Periodensystem
Aufbau des Periodensystems
Um chemische Elemente zu ordnen, hilft dir das Periodensystem. Daran kannst du viele wichtigen Eigenschaften von Elementen ablesen. Das Periodensystem ist dein chemisches Allzweckwerkzeug, wenn du verstehst wie es aufgebaut ist.
Grundsätzlich wird das Periodensystem in Perioden und in Gruppen eingeteilt. Die sieben Perioden werden horizontal von oben nach unten angeordnet, die acht Hauptgruppen vertikal von links nach rechts. Zwischen der zweiten und der dritten Hauptgruppe befinden sich noch die 10 Nebengruppen. Ausschlaggebend dafür in welche Periode bzw. welche Gruppe ein Element eingeteilt wird, ist der Atombau. Dieser sieht folgendermaßen aus
Beispiel Wasserstoffatom
Schauen wir uns hierfür ein einfaches Wasserstoffatom an. Es hat genau ein positiv geladenes Proton im Kern und ein negativ geladenes Elektron in der sogenannten ersten Schale. Damit ein chemischer Stoff als Element bezeichnet werden kann, muss er die gleiche Anzahl an Protonen und Elektronen vorweisen. Diese Anzahl findet sich im Periodensystem als Kernladungszahl bzw. Ordnungszahl wieder. Kommt nun ein weiteres Proton hinzu, so muss auch ein weiteres Elektron in die erste Schale aufgenommen werden. Das Element, das zwei Protonen und zwei Elektronen besitzt wird als Helium bezeichnet. Da die erste Schale nur zwei Elektronen aufnehmen kann, ist sie jetzt voll besetzt und wir müssen für das nächste Element eine neue Schale beginnen. Lithium besitzt drei Protonen und drei Elektronen, wobei das dritte Elektron auf der zweiten Schale sitzt.
Gliederung in Perioden
Die Anzahl der Schalen, die ein Element besitzt, entspricht gleichzeitig der Nummer der Periode, in der es im Periodensystem eingegliedert ist. Wasserstoff und Helium besitzen nur eine Schale, also kommen sie in die erste Periode. Lithium ist das erste Element mit zwei Schalen und beginnt somit die zweite Periode. Die zweite Schale kann insgesamt 8 Elektronen aufnehmen. Das kann man auch daran erkennen, dass sich neben Lithium noch 7 weitere Elemente in der zweiten Periode befinden.
Wie bereits erwähnt besitzt Lithium genau ein Elektron in der zweiten Schale. Die Anzahl an Valenzelektronen – das sind die Elektronen in der äußersten besetzten Schale eines Elements – wird dazu verwendet um die Elemente in ihre Gruppen einzuteilen. Lithium kommt mit seinem einen Valenzelektron also in die erste Hauptgruppe. Helium kommt übrigens in die achte Hauptgruppe, weil seine äußerste Schale voll besetzt ist. Nun kannst du für einfache Elemente herausfinden wie viele Elektronen und Schalen sie besitzen. Beispielsweise Calcium besitzt 20 Elektronen und Protonen. Die Elektronenkonfiguration wäre hier also 2 – 8 – 8 – 2. Calcium kommt also in die vierte Periode wegen seiner vier Schalen und in die zweite Hauptgruppe wegen seiner zwei Valenzelektronen. Aber Vorsicht: bei komplexeren Elementen stößt das Schalenmodell an seine Grenzen und liefert keine richtigen Ergebnisse mehr.
Aufteilung in Hauptgruppen
Am Periodensystem kannst du außerdem auch ganz einfach herausfinden was für eine Art Element ein bestimmter Stoff ist. Grob kann man sagen: links stehen alle Metalle und rechts stehen alle nicht-Metalle. Genauer gesagt befinden sich in der ersten Hauptgruppe alle Alkalimetalle und in der zweiten Gruppe alle Erdalkalimetalle. Ganz rechts, in der 8. Hauptgruppe, stehen die Edelgase. Anhand der Gruppe, in der ein Element steht, lässt sich auch eine Aussage darüber treffen, ob ein Element gerne Elektronen aufnehmen oder abgeben möchte. Elemente der Gruppe eins bis drei geben Valenzelektronen ab, da das für sie leichter ist, als Elektronen aufzunehmen. Die Elemente in Gruppe fünf bis sieben nehmen Valenzelektronen auf. In Gruppe vier sind die Elemente indifferent. Manche nehmen Elektronen auf, manche geben Elektronen ab. Nur die Elemente in Gruppe 8 haben kein Bedürfnis ihre vollen Schalen zu verändern, da sie bereits die sogenannte Edelgaskonfiguration, die alle Verbindungen anstreben, erreicht haben.
Elementkarten
Schauen wir uns mal eine Elementkarte genauer an. Hier am Beispiel von Kohlenstoff:
Im Periodensystem finden wir hier das Elementsymbol, sowie zwei Zahlen. Die Zahl, die oben steht, ist die sogenannte Ordnungszahl. Sie gibt die Anzahl der Protonen und somit auch die Anzahl der Elektronen des Elements an. Die untere Zahl ist die Massenzahl und gibt die Masse des Elements in u an. Kohlenstoff hat also 6 Protonen, 6 Elektronen und eine Masse von etwa 12u.
In manchen Periodensystemen gibt es auch noch Hinweise auf den Aggregatszustand eines Elements oder um welche Art von Stoff es sich handelt. Jetzt gibt es noch einige Trends im PSE, die man beobachten kann:
Von links nach rechts nehmen Atomradien ab und von oben nach unten nehmen sie zu. Über die Elektronegativität lässt sich sagen, dass sie von links nach rechts zu nimmt und von oben nach unten abnimmt. Die Elektronegativität gibt an wie stark ein Atom in einer Verbindung die Elektronen zu sich herziehen kann. Sie ist eines der wichtigsten Maße in der Chemie und mit ihrer Hilfe können sehr viele chemische Phänomene erklärt werden.
Für die Ionisierungsenergie gilt, dass sie innerhalb einer Gruppe von oben nach unten abnimmt und in einer Periode von links nach rechts zunimmt. Nur die Elemente der zweiten und fünften Hauptgruppe bilden hier eine Ausnahme. Die Ionisierungsenergie ist diejenige Energie, die benötigt wird um ein Elektron vom Atom abzuspalten.
So, jetzt kannst du dich an die Arbeit machen und das Chaos im Labor in Ordnung bringen!