Das Periodensystem der chemischen Elemente (PSE)

periodensystem-elemente.de beschäftigt sich mit dem Aufbau des Periodensystems, der  Geschichte des Periodensystems, es gibt ein Periodensystem als PDF zum Ausdrucken und zusätzlich ein Periodensystem-Wiki, indem Bergiffe wie Ordnungszahl und Elektronegativität erklärt werden.

Periodensystem der Elemente

Periodensystem der Elemente

Das Periodensystem zum Drucken als PDF





Das Periodensystem der chemischen Elemente zeigt alle bekannten Elemente, aus der die Erdkruste besteht und die als eigenständiges Element dargestellt werden können. Diese Elemente lassen sich nicht chemisch in weitere Stoffe zerlegen.
Dabei gibt es natürliche Elemente, Elemente die aus Zerfallsprozessen entstehen und Elemente die künstlich hergestellt werden.

Geschichte des Periodensystems der Elemente

Das erste „System des Elemente“ war bereits im Altertum bekannt. Hier gingen vor Allem grichische Philosophen von vier Elementen aus, aus denen alles bestand. Diese Elemente waren Wasser, Feuer, Erde und Luft. Je nach Beschaffenheit enthielt es stets alle dieser Elemente in sich, jedoch mit verschiedener Aufteilung. War ein Stück Holz nass, so hatte es einen hohen Anteil an Wasser, brannte es war der Anteil des Feuers höher. Eine Feder hatte einen hohen Anteil an Luft, da eine Feder bei leichtem Wind bereits schwebt.

Erst im 18 Jhd. begannen Wissenschaftler Elemente nachzuweisen. Ein Element zählt dann als eindeutig dargestellt, wenn es sich durch chemische Prozesse nicht mehr zerlegen läßt. Im 19 Jhd. waren dann bereits über 60 Elemente bekannt als die Wissenschaftler erste Zusammenhänge zwischen den Elementen erkannten und versuchten diese in eine Ordnung zu bringen.

Die ersten Versuche wiesen schnell Mängel auf, erst zwei chemiker legten im Jahre 1868/69 unabhängig mit ihren Systemen der Elemente den Grundstein für das heutige Periodensystem. Der deutsche Chemieker Meyer und der russische Chemiker Mendelejew. Zuerst waren die Systeme recht umstritten, als neu entdeckte Elemente sich in dieses Sytem nahtlos eingliedern liessen, verstummten die Kritiker.

Mit diesen System konnten Elemente bereits vor Ihrer Entdeckung vorrausgesagt werden, freilich lediglich das es diese Elemente gibt und deren chemischen Eigenschaften. Selbst heute werden im erweiterten Periodensystem bereits Elemente geführt, die sich mit den heutigen technischen und chemischen Möglichkeiten nicht darstellen lassen.

Das Periodensystem der chemischen Elemente wurde stets erweitert und verändert. Die heutige Form, welche auch meisten genutzt wird, nennt sich das Langperiodensystem. Ein sogenanntes erweiterte Periodensystem, welches von Gleen T. Seaborg 1969 vorgestellt wurde umfasst insgesamt 218 Elemente. Das sind 100 Elemente mehr als das Langperiodensystem mit 118 Elementen hat.

Dieser Unterschied kommt zu Stande, weil das erweiterte Periodensystem auch Elemente berücksichtigt, die sich momentan nur theoretisch erzeugen lassen. Meist liegt es an deren Instabilität, wegen Halbwertszeiten von weniger als einer Sekunde.

Aufbau des Periodensystems der Elemente

Das Langperiodensystem besteht aus 118 Elementen, welche durch die Ordnungszahl von links nach rechts und von oben nach unten durchnummeriert werden. Die Ordnungszahl der Elemente gibt die Anzahl der Protonen im Atomkern der Elemente an.

Die 7 Perioden sind die waagerechten Zeilen des Periodensystems, zusätzlich gibt es unter dem eigentlichen Periodensystem noch eine waagerechte Zeile für die Lanthanoide und eine waagerechte Zeile für die Actinoide. Die senkrechten Spalten sind die Gruppen, hierbei teilt man in  Hauptgruppen und Nebengruppen.

Anfangs ergab sich ein Problem mit der Einordnung der Elemente. Die Elemente waren nach Atommasse in dem Periodensystem einsortiert, bleibt man diesem System treu, müsste das schwerere Tellur die 53. Stelle von Iod einnehmen.

Von dem Chemiker Mosley wurde 1913 dieses Problem behoben, indem er aufzeigte, das die Elemente nicht nach Atommasse sortiert werden müssen, sondern nach der Anzahl der Protonen (Kernladungszahl).



Periodensystem der chemischen Elemente

Woraus bestehen eigentlich Stoffe und was sind ihre Bausteine? Das sind Fragen, die den Menschen schon beschäftigen, seit er forscht. Nach Aristoteles, dem griechischen Philosophen, besteht alles, uns umgebende aus den 4 Elementen Feuer, Wasser, Erde und Luft.

Über viele Jahrhunderte hinweg sollte sich dieser Glaube dann hartnäckig halten. Später kam allerdings noch ein fünftes Element hinzu: der Äther. Obwohl seit Jahrtausenden schon Kupfer, Silber, Eisen, Kohle, Schwefel und Gold bekannt waren, war man sich nicht bewusst darüber, dass es sich um eigenständige Stoffe bei diesen chemischen Elementen handelt. Dies war eine Erkenntnis, die erst in der Neuzeit zum Vorschein kommen sollte. Erst ab dem 18. Jahrhundert begann man mit der wissenschaftlichen Beschreibung der chemischen Elemente.

Im vergangenen Jahrhundert wurden die meisten Elemente entdeckt und beschrieben. Bereits anfang des 19.Jahrhunderts, wussten die Chemiker schon genügend über die Elemente sodass sie in ihren Eigenschaften, Ähnlichkeiten feststellen konnten. 1817 formulierte Dörbereiner erstmalig ein Ordnungsprinzip, in dem er ähnliche Elemente in sogenannte Triaden einordnete. Somit war das erste fundierte und wissenschaftliche Ordnungsprinzip der chemischen Elemente erstellt. Doch schnell wurde deutlich, dass dieses System unzureichend war. So war es Newland, der erkannte, dass nach ihrem Atomgewicht geordnete Elemente, ähnliche Eigenschaften in bestimmten Abständen einander aufweisen. 1863 schlug Newland sein Oktavengesetz vor. Doch die realen Verhältnisse waren wesentlich komplizierter als er es sich ausgemacht hatte. Somit wurde auch dieses Ordnungsprinzip nicht anerkannt.

Inzwischen stieg die Zahl auf nun etwa 60 bekannte Elemente. Dadurch war es unumgänglich, für die Elemente ein allgemeingültiges System zu konstruieren. Dieser Durchbruch sollte in den Jahren 1868 und 1869 dem russischen Chemiker Mendelejew und dem deutschen Chemiker Meyer voneinander unabhängig gelingen. Die damals bekannten Elemente ordneten sie in einem System an, indem sie die Reihen der Elemente, in der Weise in Perioden zerlegten, dass alle Elemente mit ähnlichen Eigenschaften, in Gruppen zusammengefasst wurden. Da sie eine hervorragende Kenntnis über die Eigenschaften der Elemente hatten, konnten sie diese sinnvoll anordnen. Da beide keinen Wert auf eine starre Gliederung legten, mussten sie einige freibleibende Plätze in ihrem System in Kauf nehmen. Exakt angewendet bedeutet dies aber, dass sich Eigenschaften von noch nicht bekannten oder entdeckten Elementen mit einiger Genauigkeit voraussagen lassen würde.

Heute ist dieses System als Periodensystem der Elemente bekannt. In den ersten Jahren nach seiner Veröffentlichung war es nicht unumstritten. Aber aufgrund der zügigen Entdeckung, einiger der vorhergesagten Elemente, wie zum Beispiel Scandium, Gallium und Germanium, fand es schnell Akzeptanz. Und obwohl die Edelgase von Mendelejew nicht postuliert wurden, fügten diese sich doch fehlerlos in sein System ein.

Probleme gab es allerdings bei der Einordnung von Iod und Tellur. Wäre für die Sortierung der Elemente, die Atommasse das entscheidende Element, müsste Tellur, da es mit 127,6 schwerer als Iod mit 126,9 ist, an 53. Stelle kommen. Durch Mosley wurde dieses Problem 1913 dann gelöst. So konnte er zeigen, dass die Anzahl an Protonen, also die Kernladungszahl, das entscheidende Kriterium ist. So wurden der chemischen Wissenschaft wichtige Impulse für die Bedeutung des Periodensystems der Elemente verliehen.

Auch die später, künstlich erstellten Elemente Polonium, Rhenium und Technetium, sagte Mendelejew voraus. Diese konnten allerdings nicht so genau beschrieben werden. Bis zur Mitte unseres Jahrhundert bestanden bis zur 91 Reihe bis zum Uran noch vier Lücken. Die bis dahin, in der Natur nicht gefundenen Elemente Technetium, Promethium, Astat und Francium wurden dann von Atomphysikern zwischen 1937 und 1945 künstlich hergestellt. Vor allem schwer zugängliche und oftmals radioaktive Elemente wurden in unserem Jahrhundert dargestellt. Gegenwärtig fokussiert man sich auf die Synthese des EKA-Bleis mit der Ordnungszahl 114, von dem man ausgeht, dass es im Vergleich zu den anderen künstlich hergestellten Elementen recht stabil sein dürfte.

Entwicklung des Atombegriffs
Die Atomtheorie kann man als Grundlage der modernen Chemie betrachten. Mehr als 2000 Jahre, galten alle Überlegungen über die Beschaffenheit der Materie-Grundbausteine als reine Spekulationen.

Bereits die Philosophen des antiken Griechenlands machen sich Gedanken darüber, was geschehen würde, wenn man einen bestimmten Stoff immer wieder teilen würde. Um 500v.Chr. gaben Demokrit und Leukipp eine simple Antwort darauf: „Kein Stoff ist beliebig oft teilbar – Materie setzt sich aus Bausteinen zusammen, die extrem klein und unteilbar sind! Der griechische Begriff für unteilbar lautet atomos.“

Doch dieser Lehrsatz sollte nur eine Behauptung bleiben, da er sich mit den damaligen Methoden nicht experimentell belegen lies. Obwohl die Überlegungen der beiden Philosophen äußerst plausibel waren und sie auch von großen Wissenschaftlern wie Newton anerkannt wurden, gelang es erst John Dalton eine zeitgemäße Formulierung der Atomtheorie zu veröffentlichen, die auf untersuchten Gesetzmäßigkeiten fuß fassen konnte.

Die 3 Postulate Daltons

– Chemische Elemente bestehen aus Atomen, welche sich aus kleinen Teilchen zusammensetzen. Die Atome eines Elements sind alle untereinander gleich. Die Atome verschiedener Elemente sind stets verschieden.

– Bei chemischen Reaktionen verbinden sich Atome entweder oder aber sie werden voneinander getrennt. Dabei werden sie allerdings nie zerstört oder neu gebildet. Keines der Atome, eines Elements, verwandelt sich in dass eines anderen.

– Eine chemische Verbindung erfolgt aus der Verbindung von Atomen von 2 oder mehr Elementen. Eine Verbindung enthält immer gleiche Atomsorten, die feste in einem Mengenverhältnis miteinander verknüpft sind.

Unteilbare Atome?

Auf chemischem Wege sind Atome zwar nicht weiter teilbar, aber dennoch wurde gegen Ende des vergangenen Jahrhunderts deutlich, dass nicht die Atome die kleinsten Materiebausteine waren, wie man bisweilen annahm. Stattdessen wurde klar, dass Atome selbst, aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt waren.

Das einfachste gebaute Atom besteht lediglich aus einem Proton im Kern und einem Elektron, welches den Atomkern umkreist. Definitionsgemäß positiv ist die Ladung des Protons, während das Elektron eine entgegengesetzte Ladung aufweist und somit negativ ist. Angegeben wird die Masse eines Protons mit 1,00728, wogegen vergleichsweise die Masse eines Elektrons verschwindend gering ist mit mit einer Massenangabe von 0,000549.

Der einfache Wasserstoff entspricht dem eben beschriebenen Aufbau eines Atoms. Überdies existieren aber noch 2 weitere Wasserstoffarten: Deuterium und Tritium. Der schwere Wasserstoff Deuterium enthält neben einem Kernproton noch ein sogenanntes ladungsloses Neutron. Neutronen sind allerdings etwas schwerer als Protonen und werden mit einer Masse von 1,00867 angegeben. Neben einem Proton hat Tritium noch 2 Kernneutronen. Hierbei handelt es sich aber um einen instabilen Kern, der wieder zerfällt. Somit ist Tritium also radioaktiv. Demnach enthält Wasserstoff 3 Isotope. Obwohl alle 3 Wasserstoffarten die gleiche Kernladungszahl besitzen, unterscheiden sie sich dennoch in der Masse. Daraus ergibt sich: Bei Isotopen handelt es sich um Atome mit gleicher Kernladungszahl, die aber unterschiedliche Massenzahlen aufweisen.

Rutherford Atommodell

1911 veröffentlichte Ernest Rutherford die Ergebnisse seiner Alphastrahlen-Experimente. In seiner beschriebenen Versuchsordnung hatte er 004mm dünne Gold, – Silber, – oder Kupferfolien mit Alpha-Teilchen beschossen. Um die Folien herum hatte er einen Leuchtschirm aufgestellt, welcher auf Alpha-Strahlen reagierte. Bei diesem Experiment kam er zu dem Ergebnis, dass der Alphateilchen-Strahl nahezu unbeeinflusst durch die Folie hindurchging.

Einige der Alphateilchen wurden jedoch abgelenkt und trafen auf verschiedenen Punkten auf dem Leuchtschirm auf. Die Ergebnisse dieser Untersuchung interpretierte Rutherford folgendermaßen:
– Ein Atom befindet sich im Mittelpunkt des Atomkerns. Beinahe die gesamte Masse des Atoms sowie die ganze positive Ladung vereint sich im Atomkern. Nach heutigen Vorstellungen besteht der Atomkern aus Neutronen und Protonen, die gemeinsam die Masse des Atomkernes ausmachen. Für die positive Ladung sind die Protonen verantwortlich. Im Kern werden die Teilchen zusammengehalten. Durch die starke Kernkraft wird der Zusammenhalt vermittelt. Dies ist eine der bedeutendsten Kraftwirkungen der Natur. Sie hat zwar nur eine geringe Reichweite, ist aber dafür stärker als die elektrostatische Abstoßung zwischen den Protonen. Das bedeutet, dass sie nur so lange wirkt, wie die Teilchen nah beieinander sind.

– Fast das ganze Volumen eines Atoms nehmen die Elektronen ein. Sie liegen außerhalb des Atomkerns und umkreisen in schnell. Damit das gesamte Atom als elektrisch neutral gilt, muss die Zahl aller positiv geladenen Protonen mit der Zahl aller negativ geladenen Elektronen im Kern exakt übereinstimmen.

Der Atomkern hat nur einen sehr kleinen Durchmesser. Der Durchmesser eines Atoms einschließlich seiner Elektronenhülle ist um ein 100.000-Faches größer als der Atomkern. Somit besteht der Großteil des Volumens eines Atoms aus leerem Raum. Dadurch ist es den meisten Alpha-Teilchen möglich, ungehindert durch die Folie hindurchstrahlen.

Die Atombindung

Atombindungen kommen nur bei Atomen mit elektronegativem Charakter vor. Somit ist dies also eine typische Bindungsart für Nichtmetallatome und dadurch von großer Bedeutung für organische Verbindungen. Zwischen den Atomen eines gleichen Elements werden kovalente Bindungen bevorzugt ausgebildet. Hierzu zählen die zweiatomigen, Elementären Gase wie H2, O2 oder Cl2. Auch zwischen Elementen, die einen ähnlichen chemischen Charakter aufweisen, entstehen sogenannte kovalente Bindungen. Typisch kovalente Verbindungen sind Wasser (H2O) oder Alkane (CnH2n+2).

Nach der Oktettregel ist die Anzahl der Außenelektronen bestimmend für die Anzahl der möglichen Bindungen. So kann zum Beispiel Kohlenstoff mit 4 Außenelektronen 4 mögliche Bindungen eingehen: Methan CH4 mit 4 Einfachbindungen, Kohlendioxid CO2 mit 2 Doppelbindungen und Blausäure HCN mit einer einfachen sowie einer Dreifachbindung.

Bilden zwei stark elektronegative Elemente ein gemeinsames Elektronenpaar, kommt es zu polarisierten Atombindungen. Das Elektron des Bindungspartners wird in diesem Fall vom elektronegativeren Element stärker an sich herangezogen. Somit entsteht eine leichte asymmetrische Ladungsverteilung und das Atom des Elements, welches stärker elektronegativ ist, bekommt eine negative Partialladung. Diese Patrialladungen sind aber immer kleiner als die Ladungen von Ionen. Fluorwasserstoff ist ein gutes Beispiel für die polarisierte Atombindung. Das Valenzelektron von Wasserstoff wird stärker von Fluor angezogen. Dadurch hat Wasserstoff eine positive Partialladung in dieser Verbindung. Wie ein Dipol verhält sich das Molekül, welches sich einem homogenen und elektrischen Feld angemessen der Feldlinie ausrichtet.

Ansicht des Periodensystem der Elemente

Folgende Informationen kann man in der Ansicht der PSE-Tabellen ablesen:

  • die Aggregatzustände
  • die Atomradien sowie die Ionenradien
  • die biologische Bedeutung
  • die Dichte
  • die Eletronegativität
  • die Entdeckung der Elemente
  • die Ionisierungsenergie
  • Isotope
  • Effektive Kernladung
  • Kovalenzradien
  • Metallcharakter
  • Säure/Base-Charakter
  • sowie zu guter letzt, die Schmelz, – und Siedepunkte.




6 Gedanken zu „Das Periodensystem der chemischen Elemente (PSE)

  1. Simon

    Alles schön berücksichtigt was dazu wissen sollte, bis auf ein paar kleine Rechtschreibfehler.

    Doch trotzdem ist der Text sehr gelungen und Informativ

    VIELEN DANK 🙂

    Antworten

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