Ph9 Atomare Abmessungen

Der Ölfleckversuch

Demokrit (ca. 459 v. Chr. bis 370 v. Chr.) war der Auffassung, dass Stoffe aus kleinsten, unteilbaren Einheiten bestehen würden. Diese Einheiten hat er als Atome bezeichnet (atomos kommt aus dem griechischen und heißt unteilbar).
Demokrit hatte sicher nicht die Vorstellung von Atomen wie wir sie heute kennen. Aber er nahm schon an, dass Atome verschiedenartige, feste und unteilbare Teilchen sind, die kombiniert die bekannten Substanzen bilden.
Erst Jahrtausende später hat Dalton postuliert, dass es kleinste, nicht weiter teilbare Teilchen gibt, die sich in ihrer Masse unterscheiden und in den vorhandenen Stoffen in jeweils ganz bestimmten Anzahlverhältnissen vorkommen. Chemische Reaktionen ordnen diese Atome nur um.

Nur was sind diese Atome und wie groß sind sie?

Die Abmessung eines Atoms kann man mit einem einfachen Versuch, dem Ölfleckversuch, abschätzen.

In diesem Video wird der Versuchsaufbau erklärt:

  Aufgabe 1

1. Was versteht man unter einer monomolekularen Schicht?
2. Was passiert mit dem Benzin aus dem Benzin-Ölsäure-Gemisch?
3. Die verwendete Ölsäure hat die chemische Formel C₁₇H₃₃COOH. Aus wie vielen Atomen besteht dieses Molekül?

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1. Bei einer monomolekularen Schicht verteilen sich alle Moleküle der Ölsäure in einer Schicht. Sie liegen nicht aufeinander, sondern alle nebeneinander.
2. Das Benzin verdunstet sofort und die Ölsäuremoleküle bleiben zurück.

3. Das Ölsäuremolekül besteht aus 54 Atomen.

Die Durchführung und Auswertung des Versuchs siehst du in diesem Video:

Die schematische Durchführung und Auswertung des Versuchs siehst du hier:

Merke: Beim Ölfleckversuch lässt man einen Tropfen eines eines Ölsäure-Leichtbenzin-Gemisches mit bekanntem Volumen V auf eine ebene Wasseroberfläche auftropfen, die vorher mit Lykopodium (Bärlappsporen) bestreut war. Der Tropfen der Mischung breitet sich kreisförmig aus. Beim Auftreffen des Tropfens auf der Wasseroberfläche verdampft sofort das Leichtbenzin. Das Lykopodium wird verdrängt und umgibt den Tropfen, der einen Kreis auf der Oberfläche des Wasser bildet. Daher kann man den Durchmesser d des Kreises abmessen und den Flächeninhalt A bestimmen. Man geht davon aus, dass sich auf dem Wasser eine monomolekulare Schicht von Ölsäuremolekülen ausgebildet hat, damit kann man den Durchmesser eines Ölsäuremoleküls durch h=V/A abschätzen. Man kennt die Anzahl der Atome, die das Ölsäuremolekül C17H33COOH bilden und erhält damit eine Abschätzung für den Atomdurchmesser.

  Aufgabe 2

Bearbeite zur Auswertung des Ölfleckversuchs die Seite bei Leifiphysik.

1. Man führt den Versuch durch. 14 Tropfen des Gemisches ergeben 0,25cm³. Wie groß ist das Volumen V_Tropfen eines Tropfens?
2. Das Gemisch ist im Verhältnis 1:2000, d.h. $\frac{V_{Oelsaeure}}{V_{Leichtbenzin}}=\frac{1}{2000}$. Berechne das Volumen der Ölsäure im Tropfen.
3. Man misst den Durchmesser d=16,2cm des Ölflecks. Berechne den Flächeninhalt des Kreises und die Dicke h eines Ölsäuremoleküls.
4. Man nimmt an, dass das Molekül aus 54 gleichen Würfeln aufgebaut ist. Die Seite eines Würfels ist dann der Durchmesser eines Atoms. Wie groß ist der Durchmesser d_Atom eines Atoms?

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1. V = 0,018cm³
2. $V=\frac{1}{2000}V_{Tropfen}=9\cdot 10^{-6}cm^3$
3. $A = \pi r^2=206cm^2$ , $h = \frac{V}{A}=4,4\cdot 10^{-10}m$
4. $V_{Molekuel}=54V_{Atom}$, $V_{Atom}=\frac{V_{Molekuel}}{54}$

$h^3 = 54d_{Atom}^3 \rightarrow d_{Atom}=\frac{h}{\sqrt[3]{54}}=1,2\cdot 10^{-10}m$

Merke: Der Durchmesser eines Atoms ist von der Größenordnung $10^{-10}m$

  Aufgabe 3

Bearbeite die

1. Aufgabe zum Ölfleckversuch

2. Aufgabe zu einer monomolekularen Schicht

Streuversuch von Rutherford

Man weiß nun, dass der Atomdurchmesser ungefähr 0,000 000 000 1m ist. Doch wie schaut es im Atom weiter aus?

  Aufgabe 4

Lies die Seite bei Leifiphysik über den Atomaufbau.

Welches Atommodell war vor dem Rutherfordschen Atommodell aktuell?

[Lösung anzeigen][Lösung ausblenden]

Vor dem Rutherfordschen Atommodell war das Rosinenkuchenmodell von Thomson. Thomson stellte sich vor, dass ein Atom aus positiver Masse besteht, die eine genauso Ladung hat wie die Anzahl der Elektronen, welche wie Rosinen im Kuchen in der Atommasse verteilt sind.

Rutherford untersuchte in Streuexperimenten, wie $\alpha$-Teilchen an einer Goldfolie gestreut wurden.

In diesem Video

wird der Streuversuch von Rutherford erklärt und im nächsten Video erfährst du mehr über sein Atommodell

Merke: Ein Atom besteht aus einem Atomkern und der Atomhülle. Die Atomhülle ist bis auf die Elektronen leer, fast die ganze Masse des Atoms ist im Atomkern. Der Atomkern hat genauso viel positive Ladung wie die negative Ladung der Elektronen in der Hülle ist. Der Durchmesser des Atomkerns beträgt etwa $10^{-14}m$.

  Aufgabe 5

1. In welchem Verhältnis steht der Durchmesser eines Atoms zum Durchmesser seines Kerns?

2. Quiz zum Streuversuch von Rutherford

[Lösung anzeigen][Lösung ausblenden]

$\frac{10^{-10}}{10^{-14}}=10^4 = 10000$. Das Atom ist also 10000 mal größer als der Atomkern.

Zum Abschluss noch ein Video, den man gesehen haben muss. Hier geht es um Dimensionen in Zehnerpotenzen vom "Alltag" bis "ganz groß" und bis "ganz klein".

Atommodelle

  Aufgabe

Informiere dich auf der Seite bei Leifiphysik über die Entwicklung der Atommodelle.

Welche Atommodelle hast du in Chemie schon kennengelernt?

Ein wichtiges und oftmals ausreichendes Atommodell hat Bohr entwickelt.

Merke: Im Bohrschen Atommodell ist die Masse des Atom im positiv geladenen Atomkern konzentriert. In der Hülle umlaufen die Elektronen auf festen Bahnen, die durch Quantenbedingungen bestimmt sind, den Atomkern.