1.2 Periodensystem der Elemente • Anordnung der Elemente nach aufsteigender

Atommasse, Gesetz der Periodizität (Lothar Meyer, Dmitri Mendelejew, 1869)

Gruppe

Periode

I a b

II a b

III a b

IV a b

V a b

VI a b

VII a b

VIII a b

1

H 1,0

He 4,0

2

Li 6,9

Be 9,0

B 10,8

C 12,0

N 14,0

O 16,0

F 19,0

Ne 20,2

3 Na 23,0

Mg 24,3

Al 27,0

Si 28,1

P 31,0

S 32,1

Cl 35,5

Ar 39,9

K 39,1

Ca 40,1

Sc 45,0

Ti 47,9

V 50,9

Cr 52,0

Mn 54,9

Fe 55,8

Co 58,9

Ni 58,7

4 Cu 63,5

Zn 65,4

Ga 69,7

Ge 72,6

As 74,9

Se 79,0

Br 79,9

Kr 83,8

Rb 85,5

Sr 87,6

Y 88,9

Zr 91,2

Nb 92,9

Mo 95,9

Tc

Ru 101,1

Rh 102,9

Pd 106,4

5 Ag

107,9 Cd

112,4 In

114,8 Sn

118,7 Sb

121,8 Te

127,6 I

126,9 Xe

131,3

Cs 132,9

Ba 137,3

La* 138,9

Hf 178,5

Ta 180,9

W 183,9

Re 186,2

Os 190,2

Ir 192,2

Pt 195,1

6 Au 197,0

Hg 200,6

Tl 204,4

Pb 207,2

Bi 209,0

Po

At

Rn

7

Fr

Ra

Ac†

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Uun

*

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

† Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

- Die Eigenschaften wiederholen sich periodisch, ähnliche Elemente stehen in senkrechten Spalten � Gruppen. - Die Entdeckung weiterer Elemente ist zu erwarten (Ga, Ge). - Im Ordnungsprinzip sind Widersprüche bei den Elementen Co-Ni, Te-I, Ar-K vorhanden.

• Ordnungsprinzip Elektronenkonfiguration

- periodische Wiederholung analoger Elektronenkonfigurationen �

periodisches Auftreten ähnlicher Elemente (Periodensystem, Bildung von Haupt- und Nebengruppen)

- Aufbauprinzip �

Anzahl an Elementen in den einzelnen Perioden wird verständlich

- Systematisierung der Elemente �

Blockbildungen in Abhängigkeit der aufgefüllten Unterschale (Orbitaltyp) sinnvoll

Energieniveaus der Elektronen der ersten vier Schalen

n = 1

n = 3

n = 2

3d

E

1s

2s

3s

2p

n = 4

4s

4p

7 x 4f

4d

3p

Anzahl der Elemente in den Perioden

1. Periode: 2 Elemente bis He2

2. Periode: 8 Elemente bis Ne10

3. Periode: 8 Elemente bis Ar18

4. Periode: 18 Elemente bis Kr36

5. Periode: 18 Elemente bis Xe54

6. Periode: 32 Elemente bis Rn86

7. Periode: 32 Elemente bis Uuo118

Klassische Einteilung (Nummer Hauptgruppe = Anzahl Valenzelektronen)

Hauptgruppe I, II: Anzahl s-Elektronen

Hauptgruppe III - VIII: Anzahl s- und p-Elektronen

Nebengruppe III - VIII: historisch bedingt (Mendelejew), dann I und II entspricht Zuordnung der Neben- gruppenelemente im Kurz-PSE

A - Hauptgruppe, B - Nebengruppe Moderne Einteilung (nach IUPAC, 1985)

Gruppe 1 - 2 : Anzahl s-Elektronen

Gruppe 3 - 12 : Anzahl s- und d-Elektronen

Gruppe 13 - 18: Anzahl s- und p-Elektronen + 10 d

Periodensystem der Elemente IA VIII A

1,0079

H Wasserstoff

1 2,1

IIA

14,007

N Stickstoff

7 3,0

III A

IV A

V A

VI A

VII A

4,0026

He Helium

2 6,941

Li Lithium

3 1,0

9,012

Be Beryllium

4 1,5

10,811

B Bor

5 2,0

12,011

C Kohlenstoff

6 2,5

14,007

N Stickstoff

7 3,0

15,999

O Sauerstoff

8 3,5

18,998

F Fluor

9 4,0

20,18

Ne Neon

10 22,99

Na Natrium

11 0,9

24,305

Mg Magnesium

12 1,2

III B

IV B

V B

VI B

VII B

VIII B

VIII B

VIII B

I B

II B

26,982

Al Aluminium

13 1,5

28,086

Si Silicium

14 1,8

30,974

P Phosphor

15 2,1

32,066

S Schwefel

16 2,5

35,453

Cl Chlor

17 3,0

39,948

Ar Argon

18 39,098

K Kalium

19 0,8

40,078

Ca Calcium

20 1,0

44,956

Sc Scandium

21 1,3

47,867

Ti Titan

22 1,5

50,942

V Vanadium

23 1,6

51,996

Cr Chrom

24 1,6

54,938

Mn Mangan

25 1,5

55,845

Fe Eisen

26 1,8

58,933

Co Cobalt

27 1,8

58,693

Ni Nickel

28 1,8

63,546

Cu Kupfer

29 1,9

65,382

Zn Zink

30 1,6

69,723

Ga Gallium

31 1,6

72,631

Ge Germanium

32 1,8

74,922

As Arsen

33 2,0

78,972

Se Selen

34 2,4

79,904

Br Brom

35 2,8

83,798

Kr Krypton

36 85,468

Rb Rubidium

37 0,8

87,621

Sr Strontium

38 1,0

88,906

Y Yttrium

39 1,3

91,224

Zr Zirkonium

40 1,4

92,906

Nb Niob

41 1,6

95,951

Mo Molybdän

42 1,8

(98,91)

Tc Technetium

43 1,9

101,072

Ru Ruthenium

44 2,2

102,906

Rh Rhodium

45 2,2

106,421

Pd Palladium

46 2,2

107,868

Ag Silber

47 2,4

112,41

Cd Cadmium

48 1,7

114,82

In Indium

49 1,7

118,71

Sn Zinn

50 1,8

121,76

Sb Antimon

51 1,9

127,60

Te Tellur

52 2,1

126,90

I Iod

53 2,5

131,29

Xe Xenon

54 132,91

Cs Cäsium

55 0,7

137,33

Ba Barium

56 0,9

138,91

La Lanthan

57 1,1

178,49

Hf Hafnium

72 1,3

180,95

Ta Tantal

73 1,5

183,84

W Wolfram

74 1,7

186,21

Re Rhenium

75 1,9

190,23

Os Osmium

76 2,2

192,22

Ir Iridium

77 2,2

195,08

Pt Platin

78 2,2

196,97

Au Gold

79 2,4

200,59

Hg Quecksilber

80 1,9

204,38

Tl Thallium

81 1,8

207,2

Pb Blei

82 1,8

208.98

Bi Bismut

83 1,9

(209)

Po Polonium

84 2,0

(210)

At Astat

85 2,2

(222)

Rn Radon

86 (223)

Fr Francium

87 0,7

(226)

Ra Radium

88 0,9

(227)

Ac Actinium

89 1,1

(261)

Rf Rutherfordium

104

(262)

Db Dubnium

105

(263)

Sg Seaborgium

106

(262)

Bh Bohrium

107

(265)

Hs Hassium

108

(266)

Mt Meitnerium

109

(269)

Ds Darmstadtium

110

(272)

Rg Röntgenium

111

(277)

Cn Copernicium

112

(287)

Uut Ununtrium

113

(289)

Fl Flerovium

114

(288)

Uup Ununpentium

115

(289)

Lv Livemorium

116

(293)

Uus Ununseptium

117

(295)

Uuo Ununoctium

118 Oxide

basisch 140,12

Ce Cer

58 1,1

140,91

Pr Praseodym

59 1,1

144,24

Nd Neodym

60 1,2

(145)

Pm Promethium

61 1,1

150,36

Sm Samarium

62 1,2

151,96

Eu Europium

63 1,2

157,25

Gd Gadolinium

64 1,2

158,93

Tb Terbium

65 1,2

162,50

Dy Dysprosium

66 1,2

164,93

Ho Holmium

67 1,2

167,26

Er Erbium

68 1,2

168,93

Tm Thulium

69 1,2

173,05

Yb Ytterbium

70 1,2

174,97

Lu Lutetium

71 1,2

Oxide sauer

232,04

Th Thorium

90 1,3

231,04

Pa Protactinium

91 1,5

238,03

U Uran

92 1,4

(237)

Np Neptunium

93 1,3

(244)

Pu Plutonium

94 1,3

(243)

Am Americium

95 1,3

(247)

Cm Curium

96 1,3

(247)

Bk Berkelium

97 1,3

(251)

Cf Californium

98 1,3

(252)

Es Einsteinium

99 1,3

(257)

Fm Fermium

100 1,3

(258)

Md Mendelevium

101 1,3

(259)

No Nobelium

102 1,3

(262)

Lr Lawrencium

103 1,3

1

2

3

4

5

6

7

Elektronegativität (EN) nach Pauling

Ordnungszahl

relative Atommasse

Protonenzahl + Neutronenzahl = Massenzahl Die Massenzahl gibt annähernd die relative Atommasse an.

Ordnungszahl = Protonenzahl = Elektronenzahl

Chemisches Symbol des Elements

N14

7

Elektronenkonfiguration der Elemente - Blockbildungen nach dem Aufbauprinzip 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 0

ns1

ns2

ndx, nfy

np1

ns2 np2 ns2

np3 ns2

np4 ns2

np5 ns2

np6 ns2

1s

2s 2p

3s 3p

4s 3d 4p

5s 4d 5p

6s 5d* 6p

7s 6d† 7p

*

4f

5f

2

1

7

6

5

4

3

†

Elementblock Elektronenkonfiguration der Außenschale

Zuordnung, Eigenschaften

Edelgase 1s2; ns2 np6 Einatomige, reaktionsträge Gase

s-Block, Besetzung der ns-Unterschale

Alkali- und Erdalkalimetalle

Hauptgruppenelemente p-Block, Besetzung der np-Unterschale

Metalle und Nichtmetalle

Übergangsmetalle

d-Block, Besetzung der nd-Unterschale (d- und s-Valenzelektronen)

Übergangsmetalle, meist paramagnetisch, Verbin-dungen häufig paramag-netisch und farbig

Lanthanoide (seltene Erden), Actinoide

f-Block, innere Übergangs-elemente, (f-, d- und s-Valenzelektronen)

Paramagnetische Metalle, Verbindungen häufig paramagnetisch und farbig

Bedeutung der Valenzelektronen Valenzelektronen: Alle Elektronen der Außenschale n, Nebengruppen s und d Elektronen Valenzelektronen- Besetzung der Außenschale n, konfiguration: Nebengruppen s und d Unterschale Edelgaskonfiguration: Vollbesetzte Außenschale Stabile Elektronen- Halb- und vollbesetzte Unterschale konfiguration: � Edelgase � Übergangsmetalle

Die Hauptgruppennummer gibt die Anzahl der Valenzelektronen an. Die chemische Ähnlichkeit der Elemente einer Gruppe beruht auf ihrer identischen Valenzelektronenkonfiguration.

Stabile Elektronenkonfigurationen Edelgase ns2 np6 Übergangsmetalle :Cr24 [Ar] 3d5 4s1 statt [Ar] 3d4 4s2

:Cu29 [Ar] 3d10 4s1 statt [Ar] 3d9 4s2

Magnetismus von Festkörpern Diamagnetismus keine ungepaarten Elektronen, Abstoßung von äußerem Magnetfeld Paramagnetismus ungepaarte Elektronen mit magnetischen Momenten, Anziehung von äußerem Magnetfeld Ferromagnetismus magnetische Momente einzelner Teilchen in "Weissschen Bezirken" parallel ausgerichtet, Gleichrichtung durch äußeres Magnetfeld � Permanent- magnet

Hauptgruppennummer und stöchiometrische Wertigkeit1)

(H: stöchiometrische Wertigkeit = 1 ; O: stöchiometrische Wertigkeit = 2)

Wertigkeit Hauptgruppe

I II III IV V VI VII VIII

Höchste Wertigkeit gegenüber Sauerstoff

I II III IV V VI VII VIII

Sauerstoffverbindung Na2O CaO Al2O3 SiO2 N2O5 SO3 Cl2O7 XeO4

Wertigkeit gegenüber Wasserstoff

I II III IV III II I -

Wasserstoffverbindung NaH CaH2 AlH3 CH4 NH3 SH22) ClH3) -

1)Stöchiometrische Wertigkeit: Anzahl der H-Atome, die von einem Atom gebunden oder ersetzt werden können

2)H2S 3)

HCl

Aufstellen von Formeln mit Hilfe der stöchiometri-schen Wertigkeit � s. 2.2 Bindigkeit

Kleinstes gemeinsames Vielfaches 4

Stöchiometrische Wertigkeit IV I

Atomverhältnis der Verbindung C H4

Kleinstes gemeinsames Vielfaches 4

Stöchiometrische Wertigkeit IV II

Atomverhältnis der Verbindung C O2

• Änderung wichtiger Eigenschaften von Hauptgruppenelementen in einer Periode

Hauptgruppe Eigenschaft

I II III IV V VI VII

Außenelektronen- konfiguration

ns1 ns2 ns2 np1 ns2 np2 ns2 np3 ns2 np4 ns2 np5

Außenelektronen 1 2 3 4 5 6 7

Atomradius

Ionisierungsenergie

Tendenz zur Bildung von Kationen

Tendenz zur Bil-dung von Anionen

Metallcharakter/ Basizität der Oxide1)

Nichtmetallcharakter /Acidität der Oxide1)

1) � s. 5.3

Atomradius r Kugel-Stab-Modelle

- Bestimmung des Atomradius aus der Bindungslänge Abstand zwischen den Kernen � Kovalenzradius

Cl – Cl = 198 pm1) � rCl = 99 pm

C – C = 154 pm2) � rC = 77 pm

- Innerhalb einer Periode erfolgt der Einbau von Elektronen (q1) in die gleiche Schale mit nahezu gleichem Abstand vom Kern (l).

- Durch zunehmende Kernladungszahl (q2) erfolgt eine stärkere Anziehung der Elektronen.

1)Chlor

2)Diamant Cl

Verlauf einiger Atomradien1) (in pm) (Brown, LeMay, Bursten, 2007)

82

130

1)kovalenter Radius

• Radioaktiver Zerfall (Antoine Henri Becquerel, 1896)

- Neben den leichteren Elementen Technetium (Te) und Promethium (Pm) sind alle Elemente mit ei- ner Kernladungszahl Z > 83 nicht stabil (Neutronen/Protonen > 1,5).

- Sie zerfallen unter Aussendung von radioaktiver Strahlung (hauptsächlich α-, β- und/oder γ- Strahlung) in stabilere Elemente1). Auf diese Wei- se können radioaktive Zerfallsreihen entstehen.

- Die Halbwertszeit t1/2 gibt die Zeit an2), nach der die Hälfte einer bestimmten Menge eines radio- radioaktiven Nuclids zerfallen ist. Sie variiert zwischen 10-20 s und 100 ⋅ 1012 a!

- Die Strahlungsmenge, die aus einer Probe pro Zeiteinheit austritt3), die (Radio-)Aktivität a, entspricht der Anzahl an Kernreaktionen pro Zeiteinheit und wird in Becquerel angegeben (veraltet Curie). � mittlere Anzahl an Atomker- nen, die pro Sekunde zerfallen

1 Bq = 1 s-1 1 Ci = 3,7 ⋅ 1010

Bq

1)

Nebenreaktion: spontane Spaltung für Z > 90 unter Freisetzung von Neutronen 2)

unabhängig von der Masse der Probe 3)

abhängig von der Masse und der Halbwertszeit

Radioaktiver Zerfall chemischer Elemente1)

1H Elemente ohne stabile Isotope 2He

3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne

11Na 12Mg

Einige Elemente mit natürlich vorkommenden radioaktiven Isotopen

13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar

19K 20Ca 21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn 26Fe 27Co 28Ni 29Cu 30Zn 31Ga 32Ge 33As 34Se 35Br 36Kr

37Rb 38Sr 39Y 40Zr 41Nb 42Mo 43Tc 44Ru 45Rh 46Pd 47Ag 48Cd 49In 50Sn 51Sb 52Te 53I 54Xe

55Cs 56Ba 57La 72Hf 73Ta 74W 75Re 76Os 77Ir 78Pt 79Au 80Hg 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 85At 86Rn

87Fr 88Ra 89Ac 104Rf 105Db 106Sg 107Bh 108Hs 109Mt 110Ds

58Ce 59Pr 60Nd 61Pm 62Sm 63Eu 64Gd 65Tb 66Dy 67Ho 68Er 69Tm 70Yb 71Lu

90Th 91Pa 92U 93Np 94Pu 95Am 96Cu 97Bk 98Cf 99Es 100Fm 101Md 102No 103Lr

1)Es existieren ca. 100 natürliche radioaktive Nuclide � primordiale Nuklide 238U, 40K (t1/2 > 5 · 107a)

� radiogene Nuklide 222Rn

� kosmogene Nuklide 14C¸3H

Halbwertszeit und Aktivität1)

Isotop Halbwertszeit Aktivität/Masse

I-131 8 Tage 4.600.000.000.000 Bq/mg

Cs-137 30 Jahre 3.300.000.000 Bq/mg

Pu-239 24.110 Jahre 2.307.900 Bq/mg

U-235 703.800.000 Jahre 80 Bq/mg

U-238 4.468.000.000 Jahre 12 Bq/mg

Th-232 14.050.000.000 Jahre 4 Bq/mg

1)

(http://de.wikipedia.org/wiki/Radioaktivit)

Je kürzer die Halbwertszeit, desto größer ist bei gegebener Substanzmenge die Aktivität.

Ein weiterer Grund, Anreicherung von Po-210 und Pb-210 in den Blättern nicht zu Rauchen der Tabakpflanze

t1/2 (Po-210) = 138,4 d

t1/2 (Pb-210) = 22,3 a