Wie ist das Periodensystem geordnet?

Das Periodensystem

Das Periodensystem hat seine Struktur erhalten, nachdem einige Wissenschaftler, die bis dahin bekannten Informationen über die Atome und deren Aufbau nutzten, um eine Übersicht aller Atome zu erstellen. 

Historische Grundlagen

Die Physiker Rutherford und Bohr stellten um die Jahrhundertwende des 19. Jahrhunderts ihre noch heute bekannten Atommodelle auf und hatten mit diesem entscheidenden Einfluss auf die Gestaltung des Periodensystems. Sie fanden heraus, dass ein Atom aus dem Atomkern und der Atomhülle besteht. Im Kern befinden sich positiv geladene Protonen und neutrale (ungeladene) Neutronen. In der Hülle befinden sich negativ geladene Elektronen, die sich in verschiedenen Abständen um den Kern bewegen. Ihre Flugbahnen verdeutlichte man mittels Schalen. Die Schalen, die mit den Kennbuchstaben ab $K$ aufwärts betitelt wurden, können jeweils eine bestimmte Zahl an Elektronen aufnehmen. So passen in die ersten Schale (K - Schale) maximal zwei Elektronen, bis diese vollständig gefüllt ist. Die zweite Schale (L- Schale) kann maximal acht Elektronen aufnehmen und die dritte Schale (M) 18 Elektronen. Die maximal mögliche Zahl der Elektronen auf einer Schale berechnet sich so nach $2*n^2$ (n=Schalennummer). Betrachtet man jedoch nur die Hauptgruppenelemente befinden sich in der äußersten Schale eines Atoms nie mehr als acht Elektronen. Die Außenelektronen eines Atoms werden auch Valenzelektronen genannt.

Die Anzahl der Valenzelektronen gibt Aufschluss über die Eigenschaften eines Stoffes. Man hat herausgefunden, dass Atome, die die gleiche Zahl an Außenelektronen haben, ähnliche Eigenschaften aufweisen. Dieses Wissen hat man bei der Gestaltung des Periodensystems mit einfließen lassen. 

Wie du gerade schon erfahren hast, befinden sich im Kern eines Atoms positiv geladenen Protonen und neutrale (ungeladene) Neutronen. Diese sind jeweils ungefähr gleich schwer. Die Elektronen hingegen besitzen eine unglaublich kleine Masse. Aus diesem Grund definiert der Kern die Masse eines Atoms. Dabei setzt sich das Gewicht beinahe eins zu eins aus den Protonen und den Neutronen zusammen. Die Masse eines Protons (bzw. Neutrons) wird in der atomaren Masseneinheit $u$ (unit) angegeben. $1u$ entspricht einer Masse von: $0,0000000000000000000000166054=1,66054*10^{-24}g$

Die Hauptgruppen des Periodensystems

Da die Protonen eines Atoms die einzigen geladenen Teilchen im Kern sind, definieren sie auch die Ladung des gesamten Kerns. Die Anzahl der Protonen nennt man auch Kernladungszahl. Die Kernladungszahl bestimmt im Periodensystem die Reihenfolge der Stoffe von klein nach groß aufsteigend.

In dieser Abbildung siehst du die Übersicht über die Atome, die sich auch im Periodensystem befinden. 

Schauen wir uns an, was die einzelnen Zahlen bedeuten. Oben links in jedem Feld befindet sich die Kernladungszahl, die im Periodensystem auch Ordnungszahl genannt wird. Unter der Abkürzung für das jeweilige Element befindet sich die zugehörige Massenzahl. Wie dir vielleicht auffällt, tauchen ab der 20. Ordnungszahl Sprünge auf. Das liegt daran, dass in dieser Übersicht nur die Hauptgruppenelemente aufgeführt sind. Die fehlenden, sogenannten Nebengruppenelemente schauen wir uns später an.

Hauptgruppen und Perioden

Wie du in der Abbildung sehen kannst, ist das Periodensystem in Perioden und Gruppen unterteilt. In jeder Periode befinden sich Elemente, deren Atome die gleiche Anzahl an Schalen besitzen. Beispielsweise haben alle Atome in der 3. Periode drei Schalen (K, L und M). Zudem siehst du, dass es acht Hauptgruppen gibt. 

Dem russische Chemiker Dmitri Mendelejew fiel bei der Sortierung der Stoffe auf, dass die Elemente in regelmäßigen Abständen ähnliche Eigenschaften besaßen. Daraus leitete er das Gesetz der Oktaven ab, da sich jeder achte Stoff in eine Elementfamilie einordnen ließ. So entstanden die acht Hauptgruppen (I-VIII) der Elemente. Die Nummer der Hauptgruppe gibt dabei die Anzahl der Elektronen an, die sich auf der äußersten Schale befinden (die sogenannten Valenzelektronen, Ausnahme: Helium mit zwei Elektronen auf der ersten Schale).

Masse und Radius der Atome

Das Periodensystem der Elemente liefert dir Informationen über die Masse und den Radius eines Atoms. Dabei steigt die Höhe der Masse innerhalb jeder Hauptgruppe (von oben nach unten) und Periode (von links nach rechts) an. So hat Lithium (Li) beispielsweise eine höhere Masse als Helium (He) und Argon (Ar) eine größere Masse als Neon (Ne).

Den Radius eines Atoms kannst du anhand der Perioden ermitteln. In jeder Periode, aufsteigend von oben nach unten, vergrößert sich die Anzahl der Schalen jeweils um eins. Dadurch ist auch der Radius des jeweiligen Atoms größer. Für die gerade genannten Elemente würde das beispielsweise bedeuten, dass ein Lithiumatom zwei Schalen (K- und L - Schale) und ein Argonatom drei Schalen (K -, L - und M - Schale) aufweist. Da sich jede zusätzliche Schale weiter vom Atomkern entfernt befindet, ist somit der Radius größer, je mehr Schalen vorhanden sind.

Die Nebengruppen des Periodensystems

Die folgenden Informationen sind für dich noch nicht von großer Bedeutung, gehören aber zu einem vollständigen Bild über das Periodensystem der Elemente dazu.

Wie du schon erfahren hast, überspringt das oben gezeigte Periodensystem einige Ordnungszahlen. Das liegt daran, dass es noch weitere Elemente gibt, die jedoch nicht zu den Hauptgruppen gehören. Diese Elemente liegen zwischen der zweiten und dritten Hauptgruppe, erfüllen jedoch nicht das Gesetz der Oktaven. Daher hat man sie von den Hauptgruppen getrennt.

Die Nebengruppenelemente sind mit jeweils zehn Elementen in jeder Periode zusammengefasst und in (Neben-)Gruppen eingeteilt, die von I bis VIII verlaufen. Im Anfangsunterricht des Fachs Chemie spielen die Elemente der Nebengruppen aber zunächst eine untergeordnete Rolle.

Nun solltest du die wichtigsten Dinge über das Periodensystem und seine Anordnung wissen. Das Gelernte kannst du jetzt anhand unserer Übungsaufgaben vertiefen. Wir wünschen dir viel Spaß und Erfolg dabei!