Es kommt eher selten vor, dass jemand Geschichte schreibt, indem er etwas nicht tut. Doch Dmitri Mendelejew schaffte das. Der russische Chemiker, der sich angeblich nur einmal im Jahr Haar und Bart von einem Schafscherer stutzen ließ, präsentierte 1869 ein Ordnungssystem, in das er sämtliche damals bekannte chemische Elemente nach zunehmendem Atomgewicht sortiert hatte.

Das hatten zwar bereits einige vor ihm versucht, doch Mendelejew ließ Lücken in seiner Tabelle, dort wo er weitere, damals aber noch unbekannte chemische Elemente vermutete. Als diese Stoffe einige Jahre später gefunden wurden, bestätigte sich die Sortierweise des Russen.

Dass die chemische Formel für Lachgas nicht "HH"ist, ist auch für mich eine herbe Enttäuschung

Kann man eigentlich sagen, wann Elemente entdeckt wurden?

Die Entdeckung chemischer Elemente, die bereits seit der Frühzeit oder Antike bekannt sind, ist in der Geschichte der Chemie nur ungenau datiert und kann je nach Literaturquelle um mehrere Jahrhunderte schwanken. Sicherere Datierungen gibt es erst ab dem 18. Jahrhundert.

Bis dahin waren erst 15 Elemente bekannt und beschrieben, darunter Metalle wie Eisen, Kupfer, Blei, Bismut, Arsen, Zink, Zinn, Antimon, Platin, Silber, Quecksilber und Gold oder Nichtmetalle wie Kohlenstoff, Schwefel und Phosphor.

Was sind eigentlich Elemente im chemischen Sinn?

Ein chemisches Element ist ein Reinstoff, der mit chemischen Methoden nicht mehr in andere Stoffe zerlegt werden kann.

Die meisten Elemente wurden im 19. Jahrhundert entdeckt und wissenschaftlich beschrieben. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren nur noch zehn der natürlichen Elemente unbekannt. Seither wurden vor allem schwer zugängliche, oftmals radioaktive Elemente dargestellt.

Elemente kommen nicht in der Natur vor und sind das Produkt von künstlichen Kernverschmelzungsprozessen. Erst im Dezember 1994 wurden die beiden künstlichen Elemente Darmstadtium und Roentgenium hergestellt.

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Und los geht's

Die Ordnung der Elemente

Wann wollte man die Elemente anordnen und wer machte das nach welchen Kriterien?

Die Idee, eine Anordnung der chemischen Elemente zu erstellen, basiert auf historischen Grundlagen. Im 19. Jahrhundert wurden immer mehr chemische Elemente bekannt. Das Bemühen, diese Elemente überschaubar anzuordnen, wuchs stetig. Und so ging man dazu über, die Elemente nach einer Eigenschaft zu sortieren.

Diese Eigenschaft war die Fähigkeit des Elements, elektrischen Strom zu leiten. Hierbei wurden die Leiter als Metalle bezeichnet und die Elemente, welche den elektrischen Strom nicht leiteten, als Nichtmetalle. Diese einfache Einteilung war eine erste Grundlage.

Als nächsten Schritt unterteilte man die Atome nach Gewicht. Die Atommasse wurde zur zweiten wichtigen Größe, um die  Elemente zu ordnen, jedoch gelang das nur begrenzt wegen der limitierten Messmethodik. So nahm man sich nochmal die chemischen Eigenschaften genauer vor.

Frei nach dem Motto „Wer kann mit wem?“ untersuchte man Elemente nach ihrer Reaktionsfähigkeit mit Wasser oder Sauerstoff. Die Verbindungen wurden untersucht und es wurde zwischen dem sauren, laugenhaften und alkalischen Charakter unterschieden.

Als nächste Entdeckung trug die Einteilung der Elemente in Familien zur Entwicklung des Periodensystems bei. Die Forscher stellten fest, dass verschiedene Stoffe ähnliche Eigenschaften aufwiesen und kategorisierten diese. So entstanden die Familien der Elemente.

Anfang des 19. Jahrhunderts stellte Johann Wolfgang Döbereiner erstmals einen Zusammenhang zwischen der Atommasse und den chemischen Eigenschaften einzelner Elemente fest. 1863 stellte Newlands eine nach Atommassen geordnete Tabelle der Elemente in Achtergruppen (Gesetz der Oktaven) auf.

Der Durchbruch - endlich ist ein System gefunden

Das Periodensystem wurde 1869 nahezu gleichzeitig und unabhängig voneinander von Dmitri Mendelejew (1834–1907) und Lothar Meyer (1830–1895) aufgestellt.

Dabei ordneten sie die chemischen Elemente nach steigenden Atommassen, wobei sie Elemente mit ähnlichen Eigenschaften untereinander anordneten. Im 20. Jahrhundert wurde der Aufbau der Atome entdeckt, die Periodizität wurde durch den Aufbau der Elektronenhülle erklärt.

das Periodensystem ordnet die Elemente> Quelle: Visualhunt
Das Periodensystem - Anordnung der Elemente | Quelle: Visualhunt

Das Periodensystem - ein Wirrwarr von Zahlen und Buchstaben?

Das täuscht gewaltig, denn hat man einmal die Logik verstanden ist das Periodensystem  ein nützliches Instrument in der Chemie. Mit einem Blick auf das Periodensystem lassen sich wesentliche Eigenschaften der Elemente ablesen und Ergebnisse von Reaktionen annähernd bestimmen.

Jedes Element wird durch einen bestimmten Buchstaben abgekürzt. In der Regel gehen die Abkürzungen auf den lateinischen Namen zurück. So leitet sich das O für Sauerstoff von der lateinischen Bezeichnung Oxygenium ab, das H für Wasserstoff geht auf den Namen Hydrogenium zurück.

Die durchlaufende Nummerierung im Periodensystem wird als Ordnungszahl bezeichnet. Derzeit reicht die Nummerierung von 1 bis 118, das heißt es gibt 118 Elemente, die im Periodensystem verzeichnet sind.

Die Ordnungszahl ist nicht nur eine Nummer für eine übersichtliche Anordnung, sondern sie gibt gleichzeitig an, wieviele Protonen, also positiv geladene Teilchen sich im Atomkern befinden.

Mehr zum Teilgebiet der anorganischen Chemie erfährst Du hier!

Der Aufbau der Elemente - oder was sind Atomkern und Atomhülle?

Jedes Element besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Im Atomkern, der winzig klein ist, befinden sich die positiv geladenen Protonen sowie die elektrisch neutralen Neutronen. Umgeben wird der Atomkern von der Atomhülle. In ihr bewegen sich die negativ geladenen Elektronen. Eine Ausnahme bildet der Wasserstoff, der im Kern kein Neutron besitzt.

Der elektrisch negativen Ladung der Atomhülle steht die positive Ladung des Protons entgegen, sodass das Atom nach außen elektrisch neutral ist. Das Element Natrium verfügt beispielsweise über elf Protonen und elf Neutronen im Atomkern. In der Atomhülle befinden sich elf Elektronen.

Die Atommasse und ihre Bedeutung

Die Protonen und Neutronen des Atomkerns machen im wesentlichen die Masse des Atoms aus, die durch die Massezahl gekennzeichnet ist. Die absoluten Massen der einzelnen Atome sind sehr gering. 1962 wurde als neuer Standard für die atomare Masseneinheit nämlich 1/12 der Masse des Kohlenstoffisotops 12 C festgelegt.

Dies machte Sinn, denn mit den extrem kleinen Massen der Atome  zu rechnen ist kompliziert. Die atomare Masseneinheit ist "u" hergeleitet vom englischen Begriff unit. Ein "u" ist ein Wert mit 24 Nullen vor der Zahl 166 gemessen in Gramm und stellt das Gewicht eines Protons oder Neutrons dar.

Beim Sauerstoff hat man die Massezahl 16 also 8 Protonen und 8 Neutronen also 16 u. Die Masse der Elektronen ist zu vernachlässigen, da sie nur 0,1 % des Gewichtes eines Atoms ausmachen. Die Masse der jeweiligen Elemente nimmt von oben nach unten und von links nach rechts im Periodensystem zu.

Isotope

Nicht ganzzahlige Massenzahlen von Elementen zeigen die Existenz von Isotopen an. Isotope eines Elementes haben bei gleicher Protonenzahl  eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen im Kern, damit eine unterschiedliche Masse und variierende Eigenschaften.

Die Gruppen im Periodensystem

Im Periodensystem steigt die Ordnungszahl von Element zu Element in einer Reihe  von links nach rechts jeweils um 1 an . Das Periodensystem ist aber nicht nur eine Reihe, sondern es hat mehrere Zeilen und diese Zeilen sind die Perioden. Und was periodisch dort wiederkehrt, sind die Eigenschaften der Elemente die untereinander stehen.

Elemente, die im Periodensystem untereinander stehen, bilden jeweils eine Gruppe. Das Periodensystem gliedert sich in acht Haupt- und zehn Nebengruppen. Alle Hauptgruppenelemente einer Gruppe besitzen ähnliche chemische Eigenschaften, weil sie auf der äußeren Schale über die gleiche Anzahl von Elektronen verfügen.

Was sind Valenzelektronen?

Die Elemente der zweiten Hauptgruppe besitzen alle zwei Elektronen auf der äußersten Schale. Diese Elektronen werden als Valenzelektronen bezeichnet. Und die sind dafür verantwortlich, dass die Elemente Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium und Radium ähnliche chemische Eigenschaften besitzen.

Die Valenzelektronen sind es, die bei Reaktionen das chemische Verhalten der Atome bestimmen. Sie werden vom Atomkern am wenigsten gebunden, weil sie am weitesten von ihm entfernt sind. Folglich können die Valenzelektronen leicht abgespalten werden. Gehen zwei Atome eine Bindung ein, sind es die Valenzelektronen, die an der Bindung beteiligt sind.

Die Bedeutung der Oktettregel

Elemente der ersten Hauptgruppe, die, wie wir gelernt haben, nur ein Aussenelektron besitzen, wollen dieses Valenzelektron gerne abgeben, um dann mit acht Elektronen auf der äußeren Schale Edelgaskonfiguration zu erlangen. Deshalb sind die Elemente der ersten Hauptgruppe besonders reaktiv.

Aber was ist eine Edelgaskonfiguration? Die Edelgase, die sich in der achten Hauptgruppe des Periodensystems befinden, sind sehr reaktionsträge. Das liegt daran, dass die Schale der Edelgase mit acht Elektronen bereits voll besetzt ist. Edelgase können und wollen somit kein weiteres Elektron mehr aufnehmen und befinden sich energetisch gesehen in einem stabilen Zustand.

Jedes Element ist bestrebt acht Elektronen auf seiner äußerten Schale zu haben (Oktettregel), um somit Edelgaskonfiguration zu erreichen. Eine Ausnahme ist das Wasserstoffatom, das anstrebt nur ein weiteres Elektron aufzunehmen, denn damit ist die maximale K-Schalen Kapazität von zwei Elektronen erreicht.

Gruppenbezeichnungen des Periodensystems

In der ersten Gruppe befinden sich, mit Ausnahme des Wasserstoffs, die Alkalimetalle. Sie glänzen silbrig und sind besonders reaktiv. Die Elemente der zweiten Gruppe des Periodensystems, die Erdalkalimetalle, sind insbesondere am Aufbau der Erdkruste beteiligt.

Für die Hauptgruppen drei, vier und fünf leitet sich der Hauptgruppenname immer vom ersten Element ab, demzufolge haben wir hier die Bor-, Kohlenstoff- und Stickstoffgruppe. Die Elemente der sechsten Hauptgruppe des Periodensystems sind die Chalkogene. Diese kommen in der Natur meist in Form von Salzen und Mineralien vor.

Die Halogene, die sogenannten Salzbildner, befinden sich in der siebten Gruppe des Periodensystems. Die Edelgase, die keine Neigung zeigen chemische Reaktionen einzugehen, sind in der letzten also achten Hauptgruppe zu finden.

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Das Schalenmodell

Mit dem Schalenmodell lassen sich viele chemische und physikalische Vorgänge erklären. Die Schalen im Periodensystem symbolisieren die Kreisbahnen, auf denen sich die Elektronen bewegen. Sie werden auch als “Energieniveau” bezeichnet.

Gruppenbild der Nobelpreisträger| Quelle: Visualhunt
Niels Bohr (links) Entwickler des Atom Schalenmodells | Quelle: Visualhunt

Die Bahnen sind um den Atomkern angeordnet. Jede Bahn wird mit einem Buchstaben (K, L, M, N,...) oder einer Zahl (n=1, 2, 3, 4,...) bezeichnet. Die K-Schale kann maximal zwei Elektronen aufnehmen. Ihr folgt die L-Schale, die maximal acht Elektronen Platz bietet. Die Anzahl der Elektronen, die jede Schale aufnehmen kann berechnet sich nach der folgenden Formel (2 * n^2).

Erfahre mehr zum Teilgebiet der oragnischen Chemie!

Das Orbitalmodell

Mit fortschreitender Forschung erkannte man, dass das Schalenmodell, insbesondere bei Reaktionen der Nebengruppenelemente und der Elemente mit einer Ordnungszahl, die höher ist als 20 ist, an Grenzen stößt.

Eine Weiterentwicklung des Schalenmodells stellt das Orbitalmodell dar. Ein Orbital beschreibt einen bestimmten Bereich um einen Atomkern, in dem sich ein Elektron mit einer Wahrscheinlichkeit von ungefähr 90 % aufhält. Die Anzahl der Orbitale ist umso größer, je weiter diese vom Atomkern entfernt sind.

So umfasst die erste (K -) Schale nur ein Orbital – das s-Orbital –, die zweite (L-) Schale schon vier Orbitale – ein s-Orbital und drei p-Orbitale – die dritte (M-) Schale 9 Orbitale – ein s-Orbital, drei p-Orbitale und fünf d-Orbitale usw.

Formen und Energieniveaus der Orbitale

Zu jeder Hauptenergiestufe (Schale) gehört ein kugelsymmetrisches Orbital, welches man durch ein „s“ kennzeichnet. Die Größe dieses s-Orbitals richtet sich nach der Schale, der es zuzuordnen ist. Sie nimmt mit steigender Zahl (n) zu.

 Atom Orbitalmodell
Darstellung des Orbitalmodells mit den kreisrunden s Orbitalen und den hantelförmigen p Orbitalen| Quelle: visualhunt

Auf dem zweiten Energieniveau (n=2) und auf jedem Folgenden gibt es drei sogenannte p-Orbitale, die alle den gleichen Energiegehalt, sowie die gleiche Größe und Form aufweisen. Diese Orbitale sind hantelförmig und stehen senkrecht aufeinander, sie sind also räumlich gerichtet. Man bezeichnet sie auch als px- , py- und pz-Orbitale.

Ab dem dritten Hauptniveau (n=3) gibt es zusätzlich noch fünf d-Orbitale, von denen vier rosettenförmig sind und eins hantelförmig, wie ein p-Orbital nur mit einem zusätzlichen Ring. Die f-Orbitale werden bei den Lanthanoiden und den Actinoiden mit Elektronen besetzt. Von ihnen gibt es sieben, deren Formen komplex sind.

Das PAULI-Prinzip und die HUNDsche Regel

In jedem Orbital befinden sich maximal zwei Elektronen. Die Elektronen in einem Orbital müssen immer durch mindestens eine Eigenschaft unterscheidbar sein. Der sogenannte Elektronenspin, also die Drehrichtung der Elektronen, ist solch eine Unterscheidungsmöglichkeit.

Bei der Verteilung der Elektronen auf die Orbitale wird jeweils zuerst das energieärmste noch freie Orbital besetzt. Orbitale der gleichen Energiestufe werden zunächst einfach besetzt. Erst wenn alle Orbitale einer Hauptenergiestufe ein Elektron haben, werden die Orbitale sukzessive doppelt besetzt.

Die Nebengruppen des Periodensystems

Die Namen der Nebengruppe leiten sich jeweis vom ersten Element der jeweiligen Gruppe ab. Wir starten mit der Scandium-, Titan-, Vanadium- , Chrom -, Mangangruppe und enden mit der Zinkgruppe.

Alle Nebengruppenelemente sind Metalle und bilden farbige, stabile Komplexverbindungen. Die Elemente der mittleren Gruppen können in vielen verschiedenen Oxidationsstufen auftreten. Dies hat massgeblich damit zu tun, wie die Energieniveaus sprich Orbitale mit Elektronen besetzt sind.

Während in den Hauptgruppen die Anzahl der Valenzelektronen einer Gruppe identisch sind, ist das bei den Nebengruppen des Periodensystems etwas komplizierter. Die Nebengruppenelemente tauchen erst ab der dritten Periode auf und es gesellen sich dann zu den s- und p-Orbitalen noch die d-Orbitale.

Überraschenderweise werden aber die d -Orbitale der 3. Periode erst dann besetzt, wenn das s - Orbital der 4. Schale besetzt wurde. Eisen beispielsweise hat die Elektronenkonfiguration 3d6 4s2, das bedeutet, dass man erst das energetisch günstigere s - Orbital der 4. Schale besetzt hat, ehe man die d-Orbitale der 3. Schale mit den restlichen 6 Aussenelektronen des Eisens auffüllt.

Die Elektronegativität im Periodensystem

Die Elektronegativität (EN) gibt das Bestreben eines Atoms an, innerhalb eines Moleküls Bindungselektronen an sich zu ziehen. Die Elektronegativität nimmt im Periodensystem von unten nach oben und von links nach rechts zu.

Francium 1. Hauptgruppe
Francium ist das Element mit der geringsten Elektronegativität| Quelle: Visualhunt

Die Werte der Elektronegativität sind im Periodensystem für jedes Element eingetragen. Natrium beispielsweise hat eine Elektronegativität von 0,9 und Chlor eine Elektronegativität von 3,2. Die Differenz, die immer positiv sein muss, beträgt in diesem Fall 2,3. Es liegt eine Ionenbindung im Fall von NaCl-Speisesalz vor.

Ergibt die Differenz der Elektronegativität einen Wert von 0,1 bis 0,4, handelt es sich um eine schwache polare Atombindung. Ein Atom beansprucht Elektronenpaare daher etwas stärker als das andere Atom. Bei Werten unterhalb von 0,1 ist die Bindung unpolar und es liegt eine kovalente Atombindung vor.

Eine starke polare Atombindung liegt bei Werten von 0,4 bis 1,7 vor. Ist die Differenz der Elektronegativität der beteiligten Elemente größer als 1,7, spricht man von einer ionischen Verbindung. Die Bindungselektronen gehen hierbei komplett auf einen Bindungspartner über.

Die Elektronegativität ist Anhaltspunkt für die Polarität, das heißt für die Ladungsschwerpunkte und den Ionenbindungcharakter einer Bindung. Die Bindung wird polarer, je stärker sich die gebundenen Elemente in ihrer Elektronegativität unterscheiden.

Zum Schluss

Dieser Artikel sollte uns nicht abschrecken, sondern ermutigen die naturwissenschaftliche Bildung bei Kindern bereits im Grundschulalter zu fördern. Kinder sollten bereits frühzeitig in einfacher Form mit Chemie und Physik in Berührung gelangen.

Um die Dinge nicht so trocken zu gestalten, gibt es gerade in den Naturwissenschaften viele Wege die Fakten originell zu vermitteln, wie z.B. die Hauptgruppenelemente der Halogene.

"Fürs Clo Brauch Ich Ata"

In diesem Sinne - schaut mal bei Superprof vorbei - unsere Lehrer/innen für Chemie helfen gerne weiter!

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Karl Heinz

Hi, it's me - Karl Heinz, not really new, but still active. My passions are outdoor activities. I love the nature, riding the bike, hiking through the mountains, preferably with my wife and my dog. These are opportunities to let flow my thoughts and get inspiration for writing comments and blogs.