Periodensystem

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Das Periodensystem (Langfassung Periodensystem der Elemente, abgekürzt PSE) stellt alle chemischen Elemente mit steigender Kernladung (Ordnungszahl) und entsprechend ihrer chemischen Eigenschaften eingeteilt in Perioden sowie Haupt- und Nebengruppen dar. Es wurde 1869 unabhängig voneinander und fast identisch von zwei Chemikern, zunächst von dem Russen Dmitri Mendelejew (1834–1907) und wenige Monate später von dem Deutschen Lothar Meyer (1830–1895) aufgestellt. Historisch war das Periodensystem für die Vorhersage der Entdeckung neuer Elemente und deren Eigenschaften von besonderer Bedeutung. Heute dient es vor allem der Übersicht.

Periodensystem der Elemente

Darstellung

Nachstehend ist das Periodensystem in seiner heute bekanntesten Form als Langperiodensystem wiedergegeben:

  • Die Elemente sind mit ihrer Ordnungszahl und ihrem Symbol aufgeführt.
  • Als Perioden werden die waagerechten Zeilen oder Reihen bezeichnet,
  • als Gruppen die senkrechten Spalten.
  • Die Schalen beziehen sich auf das Schalenmodell der Atomphysik.
Gruppe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
CAS-​Gruppe I A II A III B IV B V B VI B VII B VIII B VIII B VIII B I B II B III A IV A V A VI A VII A VIII A
Periode
Schale
1 1
H

2
He
K
2 3
Li
4
Be

5
B
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
L
3 11
Na
12
Mg

13
Al
14
Si
15
P
16
S
17
Cl
18
Ar
M
4 19
K
20
Ca
21
Sc
22
Ti
23
V
24
Cr
25
Mn
26
Fe
27
Co
28
Ni
29
Cu
30
Zn
31
Ga
32
Ge
33
As
34
Se
35
Br
36
Kr
N
5 37
Rb
38
Sr
39
Y
40
Zr
41
Nb
42
Mo
43
Tc
44
Ru
45
Rh
46
Pd
47
Ag
48
Cd
49
In
50
Sn
51
Sb
52
Te
53
I
54
Xe
O
6 55
Cs
56
Ba
* 72
Hf
73
Ta
74
W
75
Re
76
Os
77
Ir
78
Pt
79
Au
80
Hg
81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
Po
85
At
86
Rn
P
7 87
Fr
88
Ra
** 104
Rf
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Mt
110
Ds
111
Rg
112
Cn
113
Uut
114
Fl
115
Uup
116
Lv
117
Uus
118
Uuo
Q
* Lanthanoide 57
La
58
Ce
59
Pr
60
Nd
61
Pm
62
Sm
63
Eu
64
Gd
65
Tb
66
Dy
67
Ho
68
Er
69
Tm
70
Yb
71
Lu
** Actinoide 89
Ac
90
Th
91
Pa
92
U
93
Np
94
Pu
95
Am
96
Cm
97
Bk
98
Cf
99
Es
100
Fm
101
Md
102
No
103
Lr
Legende
Vorkommen
natürliches Element künstliches Element radioaktives Element
Serie
Alkalimetalle Erdalkalimetalle Halogene Edelgase
Lanthanoide Actinoide Übergangsmetalle Metalle[Anm 1]
Halbmetalle Nichtmetalle unbekannt
Aggregatzustand (unter Normalbedingungen)
gasförmig flüssig fest unbekannt
  1. Genau genommen müsste die Bezeichnung lauten „Metalle, die nicht den Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, Übergangsmetallen, Lanthanoiden oder Actinoiden angehören“, da auch jene Elemente alle Metalle sind. Im englischen Sprachbereich treten für die gekennzeichneten Elemente manchmal die Bezeichnungen „poor metals“ oder „post-transition metals“ auf. Diese Bezeichnungen sind allerdings auch unscharf, da sie sich bei unterschiedlichen Autoren nicht immer auf die genau gleiche Gruppe von Elementen beziehen. In Ermangelung eines analogen deutschsprachigen Begriffs und der besseren Übersichtlichkeit halber, wird hier das Wort „Metalle“ verwendet.

Aufbau im Detail

Grundlagen

  • Jedes Atom besteht aus einem Atomkern und einer Elektronenhülle.
  • Jeder Atomkern enthält positiv geladene Protonen (mindestens eines und derzeit bekannt bis 118), die Anzahl der Protonen wird als Kernladungszahl bezeichnet und dient als Ordnungszahl (OZ) für die betreffende Atomsorte.
  • Jeder Atomkern ist von einer Elektronenhülle umgeben. Wenn diese Hülle genau so viele (negativ geladene) Elektronen enthält, wie im zugehörigen Kern Protonen vorhanden sind, befindet sich das Atom im elektrisch neutralen Zustand, da die einander entgegengesetzten elektrischen Ladungen von Proton und Elektron gleich groß sind.
  • Das Periodensystem bezieht sich nur auf Atome in diesem elektrisch neutralen – elementaren – Zustand.
  • Elektronen können sich im Atom nur auf solchen Bahnen befinden, die bestimmte Abstände vom Atomkern haben; für solche zu einem Abstand gehörigen Bahnen wird auch der Begriff Schale benutzt. Jede dieser Schalen bietet nur für eine ganz bestimmte Anzahl Elektronen Platz.

In die innerste Schale passen nur zwei Elektronen, also gibt es auch nur zwei chemische Elemente, die nur diese innerste Elektronenschale haben, das sind die mit den ersten beiden Ordnungszahlen: 1 (Wasserstoff) und 2 (Helium). Sie bilden deshalb in der Darstellung des Periodensystems die oberste Reihe.

Bei dem nächstfolgenden Atom mit drei Protonen und folglich drei Elektronen befindet sich das dritte Elektron einzeln in einer weiter außen liegenden Elektronenschale (Lithium mit der Ordnungszahl 3). Diese nächste Schale hat Platz für maximal acht Elektronen. Diesem Aufbau entsprechend werden diese acht Elemente (mit insgesamt drei bis zehn Elektronen) im Periodensystem als nächste Reihe dargestellt. Bei der Ordnungszahl 11 (Natrium) wird eine weitere Elektronenschale angefangen und mit einem Elektron besetzt, hier ist wiederum für maximal acht Elektronen Platz; somit bilden die Elemente bis zur Ordnungszahl 18 (Argon) auch die nächstfolgende Reihe (Zeile) bei der Darstellung im Periodensystem.

Betrachtet man nur die Elektronen der jeweils äußersten Schale, so spricht man von den Außenelektronen; in der innersten Schale gibt es ein oder zwei, in den nächsten beiden ein bis acht Außenelektronen. Vergleicht man nun die Stoffeigenschaften von Elementen mit der gleichen Anzahl Außenelektronen (oder deren chemischen Verbindungen mit jeweils einem beliebigen anderen Element), so finden sich viele Übereinstimmungen, die genau darauf beruhen, dass es sich um Elemente mit der gleichen Anzahl von Außenelektronen handelt. So sind z. B. die Elemente mit nur dem ersten von acht Außenelektronen Alkalimetalle, die Elemente mit sieben Außenelektronen Halogene und die mit voll aufgefüllten Elektronenschalen Edelgase. Die Außenelektronen bestimmen also im Wesentlichen die chemischen Eigenschaften und die wiederholen sich periodisch, was zur Darstellung der Elemente in Reihen und ihrer Benennung mit dem Begriff Periode geführt hat. Die einander ähnlichen Elemente stehen somit im Periodensystem untereinander und bilden jeweils eine Gruppe; das gilt auch für die jeweils darunter stehenden weiteren Elemente; bei den bisher besprochenen Spalten handelt es sich um die Hauptgruppen.

Diese Systematik des Aufbaus wird in den höheren Perioden unterbrochen. In den nächsten beiden Perioden bilden zwar auch zunächst die ersten beiden Elektronen eine neue äußere Schale; bevor dort jedoch das dritte bis achte Elektron hinzu kommt, wird zunächst eine darunter liegende neue Elektronenschale mit zehn Plätzen gebildet und aufgefüllt (OZ 21 bis 30 und 39 bis 48); hier untereinander stehende Elemente werden Nebengruppen genannt.

In den dann folgenden beiden Perioden entsteht sogar zunächst eine noch tiefer liegende (drittäußerste) Schale mit 14 Plätzen (OZ 58 bis 71 und 90 bis 103); der Einbau der jeweils zusätzlichen Elektronen in so tief liegende Schalen führt – erwartungsgemäß – dazu, dass diese Elemente auch untereinander sehr ähnlich sind.

Die Anordnung der Atome im Periodensystem ist somit vollständig durch die Elektronenkonfiguration erklärbar. Anmerkungen: Jeder Atomkern, bis auf das Wasserstoff-Isotop 1H, enthält elektrisch ungeladene Neutronen, die aber für den Aufbau des Periodensystems keine Rolle spielen. Sie werden in der Nuklidkarte sowie den Details zu jedem Nuklid in der Liste der Isotope dargestellt.

Da die Masse der Elektronen an der Gesamtmasse nur einen verschwindend kleinen Anteil haben, ist nur die Masse der Protonen und Neutronen zusammen maßgeblich für die Atommasse; letztere (früher Atomgewicht genannt) ist im Periodensystemen oft mit angegeben, spielt aber für dessen Aufbau ebenfalls keine Rolle.

Zusätzliche Informationen im PSE

Einige Eigenschaften der Elemente lassen sich in bestimmten Positionen und Bereichen des Periodensystems finden oder mit ihm voraussagen:

Als weitere Informationen, die aber mit der Elektronenkonfiguration und daher mit der Stellung im PSE nichts zu tun haben, sind die radioaktiven Elemente gekennzeichnet:

Das Element 82 (Blei) ist das letzte Element, von dem stabile, also nicht radioaktive Isotope existieren. Alle nachfolgenden (Ordnungszahl 83 und höher) sind ausnahmslos radioaktiv und somit instabil. Dabei ist 83 (Bismut) ein Sonderfall oder Grenzfall mit einer extrem langen Halbwertszeit. Auch innerhalb der Elemente 1 bis 82 sind zwei Stoffe enthalten, die radioaktiv, also instabil sind: 43 (Technetium) und 61 (Promethium).

So bleiben tatsächlich nur 80 stabile Elemente übrig, die in der Natur vorkommen – alle anderen sind radioaktive Elemente. Von den radioaktiven Elementen sind nur Bismut, Thorium und Uran in größeren Mengen in der Natur vorhanden, da diese Elemente Halbwertszeiten in der Größenordnung des Alters der Erde oder länger haben. Alle anderen radioaktiven Elemente sind bis auf ein Isotop des Plutoniums entweder wie das Radium intermediäre Zerfallsprodukte einer der drei natürlichen radioaktiven Zerfallsreihen oder entstehen bei seltenen natürlichen Kernreaktionen oder durch Spontanspaltung von Uran und Thorium. Elemente mit Ordnungszahlen über 94 können nur künstlich hergestellt werden; obwohl sie ebenfalls bei der Elementsynthese in einer Supernova entstehen, wurden aufgrund ihrer kurzen Halbwertszeiten bis heute noch keine Spuren von ihnen in der Natur gefunden.

Geschichte

Briefmarkenblock der UdSSR von 1969 zur Ehrung Mendelejews

Die Datierung der Entdeckung solcher chemischen Elemente, die bereits seit der Frühzeit oder Antike bekannt sind, ist nur ungenau und kann je nach Literaturquelle um mehrere Jahrhunderte schwanken. Sicherere Datierungen sind erst ab dem 18. Jahrhundert möglich. Bis dahin waren erst 15 Elemente als solche bekannt und beschrieben (Metalle wie Eisen, Kupfer, Blei, Bismut, Arsen, Zink, Zinn, Antimon, Platin, Silber, Quecksilber und Gold oder Nichtmetalle wie Kohlenstoff, Schwefel und Phosphor).

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. Viele dieser Elemente kommen nicht in der Natur vor und sind das Produkt von künstlichen Kernverschmelzungsprozessen. Erst im Dezember 1994 wurden die beiden künstlichen Elemente Darmstadtium (Eka-Platin) und Roentgenium (Eka-Gold) hergestellt.

Anfang des 19. Jahrhunderts stellte Johann Wolfgang Döbereiner erstmals einen Zusammenhang zwischen der Atommasse und den chemischen Eigenschaften einzelner Elemente fest. Alexandre-Emile Béguyer de Chancourtois entwickelte 1862 eine dreidimensionale Darstellung, wobei er die Elemente nach steigenden Atomgewichten schraubenförmig auf einem Zylinder anordnete. 1863 stellte John Alexander Reina Newlands eine nach Atommassen geordnete Tabelle der Elemente in Achtergruppen (Gesetz der Oktaven) auf. Das Periodensystem selbst wurde 1869 nahezu gleichzeitig und unabhängig voneinander von Dmitri Iwanowitsch Mendelejew (1834–1907) und Lothar Meyer (1830–1895) aufgestellt. Dabei ordneten sie ebenfalls die chemischen Elemente nach steigenden Atommassen, wobei sie Elemente mit ähnlichen Eigenschaften (Anzahl der Valenzelektronen) untereinander anordneten. Daneben wurden von Heinrich Adolph Baumhauer und Julius Quaglio Versuche unternommen, das System spiralförmig darzustellen. Im 20. Jahrhundert wurde der Aufbau der Atome entdeckt, die Periodizität wurde durch den Aufbau der Elektronenhülle erklärt.

Periodensystem der Entdecker

Dieses Periodensystem gibt einen Überblick über die Entdecker bzw. Erzeuger der einzelnen Elemente durch Anklicken der Elementenkennung. Für die Elemente, für die kein Entdecker/Erzeuger bekannt ist, wird der aktuelle historische Wissensstand unter dem Übersichtsplan kurz wiedergegeben.

Gruppe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Periode
1 H
+
He
+
2 Li
+
Be
+
B
+
C
 
N
+
O
+
F
+
Ne
+
3 Na
+
Mg
+
Al
+
Si
+
P
+
S
 
Cl
+
Ar
+
4 K
+
Ca
+
Sc
+
Ti
+
V
+
Cr
+
Mn
+
Fe
+
Co
 
Ni
+
Cu
+
Zn
+
Ga
+
Ge
+
As
+
Se
+
Br
 
Kr
+
5 Rb
+
Sr
+
Y
+
Zr
+
Nb
+
Mo
+
Tc
+
Ru
+
Rh
+
Pd
+
Ag
+
Cd
+
In
 
Sn
+
Sb
+
Te
+
I
+
Xe
+
6 Cs
+
Ba
+
*
+
Hf
+
Ta
+
W
+
Re
+
Os
+
Ir
+
Pt
+
Au
+
Hg
+
Tl
+
Pb
+
Bi
+
Po
+
At
+
Rn
+
7 Fr
+
Ra
+
**
+
Rf
+
Db
+
Sg
+
Bh
+
Hs
+
Mt
+
Ds
+
Rg
+
Cn
+
Uut
+
Fl
+
Uup
+
Lv
+
Uus
+
Uuo
+
*
 
La
+
Ce
+
Pr
+
Nd
+
Pm
+
Sm
+
Eu
+
Gd
+
Tb
+
Dy
+
Ho
+
Er
+
Tm
+
Yb
+
Lu
+
**
 
Ac
+
Th
+
Pa
+
U
+
Np
+
Pu
+
Am
+
Cm
+
Bk
+
Cf
+
Es
+
Fm
+
Md
+
No
+
Lr
+
Zeitpunkt der Entdeckung
vor 1800 1800–1849 1850–1899 1900–1949 1950–1999 seit 2000

Alternative Periodensysteme

Hauptartikel: Alternative Periodensysteme

Die Form des Periodensystems von Dmitri Mendelejew hat sich durchgesetzt. Dennoch gab (und gibt) es weitere Vorschläge für alternative Ordnungen der Elemente nach ihren Eigenschaften.

Literatur

  • Ekkhard Fluck, Klaus G. Heumann: Periodensystem der Elemente: physikalische Eigenschaften; [chemische, biologische und geologische Eigenschaften], 5. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 2012, ISBN 978-3-527-33285-4, ISBN 3-527-33285-5.
  • Periodensystem interaktiv! (CD-ROM für Windows und Mac OS X), Welsch & Partner, Tübingen

Siehe auch

Weblinks

 Commons: Periodensystem – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Periodensystem – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen