Periodensystem

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Periodensystem der Elemente mit Elektronenkonfiguration und Elektronegativität

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

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.

Ein über die Ordnungszahl 118 hinausgehendes Periodensystem befindet sich unter Erweitertes Periodensystem.

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
Nh
114
Fl
115
Mc
116
Lv
117
Ts
118
Og
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 radioaktives Element künstliches 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 wird manchmal die Bezeichnung poor metals oder post-transition metals verwendet. Einen analogen deutschen Begriff gibt es nicht. Der Einfachheit halber wird hier das Wort „Metalle“ verwendet.

Aufbau im Detail

Die Anordnung der Atome im Periodensystem ist vollständig durch die Elektronenkonfiguration erklärbar.

Grundlagen

Aufbau der Atome:

  • 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.

Neutronen:

  • Jeder Atomkern, bis auf das Wasserstoff-Isotop 1H, enthält außer Protonen auch elektrisch ungeladene Neutronen. Für den Aufbau des Periodensystems spielen die Neutronen keine Rolle. Sie werden in der Nuklidkarte sowie den Details zu jedem Nuklid in der Liste der Isotope dargestellt.

Atommasse:

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

Elektronenkonfiguration

Langperiodensystem mit Darstellung der Verteilung der Elektronen in der Atomhülle

In die innerste Schale, die K-Schale genannt wird, passen nur zwei Elektronen, also gibt es auch nur zwei chemische Elemente, deren Atome ausschließlich diese innerste Schale haben. Das sind die Elemente 1 (Wasserstoff) und 2 (Helium). Sie bilden in der Darstellung des Periodensystems die oberste „Zeile“ (1. Periode).

Die Atome des nächstfolgenden Elementes Lithium (Ordnungszahl 3) haben jeweils drei Protonen und drei Elektronen. Das dritte Elektron befindet sich einzeln in einer weiter außen liegenden Elektronenschale, der L-Schale. Diese zweite Schale hat Platz für maximal acht Elektronen. Entsprechend werden nach Lithium sieben weitere Elemente (mit insgesamt vier bis zehn Protonen und Elektronen) im Periodensystem als zweite „Zeile“ (2. Periode) dargestellt. Die Atome des Elementes mit der Ordnungszahl 11 (Natrium) besitzen jeweils eine weitere Elektronenschale, die die L-Schale umgibt und mit einem Elektron besetzt ist. In dieser dritten Schale, der M-Schale, ist wieder für maximal acht Elektronen Platz. Somit bilden nach Natrium weitere sieben Elemente bis zur Ordnungszahl 18 (Argon) die dritte „Zeile“ im Periodensystem (3. Periode).

Die Elektronen der jeweils äußersten Schale nennt man Außenelektronen, oder besser: Valenzelektronen. Sie spielen eine Rolle für die Bildung von chemischen Verbindungen aus den Atomen der Elemente. Die Anzahl der Valenzelektronen nimmt bei den Elementen einer „Zeile“ (Periode) in den ersten drei Perioden immer von links nach rechts zu. Bei den Atomen des Wasserstoffs und Heliums sind das eine bzw. die beiden Elektronen der Atomhülle gleichzeitig auch Außenelektronen. Bei den Atomen der Elemente der 2. und 3. Periode befinden sich die Außenelektronen in der L- bzw. M-Schale, sodass Lithium und Natrium jeweils ein, Neon und Argon jeweils acht Außenelektronen haben.

Vergleicht man die Stoffeigenschaften von Elementen, deren Atome dieselbe Anzahl Valenzelektronen besitzen, finden sich viele Übereinstimmungen. Diese Gemeinsamkeiten kommen auch durch die Anordnung der Elemente im Periodensystem zum Ausdruck. Die Elemente mit nur einem von möglichen acht Valenzelektronen in der äußersten Schale stehen jeweils an erster Stelle in ihrer Periode. Die sich daraus ergebende „Spalte“ im Periodensystem wird 1. Hauptgruppe genannt und die darin enthaltenen Elemente werden unter der Bezeichnung Alkalimetalle zusammengefasst. Die Elemente mit sieben Außenelektronen in der äußersten Schale stehen an jeweils vorletzter Stelle in ihrer Periode. Die sich daraus ergebende „Spalte“ im Periodensystem wird 7. Hauptgruppe genannt und die darin enthaltenen Elemente werden unter der Bezeichnung Halogene zusammengefasst. Die Elemente mit acht Elektronen in der äußersten Schale, das heißt mit einer voll aufgefüllten äußersten Schale, stehen an jeweils letzter Stelle in ihrer Periode in der 8. Hauptgruppe und werden unter der Bezeichnung Edelgase zusammengefasst. Auch für die Elemente anderer Hauptgruppen gibt es Überbegriffe, bspw. Erdalkalimetalle für die der 2. Hauptgruppe und Chalkogene für die der 6. Hauptgruppe.

Diese Anordnung der Elemente in Hauptgruppen wird ab der 4. Periode allerdings unterbrochen. In der 4. und 5. Periode befinden sich zwar auch die Valenzelektronen der Atome der jeweils ersten beiden Elemente (Ordnungszahl 19 Kalium und 20 Calcium bzw. 37 Rubidium und 38 Strontium) nur in der äußersten Schale, der N- bzw. O-Schale, bei den gemäß ihrer Ordnungszahl jeweils folgenden 10 Elementen (Ordnungszahl 21 bis 30 bzw 39 bis 48) jedoch nicht. Diese besitzen in der zweitäußersten Schale (M- bzw. N-Schale*) zusätzliche Kapazitäten für maximal 10 Elektronen, von denen wenigstens eines als Valenzelektron fungieren kann, während sich in der N- bzw. O-Schale höchstens zwei Elektronen befinden. Die aus diesen Elementen gebildeten „Spalten“ des Periodensystems, die sich auch auf die 6. und 7. Periode erstrecken, werden Nebengruppen genannt. Wegen Besonderheiten in der Aufteilung der Elektronen auf die beiden äußeren Schalen beginnt der Block der Nebengruppenelemente nicht mit der 1., sondern mit der 3. Nebengruppe, und die 1. und 2. Nebengruppe folgt auf die 8. Nebengruppe, die jeweils 3 Elemente pro Periode beinhaltet. Bei den Nebengruppenelementen handelt es sich ausschließlich um Metalle, die sogenannten Übergangsmetalle. Bei allen auf das letzte Nebengruppenelement der 4. und 5. Periode folgenden Hauptgruppenelementen ist die M- bzw. N-Schale bereits mit 18 Elektronen gefüllt. Stattdessen wird bei diesen Elementen mit steigender Ordnungszahl die äußerste Schale auf maximal 8 Elektronen aufgefüllt.

In den Perioden 6 und 7 folgen auf die nach ihrer Ordnungszahl ersten Elemente des Nebengruppenblocks (57 Lanthan bzw. 89 Actinium) jeweils 14 Elemente (Ordnungszahl 58 bis 71 bzw. 90 bis 103), bei denen in der drittäußersten Elektronenschale, der N- bzw. O-Schale**, weitere Kapazitäten für maximal 14 Elektronen frei sind, während sich in der zweitäußersten (O- bzw. P-Schale) meistens acht, und in der äußersten (P- bzw. Q-Schale) höchstens zwei Elektronen befinden. Da sich bei diesen 28 Elementen also die Unterschiede im Bau der Atomhülle im Wesentlichen auf die drittäußerste Schale beschränken, sind sie in ihren Eigenschaften einander sehr ähnlich. Deshalb stehen sie alle in derselben, nämlich der 3. Nebengruppe. Sie werden nach dem gemäß der Ordnungszahl jeweils ersten Nebengruppenelement ihrer Periode als Lanthanide (6. Periode) und Actinoide (7. Periode) bezeichnet. Bei allen auf das letzte Actinid bzw. Lanthanoid folgenden Neben- und Hauptgruppenelementen besitzt die N- bzw. O-Schale bereits 32 Elektronen. Stattdessen wird bei den Nebengruppenlementen mit steigender Ordnungszahl die zweitäußerste Schale auf maximal 18 Elektronen und bei den sich anschließenden Hauptgruppenelementen endlich auch die äußerste Schale auf maximal 8 Elektronen aufgefüllt.

* bei den Elementen der 4. Periode nur die M-Schale, bei denen der 5. Periode auch die M-Schale
** bei den Elementen der 6. Periode nur die N-Schale, bei denen der 7. Periode auch die O-Schale

Zusätzliche Informationen im PSE

Periodensystem mit Schmelztemperatur, Siedetemperatur, Atommasse, Symbol, Ordnungszahl und Dichte

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

Radioaktive Elemente

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. Das letzte bislang nachgewiesene Element ist Oganesson mit der Ordnungszahl 118, dieses hat allerdings nur eine Halbwertszeit von 0,89 ms.

Geschichte

Briefmarkenblock der UdSSR (1969) zur Ehrung von Dmitri I. Mendelejew, anlässlich des 100. Jahrestages seines richtungweisenden Vortrages zu den Kernthesen zum Periodensystem vor der Russischen Gesellschaft für Chemie im März 1869

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: 12 Metalle (Eisen, Kupfer, Blei, Bismut, Arsen, Zink, Zinn, Antimon, Platin, Silber, Quecksilber und Gold) und drei Nichtmetalle (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 gültige Periodensystem selbst wurde 1869 nahezu gleichzeitig und unabhängig voneinander zuerst von Dmitri Iwanowitsch Mendelejew (1834–1907) und darauf von 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
+
Nh
+
Fl
+
Mc
+
Lv
+
Ts
+
Og
+
*
 
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.

Kein alternatives Periodensystem, aber dennoch eine deutlich anders aussehende Darstellung ist das Kurzperiodensystem, bei dem Haupt- und Nebengruppen ineinander verschachtelt sind.

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.
  • K. Seubert: Das natürliche System der Elemente von Lothar Meyer u. D. Mendelejew. Ostwalds Klassiker der exakten Wissenschaften", Bd. 68, 1895 (Nachdruck 1990)
  • 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