Periodensystem der Elemente: Aufbau & Geschichte

1.4
Periodensystem der Elemente (PSE) Teil I

Die gegenwärtige Form des PSE
wurde unabhängig voneinander von zwei Chemikern entwickelt:
Julius Lothar Meyer (1830-1895)
und Dimitri Ivanovich Mendelejeff
(1834-1907).
1869 veröffentlichte Mendelejeff als erster sein System.
Die Elemente Gallium, Scandium und Germanium waren unbekannt, insgesamt
kannte man etwa 60 Elemente. Mendelejev sagte präzise deren
Existenz und Eigenschaften voraus.

Schon 1864 schlug John Newlands vor,
die Elemente in Oktaven anzuordnen, da sich chemische Eigenschaften
nach 8 Elementen wiederholten (= Gesetz der Oktaven).

 

f0723b - Periodensystem der Elemente: Aufbau & Geschichte

Seit damals hat sich das PSE deutlich
gewandelt. Man hat bisher 98 natürlich vorkommende Elemente
entdeckt und bis heute 20 weitere künstlich hergestellt.

Das leichteste Element ist Wasserstoff
aus Atomen mit einem Proton bestehend, das bisher schwerste
ist Eka-Radon mit der Ordnungszahl 118, also 118 Protonen.
Heute ist die Protonenzahl (= Elektronenzahl) das Kriterium,
nachdem man die Elemente anordnet. Deshalb nennt man diese Zahl
auch Ordnungszahl.

Grundsätzlich ergibt sich,
wenn man die Elemente nach ihrer Protonenzahl anordnet eine Reihe
von derzeit 118 Elementen. Da sich die Eigenschaften der Elemente
periodisch wiederholen (mit Ausnahmen bei einigen höheren
Elementen), ordnet man diese Element-Reihe in untereinanderliegenden
8er-Abschnitten an.

 

 

 

 

 


Abb.1.4.1

PSE
von J.L. Meyer
1872

Aus Annalen der Chemie und Pharmacie, VIII,
Supplementary Volume for 1872, page 511.

 

 

 

 

 

 

 


Abb.1.4.2

Gesetz der Oktaven

pse1 - Periodensystem der Elemente: Aufbau & Geschichte

Dies sieht dann so aus:

pse4 - Periodensystem der Elemente: Aufbau & Geschichte

Die waagerechten Reihen nennt man
Perioden, die senkrechten Reihen
Gruppen. Die Hauptgruppen werden
nach der alten Bezifferung mit römische Zahlen I – VIII benannt.

Space Heute werden die Gruppen von
1 -18 durchnummeriert. Man kennt 7 Perioden und 8 Hauptgruppen.
Die Hauptgruppen werden wie folgt benannt:

 

I
AlkalimetalleLi, Na, K,
Rb, Cs, Fr
II
ErdalkalimetalleBe, Mg, Ca,
Sr, Ba, Ra
III
ErdmetalleB, Al, Ga,
In, Tl
IV
KohlenstoffgruppeC, Si, Ge,
Sn, Pb
V
StickstoffgruppeN, P, As,
Sb, Bi
VI
SauerstoffgruppeO, S, Se,
Te, Po
VII
HalogeneF, Cl, Br,
J, At
VIII
EdelgaseHe, Ne, Ar,
Kr, Xe, Rn

Besonders farbig gekennzeichnet
sind oben die Halbmetalle,
Nichtmetalle,
Halogene, Edelgase,
Alkalimetalle, Erdmetalle.
Die Nebengruppenelemente vom Scandium bis Uuo werden
Übergangsmetalle
genannt, die beiden Einschübe
Lanthanide “seltene Erden“und Actinide “synthetische
Transurane
“.

In der 4 und 5. Periode werden je
10 Elemente (= Nebengruppen)
eingeschoben ( mit 1 und 2 benannt). In die 6. Periode
werden an der Stelle (5) die
Lanthaniden (15 Elemente) und in der 7. Periode
(6)
die 15 Actiniden eingeschoben. Jeweils danach werden
dann die Nebengruppen 3 bzw. 4 eingeschoben.

Wasserstoff (Hydrogen) H gehört
wegen fehlender Ähnlichkeit keiner Gruppe an, wird gewöhnlich
über die Alkalimetalle gesetzt.

Das vollständige (ausgeklappte)
PSE sieht dann so aus:

 


Abb.1.4.3

modernes
PSE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb.1.4.4

interaktives PSE
 

Periodensystem
der Elemente © EGB2001

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
11
H
Eigenschaften



2
He
2

3
Li

4
Be
=
Nichtmetalle
=
Nebengruppen
= (Metalle)
5
B
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
311
Na
12
Mg
=
Halbmetalle
=
Übergangsmetalle
13
Al
14
Si
15
P
16
S
17
Cl
18
Ar
419
K
20
Ca
21
Sc
22
Ti
23
V
24
Cr
25
Mn
26
Fe
27
Co
28
Ni
29
Cu
30
Zn
31
Ga
32
Ge
33
As
34
Se
35
Br
36
Kr
537
Rb
38
Sr
39
Y
40
Zr
41
Nb
42
Mo

43
Tc

44
Ru
45
Rh
46
Pd
47
Ag
48
Cd
49
In
50
Sn
51
Sb
52
Te
53
I
54
Xe
655
Cs
56
Ba
57
La
72
Hf
73
Ta
74
W
75
Re
76
Os
77
Ir
78
Pt
79
Au
80
Hg
81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
Po
85
At
86
Rn
7

87
Fr

88
Ra

89
Ac

104
Rf

105
Db

106
Sg

107
Bh

108
Rs

109
Mt

110
<a
href=”javascript:display(‘Darmstadtium’, ‘5f14,6d 8,7s 2 ‘, ‘269;<1ms’, ‘-‘, ‘-‘,’-‘,’-‘);”>Ds

111
<a
href=”javascript:display(‘Roentgenium’, ‘5f 14,6d10,7s,1 ‘, ‘271;<1ms’, ‘-‘, ‘-‘,’-‘,’-‘);”>Rg

112
<a
href=”javascript:display(‘ununbium’, ‘-‘, ‘277;<1ms’, ‘-‘, ‘-‘, ‘-‘, ‘-‘);”>Uub

113
Uut

114
<a
href=”javascript:display(‘ununquadium’, ‘-‘, ‘285;<1ms’, ”, ”, ‘-‘, ‘-‘);”>Uuq

115
Uup

116
<a
href=”javascript:display(‘ununhexium’, ‘-‘, ‘289;<1ms’, ‘-‘, ‘-‘, ‘-‘, ‘-‘);”>Uuh

117
Uus

118
<a
href=”javascript:display(‘ununoctium’, ‘-‘, ‘293;<1ms’, ‘-‘, ‘-‘, ‘-‘, ‘-‘);”>Uuo

Lanthanoide58
Ce
59
Pr
60
Nd
61
Pm
62
Sm
63
Eu
64
Gd
65
Tb
66
Dy
67
Ho
68
Er
69
Tm
70
Yb
71
Lu
Actinoide90
Th
91
Pa
92
U
93
Np
94
Pu
95
Am
96
Cm
97
Bk
98
Cf
99
Es
100
Fm
101
Md
102
No
103
Lr
Namee
-Kfg.
Molmasse
(g)
SchmP
(°C)
SiP
(°C)
Dichte
(g/l-cm3)
Df
( kJ/ mol)














Für die Elektronen-Konfiguration und Elementeigenschaften
bitte die Elemente anklicken!
Weitere Eigenschaften können über das Auswahlmenü eingeblendet
werden.

 

 

Nach dem Bohrschen Atommodell werden
die Elektronenschalen mit steigender Hauptquantenzahl n entsprechend
der Kernladungszahl Z mit Elektronen besetzt. Dabei ist:

die K-Schale (n = 1) mit 2 Elektronen
gefüllt.
Die L-Schale (n = 2) kann maximal 8 Elektronen aufzunehmen.

Die M-Schale (n = 3) ist mit 18 Elektronen besetzt.
Die N-Schale (n = 4) ist mit 32 Elektronen gesättigt.

Aufgefüllte Elektronenschalen bezeichnet man als Edelgaskonfiguration.

Die maximale Elektronenzahl pro Schale = 2 ·
n2.

Aus dem PSE kann man viel über
den Bau eines Atoms herauslesen.
Betrachten wir z.B. Chlor. Das Element Chlor steht in der
7. Hauptgruppe

(17) und 3. Periode. Aus der
Hauptgruppe entnehmen
wir die Anzahl Außenelektronen,
nämlich 7
, aus der Periodennummer
die Anzahl der Schalen
oder Hauptquantenzahl, nämlich
3
.

Die Ordnungszahl 17 sagt uns weiterhin die
Gesamtzahl der Elektronen und Protonen und die Massenzahl
35 gibt an, daß Chloratome mindestens 18 Neutronen
haben müssen.
Ansonsten können wir die Elektronenkonfiguration herauslesen:
die K-Schale ist mit 2 Elektronen (siehe H – He), die L-Schale mit
8 Elektronen (siehe Li – Ne) und die M-Schale mit 7 Elektronen (siehe
an 7. Stelle in der 3.Periode, Na – CL) besetzt.

 

Die maximale Elektronenzahl pro Schale gibt keine
Auskunft
über die Reihenfolge, in der die Elektronenschalen
besetzt werden. Hierzu sind Informationen erforderlich, die über
das Bohrsche Atommodell hinausgehen.

Nach dem Orbitalmodell besitzt Cl folgende
Elektronenkonfiguration:

n=1:
1s2;
n=2:
2s2,2p6; n=3: 3s2,3p5


chloro - Periodensystem der Elemente: Aufbau & Geschichte

Zu beachten ist, daß nach der Hundschen
Regel
erst alle Orbitale einfach (=paralleler Spin)
dann doppelt (=antiparalleler Spin) besetzt werden.
Bis zur 3. Periode werden so kontinuierlich alle Orbitale aufgefüllt.
Erst ab der 4. Periode gibt es Unregelmäßigkeiten.
Da das 3d-Orbital energetisch niedriger ist als das 4s-Orbital
werden nach dem Ca (OZ 20) zuerst die 3d-Elektronen aufgefüllt
(von Sc – Zn), dann die 4p vom Gallium bis Krypton.
Calzium (Ca) hat deshalb folgende Elektronenkonfiguration:


calo - Periodensystem der Elemente: Aufbau & Geschichte

 

 

Beim Eisen (OZ 26) aus der 1. Nebengruppe
werden dann nach den 4s-Elektronen zunächst 6 3d-Elektronen
in die 5 verschiedenen d-Orbitale aufgefüllt.

 

 

 

 

 

 


Abb.1.4.5

Chlor
chlorb - Periodensystem der Elemente: Aufbau & Geschichte

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ferroo - Periodensystem der Elemente: Aufbau & Geschichte

Arsen (OZ 33) in der 4. Periode besitzt deshalb
alle Elektronen wie Eisen nur sind stattdessen alle 10 3d-Elektronen aufgefüllt
und zusätzlich sind 3 Stück 4p-Elektronen vorhanden. Die Elektronenkonfiguration
sieht wie folgt aus:

arseno - Periodensystem der Elemente: Aufbau & Geschichte

Dasselbe wie in der 4. Periode geschieht auch in der 5. Periode. Nach
dem Strontium (OZ 38) mit 5s2 geht es erst mit Yttrium weiter
und es werden zuerst die 4D-Elektronen aufgefüllt. Beim Indium
(OZ 49) geschieht dann erst die Auffüllung der 5p-Elektronen.Die Auffüllung der Orbitale kann man wie links abgebildet darstellen.
Wie schon erwähnt, werden in der 6. nach dem Lanthan (OZ mit
6s2 5d1 ) erst die 4f-Elektronen aufgefüllt. Cer, das erste
Übergangsmetall mit der OZ 58 hat die Elektronenkonfiguration:

1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
4s2
3d10 4p6
5s2
4d10
5p6
6s2
5d1
4f1.

Dasselbe wiederholt sich in der 7.Periode
nach dem Actinium.

Zusätzlich gibt es in den Nebengruppen
einige Unregelmäßigkeiten wie z.B. beim Kupfer (OZ 29). Cu
hat folgende Konfiguration:

1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
4s1
3d10.

auffo - Periodensystem der Elemente: Aufbau & Geschichte

1.4.1 Periodische Eigenschaften im PSE

Im PSE oben kann man sich einige Eigenschaften der Elemente
wie Dichte, Atomradius, Elektronegativität usw. betrachten, wie sie
sich mit steigender Ordnungszahl ändern. Dabei wird die Periodizität
deutlich.

Im nächsten Kapitel wollen wir uns einige Elemente
im Zusammenhang mit der modernen Technik
mit dem PSE
ansehen.

 

Weiterführende
Quellen:

Periodensystem: http://www.uniterra.de/rutherford/
und http://www.webelements.com/
und http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/index.html
und http://periodensystem.andyhoppe.com/
und http://www.trauner.at/service/DownloadsCh/perioden.pdf

Verbreitung der Elemente: http://indigo.meteor.tu-darmstadt.de/umet/script/Kapitel1/kap01.html
und
http://www.geokem.com/global-element-dist.html
und http://www.seafriends.org.nz/oceano/abund.htm
und
http://www.ultranet.com/~jkimball/BiologyPages/E/Elements.html

Kristallstrukturen der Elemente: http://www.molecules.org/elements.html

Sterne: http://www.avg-ev.de/lexikon/Weltall/Sterne.html
und http://www.planetary.org/html/library/gsp-stars-sun.html
und http://www.sprl.umich.edu/GCL/paper_to_html/universe.html

Schwermetalle: http://staff-www.uni-marburg.de/~gvw/texte.mix/chemie_metalle.html

Schrödinger Wellenfunktion: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hydwf.html
und
http://itl.chem.ufl.edu/4412_aa/radwfct.html

Orbitale: http://www.orbitals.com/orb/orbtable.htm
(Freeware
: Orbital Viewer) und http://iff.physik.unibas.ch/~florian/HAtom/HAtom.html

Atomarchiv: http://www.atomicarchive.com/main.shtml

Interaktive Physik: http://www.lightlink.com/sergey/java/index.html

Hat dir dieser Artikel geholfen?