1.1 Ordnung der Elemente im Periodensystem
Erste Ansätze
Der Franzose Antoine-Laurent de Lavoisier (1743 – 1794) versuchte als erster Ordnung in die ihm bekannten chemischen Elemente zu bringen. Seine Liste aus dem Jahr 1789 umfasste Begriffe, wie “einfache Körper”, “Säureradikale”, fünf “Erden” sowie die zwei “unwägbaren Fluide” Licht und Wärme.
Wichtige Entdeckungen, etwa der Alkali- und Erdalkalimetalle Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium, Barium, die der Engländer Humphrey Davy (1778 – 1829) durch Elektrolyse gewinnen konnte, bereicherten die Sammlung bekannter Elemente. Ihre Zahl wuchs im 19. Jahrhundert beträchtlich an. Die Notwendigkeit einer Klassifizierung wurde immer dringlicher.
Ähnlichkeiten im chemischen Verhalten fielen dem Chemiker Döbereiner (1780 – 1849) auf, etwa bei den Elementen Calcium, Strontium und Barium. “Verwandt” mussten aus diesem Grunde auch die Chalkogene Schwefel, Selen und Tellur sein, genauso wie die Alkalimetalle Lithium, Natrium und Kalium oder die Halogene Chlor, Brom und Iod, die er in seiner Veröffentlichung 1817 als Triaden bezeichnete.
Entwicklung zum heutigen Periodensystem
Das Periodensystem der Elemente (kurz: PSE) in seiner heutigen Form geht auf den Russen Dimitri Iwanowitsch Mendelejew (1834 – 1907) zurück, der 1869 die damals bekannten 61 Elemente in der Reihenfolge ihrer Atomgewichte und nach chemischen Verwandtschaften sortierte.
© Gemeinfrei: Periodensystem nach Mendelejew von 1870
Mendelejew erkannte, dass in seinem System Lücken gelassen werden mussten für damals noch nicht bekannte Elemente. Es wurde so einerseits die Existenz etwa der Elemente Hafnium, Germanium und Gallium vorausgesagt, andererseits konnten durch Interpolation innerhalb der Perioden sogar die physikalischen und chemischen Eigenschaften in gewissem Rahmen vorhergesagt werden. Die genannten Elemente wurden, wie auch die Edelgase, später tatsächlich entdeckt und konnten in Mendelejews System ihren logischen Platz finden. Ein ganz ähnliches System hatte der deutsche Chemiker Lothar Meyer 1868 entwickelt, es aber erst 1870 publiziert.
Manches blieb lange irritierend, etwa die Nichtganzzahligkeit der Atommasse des Chlors (35,5). Oder das Halogen Iod mit seiner Atommasse von 126 war nach dem Tellur einzureihen, das eine Atommasse von 127,6 aufwies. Ähnlich war die Situation bei den Elementpaaren Argon-Kalium und Cobalt-Nickel.
Die heutigen Elementsymbole gehen auf den schwedischen Chemiker Berzelius (1779 – 1848) zurück, der zur Kennzeichnung den Anfangsbuchstaben (gelegentlich auch den zweiten Buchstaben) der lateinischen Elementnamen wählte.
Erst im 20. Jahrhundert wurde verstanden, dass die Protonenzahl im Atomkern das grundlegende Ordnungsprinzip darstellte.
Der Aufbau des heutigen Periodensystems
Im Periodensystem sind die Element unserer Erde und Atmosphäre tabellarisch nach ihrer chemischen Verwandtschaft geordnet. Die Spalten des Periodensystems werden als Hauptgruppen (und Nebengruppen) bezeichnet, die Zeilen als Perioden.
© Belinda Flemming: Hauptgruppen und Perioden des PSE, CC BY-SA
© Belinda Flemming: Valenzelektronenschreibweise für 1 Atom der Elemente, CC BY-SA
Die Hauptgruppen (senkrechte Elementereihen)
Das Periodensystem enthält acht Hauptgruppen mit spezifischer Bezeichnung. (grün) In einer Hauptgruppe sind Elemente enthalten die ähnliche Eigenschaften besitzen, sie bilden eine Elementefamilie. Diese Ähnlichkeit basiert auf der Übereinstimmung in der Anzahl der Außenelektronen der Elementeatome, welche zum Beispiel die Reaktivität gegenüber anderen Elementen bestimmt. An der Hauptgruppennummer kann man die Anzahl der Valenzelektronen eines Atoms ablesen. Innerhalt einer Hauptgruppe von oben nach unten sind die Elemente einer Elementefamilie nach der steigenden Anzahl an Elektronenschalen geordnet.
Die Perioden (horizontale Elementereihen)
Im Periodensystem sind insgesamt sieben Perioden enthalten, die neben der fortlaufenden Zuordnung von arabischen Zahlen von 1 – 7, auch mit den Buchstaben K (= 1), L (= 2), M (= 3), N (= 4), O (= 5), P (= 6) und Q (= 7) bezeichnet werden. Die Periodennummer bestimmt die Anzahl der besetzten Elektronenschalen in einem Atom. Innerhalbe einer Periode nimmt die Anzahl der Elektronen von links nach rechts zu, erkennbar an der steigenden Ordnungszahl. Die Elemente der gleichen Hauptgruppe, also einer Elementefamilie, kehren in jeder Periode periodisch wieder.
© Belinda Flemming: Kennzahlen für ein Element im PSE, CC BY-SA
Die Elemente
Jedes Element besitzt einen spezifischen Platz im Periodensystem, welcher sich aus dem Schnittpunkt der Hauptgruppe und der Periode des Elementes ergibt. Im Elementekärtchen eines Elementes sind neben dem Elementsymbol weitere Kennzahlen enthalten, welche Aufschluss über den Bau des Elementatoms geben. Die Ordnungszahl eines Elementes steht in der Regel links unterhalb des Elementsymbols, die Massenzahl links oberhalb. Die Ordnungszahl entspricht der Kernladungszahl, welche gleich der Anzahl der positiv geladenen Protonen im Atomkern ist. Für ein Atom (neutrale Ladung) ist die Anzahl der Protonen gleich der Anzahl an Elektronen in der Atomhülle. An der Massenzahl kann man die Anzahl der Kernteilchen, der Nukleonen im Atomkern ablesen. Zu den Nukleonen zählen die Protonen und die Neutronen. Zieht man von der Massenzahl die Ordnungszahl ab, so erhält man die Anzahl der Neutronen.
© Belinda Flemming: Einteilung des PSE in Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle , CC BY-SA
Metalle, Nichtmetalle und Halbmetalle
Im Periodensystem die Elemente weiterhin nach ihrem metallischen bzw. nichtmetallischem Charakter eingeteilt. Die Metalle stehen im Periodensystem links und unten, Nichtmetalle stehen rechts und oben. Metalle und Nichtmetalle werden durch eine Diagonale getrennt, welche vom Element Bor zum Element Astat verläuft. Diese Diagonale symbolisiert den fließenden Übergang vom Metall- zum Nichtmetall-Charakter. Elemente in diesem Übergansbereich werden als Halbmetalle bezeichnet. Diese haben sowohl metallische als auch nichtmetallische Eigenschaften.
Elektronegativität
Die Elektronegativität in ein relativen Maß dafür, wie stark eine Atom die Elektronen in einer chemischen Bindung an sich ziehen kann. Der Wert kann ebenso auf den Elementekärtchen für jedes Element spezifisch zugeordnet werden.
Ist die Differenz der Elektronegativitätswerte zweier reagierender Elemente (Metall + Nichtmetall) groß genug, dann findet ein Elektronenübergang zwischen den Atomen statt und es entsteht ein Salz.
Liegen die Werte der Elektronegativität zweier reagierender Element eher nah beieinander (Nichtmetall + Nichtmetall), dann entstehen Molekular gebaut Stoffe.