Wie das Periodensystem die Elemente gruppiert

Das Periodensystem der Elemente ist nicht so verwirrend, wie es aussieht.

Vor Jahrhunderten verfügten Wissenschaftler über ein rudimentäres Verständnis des Periodensystems der Elemente. Doch im späten 19. Jahrhundert veröffentlichte der russische Chemiker Dmitri Mendelejew seinen ersten Versuch, chemische Elemente nach ihrem Atomgewicht zu gruppieren. Damals waren nur etwa 60 Elemente bekannt, aber Mendelejew erkannte, dass bestimmte Elementtypen in regelmäßigen Abständen oder Perioden auftraten, wenn die Elemente nach Gewicht geordnet wurden.

Heute, 150 Jahre später, erkennen Chemiker offiziell 118 Elemente an (nach der Hinzufügung von vier Neulingen im Jahr 2016) und verwenden immer noch Mendelejews Periodensystem der Elemente, um sie zu ordnen. Die Tabelle beginnt mit dem einfachsten Atom, Wasserstoff, und ordnet dann die restlichen Elemente nach der Ordnungszahl, also der Anzahl der Protonen, die jedes Element enthält. Mit wenigen Ausnahmen entspricht die Reihenfolge der Elemente der zunehmenden Masse jedes Atoms.

Die Tabelle hat sieben Zeilen und 18 Spalten. Jede Zeile repräsentiert eine Periode; Die Periodenzahl eines Elements gibt an, wie viele seiner Energieniveaus Elektronen beherbergen. Natrium befindet sich beispielsweise in der dritten Periode, was bedeutet, dass ein Natriumatom typischerweise Elektronen in den ersten drei Energieniveaus hat. In der Tabelle nach unten werden die Perioden länger, da mehr Elektronen benötigt werden, um die größeren und komplexeren äußeren Ebenen zu füllen.

Die Spalten der Tabelle stellen Gruppen oder Familien von Elementen dar. Die Elemente einer Gruppe sehen oft ähnlich aus und verhalten sich ähnlich, weil sie in ihrer äußersten Schale – dem Gesicht, das sie der Welt zeigen – die gleiche Anzahl an Elektronen haben. Elemente der Gruppe 18, ganz rechts in der Tabelle, haben beispielsweise vollständig gefüllte Außenschalen und nehmen selten an chemischen Reaktionen teil.

Elemente werden typischerweise entweder als Metall oder als Nichtmetall klassifiziert, die Trennlinie zwischen beiden ist jedoch fließend. Metallelemente sind normalerweise gute Strom- und Wärmeleiter. Die Untergruppen innerhalb der Metalle basieren auf den ähnlichen Eigenschaften und chemischen Eigenschaften dieser Sammlungen. Unsere Beschreibung des Periodensystems verwendet nach Angaben des Los Alamos National Laboratory allgemein akzeptierte Gruppierungen von Elementen.

Alkali Metalle: Die Alkalimetalle machen den größten Teil der Gruppe 1, der ersten Spalte der Tabelle, aus. Diese Metalle sind glänzend und weich genug, um mit einem Messer geschnitten zu werden. Sie beginnen mit Lithium (Li) und enden mit Francium (Fr). Sie sind außerdem äußerst reaktiv und gehen bei Kontakt mit Wasser in Flammen auf oder explodieren sogar. Deshalb lagern Chemiker sie in Ölen oder Inertgasen. Wasserstoff mit seinem einzelnen Elektron gehört ebenfalls zur Gruppe 1, das Gas gilt jedoch als Nichtmetall.

Erdalkalimetalle: Die Erdalkalimetalle bilden die Gruppe 2 des Periodensystems, von Beryllium (Be) bis Radium (Ra). Jedes dieser Elemente verfügt über zwei Elektronen in seinem äußersten Energieniveau, wodurch die Erdalkalimetalle so reaktiv sind, dass sie selten allein in der Natur vorkommen. Sie sind jedoch nicht so reaktiv wie die Alkalimetalle. Ihre chemischen Reaktionen laufen im Vergleich zu den Alkalimetallen typischerweise langsamer ab und erzeugen weniger Wärme.

Lanthanide: Die dritte Gruppe ist viel zu lang, um in die dritte Spalte zu passen, daher wird sie ausgebrochen und zur Seite gedreht, um die oberste Reihe der Insel zu bilden, die am unteren Rand der Tabelle schwebt. Dies sind die Lanthaniden, Elemente 57 bis 71 – Lanthan (La) bis Lutetium (Lu). Die Elemente dieser Gruppe haben eine silberweiße Farbe und laufen bei Kontakt mit Luft an.

Aktiniden: Die Aktiniden säumen die untere Reihe der Insel und bestehen aus den Elementen 89, Actinium (Ac), bis 103, Lawrencium (Lr). Von diesen Elementen kommen auf der Erde nur Thorium (Th) und Uran (U) in nennenswerten Mengen natürlich vor. Alle sind radioaktiv. Die Aktiniden und die Lanthaniden bilden zusammen eine Gruppe, die als innere Übergangsmetalle bezeichnet wird.

Übergangsmetalle: Zurück zum Hauptteil der Tabelle: Der Rest der Gruppen 3 bis 12 repräsentiert den Rest der Übergangsmetalle. Diese Elemente sind hart, aber formbar, glänzend und verfügen über eine gute Leitfähigkeit. Sie denken normalerweise an diese Elemente, wenn Sie das Wort Metall hören. Viele der größten Hits der Metal-Welt – darunter Gold, Silber, Eisen und Platin – leben hier.

Post-Übergangsmetalle: Vor dem Sprung in die Welt der Nichtmetalle werden gemeinsame Merkmale nicht sauber entlang vertikaler Gruppenlinien unterteilt. Die Post-Übergangsmetalle sind Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In), Thallium (Tl), Zinn (Sn), Blei (Pb) und Wismut (Bi) und umfassen Gruppe 13 bis Gruppe 17. Diese Elemente weisen einige der klassischen Eigenschaften der Übergangsmetalle auf, sind jedoch tendenziell weicher und leiten schlechter als andere Übergangsmetalle. Viele Periodensysteme weisen unterhalb der Diagonale, die Bor mit Astat verbindet, eine fettgedruckte „Treppenlinie“ auf. Die Post-Übergangsmetalle gruppieren sich unten links von dieser Linie.

Metalloide: Die Metalloide sind Bor (B), Silizium (Si), Germanium (Ge), Arsen (As), Antimon (Sb), Tellur (Te) und Polonium (Po). Sie bilden die Treppe, die den allmählichen Übergang von Metallen zu Nichtmetallen darstellt. Diese Elemente verhalten sich manchmal eher wie Halbleiter (B, Si, Ge) als wie Leiter. Metalloide werden auch „Halbmetalle“ oder „arme Metalle“ genannt.

Nichtmetalle: Alles andere oben rechts auf der Treppe – plus Wasserstoff (H), der weit zurück in Gruppe 1 gestrandet ist – ist ein Nichtmetall. Dazu gehören Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Phosphor (P), Sauerstoff (O), Schwefel (S) und Selen (Se).

Halogene: Die vier wichtigsten Elemente der Gruppe 17, von Fluor (F) bis Astat (At), stellen eine von zwei Untergruppen der Nichtmetalle dar. Die Halogene sind chemisch sehr reaktiv und neigen dazu, sich mit Alkalimetallen zu verbinden, um verschiedene Arten von Salzen zu bilden. Das Speisesalz in Ihrer Küche beispielsweise ist eine Verbindung des Alkalimetalls Natrium und des Halogens Chlor.

Edelgase: Die farblosen, geruchlosen und fast völlig reaktionslosen Edelgase runden die Tabelle in Gruppe 18 ab. Viele Chemiker gehen davon aus, dass Oganesson (früher als „Ununoctium“ bezeichnet), eines der vier neu benannten Elemente, diese Eigenschaften aufweist; Da dieses Element jedoch eine Halbwertszeit von Millisekunden hat, war es niemandem möglich, es direkt zu testen. Oganesson vervollständigt die siebte Periode des Periodensystems. Wenn es also jemandem gelingt, das Element 119 zu synthetisieren (und der Wettlauf dazu ist bereits im Gange), wird es in einer Schleife beginnen, um Zeile acht in der Alkalimetallspalte zu beginnen.

Aufgrund der zyklischen Natur, die durch die Periodizität entsteht, die der Tabelle ihren Namen gibt, ziehen es einige Chemiker vor, sich Mendelejews Tabelle als Kreis vorzustellen.

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Ben Biggs ist ein begeisterter und erfahrener Wissenschafts- und Technologieautor, Autor veröffentlichter Bücher und Herausgeber des preisgekrönten Magazins How It Works. Er verbrachte außerdem viele Jahre damit, für Technologie- und Videospiel-Medien zu schreiben und zu redigieren, und wurde später Herausgeber von All About Space und dann des Real Crime-Magazins.

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