Periodensystem der Elemente – Ordnungsprinzip

Periodensystem der Elemente

Im Periodensystem der Elemente sind alle bekannten chemischen Elemente verzeichnet.

Sicher kennst du bereits viele Elemente wie Eisen $\left(\ce{Fe} \right)$, Sauerstoff $\left(\ce{O} \right)$ oder Wasserstoff $\left( \ce{H} \right)$. Im Laufe der Geschichte wurde die Anzahl der bekannten Elemente immer größer. Mittlerweile wurden $118$ Elemente entdeckt! Um dabei nicht den Überblick zu verlieren, braucht es ein gutes Ordnungsprinzip – das Periodensystem der Elemente, kurz PSE.

Die Entwicklung des Periodensystems der Elemente

Die Entwicklung des uns bekannten Periodensystems der Elemente (PSE) geschah im Jahr $1869$ fast zeitgleich durch Mendelejew in Russland und Meyer in Deutschland.

Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung des PSE waren in der Tat noch $30\,\%$ der heutigen Elemente unbekannt, darunter beispielsweise die Edelgase mit ihren speziellen Eigenschaften.

Schauen wir uns im Folgenden den Aufbau des Periodensystems genauer an und ergründen, welchen Ordnungsprinzipien das Periodensystem folgt. Dabei wirst du lernen, wie die Eigenschaften der Elemente aus ihrer Position im Periodensystem abgeleitet werden können.

Periodensystem – Aufbau

Wie sind die Elemente im Periodensystem eingeteilt? Es gibt verschiedene Zusammenhänge, die wir uns im Folgenden ansehen wollen. Schauen wir uns einmal den groben Aufbau des Periodensystems an:

Aber ist dir schon einmal aufgefallen, nach welchem Ordnungsprinzip die Elemente angeordnet sind? Richtig, alle Elemente sind nach aufsteigender Ordnungszahl sortiert. So ergibt sich folgende Nummerierung:

$\text{I\,A}$ bis $\text{VIII\,A}$ sind die Hauptgruppen. $\text{I\,B}$ bis $\text{VIII\,B}$ sind die Nebengruppen. Insgesamt gibt es $18$ Gruppen, also Spalten.
Die sieben Perioden, also die Zeilen, sind von oben nach unten mit den Zahlen $1$ bis $7$ nummeriert. Von links nach rechts und von oben nach unten läuft die Ordnungszahl durch, nach der die Reihenfolge der Elemente (also der einzelnen Felder) festgelegt ist.

Periodensystem – die Ordnungszahlen der Elemente

Wie der Name Periodensystem bereits sagt, sind die Elemente Perioden angeordnet. Dies sind die horizontalen Zeilen. Außerdem besteht noch die Einordnung in Gruppen. Dies sind die vertikalen Spalten. Die Gruppen werden eingeteilt in Hauptgruppen und Nebengruppen des Periodensystems.

Die Reihenfolge der Elemente (also der einzelnen Felder) folgt der Ordnungszahl. Die Ordnungszahl (oder Kernladungszahl) gibt die Anzahl der Elektronen und der Protonen eines Atoms des jeweiligen Elements an. Aufeinanderfolgende Elemente unterscheiden sich demnach jeweils um genau ein Proton und ein Elektron.

Schauen wir uns dazu ein Beispiel an: Kalium $\left(\ce{K} \right)$ hat die Ordnungszahl $19$ und somit $19$ Elektronen und $19$ Protonen. Der Vorgänger mit der Ordnungszahl $18$ ist Argon $\left(\ce{Ar} \right)$ mit $18$ Elektronen und $18$ Protonen. Der Nachfolger von Kalium ist Calcium $\left(\ce{Ca} \right)$ mit der Ordnungszahl $20$. Ein Calciumatom besitzt demzufolge $20$ Elektronen und $20$ Protonen. Das Prinzip ist klar!

Die Einteilung in Perioden lässt sich durch das Bohr´sche Atommodell erklären. Nach dieser Anschauung bewegen sich die Elektronen in kreisförmigen Bahnen um den Atomkern – das sind die Elektronenschalen. Die Atome der beiden Elemente der ersten Periode, Wasserstoff $\left(\ce{H} \right)$ und Helium $\left(\ce{He} \right)$, haben jeweils nur eine Schale. Jede weitere Periode steht für eine neue Elektronenschale, das heißt, die Elemente der zweiten Periode haben zwei Schalen, die der dritten haben drei, usw. Mit jeder weiteren Schale vergrößert sich die Entfernung der darin enthaltenen Elektronen zum jeweiligen Atomkern. Das wirkt sich auch auf die Energie der Elektronen aus. Die verschiedenen Schalen stehen demnach für bestimmte Energieniveaus. Durch die zusätzliche Schale in einer neuen Periode nimmt außerdem der Atomradius stark zu. Das wirkt sich zum Beispiel auch auf die Elektronegativität der jeweiligen Elemente aus.

Das Periodensystem der Elemente kann außerdem noch in Metalle und Nichtmetalle eingeteilt werden. Die Metalle stehen auf der linken Seite und die Nichtmetalle auf der rechten. In der Mitte gibt es eine Diagonale, die diese beiden trennt. Entlang dieser sind die Halbmetalle zu finden. Dazu gehören Bor $\left(\ce{B} \right)$, Silicium $\left(\ce{Si} \right)$, Germanium $\left(\ce{Ge} \right)$, Arsen $\left(\ce{As} \right)$, Selen $\left(\ce{Se} \right)$, Antimon $\left(\ce{Sb} \right)$, Tellur $\left(\ce{Te} \right)$ und Astat $\left(\ce{At} \right)$. Diese Elemente sind in unserer vereinfachten Darstellung (mit nur den acht Hauptgruppen) hellblau dargestellt.

Die Ordnungszahl ist in den Feldern des PSE in der Regel links oben zu finden, wie in unserem Beispiel in der folgenden Abbildung die $6$ für das Element Kohlenstoff $\left(\ce{C} \right)$. Rechts oben steht meist die Atommasse, die sich im Wesentlichen aus der Anzahl der Protonen und Neutronen des Atoms ergibt. Die Elektronegativität ist ebenfalls in vielen Periodensystemen zu finden, ebenso wie der Wert der Dichte (wie in unserem Beispiel in $\frac{\text{g}}{\text{cm}^3}$ angegeben) bei Raumtemperatur und Normaldruck. Oft wird auch der Aggregatzustand, in dem das jeweilige Element unter Normalbedingungen vorliegt, vermerkt. Dies geschieht entweder durch die Bezeichnungen (g), (l) und (s) für gaseous (gasförmig), liquid (flüssig) und solid (fest) oder mithilfe farbiger Markierungen (z. B. rot für Gase und blau für Flüssigkeiten).

Verteilung der Elektronen

Mit der Ordnungszahl nimmt auch die Anzahl der Elektronen von Element zu Element zu. Da Zeile für Zeile, also mit jeder Periode, eine neue Schale hinzukommt, ergibt sich folgende Verteilung der Elektronen:

• Die Atome der Elemente der $1.$ Periode haben nur eine Schale (die $\text{K}$-Schale). In dieser können maximal zwei Elektronen enthalten sein. Demnach hat ein Atom des Edelgases Helium $\left(\ce{He} \right)$ zwei (Außen-)Elektronen.
• In der $2.$ Periode kommt die $\text{L}$-Schale hinzu. Diese kann maximal acht Elektronen enthalten. Demnach hat ein Atom des Edelgases Neon $\left(\ce{Ne} \right)$ acht Außenelektronen.
• In der $3.$ Periode kommt die $\text{M}$-Schale hinzu. Diese kann maximal achtzehn Elektronen enthalten. Allerdings ist sie bei den Elementen der Hauptgruppen mit maximal acht Elektronen befüllt. Demnach hat auch ein Atom des Edelgases Argon $\left(\ce{Ne} \right)$ acht Außenelektronen.
• Mit den folgenden Perioden steigt auch die Anzahl der Schalen. Diese können wiederum immer mehr und mehr Elektronen enthalten. Allerdings gilt weiterhin, dass eine Schale maximal acht Elektronen enthält, wenn es sich um die jeweils äußerste Schale eines Elements bzw. Atoms handelt.

Zusätzliche Informationen im PSE

Generell lassen sich folgende Eigenschaften der chemischen Elemente anhand der Position im PSE abschätzen:

• Die Atommasse nimmt von oben nach unten und von links nach rechts zu.
• Der Atomradius nimmt von oben nach unten zu, aber von links nach rechts ab.
• Die Elektronegativität nimmt von oben nach unten ab, aber von links nach rechts zu.
• Die Ionisierungsenergie nimmt ebenfalls von oben nach unten ab und von links nach rechts zu.
• Der Metallcharakter der Elemente nimmt von oben nach unten zu und von links nach rechts ab.

Das Element mit der Ordnungszahl $82$, Blei $\left(\ce{Pb} \right)$, ist das letzte stabile Element. Alle folgenden Elemente ab der Ordnungszahl $83$ sind radioaktiv. Außerdem sind die Atome der Elemente $43$ und $61$, Technetium $\left(\ce{Tc} \right)$ und Prometium $\left(\ce{Pm} \right)$, radioaktiv. Die Elemente ab der Ordnungszahl $95$ kommen nicht in der Natur vor. Sie konnten bisher nur künstlich unter Laborbedingungen erzeugt werden und haben allesamt sehr kurze Halbwertszeiten.

Gruppen und Perioden

Neben den Ordnungszahlen sind alle Elemente außerdem in Perioden und Gruppen eingeteilt. In der obenstehenden Abbildung hast du gesehen, dass es $7$ waagerechte Zeilen, die Perioden, und $18$ senkrechte Spalten, die Gruppen, gibt. Hier wird weiterhin zwischen den acht Hauptgruppen und den zehn Nebengruppen unterschieden. Die erste und die zweite Gruppe des Periodensystems sind Hauptgruppen. Dann folgen die zehn Nebengruppen und dann kommen die restlichen sechs Hauptgruppen.

Periodensystem – Hauptgruppen

Das Periodensystem der Elemente ist in Gruppen unterteilt. Dazu gehören die acht Hauptgruppen (HG). Es ist üblich, diese mit den römischen Ziffern $\text{I}$, $\text{II}$, $\text{III}$, $\text{IV}$, $\text{V}$, $\text{VI}$, $\text{VII}$ und $\text{VIII}$ zu beschriften. Die Elemente einer Hauptgruppe ähneln sich meist stark in ihren Eigenschaften.

Die Atome der Elemente der $\text{VIII.}$ Hauptgruppe haben jeweils acht Außenelektronen und somit eine voll besetzte Außenschale – entsprechend der Edelgaskonfiguration. Die Ausnahme in dieser Gruppe bildet Helium $\left(\ce{He} \right)$. Es hat die Ordnungszahl $2$ und verfügt insgesamt nur über zwei Elektronen. Damit ist die Außenschale des Atoms bereits voll besetzt, da es sich um die erste Schale (die $\text{K}$-Schale) handelt.

Die Elemente der $\text{VIII.}$ Hauptgruppe sind unter Normalbedingungen durchweg gasförmig und sehr reaktionsträge. Damit kommen wir schon zum nächsten Punkt: Durch die gleiche Anzahl an Außenelektronen lassen sich oft ähnliche Eigenschaften oder ein ähnliches Reaktionsverhalten der Elemente einer Hauptgruppe ableiten, wobei es natürlich auch Ausnahmen gibt.
Im Folgenden sehen wir uns einige Beispiele an für Hauptgruppenelemente, die ähnliche Eigenschaften aufweisen.

Beispiel Alkalimetalle: Die Verwandtschaft der Elemente ist bei der ersten Hauptgruppe, den Alkalimetallen, besonders gut zu erkennen. Bis auf Wasserstoff $\left(\ce{H} \right)$ handelt es sich bei allen Elementen der ersten Hauptgruppe um glänzende Leichtmetalle. Sie sind besonders weich und reagieren stark mit Wasser, an der Luft und außerdem mit den Elementen der $\text{VII.}$ Hauptgruppe.

Beispiel Halogene: Die Elemente der $\text{VII.}$ Hauptgruppe sind die sogenannten Halogene. Das sind sehr reaktionsfreudige Nichtmetalle. Ein Beispiel ist Chlor $\left(\ce{Cl} \right)$. Das Element hat die Ordnungszahl $17$, also $17$ Protonen und $17$ Elektronen. Sieben dieser Elektronen sind, wie wir wissen, Außenelektronen. Um eine Edelgaskonfiguration zu erreichen, muss Chlor ein Elektron aufnehmen. Es bildet, wie alle anderen Elemente der $\text{VII.}$ Hauptgruppe, einwertige Anionen und ist sehr reaktionsfreudig.

Hauptgruppenbezeichnung: Wegen der ähnlichen Eigenschaften innerhalb einer Hauptgruppe werden diese manchmal unter eigenen Namen zusammengefasst. Die geläufigsten Namen sind:

• 1. Hauptgruppe $\left(\text{I} \right)$: Alkalimetalle. Das sind reaktionsfreudige Metalle, die einfach positiv geladene Ionen bilden.
• 2. Hauptgruppe $\left(\text{II} \right)$: Erdalkalimetalle. Auch das sind reaktionsfreudige Metalle. Sie bilden zweifach positiv geladene Ionen. Du kannst hier sehen, dass die Nummer der Hauptgruppe Auskunft über die Anzahl der Außenelektronen der Elemente gibt.
• 3. Hauptgruppe $\left(\text{III} \right)$: Borgruppe (veraltet: Erdmetalle). Sie wird manchmal auch Erd-Gruppe genannt. Außer Bor beinhaltet sie nur Metalle, die dreifach positiv geladene Ionen bilden.
• 4. Hauptgruppe $\left(\text{IV} \right)$: Kohlenstoffgruppe. Diese Gruppe ist aufgrund des Kohlenstoffs überaus wichtig für die organische Chemie.
• 5. Hauptgruppe $\left(\text{V} \right)$: Stickstoffgruppe. Ab dieser Gruppe herrschen die Nichtmetalle vor. Eine Elektronenaufnahme bringt hier eine bessere Stabilisierung als die Elektronenabgabe. Aus diesem Grund bilden diese Elemente Moleküle und negative Ionen.
• 6. Hauptgruppe $\left(\text{VI} \right)$: Chalkogene (Erzbildner). Zu ihnen gehören die wichtigen Elemente Sauerstoff und Schwefel.
• 7. Hauptgruppe $\left(\text{VII} \right)$: Halogene (Salzbildner). Diese Elemente bilden einfach negativ geladene Ionen, die sogenannten Halogenide. Zu Ihnen zählen Fluor, Chlor, Brom, Iod und Astat.
• 8. Hauptgruppe $\left(\text{VIII} \right)$: Edelgase. Das sind sehr stabile, einatomige Gase. Die Atome dieser Gase haben die sogenannte Edelgaskonfiguration, d. h. sie besitzen eine vollbesetzte äußere Elektronenschale. Alle Elemente des Periodensystems streben nach dieser Elektronenkonfiguration, da dieser Zustand einen besonders energiearmen und damit stabilen Zustand darstellt. Aus diesem Grund bilden die anderen Elemente Ionen und Moleküle.

In der folgenden Abbildung sind die acht Hauptgruppen des Periodensystems noch einmal vereinfacht dargestellt.

Hauptgruppen auswendig lernen

Manchmal wird von Schülerinnen und Schülern verlangt, einzelne Gruppen oder sogar alle Elemente des Periodensystems auswendig zu lernen. Für den Fall, dass du zu diesen Unglücklichen gehörst, haben wir hier einige Merksätze, mit denen du die Elementbezeichnungen der Reihe nach auswendig lernen kannst.
Der erste Block mit Merksätzen gibt die Reihenfolge entsprechend der Ordnungszahl wieder, sortiert nach Perioden (beginnend mit der zweiten Periode). Die fett gesetzten Buchstaben weisen jeweils auf die Elementsymbole hin.

• Liebe Berta, Bitte Come Nie Ohne Frische Nelken!
• Natürlich Mögen Alle Sizilianer Paprika-Sorten Clever Angerichtet.
• Kein Cacadu Gafft Gerne Aus Seinem Brut-Kräfig.
• Robert Schrie In Schnellen Silben: Tee ist Xertig.
• Cäsar Badete Lange Toll Plubbernd, Bis die Polizei Auftrat, im Rhein.
• Francium ist Radio-Activ.

Im zweiten Block mit Merksätzen sind die Elemente nach Hauptgruppen (jeweils von oben nach unten) sortiert.

• Hallo Liebe Nadine, Könntest Rabe Chemisches Fragen.
• Bei Maggie Cam Sehr Bald Rache.
• Boah! Alle Gaffen Ins Tal.
• Christian Sieht Gerne Sein Paderborn.
• Nur Pariser Asseln Sabbern Bier.
• Opa Schreibt Seinen Text Polnisch.
• Fürs Clo Brauch Ich Ata.
• Herr Nestlers Arme Kreuzen Xenas Rundungen.

Die Elemente mit den Ordnungszahlen $113$ bis $118$ wurden hier nicht berücksichtigt.

Periodensystem – Nebengruppen

Neben den Hauptgruppen gibt es im Periodensystem noch die Nebengruppen. Diese beginnen ab der zweiten Hauptgruppe in der vierten Periode. Um zu verstehen, warum sich die Nebengruppen dort befinden, brauchst du einige Kenntnisse über das Orbitalmodell.

Im Orbitalmodell werden die Elektronenschalen noch einmal unterteilt und haben teilweise spezielle Formen, die von kugelförmigen Schalen abweichen. Mit jeder weiteren Schale nimmt die Anzahl möglicher Unterteilungen und damit die Anzahl der Orbitale zu. Die für uns relevanten Orbitale werden s-, p- und d-Orbitale genannt. Die s-Orbitale sind kugelförmig, die p-Orbital sehen aus wie Hanteln (und es gibt drei verschiedene davon), die d-Orbitale sind noch komplexer aufgebaut (und es gibt fünf verschiedene). Die Elektronen der Nebengruppenelemente befinden sich teilweise in diesen d-Orbitalen. Insgesamt ist dort Platz für bis zu $10$ Elektronen. Deshalb gibt es auch zehn Nebengruppen.

Das macht aber auch das Verhalten der Nebengruppenelemente komplexer. So können diese Elemente verschiedene Ionen bilden. Das Element Eisen $\left(\ce{Fe} \right)$ kann zum Beispiel sowohl Eisen$\left( \text{III} \right)$-Ionen $\left(\ce{Fe^{2+}} \right)$ als auch Eisen$\left( \text{III} \right)$-Ionen $\left(\ce{Fe^{3+}} \right)$ bilden. Die Nebengruppenelemente sind allesamt Metalle, darunter wichtige Vertreter wie Gold $\left(\ce{Au} \right)$, Silber $\left(\ce{Ag} \right)$, Eisen $\left(\ce{Fe} \right)$ und Kupfer $\left(\ce{Cu} \right)$.

Die Perioden des Periodensystems

Die Periode, in der ein Element steht, gibt Auskunft über die Anzahl der Elektronenschalen, die ein Atom des Elements laut dem Schalenmodell besitzt. Schauen wir uns dazu wieder zwei Beispiele an:

• Das Alkalimetall Kalium $\left(\ce{K} \right)$ steht in der $\text{I.}$ Hauptgruppe und in der $4.$ Periode. Die Ordnungszahl $19$ verrät uns, dass ein Atom des Elements $19$ Elektronen hat, die auf vier Elektronenschalen verteilt sind. Auf der ersten Schale befinden sich zwei Elektronen, dann ist diese voll besetzt. Auf der zweiten Schale befinden sich acht Elektronen. Auf der dritten Schale befinden sich ebenfalls acht Elektronen. Bleibt nur noch ein Elektron für die vierte Schale. Und das stimmt auch mit der Nummer der Hauptgruppe überein, die besagt, dass ein Kaliumatom genau ein Außenelektron hat.
• Das Halogen Chlor$\left(\ce{Cl} \right)$ steht in der $\text{VII.}$ Hauptgruppe und in der $3.$ Periode. Die Ordnungszahl $17$ verrät uns, dass ein Chloratom $17$ Elektronen hat, die auf drei Elektronenschalen verteilt sind. Auf der ersten Schale befinden sich zwei Elektronen, dann ist diese voll besetzt. Auf der zweiten Schale befinden sich acht Elektronen. Bleiben noch sieben Elektronen für die dritte Schale. Und das stimmt auch mit der Nummer der Hauptgruppe überein, die besagt, dass ein Chloratom genau sieben Außenelektronen hat.

Und noch eine weitere Eigenschaft lässt sich aus der Periode ableiten: der Atomradius. Da die Anzahl der Schalen mit zunehmender Periodennummer immer weiter zunimmt, werden auch die jeweiligen Atome immer größer. Der Atomradius der Elemente innerhalb einer Gruppe nimmt also von Periode zu Periode, sprich von oben nach unten, zu.
Achtung! Innerhalb einer Periode nimmt der Atomradius allerdings von links nach rechts ab! Denn während die Anzahl der jeweils besetzten Schalen innerhalb einer Zeile gleich bleibt, nimmt die Kernladungszahl von links nach rechts zu und damit auch die Stärke der elektrostatischen Anziehung, mit der die Elektronen zum jeweiligen Atomkern hingezogen werden. Die Elektronen sind also bei den Atomen der Elemente jeweils etwas näher am Kern, je weiter man in einer Periode nach rechts geht.

Wir haben uns angesehen, nach welchen Ordnungsprinzipien das Periodensystem der Elemente aufgebaut ist. Außerdem haben wir gezeigt, welche Informationen aus dem PSE herausgelesen werden können und wie man damit arbeitet.

Ausblick – das lernst du nach Periodensystem der Elemente – Ordnungsprinzip

Als nächstes stehen spannende Themen wie der Aufbau von Atomen aus Elementarteilchen und die Bedeutung der Valenzelektronen für chemische Bindungen auf dem Programm. Wie hängen die Positionen der Elemente im Periodensystem mit diesen Aspekten zusammen? Finde es heraus und erweitere deine chemischen Kenntnisse!

Häufig gestellte Fragen zum Thema Periodensystem