Einführende Chemie – Vorlesung & Labor

Als frühe Chemiker an der Reinigung von Erzen arbeiteten und weitere Elemente entdeckten, erkannten sie, dass verschiedene Elemente aufgrund ihres ähnlichen chemischen Verhaltens in Gruppen zusammengefasst werden konnten. Eine solche Gruppierung umfasst Lithium (Li), Natrium (Na) und Kalium (K): Diese Elemente sind alle glänzend, leiten Wärme und Elektrizität gut und haben ähnliche chemische Eigenschaften. Eine zweite Gruppe umfasst Kalzium (Ca), Strontium (Sr) und Barium (Ba), die ebenfalls glänzen, Wärme und Strom gut leiten und gemeinsame chemische Eigenschaften haben. Die spezifischen Eigenschaften dieser beiden Gruppen unterscheiden sich jedoch deutlich voneinander. Zum Beispiel: Li, Na und K sind viel reaktiver als Ca, Sr und Ba; Li, Na und K gehen mit Sauerstoff Verbindungen im Verhältnis von zwei ihrer Atome zu einem Sauerstoffatom ein, während Ca, Sr und Ba Verbindungen mit einem ihrer Atome zu einem Sauerstoffatom eingehen. Fluor (F), Chlor (Cl), Brom (Br) und Jod (I) weisen ebenfalls ähnliche Eigenschaften auf, die sich jedoch drastisch von denen der oben genannten Elemente unterscheiden.

Dimitri Mendelejew in Russland (1869) und Lothar Meyer in Deutschland (1870) erkannten unabhängig voneinander, dass es eine periodische Beziehung zwischen den Eigenschaften der damals bekannten Elemente gibt. Beide veröffentlichten Tabellen, in denen die Elemente nach zunehmender Atommasse geordnet waren. Mendelejew ging jedoch noch einen Schritt weiter als Meyer: Er nutzte seine Tabelle, um die Existenz von Elementen vorherzusagen, die ähnliche Eigenschaften wie Aluminium und Silizium haben würden, aber noch unbekannt waren. Die Entdeckungen von Gallium (1875) und Germanium (1886) waren eine große Unterstützung für Mendelejews Arbeit. Obwohl Mendelejew und Meyer lange über die Priorität stritten, werden Mendelejews Beiträge zur Entwicklung des Periodensystems heute allgemein anerkannt (Abbildung 1).

Abbildung 1. (a) Dimitri Mendelejew wird weithin die Erstellung (b) des ersten Periodensystems der Elemente zugeschrieben. (Credit a: Modifikation einer Arbeit von Serge Lachinov; Credit b: Modifikation einer Arbeit von „Den fjättrade ankan“/Wikimedia Commons)

Im zwanzigsten Jahrhundert wurde deutlich, dass die periodische Beziehung eher mit der Anzahl der Atome als mit der Atommasse zu tun hat. Die moderne Erklärung dieser Beziehung, das Periodengesetz, lautet wie folgt: Die Eigenschaften der Elemente sind periodische Funktionen ihrer Ordnungszahlen. Ein modernes Periodensystem ordnet die Elemente in aufsteigender Reihenfolge ihrer Ordnungszahlen an und gruppiert Atome mit ähnlichen Eigenschaften in der gleichen vertikalen Spalte (Abbildung 2). Jedes Kästchen steht für ein Element und enthält dessen Ordnungszahl, Symbol, durchschnittliche Atommasse und (manchmal) den Namen. Die Elemente sind in sieben horizontalen Reihen, den sogenannten Perioden oder Serien, und 18 vertikalen Spalten, den sogenannten Gruppen, angeordnet. Die Gruppen sind am oberen Rand jeder Spalte beschriftet. In den Vereinigten Staaten waren die Bezeichnungen traditionell Ziffern mit Großbuchstaben. Die IUPAC empfiehlt jedoch, die Zahlen 1 bis 18 zu verwenden, und diese Bezeichnungen sind gebräuchlicher. Damit die Tabelle auf eine einzige Seite passt, werden Teile von zwei der Zeilen, also insgesamt 14 Spalten, gewöhnlich unter den Hauptteil der Tabelle geschrieben.

Abbildung 2. Die Elemente im Periodensystem sind nach ihren Eigenschaften geordnet.

Viele Elemente unterscheiden sich stark in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften, aber einige Elemente sind sich in ihrem Verhalten ähnlich. Zum Beispiel glänzen viele Elemente, sind formbar (können verformt werden, ohne zu brechen) und dehnbar (können zu Drähten gezogen werden) und leiten Wärme und Strom gut. Andere Elemente glänzen nicht, sind nicht formbar oder dehnbar und leiten Wärme und Elektrizität schlecht. Wir können die Elemente in große Klassen mit gemeinsamen Eigenschaften einteilen: Metalle (Elemente, die glänzen, verformbar sind und Wärme und Elektrizität gut leiten – gelb schattiert); Nichtmetalle (Elemente, die stumpf erscheinen und Wärme und Elektrizität schlecht leiten – grün schattiert); und Metalloide (Elemente, die Wärme und Elektrizität mäßig gut leiten und einige Eigenschaften von Metallen und einige Eigenschaften von Nichtmetallen besitzen – lila schattiert).

Die Elemente können auch in die Hauptgruppenelemente (oder repräsentativen Elemente) in den Spalten mit den Bezeichnungen 1, 2 und 13-18, die Übergangsmetalle in den Spalten mit den Bezeichnungen 3-12 und die inneren Übergangsmetalle in den beiden Reihen am unteren Ende der Tabelle eingeteilt werden (die Elemente in der obersten Reihe werden als Lanthanide und die Elemente in der untersten Reihe als Aktinide bezeichnet; Abbildung 3). Die Elemente lassen sich nach spezifischeren Eigenschaften weiter unterteilen, etwa nach der Zusammensetzung der von ihnen gebildeten Verbindungen. Die Elemente der Gruppe 1 (erste Spalte) bilden zum Beispiel Verbindungen, die aus einem Atom des Elements und einem Atom Wasserstoff bestehen. Diese Elemente (außer Wasserstoff) werden als Alkalimetalle bezeichnet und haben alle ähnliche chemische Eigenschaften. Die Elemente der Gruppe 2 (zweite Spalte) bilden Verbindungen, die aus einem Atom des Elements und zwei Atomen Wasserstoff bestehen: Diese werden als Erdalkalimetalle bezeichnet und haben ähnliche Eigenschaften wie die Mitglieder dieser Gruppe. Weitere Gruppen mit spezifischen Namen sind die Pntogene (Gruppe 15), Chalkogene (Gruppe 16), Halogene (Gruppe 17) und die Edelgase (Gruppe 18, auch Edelgase genannt). Die Gruppen können auch nach dem ersten Element der Gruppe benannt werden: Die Chalkogene werden zum Beispiel als Sauerstoffgruppe oder Sauerstofffamilie bezeichnet. Wasserstoff ist ein einzigartiges, nichtmetallisches Element mit ähnlichen Eigenschaften wie die Elemente der Gruppe 1A und der Gruppe 7A. Aus diesem Grund kann Wasserstoff an der Spitze beider Gruppen oder allein dargestellt werden.

Abbildung 3. Das Periodensystem gliedert Elemente mit ähnlichen Eigenschaften in Gruppen.

In studying the periodic table, haben Sie vielleicht etwas über die Atommassen einiger Elemente bemerkt. Bei Element 43 (Technetium), Element 61 (Promethium) und den meisten Elementen mit der Ordnungszahl 84 (Polonium) und höher ist die Atommasse in eckigen Klammern angegeben. Dies geschieht bei Elementen, die ausschließlich aus instabilen, radioaktiven Isotopen bestehen (mehr über Radioaktivität erfahren Sie im Kapitel Kernchemie). Eine durchschnittliche Atommasse kann für diese Elemente nicht bestimmt werden, da ihre Radioisotope je nach Quelle in ihrer relativen Häufigkeit stark variieren können oder in der Natur gar nicht vorkommen. Die Zahl in eckigen Klammern ist die Atommassenzahl (und die ungefähre Atommasse) des stabilsten Isotops dieses Elements.

Glossary

actinide: inner transition metal in the bottom of the bottom two rows of the periodic table

alkali metal: Element in Gruppe 1

Alkalimetall: Element in Gruppe 2

Chalogen: Element in Gruppe 16

Gruppe: vertikale Spalte des Periodensystems

Halogen: Element in Gruppe 17

Inertgas: (auch: Edelgas) Element der Gruppe 18

inneres Übergangsmetall: (auch Lanthanid oder Actinid) Element in den unteren beiden Reihen; wenn in der ersten Reihe, auch Lanthanid genannt, oder wenn in der zweiten Reihe, auch Actinid genannt

Lanthanid: inneres Übergangsmetall in der obersten der unteren beiden Reihen des Periodensystems

Hauptgruppenelement: (auch repräsentatives Element) Element in den Spalten 1, 2 und 12-18

Metall: Element, das glänzt, verformbar ist und Wärme und Elektrizität gut leitet

Metalloid: Element, das Wärme und Elektrizität mäßig gut leitet und einige Eigenschaften von Metallen und einige Eigenschaften von Nichtmetallen besitzt

Edelgas: (auch Edelgas) Element der Gruppe 18

Nichtmetall: Element, das stumpf erscheint, schlechter Wärme- und Stromleiter

Periode: (auch Serie) horizontale Reihe des Periodensystems

Periodengesetz: Eigenschaften der Elemente sind periodische Funktion ihrer Ordnungszahlen

Periodentafel: Tabelle der Elemente, die Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften nahe beieinander anordnet

Pniktogen: Element der Gruppe 15

Repräsentatives Element: (auch: Hauptgruppenelement) Element in den Spalten 1, 2 und 12-18

Reihen: (auch: Periode) horizontale Reihe des Periodensystems

Übergangsmetall: Element in den Spalten 3-11