Im Periodensystem der Elemente (PSE) sind alle Elemente entsprechend ihrer Protonenzahl und ihren chemischen Eigenschaften in Hauptgruppen (I A bis VIII A) und Nebengruppen (I B bis VIII B) eingeteilt. Die Protonenzahl nimmt von links nach rechts kontinuierlich zu. Neben dieser horizontalen Einteilung gliedert sich das Periodensystem auch vertikal in Perioden. Diese Perioden sind nicht zufällig gewählt sondern entsprechen im Schalenmodell den durch Bohr eingeführten Elektronenschalen (K, L, M, N, O, P und Q).

Elemente einer bestimmten Gruppe zeigen alle ein chemisch ähnliches Verhalten aufgrund der identischen Anzahl an Außenelektronen  (dies trifft zumindest für die Elemente der Hauptgruppe zu).

Im Periodensystem sind Elemente entsprechend ihres chemischen Verhaltens in Gruppen und gemäß ihrere Anzahl an Schalen in Perioden eingeteilt!

Von Periode zu Periode kommt folglich eine Schale hinzu. Dies ist auch der Grund weshalb die Atome innerhalb einer Gruppe von oben nach unten größer werden. Innerhalb einer Periode hingegen nimmt der Atomdurchmesser von links nach rechts ab. Grund hierfür ist die mit steigender Ordnungszahl größer werdende Protonenzahl. Aus der größeren Kernladung resultiert eine erhöhte Anziehungskraft auf die negative Atomhülle, welche dann stärker an der Kern gebunden wird.

Die Größe der Atome nimmt innerhalb einer Gruppe von oben nach unten zu, aber innerhalb einer Periode von links nach rechts ab!

Dies erklärt auch die relativ stabile Konfiguration der ganz rechts im Periodensystem stehenden Edelgase.

Die Unterteilung des Periodensystems in Haupt- und Nebengruppen resultiert aus der unterschiedlichen Besetzungsreihenfolge der Orbitale (Elektronenkonfiguration). Ebenso die weitere Gliederung in die Lanthanoidenreihe bzw. Actinoidenreihe (der Begriff Actionide rührt aus der Eigenschaft, dass all diese Elemente radioaktiv sind).

Während bei den Hauptgruppenelementen jeweils die s- bzw. p-Orbitale mit Elektronen besetzt werden („s-Block“ bzw. „p-Block“), kommt bei den Nebengruppenelementen jeweils ein Elektron im d-Orbital hinzu („d-Block“) bzw. bei den Lanthanoiden und Actinoiden erfolgt die Besetzung des f-Orbitals („f-Block“).

Die Hauptgruppenelemente können ihrem physikalischen und chemischen Verhalten nach noch weiter unterteilt werden. Dies geschieht in der Regel in

• Nichtmetalle,
• Alkalimetalle,
• Erdalkalimetalle,
• Metalle,
• Halbmetalle,
• Halogene und
• Edelgase.

Beachte, dass es sich auch bei den Alkalimetallen und Erdalkalimetallen um „Metalle“ im eigentlichen Sinne handelt. Zwischen der Gruppe der Erdalkalimetalle und den Metallen befindet sich die in dieser Abbildung nicht dargestellte Nebengruppe. Aus diesem Grund werden die Nebengruppenelemente auch als Übergangsmetalle bezeichnet. Auch diese Elemente zählen im physikalischen Sinne alle zu den Metallen. Somit handelt es sich bei etwa 80 % der vorkommenden Elemente strenggenommen um Metalle!

Einige Elemente haben sowohl Eigenschaften von Metallen als auch von Nichtmetallen. Diese werden als Halbmetalle bezeichnet (nicht zu verwechseln mit dem Begriff Übergangsmetalle!). Es gibt jedoch keine klare Definition eines Halbmetalls! Zu den Halbmetallen zählen klassischerweise:

• Bor
• Silicium
• Germanium
• Arsen
• Antimon
• Bismut
• Selen
• Tellur
• Polonium

Die Anzahl der Außenelektronen eines Atoms (auch Valenzelektronen genannt) bestimmen maßgeblich die chemischen Eigenschaften des Elements. Für die Hauptgruppenelemente lässt sich diese Anzahl der Valenzelektronen relativ einfach bestimmen. Sie entspricht gerade der Hauptgruppennummer. Als Element der ersten Hauptgruppe besitzt bspw. Kalium (Ka) folglich ein Außenelektron, ebenso wie Natrium (Na) oder Cäsium (Cs). In der fünften Hauptgruppe befinden sich mit Stickstoff (N), Phosphor (P) und Arsen (As) dementsprechend Elemente mit jeweils fünf Außenelektronen.

Die Nummer der Hauptgruppe entspricht der Anzahl der Außenelektronen der darin zugeordneten Elemente!

Die durch die gemeinsame Anzahl an Außenelektronen bedingte chemische Ähnlichkeit zeigt sich besonders bei den Alkalimetallen (1. Hauptgruppe, mit Ausnahme von Wasserstoff), den Erdalkalimetallen (2. Hauptgruppe), den Halogenen (7. Hauptgruppe) und den Edelgasen (8. Hauptgruppe).

Diese relativ einfache Bestimmung der Valenzelektronen anhand der Gruppennummer funktioniert jedoch nur bei den Hauptgruppenelementen. Bei den Übergangsmetallen versagt dieses Prinzip hingegen. So besitzen die gesamten Übergangsmetalle lediglich ein oder zwei Außenelektronen. Folglich weisen alle Übergangselemente ähnliche chemische Eigenschaften auf.

Atomarer Aufbau

Stoffe sind aus mikroskopischen Einheiten aufgebaut, den sogenannten Atomen. Chemische Elemente setzen sich aus Atomen einer bestimmten Atomsorte zusammen. Die Einteilung der Elemente erfolgt nach dem Periodensystem. Reagieren mehrere unterschiedliche Atome (chemische Elemente) miteinander und bilden eine stabile Einheit, so spricht man von Molekülen.

Moleküle sind stabile Ansammlungen von verschiedenen chemischen Elementen.

Wasser besteht bspw. aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff. Dabei schließen sich jeweils zwei Wasserstoffatome (H) und ein Sauerstoffatom (O) zu einem H2O-Molekül zusammen. Die atomaren Einheiten wie Moleküle, Atome, Protonen, Neutronen, Elektronen, etc. werden auch kurz als Teilchen bezeichnet. Man spricht in diesem Zusammenhang deshalb auch oft vom sogenannten Teilchenmodell, mit dem man den Aufbau der Materie beschreibt.

Im Teilchenmodell wird der Aufbau der Materie mithilfe von Teilchen beschrieben ohne dabei näher zwischen Atomen, Moleküle, etc. zu unterscheiden.

Atome bestehen nach dem Rutherfordschen Atommodell aus einem elektrisch positiv geladenen Atomkern und einer elektrisch negativ geladenen Elektronenhülle. Im Atomkern befinden sich die elektrisch positiv geladenen Protonen. Diese bilden die positive Ladung des Atomkerns. Die wirkende Abstoßungskraft zwischen den Protonen wird durch die starke Anziehungskraft der ebenfalls im Atomkern vorhandenen Neutronen ausgeglichen. Die Neutronen selbst sind zwar elektrisch neutral, sie üben aber dennoch eine starke Anziehungskraft auf die Protonen aus. Auf diese Weise werden die Protonen stabil im Kern zusammengehalten.

Die Kernteilchen (Protonen und Neutronen) werden auch als Nukleonen bezeichnet (lat. nucleus = „Kern“).

Die Anziehungskraft zwischen den Kernteilchen kann aufgrund der elektrischen Neutralität der Neutronen nicht elektrostatischer Natur sein. Es handelt sich vielmehr um eine weitere Art der Kraftwirkung. Sie wird als starke Kernkraft oder auch als starke Wechselwirkung bezeichnet. Sie zählt neben der elektromagnetischen Kraft, der Gravitationskraft und der schwachen Wechselwirkung zu den insgesamt vier Grundkräften der Physik zählt.

Die Reichweite der starken Kernkraft ist zwar sehr gering, bei ausreichend kleinen Abständen wie dies in Atomkernen der Fall ist, ist sie jedoch äußerst stark. Die starke Wechselwirkung zwischen den Protonen und Neutronen ist letztlich der Grund weshalb diese Kernkraft gegenüber den Abstoßungskräften der Protonen überwiegt und somit den Atomkern stabil zusammenhält. Die Neutronen bilden sozusagen den „Klebstoff“ des Atomkerns.

Die starke Wechselwirkung (starke Kernkraft) zwischen den Nukleonen hält den Atomkern stabil zusammen.

Um den positiven Atomkern herum befindet sich die Elektronenhülle. Sie wird von den elektrisch negativ geladenen Elektronen gebildet. In einer stark vereinfachten Vorstellung umkreisen die Elektronen in dieser gedachten Hülle den positiven Atomkern. Die elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen dem positiven Atomkern und den negativen Elektronen sorgen dafür, dass die umkreisenden Elektronen stabil auf der Bahn um den Atomkern gehalten werden und das Atom nicht auseinanderfällt.

Die Elektronenhülle ist eine gedachte Hülle in welcher die Elektronen den Atomkern stabil umkreisen.

Ordnungszahl

Charakteristisch für eine bestimmte Atomart bzw. für ein chemisches Element ist die Anzahl der Protonen im Kern! Die Protonenanzahl bestimmt wesentlich das chemische Verhalten des Elements und ist für die Ordnungsreihenfolge im Periodensystem verantwortlich. Man bezeichnet die Protonenanzahl deshalb auch oft als Ordnungszahl (Kernladungszahl). Ein Wasserstoffatom besitzt bspw. stets ein Proton im Kern. Würde es zwei oder drei Protonen im Kern beherbergen, so wäre es kein Wasserstoffatom mehr sondern ein Heliumatom (2 Protonen) bzw. ein Lithiumatom (3 Protonen).

Die Anzahl der Protonen im Kern (Ordnungszahl) bestimmt das chemische Element.

Isotope

Im Gegensatz zur Protonenzahl ist die Neutronenzahl hingegen nicht charakteristisch für ein chemisches Element. So besitzt ein Lithiumatom zwar in der Regel vier Neutronen im Kern; dies trifft allerdings nur für 92,5 % aller Lithiumatome zu. Die restlichen 7,5 % der in der Natur vorkommenden Lithiumatome beinhalten im Kern lediglich drei Neutronen. Solche Abwandlungen von Atomen, die zwar zum selben chemischen Element gehöhren und somit dieselbe Protonenzahl aufweisen, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen besitzen, werden auch als Isotope bezeichnet. Das Lithiumatom besitzt folglich zwei (stabile) Isotope.

Isotope haben dieselbe Anzahl an Protonen aber unterschiedliche Neutronenzahlen.

Das Wasserstoffatom besitzt sogar drei Isotope. Das mit 99,98 % am häufigsten vorkommende Wasserstoffisotop ist jenes ohne ein Neutron im Kern. Dieses Wasserstoffatom besitzt folglich nur ein Proton als Kernteilchen und wird deshalb auch als Protium genannt (Symbol: H).

Besitzt der Wasserstoff zusätzlich zum Proton noch ein Neutron, so bezeichnet man dieses Isotop als Deuterium (Symbol: D). Deuterium ist mit einem Anteil von nur 0,015 % aller in der Natur vorkommenden Wasserstoffatome vertreten.

Ein weiteres Wasserstoffisotop besitzt sogar zwei Neutronen im Kern und wird als Tritium bezeichnet (Symbol: T). Dieses Isotop nimmt nur einen verschwindend geringen Anteil am gesamten Wasserstoffaufkommen in der Natur ein. Im Gegensatz zum Protium und Deuterium ist Tritium jedoch nicht stabil und zerfällt mit einer Halbwertszeit von rund 12 Jahren. Aufgrund der stattfindenden Zerfallsprozesse ist Tritium folglich radioaktiv.

Ionen

Im elektrisch neutralen Zustand befinden sich im Kern eines Atoms genauso viele positiv geladene Protonen wie Elektronen in der umgebenden Hülle. Die elektrische Ladung eines Elektrons und eines Protons ist zwar betragsmäßig identisch, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Über eine makroskopische Distanz betrachtet, heben sich somit die elektrostatischen Wirkungen gegenseitig auf. In diesem Zustand ist das Teilchen nach außen elektrisch neutral. Wird dieser elektrisch neutrale Zustand durch Aufnahme oder Wegnahme von Elektronen allerdings gestört so spricht man von Ionen. Der Vorgang selbst wird Ionisation genannt.

Bei Elektronenüberschuss ist das Atom nach außen hin elektrisch negativ geladen. Man spricht dann auch von einem negativ geladenen Ion bzw. von einem Anion. Umgekehrt bezeichnet man ein elektrisch positiv geladenes Atom als Kation. Da die Anzahl der Protonen eines Atoms elementspezifisch ist kann ein Ion nur durch Abgabe oder Aufnahme von Elektronen entstehen, nicht durch Aufnahme oder Abgabe eines Protons! Denn durch Ändern der Protonzahl würde ein ganz anderes Element entstehen.

Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Atom (oder Gruppe von Atomen). Ein negativ geladenes Atom wird Anion genannt und ein positiv geladenes Atom Kation.

Beachte, dass Anionen aufgrund des Elektronenüberschusses größer im Durchmesser sind als das entsprechende Atom und Kationen folglich kleiner aufgrund der fehlenden Elektronen.

Zunächst kann bei Substanzen zwischen Reinstoffe und Stoffgemische unterscheiden. Reinstoffe sind Stoffe, die lediglich aus einer Teilchensorte bestehen. Im einfachsten Fall handelt es sich bei der Teilchensorte um lediglich eine Atomart. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Elementen. Hierzu zählt bspw. Wasserstoff (H), reines Eisen (Fe) oder Graphit (Kohlenstoff C). Aber nicht nur einzelne Atome sondern auch ganze Moleküle können Reinstoffe bilden. Diese zeichnen sich durch feste Atomverhältnisse aus und werden als chemische Verbindungen bezeichnet. Zu diesen reinstofflichen Verbindungen zählt bspw. Wasser (H₂O), Kohlendioxid (CO₂), Aceton (C₃H₆O) oder Zementit (Fe₃C).

Reinstoffe haben im Gegensatz zu Stoffgemischen feste Atomverhältnisse (nur im speziellen Fall von Elementen besteht ein Reinstoff aus einer Atomsorte)!

Bestehen Stoffe hingegen aus mehreren Teilchensorten (Atom- oder Molekülsorten), so spricht man von Stoffgemischen. Solche Stoffgemische können weiter unterteilt werden in heterogene Gemische und homogene Gemische.

Homogene Gemische weisen eine gleichmäßige Verteilung der unterschiedlichen Teilchensorten auf. Hierzu zählen bspw. Gasgemische wie Luft, Schutzgase für das Schweißen oder Wasserdampf. Ebenfalls zu den homogenen Gemischen zählen Lösungen. Im Gegensatz zu einem Gasgemisch ist der Aggregatzustand einer Lösung flüssig. Zu der Gruppe der Lösungen zählt bspw. Zuckerwasser, Salzwasser oder kohlensäurehaltiger Sprudel. Neben Gasen und Flüssigkeiten können auch Feststoffe homogene Gemische bilden. Dies ist bei einigen Legierungen der Fall wie bspw. bei Kupfer-Nickel-Legierungen.

Im Gegensatz hierzu bezeichnet man Stoffgemische mit einer ungleichmäßigen Verteilung der enthaltenen Teilchensorten als heterogene Stoffgemische. Bei einem Gemisch aus einem Feststoff und einer Flüssigkeit spricht man dann von einer Suspension. Hierzu zählt bspw. Eisenschlamm, Treibsand oder flüssiger Beton. Heterogene Gemische aus verschiedenen Flüssigkeiten, welche sich nicht homogen durchmischen lassen, werden hingegen als Emulsionen bezeichnet (z.B. Öl/Wasser-Gemisch, Milch, Mayonnaise, etc.).

Als Suspension bezeichnet man ein Stoffgemisch bestehend aus festen Partikeln, die in einer Flüssigkeit gelöst sind. Ein Gemisch aus zwei verschiedenen Flüssigkeiten wird hingegen Emulsion genannt.

Bei heterogenen Gemischen von zwei oder mehreren Feststoffen, wie bspw. Eisenerz, Granit oder Marmor, spricht man von einem Gemenge. Die letzte Gruppe der heterogenen Stoffgemische bilden die Aerosole. Dabei handelt es sich um Gemische aus Feststoffen oder Flüssigkeiten in Gasen. Beispiele für Aerosole sind Zigarettenrauch, Wassernebel oder Autoabgase.