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  Chemie - Periodensystem



Endlich mal ein Fach, in dem es eine Ordnung oder zumindest einen Wegweiser hin zu einer solchen gibt, das Periodensystem. Es listet alle möglichen Atome auf, nicht einfach hintereinander, sondern im zweidimensionalen Raum unter besonderer Berücksichtigung bestimmter Eigenschaften. Auch wir wollen in diesem Buch, wann immer möglich, jeweils von diesem wegweisenden System ausgehen.

Atome bestehen bekanntlich aus Protonen im Kern, immer, außer beim Wasserstoff, Neutronen ebenfalls im Kern und Elektronen in einer vergleichsweise sehr großen Hülle. Protonen sind positiv, Elektronen negativ geladen, Neutronen keins von beiden. Die Anzahl von Protonen und Elektronen in einem Atom ist stets gleich. Gewichtsmäßig sind beide jedoch sehr verschieden. Bei bestimmten Betrachtungen werden wir das Gewicht eines Elektrons sogar als vernachlässigbar betrachten.

Haben zwei Atome die gleiche Anzahl von Protonen, werden sie dem gleichen Element zugeordnet. Ist nur die Anzahl von Neutronen abweichend von der bei diesem Element normal üblichen, spricht man von einem 'Isotop' dieses Elementes. Im Periodensystem oben sind 118 Elemente verzeichnet, zeilenweise von der geringsten zur höchsten Zahl von Protonen.

Für jedes Element gibt es ein Feld, auf der in der Mitte groß das Symbol dargestellt ist, meist der/die erste/n Buchstaben von der lateinischen Bezeichnung, wie beim Wasserstoff das 'H' für Hydrogenium. Links oben in der Ecke ist dann die Anzahl der Protonen im Kern angegeben, auch 'Ordnungszahl' genannt. Da die Elemente nach den Anzahlen von Protonen geordnet sind, folgen auch die Ordnungszahlen diesem Schema.

Und dann ist da oben links, aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen, noch eine Zahl, von der wir zumindest für dieses Kapitel nur die auf- oder abgerundete Variante erklären möchten. Sie gibt dann die Zahl der Teilchen im Kern an, also Protonen und Neutronen zusammen. Wenn Sie sich jetzt die einzelnen Reihen des Periodensystems anschauen, dann steigt von links nach rechts die Ordnungszahl (Anzahl der Protonen) immer um 1. Am Ende wechselt man in die nächste Reihe.

Und wodurch entstehen die deutlich erkennbaren Lücken in diesem System? Da steckt der Versuch hinter, die einzelnen Elemente innerhalb der Reihen so zu ordnen, dass Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften untereinander stehen. Wenn Sie bitte durchzählen möchten, es werden also exakt acht verschiedene Eigenschaften unterschieden. In der jeweils nächsten Zeile kehren sie wieder, periodisch so wie die vier Jahreszeiten. Jetzt wissen Sie, warum man das System als 'periodisch' bezeichnet.

Es gibt viele Größenvergleiche von Atomkern und Hülle. Wir haben einen eigenen, nämlich die Betrachtung eines Fußballs aus ca. 2 km Entfernung, was natürlich nicht möglich ist. Aber so in etwa muss man sich das Verhältnis vorstellen. Damit wird die Hülle zum alles bestimmenden Teil für die Größe eines Atoms. Aber wie sieht so eine Hülle bei Atomen mit verschiedenen Ordnungsszahlen aus?

Wir können noch kurz folgern, dass es wegen des Ausgleichs elektrischer Wirkungen so viele Elektronen in der Hülle wie Protonen im Kern geben muss. Wenn man aber jetzt beginnt diese Elektronen in Gruppen zusammenzufassen und einzelnen Entfernungen bzw. Kreisbahnen zuzuordnen, sind zusätzliche Erklärungen nötig. Denn schon bei den bisherigen Erklärungen haben wir aus Gründen der Durchschaubarkeit teilweise vereinfacht dargestellt.

Als Beispiel möge gelten, dass im Atomkern noch weiteres Material entdeckt wurde, was aber hier die schöne Anschauung zerstört hätte von nur drei Teilchen, aus denen alle Atome bestehen und die sich nur durch die jeweilige Anzahl unterscheiden. Wenn man so leicht vereinfacht erklärt, muss man nur darauf achten, dass man bei näherer Kenntnis der Dinge nicht umlernen muss. Weil das hier so ist, kann man in diesem Fall die Besonderheiten weglassen.

Wir tun das jetzt auch beim weiteren Vorgehen, indem wir das Schalenmodell von Bohr benutzen. Wie gesagt, es handelt sich um ein Modell, hat also nur bedingt mit der Wirklichkeit zu tun. Es erklärt den Teil, für den man es gerade braucht, vielleicht mehr, aber das weiß man nicht. Es ist also vermutlich nicht so, dass Elektronen in Kreisbahnen rasen. Vor allem ist gar nicht sichergestellt, dass man immer weiß, wo sie sich gerade befinden.

Sie merken schon, wenn wir da jetzt fortfahren, geht der Zusammenhang zu dem bisher erarbeiteten Atommodell vollends verloren. Also begeben wir uns in die Tiefen des Bohrschen Atommodells, wohl wissend, dass dieses nur einen begrenzten Teil der Wirklichkeit erklärt, nicht wirklich abbildet.

Beginnend beim Wasserstoff suchen wir den einzig vorhandenen Gegenpart zum Proton im Kern. Es ist ein Elektron auf der innersten Schale, auch 'K-Schale' genannt. Die sogenannten Schalen gibt es hier, weil keinesfalls jedes Elektron eine eigene Entfernung zum Kern hat. Vielmehr treten die Elektronen in unterschiedlichen Gruppen auf, wobei wir für jedes Elektron einer Gruppe den gleichen Abstand zum Kern annehmen.

Sie können sich vielleicht vorstellen, dass es um Anziehungskräfte geht, die auftretende Zentrifugalkräfte durch die Bewegung der Elektronen ausgleichen. Und diese Kräfte werden natürlich umso größer, je näher die Gruppe dem Kern ist. Sogar die Anzahl der Elektronen in einer Gruppe bestimmt diese Nähe. Aber ein ehernes Grundprinzip steht über diesen Annahmen, nämlich dass die Energie gestuft, man sagt auch 'gequantelt' ist.

Heißt, wenn ein Elektron die Gruppe bzw. die Schale z.B. nach innen wechselt, dann ändert sich auch das Energieniveau. Und zwar gestuft, ist also nicht gleichmäßig zunehmend. Das ist Beginn und Inhalt einer neueren Physik bzw. auch Chemie, die es seit ca. 120 Jahren gibt und die z.B. von Max Plank und Albert Einstein begründet wurde.Es gibt also keine möglichen Aufenthaltsorte für Elektronen außerhalb der Schalen.

Das Periodensystem ist also nach dem Bohrschen Atommodell aufgebaut. Immer, wenn eine neue Schale für zusätzliche Elektronen nötig war, hat man eine neue Zeile benutzt. Und da die innerste Schale nur maximal zwei Elektronen haben kann, sind in der ersten Zeile des Periodensystems nur zwei Elemente vertreten, Wasserstoff und Helium.


Und warum ist der Wasserstoff ganz links und das Helium ganz rechts angeordnet? Das liegt daran, hier gibt es nicht nur sieben waagerechte Perioden, sondern auch noch 18 senkrechte Gruppen. Keine Angst, die 18 lassen sich noch deutlich vereinfachen. Aber wir können schon einmal festhalten, dass man bei der jeweiligen Senkrechten versucht hat, Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften zusammenzufassen.


Markiert sind hier die Edelgase.

Wann haben denn Elemente zueinander passende chemische Eigenschaften? Das hängt von der Belegung ihrer jeweils äußeren Schale ab. Sie wissen bereits, das ist für Wasserstoff und Helium die erste und für jede weitere Reihe eine Schale mehr. Eigentlich sieht ja die maximal mögliche Belegung der Schalen so aus:

1K-Schale2 Elektronen
2L-Schale8 Elektronen
3M-Schale18 Elektronen
4N-Schale32 Elektronen
5O-Schale(50) Elektronen
6P-Schale(72) Elektronen
7Q-Schale(98) Elektronen

Und warum ist in den letzten drei Reihen die jeweilige Anzahl der Elektronen eingeklammert? Weil diese Werte nie erreicht werden, von keinem einzigen Element. Eine ganz bestimmte Ordnung wird nur bis zur Reihe 3 eingehalten. In Reihe 2 und 3 gibt es jeweils acht Elemente. Die Zahl der Protonen von Element zu Element muss sich unbedingt ändern, was hier auf der jeweils äußersten Schale geschieht. Und zwar von links nach rechts immer um 1 zunehmend:

Periode 2: L- und K-Schale
Lithium2, 1
Beryllium2, 2
Bor2, 3
Kohlenstoff2, 4
Stickstoff2, 5
Sauerstoff2, 6
Fluor2, 7
Neon2, 8

Periode 3: L-, K- und M-Schale
Natrium2, 8, 1
Magnesium2, 8, 2
Alumium2, 8, 3
Silizium2, 8, 4
Phosphor2, 8, 5
Schwefel2, 8, 6
Chlor2, 8, 7
Argon2, 8, 8

Ab Reihe 4 beginnen die Schwierigkeiten mit dieser Ordnung, denn man hat auf der äußersten Schale nur diese acht Möglichkeiten. Mehr als acht Elektronen sind dort nicht möglich. Was also tun, wenn sich jetzt 18 Elemente in einer Reihe befinden. Die Lösung bietet eine recht eigenwillige Veränderung auf der zweitletzten Schale:

Periode 4: L-, K-, M- und N-Schale
Kalium2, 8, 8, 1
Calcium2, 8, 8, 2
Scandium2, 8, 9, 2
Titan2, 8, 10, 2
Vanadium2, 8, 11, 2
Chrom2, 8, 12, 2
Mangan2, 8, 13, 2
Eisen2, 8, 14, 2
Cobalt2, 8, 15, 2
Nickel2, 8, 16, 2
Kupfer2, 8, 17, 2
Zink2, 8, 18, 2
Gallium2, 8, 18, 3
Germanium2, 8, 18, 4
Arsen2, 8, 18, 5
Selen2, 8, 18, 6
Brom2, 8, 18, 7
Krypton2, 8, 18, 8

Können Sie die neuerlichen Veränderungen erkennen? Ab dem dritten Element, in diesem Fall Scandium, ändert sich nicht mehr die letzte, sondern die vorletzte Schale. Sie beginnt mit 8 Elektronen so, dass schließlich beim Zink 18 Elektronen erreicht werden, was ihrer üblichen Ausstattung entspricht, wenn noch mindestens eine weitere Schale folgt. Erst ab Gallium wächst die äußerste Schale, wieder bis auf 8 bei den Edelgasen ganz rechts.


Markiert sind alle Metalle.

Bleibt die Frage, warum ausgerechnet ab dem dritten Element in der Periode die vorletzte Schale hochgezählt wird. Antwort: Weil die folgenden zehn Elemente alle sehr ähnliche Eigenschaften haben, es sind nämlich alles Metalle. Also bleibt es bei ihren beiden Elektronen auf der äußersten Schale. Weitergezählt wird allerdings auch schon, obwohl es sich noch um Metalle handelt, vermutlich, damit am Ende wieder 8 Elektronen auf der äußersten Schale herauskommen.

Periode 5: L-, K-, M-, N- und O- Schale
Rubidium2, 8, 18, 8, 1
Strontium2, 8, 18, 8, 2
Yttrium2, 8, 18, 9, 1
Zirconium, Nicobium, Molybdän, Technetium, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber
Cadmium2, 8, 18, 18, 2
Indium2, 8, 18, 18, 3
Zinn, Antimon, Tellur, Jod
Xenon2, 8, 18, 18, 8

Und da sich die Anzahl der Elemente pro Zeile nicht ändert, kann man die Regelung der Reihe 5 für die folgenden beibehalten. Wir zeigen nur noch die Reihe 6, um auf ein weiteres Problem hinzuweisen. Hier kommen zusammen mit Lathan die Lanthanoiden hinzu, was in der Tabelle entsprechend berücksichtigt ist. Ähnliches passiert in der letzten Reihe mit Actinium und den Actinoiden. Wir kommen darauf bei den Metallen zurück.

Periode 6: L-, K-, M-, N-, O- und P- Schale
Cäsium2, 8, 18, 18, 8, 1
Barium2, 8, 18, 18, 8, 2
Lanthan2, 8, 18, 18, 9, 2
Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium, Hafnium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin, Gold
Quecksilber2, 8, 18, 32, 18, 2
Thallium2, 8, 18, 32, 18, 3
Blei, Bismut, Polonium, Astat
Radon2, 8, 18, 32, 18, 8







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