Das Periodensystem und der Aufbau der Atome

Das Periodensystem und der Aufbau der Atome Übung

• Vervollständige den Text zur Entwicklung des Periodensystems.

  Tipps

  Gruppen werden im PSE mit römischen Ziffern beschriftet und Perioden mit arabischen.

  Hier siehst du ein vereinfachtes Periodensystem, in dem nur Hauptgruppenelemente zu sehen sind.

  Lösung

  Das erste Periodensystem der Elemente kurz: PSE wurde von Dmitri Mendelejew $1865$ entwickelt. Er versuchte eine Anordnung für alle zu diesem Zeitpunkt schon bekannten Elemente zu erstellen, mit der man auch Vorhersagen über chemische Eigenschaften treffen konnte. Dazu ordnete er die Elemente nach ansteigender Atommasse (damals Atomgewichte genannt) und gruppierte anhand chemischen Ähnlichkeiten untereinander. Wobei ihm die Ähnlichkeiten wichtiger erschien als die exakte Reihenfolge nach Atommassen. Seine Theorie ging bereits so weit, dass er einige Stellen frei ließ, für die er die Existenz von bisher noch unbekannten Elementen postulierte.

  Eine wichtige Veränderung brachte $1913$ der Vorschlag von Henry Moseley, die Elemente anhand der Ordnungszahlen zu sortieren. Die Ordnungszahl ist die Anzahl der Protonen im Atomkern eines Elements. Jedes Element ist eindeutig einer Ordnungszahl zuordenbar. Schon damals konnte damit vorhergesagt werden, dass es nur $92$ natürlich vorkommende Elemente gibt. Von Wasserstoff ($\text{OZ}=1$) bis zu Uran ($\text{OZ}=92$) konnten alle entdeckt werden.

  Heute sehen wir in unserem Periodensystem insgesamt $18$ Spalten, die als Gruppen bezeichnet werden. Sie unterteilen sich in $8$ Haupt- und $10$ Nebengruppen. Die Elemente einer Gruppe haben stets die gleiche Anzahl an Außenelektronen. Das sind die Elektronen in der äußersten Schale.

  Die $7$ Zeilen bezeichnen wir als Perioden. Die Elemente einer Periode haben die gleiche Anzahl an Elektronenschalen.

• Bestimme die Aussagen, die auf das Periodensystem zutreffen.

  Tipps

  Die Ordnungszahl von Blei beträgt $82$.

  Die erste Schale, die der ersten Periode entspricht, kann bis zu $2$ Elektronen enthalten.

  Lösung

  Folgende Aussagen sind falsch:

  Die Protonenzahl der Elemente steigt entlang der Periode von rechts nach links an.

  • Die Protonenzahl der Elemente und damit die Ordnungszahl steigt entlang der Periode von links nach rechts immer um $+1$.

  Die Elemente in der ersten Hauptgruppe sind sehr reaktionsträge, weil sie nur ein Elektron in der äußersten Schale besitzen.

  • Die Elemente aus der ersten Hauptgruppe besitzen nur ein Außenelektron und sind daher sehr reaktionsfreudig.

  Blei hat unter den natürlich vorkommenden Elementen die größte Ordnungszahl.

  • Die größte Ordnungszahl der natürlich vorkommenden Elemente hat Uran mit $92$.

  Die Anzahl der Außenelektronen in einer Hauptgruppe nimmt von unten nach oben ab.

  • Eine Gruppe zeichnet sich dadurch aus, dass alle Elemente dieselbe Anzahl an Außenelektronen haben.

  Folgende Aussagen sind richtig:

  Die zweite Schale, die der zweiten Periode entspricht, kann bis zu $8$ Elektronen enthalten.

  Die Elemente aus der ersten Hauptgruppe besitzen nur ein Außenelektron und sind daher sehr reaktionsfreudig.

• Leite Eigenschaften hinsichtlich des Atomaufbaus anhand des Periodensystems her.

  Tipps

  Wenn Elektronen hinzukommen, ordnen sie sich in Schalen um den Atomkern an. Die erste Zeile des PSE mit Wasserstoff und Helium entspricht der ersten Schale mit zwei Elektronen. Die zweite Schale kann bis zu acht Elektronen enthalten.

  Als Halogene bezeichnen wir die Elemente aus der siebten Hauptgruppe, die also $7$ Außenelektronen haben.

  Lösung

  • Elemente, bei denen die erste und zweite Elektronenschale besetzt sind, stehen in der zweiten Periode (Zeile). Markiert werden sollten Kohlenstoff und Sauerstoff.

  • Als Halogene bezeichnen wir alle Elemente aus der siebten Hauptgruppe, die also $7$ Außenelektronen haben: Markiert werden sollte Brom.

  • Alle Elemente mit $3$ Außenelektronen stehen in der dritten Hauptgruppe, die mit einer römischen $III$ gekennzeichnet wurde. Hier waren zu markieren: Aluminium und Galium.

  • Die Ordnungszahl $12$ hat Magnesium. Es hat $12$ Protonen im Kern, $2$ Elektronen in der ersten Schale, $8$ in der zweiten und $2$ Außenelektronen in der dritten Schale.

• Entscheide, welche Gemeinsamkeiten die Elemente haben.

  Tipps

  Die Anzahl der Valenzelektronen der Elemente einer Gruppe ist immer gleich.

  Elemente einer Periode haben dieselbe Anzahl an Elektronenschalen.

  Lösung

  Alle Elemente einer Hauptgruppe habe dieselbe Anzahl an Außenelektronen.

  • Alle Elemente der $I.$ Hauptgruppe haben genau ein Valenzelektron.

  Das sind: Wasserstoff ($H$), Lithium ($Li$), Natrium ($Na$), Kalium ($K$), Rubidium ($Rb$), Caesium ($Cs$) und Francium ($Fr$).

  $~$

  Wir wissen außerdem: Elemente einer Periode haben dieselbe Anzahl an Elektronenschalen.

  • Die Elemente der $2.$ Periode haben $2$ Elektronenschalen.

  Das sind: Lithium ($Li$), Beryllium ($Be$), Bor ($B$), Kohlenstoff ($C$), Stickstoff ($N$), Sauerstoff ($O$), Flour ($F$) und Neon ($Ne$).

  • Aus der vierten Periode haben wir ausgewählt: Calcium ($Ca$) und Brom ($Br$)

• Benenne das beschriebene Element.

  Tipps

  Die Gruppen sind die Spalten im Periodensystem und die Perioden die Zeilen.

  Die Ordnungszahl erhöht sich innerhalb einer Periode von links nach rechts immer um $1$.

  Lösung

  Wir können wie folgt zu ordnen:

  • Das Element mit der kleinstmöglichen Ordnungszahl ($1$) ist Wasserstoff ($H$). Es steht ganz oben links in der ersten Hauptgruppe und Periode.

  • Stickstoff ($N$) hat mit ($7$) eine kleinere Ordnungszahl als Sauerstoff ($\text{OZ}(O)=8$), aber eine größere als Kohlenstoff ($\text{OZ}(C)=6$). Alle drei Elemente stehen in der dritten Perioden. Kohlenstoff in der IV., Stickstoff in der V. und Sauerstoff in der VI. Hauptgruppe.

  • Natrium ($Na$) steht in derselben Hauptgruppe wie Kalium ($K$), hat aber eine Elektronenschale weniger. Beide befinden sich in der I. Hauptgruppe, Natrium in der 3. und Kalium in der 4. Periode.

  • Im Periodensystem findest du Bor in der III. Hauptgruppe und 2. Periode.

• Vergleiche die Ordnungszahlen der Elemente anhand ihrer Position im Periodensystem.

  Tipps

  Bismut findest du in der fünften Hauptgruppe im Periodensystem.

  Lösung

  Wir überlegen uns zunächst die Elementsymbole:

  • Argon: $Ar$
  • Bismut: $Bi$
  • Brom: $Br$
  • Calcium: $Ca$
  • Kupfer: $Cu$
  • Natrium: $Na$
  • Sauerstoff: $O$

  Wir wissen:

  • Die Ordnungszahl nimmt innerhalb einer Periode von links nach rechts zu um $+1$ zu.
  • Chemisch ähnliche Elemente mit derselben Anzahl an Außenelektronen (Elektronen in der äußersten Schale) stehen in derselben Gruppe. Die Anzahl der Schalen steigt innerhalb einer Gruppe von oben nach unten.

  Um die Elemente zu ordnen, gehen wir also Periode für Periode (zeilenweise) von links nach rechts die Elemente durch. Für die Ordnungszahl schreiben wir kurz: OZ.

  • Zweite Periode: Sauerstoff $O$ in der $VI.$ Hauptgruppe $ \text{OZ}=8$
  • Dritte Periode: Natrium $Na$ in der $I.$ Hauptgruppe $ \text{OZ}=11$ und Argon $Ar$ in der $VIII.$ Hauptgruppe $ \text{OZ}=18$
  • Vierte Periode: Calcium $Ca$ in der $II.$ Hauptgruppe $ \text{OZ}=20$, Kupfer $Cu$ in der Nebengruppe und Brom $Br$ in der $VII.$ Hauptgruppe $ \text{OZ}=35$
  • Sechste Periode: Bismut $Bi$ in der $V.$ Hauptgruppe $ \text{OZ}=83$