Alle Materie besteht aus Atomen. Dabei sind die chemischen Elemente im Periodensystem natürlich vorkommende, aber auch künstlich hergestellte Atomarten. Sie unterscheiden sich in der Anzahl der Protonen im Atomkern. Alles, was du um dich herum siehst und auch nicht sehen kannst, besteht aus diesen chemischen Elementen. Das Verständnis des Aufbaus des Periodensystems ist daher wichtig, denn in diesem sieht man, welche Elemente sich ähneln und auch ihr Reaktionsverhalten kann man damit herleiten.
Haupt und Nebengruppen im Periodensystem – Aufbau
Abbildung 1: Das Periodensystem der Elemente, Quelle: pixabay.com
Im Periodensystem der Elemente sind die chemischen Elemente nach aufsteigender Ordnungszahl (Kernladung) von links oben nach rechts unten in Perioden geordnet. Gleichzeitig stehen die Elemente mit ähnlichen Eigenschaften sowie der gleichen Anzahl an Valenzelektronen in einer Spalte. Diese Spalten sind die Elementgruppen, die in Hauptgruppen und Nebengruppen eingeteilt sind. Außerdem können die Elemente in Elementgruppen nach ihrer Elektronenkonfiguration eingeteilt werden. Dabei gibt es vier Gruppen: die s-Block-, p-Block-, d-Block- und f-Block-Elemente.
Die Hauptgruppen
Im Periodensystem gibt es acht Hauptgruppen. Diese Hauptgruppen fassen Elemente in einer Stoffgruppe zusammen. Innerhalb einer Hauptgruppe haben die Elemente die gleiche Anzahl an Außenelektronen. Diese bestimmen die Reaktivität des Elements.
Die erste Hauptgruppe – Die Alkalimetalle
Die erste Hauptgruppe bilden die Alkalimetalle und das Element Wasserstoff. Die Alkalimetalle sind Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium sowie Francium. Es sind sehr reaktionsfreudige Elemente. Daher kommen sie in der Natur immer nur in Verbindungen vor. Zudem haben die Elemente dieser Hauptgruppe eine geringe Schmelztemperatur. Sie brennen mit einer charakteristischen Flammenfärbung, was auch als Nachweisreaktion eingesetzt wird. Alkalimetalle und Wasserstoff haben die gleiche Anzahl an Valenzelektronen und besitzen als Elemente der ersten Hauptgruppe ein Außenelektron.
Die zweite Hauptgruppe – Die Erdalkalimetalle
Bei der zweiten Hauptgruppe handelt es sich um die Erdalkalimetalle. Diese sind in ihren Eigenschaften den Alkalimetallen ähnlich. Die Elemente dieser Hauptgruppe sind Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium und Radium. Als Elemente der zweiten Hauptgruppe haben diese zwei Außenelektronen.
Bei den Erdalkalimetallen gibt es eine Besonderheit: Das Element Radium ist radioaktiv. Das heißt, es besitzt einen instabilen Atomkern, der unter Abgabe schädlicher ionisierender Strahlung spontan zerfallen kann.
Dass diese Strahlung schädlich ist, war lange Zeit nicht klar. So wurde mit Radium versetztes Wasser unter dem Namen Radithor noch bis 1931 als Medizin verkauft.
Die dritte Hauptgruppe – Die Triele
Die dritte Hauptgruppe ist die Borgruppe, welche auch Triele genannt wird. Diese Hauptgruppe umfasst die Elemente Bor, Aluminium, Gallium, Indium und Thallium. Auch gehört das künstlich hergestellte radioaktive Element Nihonium mit der Ordnungszahl 113 zu dieser Hauptgruppe. Die Elemente, außer Bor, sind die sogenannten Erdmetalle, während Bor ein Halbmetall ist. In ihren Eigenschaften sind die Erdmetalle den Erdalkalimetallen ähnlich. Diese Elemente besitzen drei Außenelektronen.
Die vierte Hauptgruppe – Die Kohlenstoffgruppe
Die Kohlenstoffgruppe ist die vierte Hauptgruppe im Periodensystem. Zu dieser Hauptgruppe gehören die Elemente Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Zinn und Blei. Auch die vierte Hauptgruppe hat ein künstlich erzeugtes radioaktives Element: Flerovium, mit der Ordnungszahl 114. Als Elemente der vierten Hauptgruppe besitzen sie vier Außenelektronen, so ist es für sie egal, ob sie Elektronen abgeben oder aufnehmen, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen.
Das Besondere an dieser Hauptgruppe ist die Fähigkeit, Ketten auszubilden. Kohlenstoff ist ein Nichtmetall, Silicium und Germanium sind Halbmetalle, während die letzten drei Elemente zu den Metallen gehören. Damit haben die Elemente dieser Hauptgruppe auch unterschiedliche Eigenschaften.
Die Ketten des Kohlenstoffs werden auch als Kohlenwasserstoffe bezeichnet. Sie bilden die Grundlage der Organischen Chemie. Du willst mehr darüber wissen? Dann flitze mal rüber zu den StudySmarter Originals zu diesen Themen.
Die fünfte Hauptgruppe – Die Stickstoffgruppe
Zur Stickstoffgruppe – der fünften Hauptgruppe im Periodensystem – gehören Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Bismut sowie das künstliche, radioaktive Element Moscovium. Stickstoff und Phosphor sind Nichtmetalle, Arsen und Antimon Halbemallte, während Bismut und Moscovium zu den Metallen gehören. Die Elemente der fünften Hauptgruppe besitzen fünf Valenzelektronen.
Die sechste Hauptgruppe – Die Chalkogene
Die sechste Hauptgruppe sind die Chalkogene, zu welchen Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur, Polonium, aber auch das künstliche, radioaktive Element Livermorium gehören. Die Elemente der sechsten Hauptgruppe besitzen sechs Außenelektronen und nehmen bei Reaktionen zwei weitere auf, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Auch in dieser Hauptgruppe sind Nichtmetalle, Halbmetalle, sowie Metalle vertreten. In der Natur kommen diese Elemente meist als Erze und Minerale oder, wie Sauerstoff und Schwefel, auch elementar vor.
Bereits der Name Chalkogene gibt dir einen Hinweis auf das Vorkommen der Elemente dieser Hauptgruppe. Der Begriff leitet sich aus den altgriechischen Wörtern chalkós für "Erz" oder "Metall" and gennáo für "erzeugen" ab. Somit heißt Chalkogen nichts anderes als "Erzbildner".
Die siebte Hauptgruppe – Die Halogene
Bei der siebten Hauptgruppe handelt es sich um die Halogene Fluor, Chlor, Brom, Iod, Astat und das künstliche, radioaktive Tenness. Zum Erreichen der Edelgaskonfiguration benötigen die Elemente der siebten Hauptgruppe nur ein Elektron, da sie bereits sieben Außenelektronen besitzen. Sie sind sehr reaktionsfreudig und kommen in der Natur nur gebunden vor. Halogene sind gesundheitsschädlich bis giftig. Daher sollte man im Umgang mit ihnen vorsichtig sein.
Zwar sind die Reinformen der Halogene giftig, einige ihrer Verbindungen jedoch nicht. Im Gegenteil: das Salz Natriumchlorid, das du wahrscheinlich als Kochsalz kennst, peppt nicht nur langweilige Speisen auf, es ist auch wichtig für unseren Körper.
Auch hier findest du in der Sammelbezeichnung der Elemente der siebten Hauptgruppe bereits eine ihrer Eigenschaften: Der Begriff Halogen steht für "Salzbildner" (von altgriechisch háls für "Salz").
Die achte Hauptgruppe – Die Edelgase
Die Elemente der achten Hauptgruppe sind Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon. Diese sind die sogenannten Edelgase. Zusätzlich gehört hier das künstliche, radioaktive Element Oganesson dazu, über dessen Edelgascharakter nichts bekannt ist. Die Elemente der achten Hauptgruppe besitzen eine volle Außenschale mit acht Außenelektronen. Deshalb sind sie sehr stabil und chemisch inert. Das heißt, sie reagieren kaum. In der Natur kommen sie somit nur elementar vor.
Die Nebengruppen
Neben den acht Hauptgruppen gibt es im Periodensystem zehn Nebengruppen. Die Elemente der Nebengruppen sind die Übergangsmetalle. Im Gegensatz zu den Elementen der Hauptgruppen, bestimmen bei den Elementen der Nebengruppen nicht die Valenzelektronen die chemischen Eigenschaften, sondern meist die Elektronen in der darunterliegenden Schale. Denn diese Elemente besitzen ein oder zwei Außenelektronen, wodurch sich die Elemente der Nebengruppen chemisch sehr ähnlich sind. Das unterscheidet sie von den Elementen der Hauptgruppen.
Abbildung 2: Die Orbitalblöcke Quelle: wikipedia.org
Die d-Block-Elemente
Die Nebengruppen sind die äußeren Übergangsmetalle bzw. die d-Block-Elemente. Bei den d-Block-Elementen kommt mit steigender Periode je ein Elektron zum Element hinzu. So werden die d-Orbitale mit 1–10 Elektronen aufgefüllt. Das Energieniveau des d-Orbitals liegt dem der Valenzschale sehr nah. Deshalb werden bei Elementen der Nebengruppen Elektronen aus diesen d-Orbitalen auch abgegeben oder für Verbindungen genutzt. Eine Ausnahme ist dabei die Nebengruppe II. Die Elemente dieser Nebengruppe besitzen ein volles d-Orbital und nutzen nur die Elektronen aus dem s-Orbital als Valenzelektronen.
Die Nebengruppe III – Die Scandiumgruppe
Die Nebengruppe III ist die 3. Gruppe im Periodensystem und wird Scandiumgruppe genannt. Zu dieser Nebengruppe gehören die Elemente Scandium, Yttrium, Lanthan und Actinium. Die Elektronenkonfiguration dieser Nebengruppe ist (n – 1)d1ns2. Dabei steht n für die Hauptquantenzahl, die gleichbedeutend mit der Periode ist.
Scandium ist das erste Element der Nebengruppe III. Im Periodensystem findest du es in der vierten Periode. Setzt du jetzt also die Zahl 4 für n ein, erhältst du:
Trotz der drei Außenelektronen (s- und d-Orbital) sind die Elemente dieser Nebengruppe in ihren Eigenschaften den Elementen der 2. Hauptgruppe ähnlicher als denen der 3. Hauptgruppe. In Verbindungen kommen sie vor allem in der Oxidationsstufe +3 vor.
Die Nebengruppe IV – Die Titangruppe
Die Nebengruppe IV ist die Titangruppe. Sie umfasst die Elemente Titan, Zirkonium, Hafnium und das künstliche, radioaktive Rutherfordium. Die Elemente dieser Nebengruppe besitzen je zwei Elektronen im d- und s-Orbital. Diese Elemente kommen vor allem in der Oxidationsstufe +4 vor. Es sind korrosionsbeständige Metalle.
Die Nebengruppe V – Die Vanadiumgruppe
Die Vanadiumgruppe ist die 5. Nebengruppe im Periodensystem. Hierzu gehören die Elemente Vanadium, Niob, Tantal und das künstliche, radioaktive Dubnium. Die Elektronenkonfiguration dieser Nebengruppe ist (n – 1)d3ns2. Niob aber hat vier d-Elektronen und ein s-Elektron. Bei den Elementen dieser Nebengruppe dominiert vor allem die Oxidationsstufe +5. Verwendet werden Niob und Tantal in Stahllegierungen. Tantal wird zudem als Prothesenmaterial sowie für chirurgische Instrumente verwendet.
Die Nebengruppe VI – Die Chromgruppe
Bei der 6. Nebengruppe handelt es sich um die Chromgruppe. Diese Gruppe umfasst die Elemente Chrom, Molybdän, Wolfram, sowie das künstliche, radioaktive Seaborgium. Die Elemente dieser Nebengruppe sind sehr stabil und haben sehr hohe Schmelzpunkte. Sie sind wichtige Bestandteile von Legierungen. Chrom und Molybdän haben 5 Elektronen im d-Orbital und 1 Elektron im s-Orbital, während Wolfram und Seaborgium 4 d-Elektronen und 2 s-Elektronen besitzen.
Selbst dünne Drähte aus Wolfram verfügen über einen hohen elektrischen Widerstand und heizen sich stark auf, wenn Strom durch sie fließt. Dies geht so weit, dass sie hell zu leuchten beginnen. Zudem verfügt Wolfram über die höchsten Schmelz- und Siedepunkte aller Elemente.
Diese Eigenschaften machte man sich in der Herstellung von Glühlampen zunutze. Früher verfügten diese meist über einen Glühdraht (auch Glühwendel genannt) aus Wolfram. Heutzutage werden jedoch überwiegend LED-Lampen eingesetzt. In der Europäischen Union ist der Verkauf konventioneller Glühlampen zudem seit 2009 verboten.
Die Nebengruppe VII – Die Mangangruppe
Zur Nebengruppe VII gehören Mangan, Technetium, Rhenium und das künstliche, radioaktive Bohrium. Diese Nebengruppe wird analog zu den anderen Nebengruppen nach dem ersten Element in der Spalte benannt und heißt somit Mangangruppe. Technetium war das erste künstlich erzeugte Element, kommt aber auch in sehr geringen Mengen natürlich vor. Mangan und Rhenium werden in Legierungen verwendet. Die Elemente dieser Nebengruppe haben die Elektronenkonfiguration (n – 1)d5ns2.
Die Nebengruppe VIII
Die Nebengruppe VIII umfasst die Eisengruppe, Cobaltgruppe und die Nickelgruppe. Damit gehören zu dieser Nebengruppe 12 Elemente. Die Eisengruppe umfasst Eisen, Ruthenium, Osmium und das künstliche, radioaktive Hassium. Zur Cobaltgruppe gehören Cobalt, Rhodium, Iridium, sowie das künstliche, radioaktive Meitnerium. Die Elemente Nickel, Palladium, Platin und das künstliche, radioaktive Darmstadium gehören zur Nickelgruppe. Diese Nebengruppe wird auch Eisen-Platin-Gruppe genannt. Alle Elemente dieser 8. Nebengruppe sind Schwermetalle.
Schwermetalle genau zu definieren, ist gar nicht so einfach. Es finden sich zahlreiche unterschiedliche Kategorisierungen. Am geläufigsten ist jedoch die Einteilung nach der Dichte. So gelten alle Metalle ab einer Dichte von 5 als Schwermetalle. Gemeinhin gelten alle Schwermetalle als giftig. Dies ist jedoch nicht korrekt.
Die Nebengruppe I – Die Kupfergruppe
Die Kupfergruppe mit den Elementen Kupfer, Silber, Gold und dem künstlichen, radioaktiven Röntgenium bildet die Nebengruppe I. Die Elektronenkonfiguration der Elemente dieser Nebengruppe ist (n – 1)d10ns1.
Irritierenderweise ist die Nebengruppe I die 11. Gruppe im Periodensystem. Dies liegt daran, dass die Elemente dieser Gruppe ein mit zehn Elektronen vollbesetztes d-Oribtal aufweisen. Formal verfügen sie also durch das einfach besetzte s-Orbital nur über ein Valenzelektron. Da die Energieniveaus der beiden Orbitale ähnlich sind, können jedoch auch die Elektronen des d-Orbitals für Bindungen genutzt werden. So stehen also insgesamt elf Valenzelektronen zur Verfügung.
In der Natur kommen die Elemente dieser Gruppe meist elementar vor. Sie werden wegen ihrer früheren Verwendung auch Münzmetalle genannt. Vermutlich waren Kupfer, Silber und Gold die ersten Elemente, die entdeckt wurden.
Die Nebengruppe II
Die Gruppe 12 des Periodensystems ist die Zinkgruppe. Hierzu gehören die Elemente Zink, Cadmium, Quecksilber und das künstliche, radioaktive Copernicium. Die Elemente dieser Nebengruppe kommen in der Natur häufig als Sulfide vor. Sie haben die Elektronenkonfiguration (n – 1)d10ns2.
Verwendet werden die natürlich vorkommenden Elemente dieser Nebengruppe in elektronischen Geräten und Legierungen. Quecksilber ist das einzige Metall, welches bei Raumtemperatur flüssig ist, während Zink und Cadmium ähnliche Eigenschaften aufweisen. Zink ist für biochemische Prozesse in Organismen wichtig, während Cadmium und Quecksilber beide hochgiftig sind.
Haupt und Nebengruppen im Periodensystem - Das Wichtigste
- Ähnliche Elemente, mit gleicher Anzahl an Valenzelektronen, stehen in der gleichen Spalte und bilden die Hauptgruppen und Nebengruppen im Periodensystem.
- Es gibt acht Hauptgruppen und zehn Nebengruppen im Periodensystem
- In den Hauptgruppen bestimmen die äußersten Elektronen das Reaktionsverhalten und die Eigenschaften.
- Die Hauptgruppe entspricht der Anzahl an Valenzelektronen.
- In den Nebengruppen werden die Eigenschaften durch die Elektronen in der Schale unter der Valenzschale bestimmt.
- Elemente der Nebengruppen besitzen ein oder zwei Außenelektronen. Deshalb sind sich diese Elemente sehr ähnlich.
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