Das Periodensystem der Elemente

Das Periodensystem der Elemente, was abgekürzt PSE bedeutet und heute hauptsächlich der Übersicht dient, ist unter anderem für die Darstellung der Elemente mit steigender Kernladung zuständig. Das Periodensystem wird in Perioden als auch in Haupt und Nebengruppen entsprechend den chemischen Eigenschaften eingeteilt. Dieses System wurde 1869 fast gleichzeitig und unabhängig von zwei Chemikern erfunden, deren Name Dmitri Mendelejew und Lothar Meyer war. Beide lebten im 18 Jahrhundert. Es wurde damals hauptsächlich für die Entdeckung von neuen Element sowie der Beschreibung von Elementseigenschaften genutzt. 

Grundlagen

Die Materie um uns herum besteht aus Atomen welche allesamt einen Atomkern und eine Elektronenhülle besitzen. Jeder Atomkern enthält eine gewisse Protonenanzahl, welche auch als Kernladungszahl bekannt ist. Die Protonen im Atomkern sind übrigens positiv geladen. Wenn die Elektronenhülle, die ja bekanntlich den Atomkern umhüllt genau so viele 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.

Die Grundlage für das Periodensystem der Elemente ist der Sphärenaufbau der Elektronenhülle in welchem die Elemente nach steigender Ordnungszahl gereiht werden. Immer wenn in einem Element eine neue Sphäre der Elektronenhülle besetzt wird, beginnt im Periodensystem eine neue Zeile, der sogenannten Periode.

In der ersten Periode stehen zwei Elemente. Der Wasserstoff mit Ordnungszahl 1 hat ein Elektron in der innersten Sphäre, das Helium mit Ordnungszahl 2 zwei Elektronen. Beim Lithium mit Ordnungszahl 3 beginnt bereits die zweite Periode, da 3 Elektronen nicht mehr alle in der innersten Sphäre Platz finden. Sie ist mit 2 Elektronen voll, ein Elektron muss daher in die zweite Sphäre. Da in der zweiten Sphäre 8 Elektronen Platz haben, besteht die zweite Periode aus 8 Elementen. Jedes Element hat genau ein Elektron mehr als das vorhergehende. Das Neon mit der Ordnungszahl 10 ist das letzte Element der 2. Periode. Es hat 2 Elektronen in der ersten Sphäre (voll) und 8 Elektronen in der zweiten Sphäre (voll).

Mit dem Natrium welches zur Ordnungszahl 11 gehört, beginnt die dritte Periode. Die erste und zweite Sphäre sind voll besetzt, das elfte Elektron muss in die dritte Sphäre. Die Periodennummer gibt also die Anzahl der Sphären an. Durch diese Anordnung der Elemente im Periodensystem kommen Elemente mit gleicher Zahl von Elektronen in den äußeren Sphären untereinander zu stehen. Eine solche Spalte im Periodensystem nennt man eine Gruppe. Die Elemente einer Gruppe haben also die gleiche Außenelektronenzahl. Da nur die Elektronen der äußersten Sphären bei chemischen Reaktionen eine Rolle spielen, verhalten sich Elemente mit gleicher Außenelektronenzahl chemisch in ähnlicher Weise. Die Elektronen, die bei chemischen Vorgängen eine Rolle spielen, nennt man Valenzelektronen.   Das Periodensystem bezieht sich nur auf Atome in diesem elektrisch neutralen 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. 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. Die Ordnungszahl 11 ist Natrium. Diese Ordnungszahl 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 auch die nächstfolgende Reihe (Zeile) bei der Darstellung im Periodensystem.

Die Elektronen der jeweils äußeren Schale werden Außenelektronen genannt; 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 an 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 ); 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; 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. Diese spielen jedoch beim Periodensystemaufbau keine Rolle. Sie werden in der Nuklidkarte sowie den Details zu jedem Nuklid in der Liste der Isotope dargestellt. An der Gesamtmasse hat die Elektronenmasse kaum Anteil. Dies ist auch der Grund weshalb die Protonen & Neutronenmasse zusammen für die Atommasse von großer Bedeutung sind.