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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