Typische Klausuraufgaben

Aufgabe: Diagramm interpretieren (am Beispiel Natrium)

Gegeben: Ein Diagramm zeigt die Ionisierungsenergien für die 11 Elektronen des Natrium-Atoms.
Werte (ca.): 1. Elektron: 5 eV | 2. Elektron: 47 eV ... | 10. Elektron: 1460 eV | 11. Elektron: 1634 eV.

Frage A: Warum lässt sich der Sprung zwischen dem 1. und 2. Elektron nicht mit dem einfachen Kern-Hülle-Modell (Rutherford) erklären?

Lösung: Das Kern-Hülle-Modell besagt nur, dass Elektronen in der Hülle sind. Es unterscheidet nicht zwischen verschiedenen Abständen oder Energieniveaus. Wären alle Elektronen gleichberechtigt in der Hülle, müsste die Energie gleichmäßig ansteigen (da der Kern positiver wird). Ein plötzlicher, riesiger Sprung beweist, dass es unterschiedliche Energieniveaus (Schalen) gibt.

Frage B: Erklären Sie die Sprünge im Diagramm.

Lösung:

• 1. Elektron (kleine Energie): Es ist das einzige Valenzelektron auf der äußersten Schale (M-Schale). Es ist weit weg vom Kern und abgeschirmt -> leicht zu entfernen.
• Sprung 1 (1. zu 2. Elektron): Wir wechseln auf die nächst-innere Schale (L-Schale). Diese ist näher am Kern und voll besetzt (Edelgaskonfiguration). Viel mehr Energie nötig!
• Elektronen 2-9: Anstieg ist moderat, da alle auf der gleichen Schale (L) liegen.
• Sprung 2 (9. zu 10. Elektron): Wechsel auf die innerste Schale (K-Schale). Extrem nah am Kern -> maximale Anziehung.

Aufgabe: Zeichnen Sie Schalenmodelle

Regel: K-Schale (innen): max. 2e⁻ | L-Schale: max. 8e⁻ | M-Schale: max. 18e⁻ (aber oft erst 8 für Hauptgruppen).

Teilchen	Ordnungszahl (Protonen)	Elektronen	Konfiguration (K, L, M...)	Besonderheit
Natrium-Atom (Na)	11	11	2, 8, 1	1 Valenzelektron
Natrium-Ion (Na⁺)	11	10 (eins abgegeben)	2, 8	Edelgaskonfiguration (wie Neon), Schale voll.
Chlor-Atom (Cl)	17	17	2, 8, 7	7 Valenzelektronen
Chlorid-Ion (Cl⁻)	17	18 (eins aufgenommen)	2, 8, 8	Edelgaskonfiguration (wie Argon).
Aluminium-Ion (Al³⁺)	13	10 (3 abgegeben)	2, 8	Hat alle 3 Valenzelektronen abgegeben.

Aufgabe 1: Ionisierungsenergie & Schalenmodell

Gegeben: Ein Diagramm zeigt die Ionisierungsenergien für die 6 Elektronen eines Atoms.
Werte (ca.): 1.-4. Elektron: niedrig (< 100 eV) | 5.-6. Elektron: sehr hoch (> 300 eV).

a) Benennen Sie das Element und zeichnen Sie das Energiestufenmodell.

Lösung:
Das Atom hat insgesamt 6 Elektronen (da das Diagramm beim 6. Elektron endet).
Ordnungszahl 6 = Kohlenstoff (C).
Energiestufenmodell:
- K-Schale (n=1): 2 Elektronen (die mit der höchsten Ionisierungsenergie, Nr. 5 & 6)
- L-Schale (n=2): 4 Elektronen (die Valenzelektronen mit niedrigerer Energie, Nr. 1-4)

b) Erklären Sie den Sprung zwischen dem 4. und 5. Elektron.

Lösung:
Die ersten 4 Elektronen befinden sich auf der äußeren L-Schale. Sie sind weiter vom Kern entfernt und durch die inneren Elektronen abgeschirmt, daher lassen sie sich relativ leicht entfernen.
Das 5. Elektron muss aus der inneren K-Schale entfernt werden. Diese ist viel näher am positiv geladenen Atomkern und wird nicht abgeschirmt. Die Anziehungskraft ist deutlich stärker, weshalb die benötigte Ionisierungsenergie sprunghaft ansteigt.

Aufgabe 2: Metalle & Wärmeleitfähigkeit

Frage: Erklären Sie auf Teilchenebene, warum Metalle die Wärme leiten können und weshalb Computerprozessoren gekühlt werden müssen.

Lösung:
Wärmeleitfähigkeit: In Metallen sind die Valenzelektronen als "Elektronengas" frei beweglich. Wenn ein Metall erhitzt wird, schwingen die positiven Atomrümpfe stärker. Diese Schwingungsenergie wird durch Stöße an die freien Elektronen übertragen, die sich sehr schnell bewegen und die Energie (Wärme) durch das gesamte Metallgitter transportieren.
Kühlung von Prozessoren: Prozessoren bestehen aus Halbleitern und Metallverbindungen. Durch den Stromfluss bewegen sich Elektronen und stoßen gegen das Gitter (Widerstand), was Wärme erzeugt. Ohne Kühlung würde die thermische Bewegung der Teilchen so stark werden, dass die feinen Strukturen zerstört werden oder das Material schmilzt (Überhitzung).

Aufgabe 3: Rutherford Streuversuch

Frage: Wie sah der Streuversuch aus und welche Schlussfolgerungen zog Rutherford daraus?

Lösung:
Versuch: Rutherford beschoss eine hauchdünne Goldfolie mit positiv geladenen Alpha-Teilchen. Ein Leuchtschirm um die Folie machte die Einschläge sichtbar.
Beobachtung:
1. Fast alle Teilchen gingen ungehindert durch.
2. Einige wenige wurden leicht abgelenkt.
3. Ganz wenige (ca. 1 von 8000) wurden stark abgelenkt oder zurückgeworfen.
Schlussfolgerung (Kern-Hülle-Modell):
- Atome bestehen fast nur aus "Nichts" (Hülle), daher gehen die meisten Teilchen durch.
- Es gibt ein winziges, massives Zentrum (Atomkern), das fast die gesamte Masse trägt.
- Der Kern ist positiv geladen (da er die positiven Alpha-Teilchen abstößt).

Aufgabe 4: Atomradius ordnen

Aufgabe: Ordnen Sie nach Atomradius (absteigend): Beryllium, Phosphor, Magnesium, Neon. Begründen Sie.

Lösung:
Reihenfolge (groß nach klein): Magnesium > Phosphor > Beryllium > Neon
Begründung:
Innerhalb einer Gruppe nimmt der Radius von oben nach unten zu (mehr Schalen). Daher sind Mg und P (Periode 3) größer als Be und Ne (Periode 2).
Innerhalb einer Periode nimmt der Radius von links nach rechts ab, da die Kernladung (Protonenzahl) steigt und die Hülle stärker anzieht.
Mg (links) > P (rechts). Be (links) > Ne (rechts).