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Periodensystem der Elemente

Die Anordnung der Elemente im Periodensystem

Man kennt heute über 100 Elemente. Über jedes Element sind zahlreiche Informationen bekannt, wie wichtige Eigenschaften der Elementsubstanz, grundlegende Aussagen zum Bau des Atoms, wesentliche Stoffkonstanten, Bedeutung, Vorkommen und auch die Geschichte der Entdeckung.

In die Vielfalt wird durch das Periodensystem der Elemente Ordnung gebracht. Vom Bau seiner Atome hängt der Platz des Elements im Periodensystem ab.
Die Elemente sind nach steigender Protonenzahl im Periodensystem angeordnet. Die Ordnungszahl entspricht der Protonenzahl. In einem Atom sind die Anzahl der Protonen und der Elektronen gleich. Aus der Ordnungszahl kann man somit nicht nur die Zahl der Protonen sondern auch die Gesamtzahl der Elektronen ablesen.

Angeordnet sind die Elemente im Periodensystem in 7 waagerechten Reihen, die Perioden genannt werden. In der ersten Periode steht Wasserstoff und Aluminium in der dritten. Die Anzahl der besetzten Elektronenschalen der Atome eines Elements werden durch die jeweilige Periodennummer wiedergespiegelt. Während Kohlenstoffatome zwei besetzte Elektronenschalen haben, sind es bei den Aluminiumatomen drei.

Zusammengefasst werden die Elemente neben den Perioden auch noch in Gruppen. Diese sind senkrecht angeordnet und in 8 Haupt- und 8 Nebengruppen unterteilt. Gekennzeichnet sind sie mit römischen Ziffern. Die Anzahl der Außenelektronen (Valenzelektronen) der jeweiligen Atome entspricht der Hauptgruppennummer. Somit kann man aus dem Periodensystem der Elemente folgendes ablesen: Kohlenstoffe besitzen vier Außenelektronen und Aluminiumatome drei.

Periodensystems der Elemente - Aus der Geschichte

Bereits im Jahr 1829 schlug die Geburtsstunde für eine Vorstufe des Periodensystems. Der Jenenser Chemiker Johann Wolfgang Doebereiner veröffentliche in seinem Buch „Annalen der Physik“ seinen „Versuch zur Gruppierung der elementaren Stoffe nach ihrer Analogie“. Chemische Elemente mit ähnlichen Eigenschaften hatte er zu Dreiergruppen zusammengestellt. Dabei stellte er fest, dass die Masse der Atome des jeweils 2. Elements ungefähr das arithmetische Mittel aus den Werten des 1. und des 3. Elements war.

Doebereiner - zwei seiner Triaden:

  • Li (7) Na (23) K (39)
  • Cl (35) Br (80) I (127)

Max von Pettenkofer stellte 1850, anders als Doebereiner, größere Gruppen chemischer Elemente zusammen, so zum Beispiel Stickstoff (N) - Arsen (As) - Antimon (Sb) - Bismut (Bi)

1862 wurde von Beguerde Chancourtois ein Modell entworfen. Hierbei waren die die Elemente auf einer Schraubenlinie um einen Zylinder angeordnet, nach ihrer steigenden Atommasse.

Der englische Chemiker John Alexander Newland (1837 - 1898) ordnete mehr als 30 Jahre später 35 der damals bekannten Element nach steigender Atommasse an. Er stellte dabei fest, dass periodisch ein 8. Element, welches dem 1. ähnelte, nach jeweils 7 Elementen folgte. Sein „Law of Oktaves“ war allerdings mit vielen Störungen behaftet, da zahlreiche Element noch nicht entdeckt worden waren.

Eine Anordnung der Elemente, die unseren heutigen Periodensystem stellenweise sehr ähnlich aber noch lückenhaft war, verwendete 1869 der deutsche Chemiker Lothar Meyer bei einer Vorlesung. Er warnte jedoch, in Bezug auf die Lücken, vor „höchst anziehenden Spekulationen über Existenz und Eigenschaften von Elementen, welche bis jetzt noch nicht entdeckt sind“.

Der russische Chemiker Dimitri Iwanowitsch Mendelejew (1834 - 1907) reagierte anders. Er stellte zeitgleich, aber unabhängig von Meyer, ein Periodensystem auf. War ihm der Unterschied zwischen den Massen der Atome zweier benachbarter Elemente zu groß, setzte er ein konsequent ein Fragezeichen. Er vermutete an solchen Stellen noch nicht entdeckte Elemente. Gleichzeitig sagte er auch ihre Eigenschaften voraus.

Beispielsweise schrieb Mendelejew in Bezug auf ein hinter Silicium fehlendem Element, welches er Eka-Silicium nannte, dieses: „Das Atomgewicht muss sich 72 nähern; das höchste Oxid muss EsO... sein ...; Sodann muss es eine flüchtige und flüssige Cl-Verbindung EsCl4 vom Siedepunkt 90°C und dem spezifischen Gewicht 1,9 bilden ... das metallische Eka-Silicium muss sich ziemlich leicht aus dem Oxide ... durch Reduktion herstellen lassen und das spezifische Gewicht von 5,5 zeigen.“
1886 wurde vom Freiberger Chemiker Clemens Winkler das Eka-Silicium entdeckt und Germanium genannt. Diese Element zeigte eine große Übereinstimmung mit den Eigenschaften, welche von Mendelejew vorausgesagt wurden.

Mendelejew sagte ebenfalls das Eka-Aluminium und das Eka-Bor voraus. Der Franzose Paul-Emile Lecoq de Boisbaudranu entdeckte 1875 Gallium, das Eka-Aluminium, und der Schwede Lars Frederik Nilson 1879 Scandium, das Eka-Bor.

Atomhülle und Periodizität

Durch Entdeckungen wurden in den folgenden Jahrzehnten noch viele bestehende Lücken im Periodensystem der Elemente geschlossen. So wurden die schwer zugänglichen Edelgase 1894 gefunden.

Zwischen dem Atomgewicht und dem Charakter des Elements gibt es offenbar gesetzmäßige Zusammenhänge. Diese legte Mendelejew seinen Voraussagen zugrunde, hauptsächlich des Gesetz der Periodizität. Das Ordnungssystem der Elemente verdankt dem Gesetz seinen Namen. Formuliert wurde es damals so:
„Die nach steigenden Atomgewichten geordneten Elemente zeigen deutlich Periodizität ihrer Eigenschaften.“

Die Periodizität der Elemente beruht auf die vielfältigen regelmäßig wiederkehrenden Ähnlichkeiten und Veränderungen. Dies wurde erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts klar.

Die Chemiker verglichen das damals bekannte Periodensystem mit den neuesten Erkenntnissen über den Atombau, wie z. B. Kern, Hülle, Protonen, Elektronen mit unterschiedlichen Energieniveau. Sie entdeckten dabei folgendes: Wo hinzukommende Elektronen ein sprunghaft höheres Energieniveau einnehmen, beginnt immer eine neue Periode.

Die Elemente mit einem Elektron auf der Außenschale der Atome stehen am Anfang aller sieben Perioden. Die Anzahl der Außenelektronen steigt innerhalb der Periode an. Die Schlussfolgerung daraus ist folgende: Die in einem Periodensystem unter- oder übereinanderstehenden Elemente besitzen die gleiche Anzahl an Außenelektronen. Gemeinsame Gruppeneigenschaften resultieren daraus.

Zur periodischen Änderung der von den Außenelektronen ihrer Atome abhängigen Eigenschaften führt eine schrittweise Zunahme der Anzahl der Elektronen in der Außenschale innerhalb einer Periode.