deutlich größer ist, als der Trend innerhalb der Periode. Ihre "Folgeelemente" haben eine geringere Ionisierungsenergie.

In der 2. Periode sind das die Elemente Beryllium und Stickstoff, in der 3. Periode Magnesium und Phosphor. Dieser Trend setzt sich in den folgenden Perioden fort: Die Elemente der 2. Hauptgruppe und die der 5. Hauptgruppe haben deutlich größere Ioniserungsenergien als anzunehmen wäre. Die Elektronen sind bei diesen Elementen also stärker an das Atom gebunden als bei ihren "Nachbarn".

Wenn sich auf der äußeren Schale 2 oder 5 Elektronen befinden, ist es schwieriger ein Elektron aus dem Atom zu entfernen als wenn die äußere Schale mit 3 oder 6 Elektronen besetzt wäre. Für unser Schalenmodell bedeutet das, dass es anscheinend besonders stabile Zustände für die Anordnung der Elektronen gibt. Eine Erklärung dafür kann uns das Schalenmodell nicht liefern.

Ionisierungsenergien eines Elements

Bisher haben wir nur die Energie betrachtet, die notwendig ist, um ein Elektron aus dem Atom zu entfernen. Die 1. Ionisierungsenergie.

Wenn ein Elektron nach dem anderen aus dem Atom entfernt werden soll, kann die Energie für jedes Elektron bestimmt werden, bis alle Elektronen aus dem Atom entfernt worden sind.

In folgendem Diagramm sind diese Ionisierungsenergien für Phosphor dargestellt. Ein Phosphoratom besitzt 15 Elektronen. 

Aufgabe

  • Beschreibe das Diagramm unter Beachtung der bekannten Strategie.
  • Begründe mithilfe des Schalenmodells der Elektronenhülle den Verlauf der Ionisierungsenergien. Gehe dabei besonders auf die Energie ein, die benötigt wird, um das 5. und 6. sowie das 13. und 14. Elektron zu entfernen. 

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Zum Quiz

Chemie-Wvbecoebmuuoasted9ur (chemiebl2@uolxx.de) (Stand: 10.09.2020)