Dmitri Mendelejew, einer der beiden erste Entwickler des Periodensystems der Elemente, hat schon 1871 Eigenschaften noch unbekannter chemischer Elemente vorhergesagt. Seine Grundlage war dabei sein damaliges Periodensystem. Auf diese unbekannten Elemente schloss er anhand von Lücken. Durch die Deutung der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Nachbarn dieser unbekannten Elemente konnte er deren Eigenschaften herleiten.
Viele der vorhergesagten Eigenschaften stimmten mit den später entdeckten Elementen überein. Wie Du merkst, ist das Periodensystem der Elemente ein wichtiges Instrument jedes Chemikers, aus dem sich Zusammenhänge, Aufbau, Eigenschaften und weitere Informationen der chemischen Elemente ablesen lassen.
Allgemeine Informationen zum Periodensystem der Elemente
Im Periodensystem der Elemente, kurz PSE, sind alle 118 chemischen Elemente tabellarisch abgebildet. Der Name des Periodensystems beruht auf den periodisch, also regelmäßig, wiederkehrenden Eigenschaften der Elemente. Dabei sind neben den natürlichen Elementen der Chemie auch die künstlichen chemischen Elemente im Periodensystem der Elemente zu finden.
Unter künstlichen Elementen versteht man chemische Elemente, die auf natürliche Weise nicht existieren, sondern vom Menschen künstlich erzeugt worden sind. Dies sind die Elemente im Periodensystem mit der Ordnungszahl 95 bis 118. Natürliche Elemente sind daher chemische Elemente, die auf natürliche Weise vorkommen.
Elementkarten im Periodensystem
Die chemischen Elemente werden im Periodensystem mithilfe von Elementkarten dargestellt. Die Elementkarten beinhalten das Elementsymbol und die Ordnungszahl des jeweiligen Elements. Oft sind auch weitere Informationen wie die Atommasse, der vollständige Name, die Elektronegativität, die Dichte, der Aggregatzustand, die Radioaktivität und das Vorkommen eines Elements angegeben. Dabei ist es von dem jeweiligen Periodensystem abhängig, welche Informationen tatsächlich dargestellt werden.
Die Eigenschaften der Elemente werden unterschiedlich dargestellt. So sind Eigenschaften nicht nur schriftlich, also durch Ziffern oder Zahlenwerten abgebildet, sondern auch zum Beispiel durch farbige Schrift, Schraffierungen, Unterstriche oder farbige Hintergründe. Teilweise wird durch Hintergrundfarben die Zugehörigkeit der Elemente in Metalle, Halbmetalle oder Nichtmetalle unterschieden.
Ordnungszahl eines chemischen Elements
Die Ordnungszahl gibt die Anzahl der Protonen im Atomkern des jeweiligen Elements an. Mithilfe dieser Kernladungszahl werden die chemischen Elemente im Periodensystem geordnet, weswegen die Kernladungszahl auch als Ordnungszahl bezeichnet wird. Du findest die Ordnungszahl meistens in der linken oberen Ecke der Elementkarte.
Elementsymbol eines chemischen Elements
Das Elementsymbol besteht aus ein oder zwei Buchstaben und wird von dem griechischen oder lateinischen Namen des Elements abgeleitet. Da die Elementnamen ins Deutsche übersetzt wurden, passt das Elementsymbol eines Elements nicht immer zu seinem deutschen Namen. Ein solches Beispiel ist Wasserstoff. Das Elementsymbol von Wasserstoff lautet nicht etwa "W" oder "Wa", sondern "H", was sich vom lateinischen Wort Hydrogenium ableiten lässt.
Atommasse eines chemischen Elements
Die Atommasse gibt das Gewicht eines einzelnen Atoms des jeweiligen Elements an. Mithilfe der Atommasse kannst Du die Masse eines Moleküls errechnen. Dazu multiplizierst Du die Atommasse mit der Anzahl der vorkommenden Atome des Elements und summierst die Ergebnisse der verschiedenen Elemente. Im Periodensystem findest Du die Atommasse häufig in der rechten oberen Ecke oder unterhalb des Elementsymbols.
Aggregatzustand eines chemischen Elements
Im Periodensystem werden manchmal auch die Aggregatzustände der Elemente bei Normalbedingungen, also bei einer Temperatur von 25° Celsius und einem Druck von 1013 hPa, angegeben. Der Aggregatzustand beschreibt den physikalischen Zustand eines Stoffes. Dabei kann ein Stoff fest, flüssig oder gasförmig sein.
Elektronegativität eines chemischen Elements
Die Elektronegativität beschreibt das Bestreben eines Atoms in einem Molekül, die Elektronen der Elektronenpaarbindung zu sich zu ziehen. Je höher der Wert der Elektronegativität eines Elements ist, desto stärker zieht es die Elektronen der Bindung(en) zu sich.
Periodensystem – Aufbau
Wie du mittlerweile schon weißt, sind die chemischen Elemente im PSE anhand ihrer Ordnungszahl geordnet. Zudem sind die Elemente in sogenannten Perioden und Gruppen sortiert.
Periodensystem – Perioden
Die Zeilen des Periodensystems der Elemente werden Perioden genannt. Das Periodensystem der Elemente besitzt insgesamt sieben Perioden, die meist mit arabischen Ziffern nummeriert sind. Die Nummer der jeweiligen Periode gibt die Anzahl der Elektronenschalen des Atoms im Schalenmodell an.
Dabei sind die Elemente so angeordnet, dass die Ordnungszahl von links nach rechts aufsteigt. Du kannst die steigenden Ordnungszahlen der Elemente des Periodensystems also wie ein Buch von links nach rechts lesen und dann in die nächste Zeile springen.
Das Schalenmodell basiert auf dem Atommodell von Niels Bohr. Dabei kannst Du Dir ein Atom wie eine Zwiebel vorstellen. Der innerste Teil der Zwiebel stellt den Atomkern dar, während die einzelnen Schalen der Zwiebel die sogenannten Elektronenschalen sind. In diesen Schalen sind die Elektronen eines Atoms angeordnet, wobei nicht jede Schale dieselbe Anzahl an Elektronen aufnehmen kann. Die äußerste Elektronenschale eines Atoms wird Valenzschale genannt. Die sich darin befindenden Elektronen nennt man daher auch Valenzelektronen.
Darstellung des Periodensystems
Die Perioden des Periodensystems umfassen nicht alle dieselbe Anzahl an Elementen. Bis auf die erste Periode besitzen alle weiteren Perioden acht Hauptgruppenelemente. Die erste Periode hat dagegen nur zwei Hauptgruppenelemente (Wasserstoff (H) und Helium (He)). Bezieht man die Nebengruppen des Periodensystems ebenfalls mit ein, so besitzt die erste Periode zwei Elemente, die zweite und dritte Periode je acht Elemente, die vierte und fünfte Periode je achtzehn Elemente und die letzten beiden Perioden je 32 Elemente.
Da es viel Platz benötigt, um 32 Elemente nebeneinander darzustellen, wird häufig eine mittellange Form zur Darstellung des Periodensystems verwendet. Dabei werden vierzehn Elemente der letzten beiden Perioden aus dem Periodensystem "herausgeschnitten" und unter dem Periodensystem abgebildet.
Periodensystem – Gruppen
Die Spalten des Periodensystems werden als Gruppen bezeichnet. Die Zeilenumbrüche der Perioden sind dabei so gewählt, dass in den Gruppen des Periodensystems chemische Elemente mit ähnlichen Eigenschaften beziehungsweise ähnlichem Reaktionsverhalten stehen.
Die Gruppen werden in der Regel mit römischen Ziffern nummeriert, wobei sie in sogenannte Haupt- und Nebengruppen eingeteilt sind. Insgesamt gibt es achtzehn Gruppen im Periodensystem.
Hauptgruppen im Periodensystem der Elemente
Acht der achtzehn Gruppen des Periodensystems sind Hauptgruppen. Die Hauptgruppennummer gibt die Anzahl der Valenzelektronen, also die Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale des Atoms, an. Da Elemente einer Hauptgruppe dieselbe Anzahl an Elektronen in der äußersten Elektronenschale besitzen, reagieren diese oft ähnlich. Aufgrund dessen besitzen einige Hauptgruppen einen charakteristischen Namen:
| Hauptgruppe | Gruppenname |
| 1. Hauptgruppe | Wasserstoff, Alkalimetalle |
| 2. Hauptgruppe | Erdalkalimetalle |
| 3. Hauptgruppe | Bohrgruppe |
| 4. Hauptgruppe | Kohlenstoffgruppe |
| 5. Hauptgruppe | Stickstoffgruppe |
| 6. Hauptgruppe | Chalkogene (= Erzbildner) |
| 7. Hauptgruppe | Halogene (= Salzbildner) |
| 8. Hauptgruppe | Edelgase |
Nebengruppen im Periodensystem der Elemente
Alle Nebengruppenelemente sind Metalle und bilden oft farbige Verbindungen. Einige solcher farbiger Verbindungen, wie das gelbliche Gold (Au) oder das rötliche Kupfer (Cu), kennst Du bestimmt. Die zehn Nebengruppen sind jeweils nach dem obersten Element benannt.
Die nummerische Bezeichnung der Nebengruppen geht dabei nicht von eins bis zehn, sondern fängt bei drei an. Es wird also einfach nach den ersten beiden Hauptgruppen weitergezählt, wobei bei der elften und zwölften Gruppe, also den letzten beiden Nebengruppen, die Zehnerzahl weggelassen wird. Dadurch werden diese beiden Gruppen als erste und zweite Nebengruppe bezeichnet. In der Tabelle siehst Du die Nebengruppen mit ihren Namen und der nummerischen Bezeichnung abgebildet:
| Nebengruppe | Gruppenname |
| 3. Nebengruppe | Scandiumgruppe |
| 4. Nebengruppe | Titangruppe |
| 5. Nebengruppe | Vanadiumgruppe |
| 6. Nebengruppe | Chromgruppe |
| 7. Nebengruppe | Mangangruppe |
| 8. Nebengruppe | Eisengruppe |
| 9. Nebengruppe | Cobaltgruppe |
| 10. Nebengruppe | Nickelgruppe |
| 1. Nebengruppe | Kupfergruppe |
| 2. Nebengruppe | Zinkgruppe |
Vorteile des Aufbaus des Periodensystems
Du kannst Dich zu Recht fragen, wieso man die Eigenschaften der Elemente nicht einfach in einer großen Tabelle auflistet. Wieso macht man sich den Aufwand, die Elemente in Perioden, Hauptgruppen und Nebengruppen zu unterteilen? Die Frage ist schnell beantwortet: Mithilfe des Aufbaus des Periodensystems hast Du einen großen Überblick, sowohl über die jeweiligen Haupt- und Nebengruppen, aber auch über die Eigenschaften und den Atomaufbau der chemischen Elemente. Dadurch kannst Du leichter auf das Reaktionsverhalten der Elemente schließen.
Das Periodensystem ist also nicht nur ein reines Ordnungssystem. Vielmehr ist es ein Instrument, um Prognosen in Bezug auf chemische Reaktionen und Bindungen zu treffen, aber auch die Basis zur Erklärung chemischer Vorgänge.
Trends im Periodensystem
Neben dem reinen Ablesen von Eigenschaften der einzelnen Elemente kannst Du im Periodensystem der Elemente auch Trends erkennen. Dadurch kannst Du auf weitere Eigenschaften oder Verhaltensweise der jeweiligen Elemente schließen.
Atomradius
Der Atomradius eines Atoms nimmt zu, je weiter Du in der jeweiligen Hauptgruppe nach unten gehst. Du kannst Dir diesen Trend vom Schalenmodell ableiten. Je höher die Periode eines Elements in der jeweiligen Hauptgruppe ist, desto mehr Elektronenschalen besitzt dieses Atom. Und je mehr Elektronenschalen ein Atom besitzt, desto größer ist der Radius des Atoms.
Während der Atomradius in einer Hauptgruppe von oben nach unten zunimmt, nimmt er in einer Periode von links nach rechts ab. Grund dafür ist die Anzahl der Protonen der Atome. Je weiter rechts ein Element in einer Periode steht, desto höher ist die positive Ladung des Atomkerns, da er mehr Protonen enthält. Durch die positivere Kernladung werden die negativ geladenen Elektronen stärker zum Atomkern gezogen, wodurch der Atomradius verkleinert wird.
Das heißt, Helium hat den kleinsten Atomradius, da es in der ersten Periode und der achten Hauptgruppe zu finden ist. Caesium dagegen ist das Element der nicht radioaktiven, also stabilen Elementen, das den größten Atomradius besitzt. Du kannst Caesium in der ersten Hauptgruppe und der sechsten Periode finden.
Instabile Elemente sind all die chemischen Elemente, deren Atomkern sich durch Abgabe von Strahlung, verändert. Durch die Veränderung wandelt sich das Atom in ein anderes chemisches Element um. Die ausgesendete Strahlung kennst Du bestimmt unter dem Namen "radioaktive Strahlung". Stabile Atome sind also Atome, deren Atomkern beständig ist.
Ionisierungsenergie
Als Ionisierungsenergie wird die Energie bezeichnet, die aufgebracht werden muss, um ein Elektron aus der Valenzschale, also der äußersten Schale des Atoms zu lösen. Je weiter rechts ein Element in der jeweiligen Periode steht, desto höher ist die Ionisierungsenergie, da die Anzahl an Protonen im Atomkern immer größer wird und die Elektronen somit immer stärker zum Atomkern gezogen werden. Somit ist die Ionisierungsenergie bei den Alkalimetallen (erste Hauptgruppe) am geringsten. Sie haben nur ein Valenzelektron, das ohne großen Energieeinsatz aus der Valenzschale gelöst werden kann. Je weiter oben ein Element in der jeweiligen Gruppe steht, desto höher ist die Ionisierungsenergie, da das Atom weniger Schalen besitzt, sodass die Elektronen näher am Atomkern liegen und die Anziehungskraft dadurch stärker ist.
Geschichte des Periodensystems
Lange Zeit versuchten Chemiker die zur jeweiligen Zeit bekannten Elemente anhand ihrer Eigenschaften zu ordnen. Dabei entstand unser heutiges Periodensystem der Elemente aus einem Prozess, der von verschiedenen Chemikern vorangetrieben wurde.
Das Triadensystem von Johann Wolfgang Döbereiner
Johann Wolfgang Döbereiner versuchte anfangs des 19. Jahrhunderts die Elemente nach ihrer Atommasse zu ordnen. Dazu bildete er Dreierpaare, die er Triaden nannte. Die Elemente einer Triade hingen neben ähnlichen chemischen Eigenschaften folgendermaßen zusammen: addiert man die Atommasse des ersten Elements mit der Atommasse des dritten Elements und teilt das Ergebnis durch zwei, so erhält man die ungefähre Atommasse des mittleren Elements. Nach diesem Vorgehen teilte er 30 der damals 53 bekannten Elemente in zehn Triaden ein.
Um die Vorgehensweise von Johann Wolfgang Döbereiner zu verstehen, kannst Du Dir die Atommassen von Chlor, Brom und Iod anschauen:
- Cl: 35,45 u
- Br: 79,90 u
- I: 126,90 u
Addiert man die Atommassen von Chlor und Iod und teilt das Ergebnis durch zwei, erhält man folgenden Massenwert:
Das Ergebnis der Gleichung entspricht fast genau der Atommasse von Brom. Dies war neben den ähnlichen Eigenschaften der Grund, wieso Döbereiner diese drei Elemente in eine Triade eingeteilt hat.
Bei einigen Elementen hatte Johann Wolfgang Döbereiner Schwierigkeiten, sie in sein Triadensystem einzuordnen. So konnte er Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff nicht in einer Triade anordnen, obwohl der Mittelwert der Atommasse von Sauerstoff und Kohlenstoff die Atommasse des Stickstoffs ergibt. Grund dafür waren die fehlenden Ähnlichkeiten der drei Stoffe in Bezug auf ihre chemischen Eigenschaften.
Das Triadensystem von Döbereiner bildete das Fundament zur Entwicklung des heutigen Periodensystems. In der unteren Abbildung kannst Du die Lage vier seiner Triaden im heutigen Periodensystem erkennen. Diese vier Triaden beinhalten, wie Du siehst, jeweils drei Elemente einer heutigen Hauptgruppe.
Johann Wolfgang Döbereiner war ein deutscher Chemiker, der neben seinem Triadensystem auch weitere wichtige Entdeckungen machte. So forschte er an der katalytischen Wirkung von Platin, wodurch später das Döbereinersche Platinfeuerzeug entstand.
Gesetz der Oktaven von John A. R. Newlands
John Alexander Reina Newlands entdeckte 1864 die Periodizität (= Wiederkehr) der Eigenschaften der Elemente anhand ihrer steigenden Massenzahl. Er bemerkte, dass sich die chemischen Eigenschaften bei jedem siebten Elemente wiederholten, wenn man die Elemente nach der steigender Atommasse betrachtet.
Diese Entdeckung nannte er "Gesetz der Oktaven".
Dabei hat das Gesetz der Oktaven nichts mit den acht Hauptgruppen zu tun, da die Edelgase zu diesem Zeitpunkt noch nicht entdeckt waren. Vielmehr zählte er auch das erste und letzte Element eines Wiederholungsintervalls mit. Dazu wurde er von den Oktaven in der Musik angeregt. Die Oktaven in der Musik enthalten pro Oktave acht unterschiedliche Töne (beispielsweise: C, D, E, F, G, A, H, C), wobei in diesem Fall das höhere C auch mitgezählt wird. Da nur die ersten beiden Perioden des Periodensystems jeweils acht Elemente besitzen, lässt sich das Gesetz der Oktaven nur dort korrekt anwenden.
John Alexander Reina Newlands war ein englischer Chemiker, der sich durch die Arbeit in einer Zuckerfabrik hauptsächlich mit der Chemie von Zuckern befasste. Seine Arbeit zum Gesetz der Oktaven war seine wichtigste Arbeit und wurde anfangs von der chemischen Gesellschaft Londons abgelehnt und verspottet. Grund dafür war die negative Haltung gegenüber theoretischen Systemen. Später wurde erkannt, wie wichtig die Erkenntnis über die Periodizität der Elemente ist, sodass Newlands 1887 mit der Davy Medaille ausgezeichnet wurde.
Das Periodensystem der Elemente nach Dmitri Mendelejew und Lothar Meyer
Das heutige Periodensystem beruht hauptsächlich auf den Arbeiten des russischen Chemikers Dmitri Mendelejew und des deutschen Chemikers Lothar Meyer. Sie entwickelten jeweils ein sehr ähnliches System zur Unterteilung der Elemente der Chemie. Dmitri Mendelejew veröffentlichte sein Ordnungssystem 1869 einige Monate vor Lothar Meyer. Beide Chemiker erhielten für ihre Werke 1882 die höchste britische Auszeichnung für Chemiker, die sogenannte Davy-Medaille.
Dmitri Mendelejew
Der russische Chemiker Dmitri Mendelejew war der Erste der beiden, der sein Werk am 6. März 1869 veröffentlichte. Dabei ordnete er die damals 63 bekannten chemischen Elemente anhand ihrer Eigenschaften und dem zunehmenden Atomgewicht in sieben Gruppen ein. In den nächsten Jahren überarbeitete er sein Periodensystem immer wieder, fügte an geeigneter Stelle Fragezeichen ein, wo er weitere unentdeckte Elemente vermutete, und versuchte auf deren Eigenschaften zu schließen.
Probleme hatte Mendelejew später bei der Einordnung des Edelgases Argon, das 1894 entdeckt wurde. Da in den folgenden Jahren die weiteren Edelgase Helium (1895), Neon (1898), Krypton (1898), Xenon (1898) und Radon (1900) gefunden wurden, war klar, dass das Periodensystem um eine Elementgruppe erweitert werden müsse. Aufgrund seiner Vorhersagen und seiner ständigen Anpassung und Erweiterung seines Periodensystems wird heutzutage hauptsächlich der Name Dmitri Mendelejew mit dem Periodensystem der Elemente verbunden.
Lothar Meyer
Lothar Meyer veröffentlichte sein Ordnungssystem der chemischen Elemente nur wenige Monate nach Dmitri Mendelejew. Die Elemente ordnete er dabei in sechs Gruppen nach ihrem Atomgewicht und ihrer Wertigkeit, also der Anzahl der Wasserstoffatome beziehungsweise Chloratome, die ein Atom binden kann.
Periodensystem - Das Wichtigste
Das Periodensystem der Elemente, kurz PSE, stellt alle 118 chemischen Elemente tabellarisch dar.
Die Elemente im Periodensystem sind nach ihrer Kernladung, die daher auch Ordnungszahl genannt wird, angeordnet.
Die Zeilen des Periodensystems werden Perioden genannt. Die Nummer der jeweiligen Periode gibt die Anzahl der Elektronenschalen des Atoms im Schalenmodell an.
Die Spalten des Periodensystems werden als Gruppen bezeichnet. Die Gruppen werden dabei nochmals in Haupt- und Nebengruppen unterteilt.
Im Periodensystem der Elemente lassen sich Trends hinsichtlich Atomradius und Ionisierungsenergie erkennen.
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