Periodensystem der Elemente

Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Auf welche Weise sind die Elemente im Periodensystem geordnet?
  • Wofür stehen die Perioden im Periodensystem?
  • Weshalb nimmt die Größe von Atomen von oben nach unten zu, aber von links nach rechts ab?
  • Welche Atomorbitale werden bei welchen Elementen besetzt?
  • In welche Stoffgruppen sind die Hauptgruppenelemente eingeteilt?
  • Was sind Übergangsmetalle?
  • Was versteht man unter einem Halbmetall?
  • Welche Elemente gehören zu den Halbmetallen?
  • Wie viele Elemente sind Metalle?
  • Welche Bedeutung hat die Nummer der Hauptgruppe?

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!

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Abbildung: Periodensystem der Elemente

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“).

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Abbildung: Orbitalbesetzung im Periodensystem

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!

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Abbildung: Hauptgruppe im Periodensystem

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.