Home > Chemie > Klasse 8 und 9 > Atombau

Atombau und Periodensystem

Einleitung - Rosinenkuchenmodell - Kern-Hülle-Modell - Schalenmodell - Periodensystem

Hauptgruppen-Elemente

Wenn man die Elektronenkonfiguration eines Atoms kennt, so weiß man auch, wo das Element im Periodensystem steht. Und umgekehrt kann man aus der Stellung eines Elementes im Periodensystem auf die Elektronenkonfiguration schließen.

Beispiel 1: Ein Element hat die Elektronenkonfiguration K2L8M5.

Da es drei besetzte Schalen hat, steht es in der dritten Periode des Periodensystems.

Auf der Außenschale hat das Atom 5 Elektronen, also muss es in der fünften Gruppe des Periodensystems stehen. Es kann sich also nur um das Element Phosphor handeln.

Beispiel 2: Welche Elektronenkonfiguration hat ein Element der zweiten Periode und der dritten Gruppe?

Dieses Element hat zwei Schalen, also K und L. Auf der L-Schale befinden sich drei Elektronen. Hier handelt es sich eindeutig um das Element Bor mit der Elektronenkonfiguration K2L3.

Nebengruppen-Elemente

Hier wird die Sache komplizierter. Die erste Schale fasst maximal zwei Elektronen, die zweite Schale maximal 8. Damit lässt sich die Chemie der ersten zwei, drei Perioden recht einfach erklären. In der vierten Periode gibt es aber eine ganze Reihe sogenannter Nebengruppen im Periodensystem. Bekannte Metalle wie Eisen, Nickel, Chrom und Kupfer gehören zu den Nebengruppenelementen. Wie sieht es hier mit der Elektronenverteilung aus?

Für Experten

Auf die dritte Schale passen 18 Elektronen. Bei den Hauptgruppenelementen der 3. Periode ist die dritte Schale aber nur mit maximal 8 Elektronen besetzt. Das Edelgas Argon hat z.B. die Elektronenkonfiguration K2L8M8.

Jetzt geht es mit den beiden Elementen Kalium K2L8M8N1 und Calcium K2L8M8N2 weiter. Das nächste Element ist jetzt ein Nebengruppenelement, nämlich das Scandium mit der Ordnungszahl 21 und der Elektronenkonfiguration K2L8M9N2. Das "neue" Elektron wird also nicht in die vierte Schale eingefügt, sondern in die - noch unvollständige - dritte. So geht das mit den nächsten Nebengruppenelementen weiter. Das Titan hat 10 Elektronen auf der M-Schale, das Vanadium 11 und so weiter. Zink ist das letzte Nebengruppenelement der vierten Periode und hat 18 Elektronen auf der M-Schale:K2L8M18N2.

Jetzt kommt das nächste Element, das Galium. Da die M-Schale vollbesetzt ist, wird nun die Außenschale, die N-Schale aufgefüllt: K2L8M18N3. So geht das weiter bis zum nächsten Edelgas, dem Krypton: K2L8M18N8.

Chemisches Verhalten der Hauptgruppen-Elemente

Hauptgruppen I und II

Alkalimetalle und Erdalkalimetalle haben nur ein bzw. zwei Außenelektronen. Diese können relativ leicht abgegeben werden, wie die Versuche mit den Ionisierungsenergien gezeigt haben. Aus diesem Grund sind die Elemente der beiden Hauptgruppen I und II besonders reaktiv, vor allem die Element der Hauptgruppe I, die Alkalimetalle, sind äußerst reaktiv. Natrium und Kalium reagieren bekanntlich bereits bei Zimmertemperatur mit Sauerstoff und Wasser. Bei diesen Reaktionen geben die Alkalimetall-Atome das einzige Außenelektron ab, und dann kommt die darunter liegende Elektronenschale "zum Vorschein". Beim Natrium-Atom mit der Elektronenkonfiguration K2L8M1 ist die M-Schale die Außenschale; nach Abgabe eines Elektrons hat das Natrium-Kation die Konfiguration K2L8. Jetzt ist die vollbesetzte L-Schale plötzlich die Außenschale, und damit hat das Natrium-Kation die gleiche Elektronenkonfiguration wie das Edelgas Neon. Diese Edelgaskonfiguration ist extrem stabil; Edelgase zeigen keinerlei Neigung, Elektronen abzugeben und gehen daher so gut wie keine chemischen Reaktionen ein.

Metalle, Nichtmetalle, Halbmetalle

Eine weitere Regelmäßigkeit fällt auf: Elemente der Hauptgruppen I bis III, die leicht Elektronen abgeben, haben weitgehend metallische Eigenschaften, während die Elemente, die eher Elektronen aufnehmen (also die Elemente rechts im PS) weitgehend nichtmetallische Eigenschaften besitzen. Aluminium beispielsweise ist ein Element der dritten Hauptgruppe, und Aluminium ist ein typisches Metall. Chlor dagegen ist ein Element der siebten Hauptgruppe und ein typisches Nichtmetall.

Nur die Elemente in der Mitte des Periodensystems machen gelegentlich Probleme, mal sind sie eher ein Metall, mal eher ein Nichtmetall. Besonders deutlich wird das bei den Elementen der vierten Hauptgruppe, Silicium und Germanium. Beide Elemente haben sowohl metallische wie auch nichtmetallische Eigenschaften, weshalb sie auch als Halbmetalle oder Halbleiter bezeichnet werden. Aber gerade diese halbmetallischen Eigenschaften sind es, die diese Metalle für die Elektronik so wichtig machen.

Warum ist das so? Halbleiter findet man in nahezu allen modernen Elektrogeräten, ob in Computern, Fernsehgeräten, Smartphones oder Tablets. Sie werden darin als steuerbare Schalter verwendet und benötigen nur eine sehr geringe Spannung. Dementsprechend steht anderen Bauteilen im System mehr Energie zur Verfügung. Durch Halbleiter wird eine sehr genaue Steuerung des Stromflusses in einem System gewährleistet. Obwohl halbleitende Werkstoffe für vielerlei Zwecke verwendet werden, stehen davon ausreichend zur Verfügung, weshalb damit hergestellte Geräte auch größtenteils erschwinglich bleiben. Einige Halbleiter sind reine Elemente, wie beispielsweise Silicium. Ein kleiner Exkurs: Silicium wird so häufig in der Elektronikfertigung verwendet, dass das Silicon Valley, Zentrum der Technologie in den USA, dem Halbleiterwerkstoff seinen Namen verdankt. Ohne Halbleiter geht also nichts, wenn es um moderne elektronische Geräte geht. Unternehmen wie die Ihlemann AG oder vergleichbare Firmen benötigen sie zwingend bei der Herstellung von Prototypen elektronischer Geräte, bei der Bestückung von Leiterplatten und zahlreichen anderen Arbeits- und Produktionsprozessen. Da Halbleiter Eigenschaften von Leitern und Nichtleitern haben, muss die Leitfähigkeit verstärkt werden. Dazu wird die Anordnung der Atome innerhalb des Stoffes verändert. Bitte merken – diesen Vorgang nennt man Dotierung.

Vierte Hauptgruppe

Innerhalb einer Gruppe nehmen die metallischen Eigenschaften der Elemente zu. Schauen wir uns das am Beispiel der dritten und vierten Hauptgruppe an. Der Kohlenstoff ist ein typisches Nichtmetall. Sein Oxid, das Kohlenstoffdioxid, bildet z.B. mit Wasser eine Säure, nämlich die Kohlensäure.

Die beiden nächsten Elemente der vierten Gruppe, Silicium und Germanium, gehören zu den Halbmetallen, haben also teilweise schon metallische Eigenschaften. Das vierte Element der vierten Hauptgruppe ist das Zinn. Hier handelt es sich bereits eindeutig um ein bekanntes Metall. Es ist allerdings sehr weich, lässt sich aber noch nicht unbedingt mit dem Messer schneiden. Das nächste Element der vierten Hauptgruppe ist das Blei, ebenfalls ein recht weiches Metall. Unter dem Blei steht das Flerovium, das 1999 zum ersten Mal künstlich hergestellt wurde. Obwohl seine Halbwertszeit mit 5 Sekunden extrem lang für ein künstliches Element ist, ist von den Eigenschaften noch nicht viel bekannt. Trotzdem kann man sagen, dass eer metallische Charakter in der vierten Hauptgruppe von oben nach unten zunimmt.

Dritte Hauptgruppe

Gehen wir nun eine Gruppe weiter nach links, wir nähern uns also den Alkalimetallen; es müssen nur drei Elektronen abgegeben werden, um den Edelgaszustand zu erreichen, daher sollte man erwarten, dass die Elemente weicher sind als die der vierten Hauptgruppe, niedrigere Schmelz- und Siedepunkte haben und außerdem reaktiver sind. Vom Zinn kommen wir so zum Indium. Unsere Erwartungen werden bestätigt. Das Element ist sehr weich, es lässt sich wie Natrium mit einem Messer zerschneiden, ohne aber die hohe Reaktivität des Natriums zu haben. Erst bei höheren Temperaturen reagiert es z.B. mit Sauerstoff.

Das fünfte Element der dritten Hauptgruppe, das Thallium, ist noch metallischer, und vor allem ist es - wie erwartet - reaktiver als das Indium. Ähnlich wie ein Alkalimetall überzieht es sich an der Luft sofort nach dem Schneiden mit einer frischen Oxidschicht. Allerdings reagiert Thallium nicht mit Salzsäure oder Schwefelsäure.

Das sechste Element der dritten Hauptgruppe ist das Nihonium, das erst 2003 zum ersten Mal künstlich hergestellt wurde. Seine Eigenschaften sind noch nicht bekannt.

Fünfte Hauptgruppe

Schauen wir uns nun die fünfte Hauptgruppe an - damit entfernen wir uns von den Alkalimetallen und nähern uns den Edelgasen. Hier müssen die Elemente entweder fünf Elektronen abgeben oder drei aufnehmen, um die Edelgaskonfiguration zu erlangen. Die Aufnahme von drei Elektronen sollte wesentlich einfacher sein als die Aufnahme von fünf Elektronen. Die fünfte Hauptgruppe beginnt mit dem Stickstoff und dem Phosphor, zwei typischen Nichtmetallen. Dann kommt als drittes Element das Arsen, welches früher oft zum Vergiften berühmter Persönlichkeiten eingesetzt wurde. Arsen ist bereits ein typisches Metall, allerdings ist es recht spröde, und der metallische Glanz könnte auch deutlicher sein. Antimon ist aber ein "richiges" Metall, es hat einen intensiven Glanz, und für Bismut (früher Wismut) gilt das noch mehr. Moscovium wurde erste 2004 künstlich hergestellt. Es steht im PSE unter dem Bismut. Über die Eigenschaften ist noch nichts bekannt.

Während in den ersten drei Hauptgruppen eine Zunahme der Reaktivität von oben nach unten zu beobachten ist (sowie eine Abnahme der Härte, der Schmelzpunkte und der Siedepunkte), kann man in den rechten Hauptgruppen das Gegenteil beobachten. Hier nimmt die Reaktivität nach oben zu, ebenso nehmen Härte, Schmelzpunkte und Siedepunkte nach oben hin ab. Das könnte wohl daran liegen, dass die Elemente der "linken" Hauptgruppen danach bestrebt sind, Elektronen abzugeben, während die Element der "rechten" Hauptgruppen lieber Elektronen aufnehmen, also das Gegenteil machen.

Sechste Hauptgruppe

Auch in der sechsten Gruppe findet man, dass der Metallcharakter der Elemente von oben nach unten zunimmt. Sauerstoff ist ein Gas, Schwefel ein Feststoff, aber beide sind Nichtmetalle. Das Selen könnte man als Halbmetall bezeichnen, es kommt in zwei Modifikationen vor, einer metallischen und einer nichtmetallischen. Auch vom Tellur gibt es eine metallische und eine nichtmetallische Modifikation. Das nächste Metall der sechsten Gruppe ist das radioaktive Polonium, ein silberweiß glänzendes Schwermetall. Das Element Livermorium, das im PSE unter dem Polonium steht, wurde im Jahre 2000 zum ersten Mal künstlich hergestellt. Über seine Eigenschaften ist noch nichts bekannt.

Siebte Hauptgruppe

Selbst in der siebten Gruppe findet sich neben den Nichtmetallen FluorChlorBrom und Jod das Halbmetall Astat. Allerdings sind von diesem Element nur geringe Mengen verfügbar, so dass noch nicht viele Eigenschaften bekannt sind. Aber der Trend innerhalb dieser Hauptgruppe ähnelt dem Trend der anderen Hauptgruppen: Fluor und Chlor sind bei Zimmertemperatur Gase, Brom ist eine Flüssigkeit, es sind also typische Nichtmetalle. Iod ist bei Zimmertemperatur fest und glänzt teilweise schon metallisch, ist aber noch ein typisches Nichtmetall. Astat ist ein Halbmetall, das aber keine praktische Bedeutung hat, da es nur extrem selten in der Natur vorkommt. Das wenige Astat, das für wissenschaftliche oder technische Zwecke benötigt wird, wird meistens künstlich erzeugt. Das Element Tennes, das im PSE unter dem Astat steht, wurde erst 2010 zum ersten Mal künstlich hergestellt. Über seine Eigenschaften weiß man noch gar nichts.

Fazit

Das chemische Verhalten eines Elementes hängt nicht nur, aber in erster Linie von der Zahl der Außenelektronen und auch von der Zahl der Elektronenschalen ab. Reaktivität, Weichheit, nichtmetallischer Charakter, niedrige Schmelz- und Siedetemperaturen nehmen in den "linken" Gruppen von oben nach unten, in den "rechten" Gruppen von unten nach oben zu.

Chemisches Verhalten der Nebengruppen-Elemente

Wir betrachten nun die Elemente der vierten Periode, die zwischen dem Calcium und dem Galium stehen, die Nebengruppenelemente Scandium bis Zink.
  • Scandium: ein silberweißes Leichtmetall, unedel
  • Titan: ein silberweißes Leichtmetall, relativ unedel
  • Vanadium: ein stahlgraues Schwermetall, relativ unedel
  • Chrom: ein bläulich-weißes Schwermetall, wird durch seine Oxidschicht gegen Luft und Säurengeschützt.
  • Mangan: ein stahlgraues Schwermetall, unedel
  • Eisen: ein silberweißes Schwermetall, etwas unedel (wird von Salzsäure aufgelöst)
  • Cobalt: ein stahlgraues Schwermetall, etwas unedel (wird von Salzsäure aufgelöst)
  • Nickel: ein silberweißes Schwermetall, einigermaßen edel (reagiert jedenfalls nicht mit Salzsäure)
  • Kupfer: ein hellrotes Schwermetall, recht edel
  • Zink: ein bläuliches Schwermetall, relativ unedel
  • Gallium: ein weißes, sehr weiches Metall, relativ unedel.
Fazit

ein System ist hier nicht erkennbar. Das chemische Verhalten wird zwar durch die Elektronen der dritten Schale verändert, aber es steckt kein (sofort erkennbares) System dahinter. Viele Metalle sind relativ unedel, aber Metalle wie Kupfer, Silber, Gold und Platin sind andererseits sehr edel.

Periodische Eigenschaften

Dass das chemische Verhalten der Hauptgruppenelement stark von der Zahl der Außenelektronen beeinflusst wird, haben wir bereits gesehen. Andere Eigenschaften der Atome hängen auch von der Stellung der entsprechenden Elemente im Periodensystem ab.

Massen:

Innerhalb einer Periode und innerhalb einer Gruppe nehmen die Massen der Atome zu. Das liegt ganz einfach an der steigenden Kernladungszahl, also an der Zahl der Protonen im Atomkern sowie an der Zahl der Neutronen.

Atomradien:

Innerhalb einer Gruppe nehmen die Atomradien zu. Logisch, denn die Zahl der Schalen nimmt zu, und jede zusätzliche Schale vergrößert den Durchmesser eines Atoms.

Innerhalb einer Periode nimmt der Atomradius ab. Die Kernladungszahl nimmt innerhalb einer Periode zu, damit steigt die Anziehungskraft Kern - Elektronen.

Ionenradien:

Wenn ein Atom seine Außenelektronen abgibt, so verschwindet die bisherige Außenschale. Der Radius von Kationen ist daher kleiner als der der entsprechenden Atome. 

Wenn ein Atom dagegen ein zusätzliches Elektron aufnimmt, weil in seiner Außenschale noch entsprechender Platz ist, ist der Radius des Anions größer als der des neutralen Atoms.

Elektronegativität:

Unter der Elektronegativität versteht man die Tendenz eines Atoms, Elektronen einer kovalenten Bindung zu sich zu ziehen. Diesen Begriff hatten wir noch nicht im Unterricht, daher die etwas längere Erklärung. Die Elektronegativität steigt innerhalb einer Periode kontinuierlich an und sinkt innerhalb einer Gruppe. Daher hat das Element Fluor die höchste Elektronegativität, während die Alkalimetalle eine sehr geringe Elektronegativität haben.

Ionisierungsenergie:

Die Ionisierungsenergie - diesen Begriff hatten wir kennengelernt, als wir das Schalenmodell des Atoms besprachen - nimmt innerhalb einer Periode zu, nimmt aber innerhalb einer Gruppe ab. Auch hier ist die steigende Kernladungszahl bzw. der zunehmende Radius des Atoms der entscheidende Faktor.

Metallcharakter:

Der Metallcharakter nimmt innerhalb einer Periode ab, wie man am Beispiel der zweiten Periode gut sehen kann. Lithium und Beryllium sind eindeutig Metalle, die Elemente Bor bis Neon sind Nichtmetalle. In den nächsten Perioden gibt es dann zwischen den Metallen (links) und den Nichtmetallen (rechts) noch die Halbmetalle oder Halbleiter (siehe weiter oben). Silicium, Germanium, Arsen etc. haben sowohl metallische wie auch nichtmetallische Eigenschaften.

Bei den linken Gruppen des PSE nimmt der Metallcharakter von oben nach unten ab. Lithium ist deutlich metallischer als Cäsium, Beryllium ist metallischer als Barium.

Bei den rechten Gruppen nimmt der Metallcharakter dagegen von oben nach unten zu. Iod ist zwar immer noch ein Nichtmetall, ist jedoch stärker "metallisch" als Fluor oder Chlor. Besonders deutlich wird das in der vierten Hauptgruppe. Ganz oben steht das typische Nichtmetall Kohlenstoff, ganz unten das typische Metall Blei. Die Eigenschaften von Flerovium, dem Element 114, sind noch nicht geklärt, aber eigentlich müsste es noch metallischer als Blei sein, denn es steht in der gleichen Gruppe wie Blei, aber eine Periode tiefer.

Seitenanfang -
Einleitung - Rosinenkuchenmodell - Kern-Hülle-Modell - Schalenmodell - Periodensystem