Aufbau des Periodensystems - Chemie
Aufbau des Periodensystems - Chemie
Einleitung
Das Periodensystem der Elemente, kurz PSE, ist die wichtigste Übersicht der Chemie. Es ordnet alle bekannten chemischen Elemente so, dass Du ihren Atombau und viele Stoffeigenschaften erkennen oder vorhersagen kannst. Das moderne PSE umfasst 118 Elemente, 7 Perioden und 18 Gruppen. Die Elemente sind nach steigender Ordnungszahl angeordnet.[1]
Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du
- Ordnungszahl: erklären, wie die Elemente im PSE geordnet sind.
- Perioden: aus der Periodennummer die Zahl der besetzten Elektronenschalen ableiten.
- Gruppen: Elemente mit ähnlichen Eigenschaften erkennen.
- Valenzelektronen: bei Hauptgruppenelementen aus der Stellung im PSE erschließen.
- Elementfamilien: Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Halogene und Edelgase einordnen.
- Trends: einfache Veränderungen im PSE beschreiben.
Grundidee des Periodensystems
Jedes Element besitzt eine eindeutige Ordnungszahl. Sie gibt die Zahl der Protonen im Atomkern an. Bei einem elektrisch neutralen Atom entspricht sie auch der Zahl der Elektronen:
Von links nach rechts steigt die Ordnungszahl jeweils um eins. Die Elemente sind außerdem so angeordnet, dass sich ähnliche chemische Eigenschaften in regelmäßigen Abständen wiederholen. Daher heißt die Übersicht Periodensystem.[2]
| Angabe im Elementfeld | Bedeutung | Beispiel Natrium |
|---|---|---|
| Ordnungszahl | Zahl der Protonen | 11 |
| Elementsymbol | Kurzzeichen des Elements | Na |
| Elementname | Name des Elements | Natrium |
| Atommasse | Mittlere Masse der natürlichen Isotope | ungefähr 22,99 u |
Historische Entwicklung
Dmitri Iwanowitsch Mendelejew und Lothar Meyer entwickelten 1869 unabhängig voneinander wichtige Vorformen des Periodensystems. Mendelejew ließ Lücken für noch unbekannte Elemente und sagte einige ihrer Eigenschaften voraus. Das moderne PSE richtet sich nicht nach der Atommasse, sondern nach der Ordnungszahl.[3]
Perioden: Die Zeilen
Die waagerechten Zeilen heißen Perioden. Das PSE besitzt sieben Perioden. Bei Hauptgruppenelementen zeigt die Periodennummer im einfachen Schalenmodell an, wie viele Elektronenschalen besetzt sind.
| Element | Elektronenverteilung im Schalenmodell | Periode |
|---|---|---|
| Sauerstoff | 2, 6 | 2 |
| Natrium | 2, 8, 1 | 3 |
| Kalium | 2, 8, 8, 1 | 4 |
Beispiel: Natrium steht in der 3. Periode. Ein Natriumatom besitzt daher drei besetzte Elektronenschalen.
Gruppen: Die Spalten
Die senkrechten Spalten heißen Gruppen. Das PSE besitzt 18 Gruppen. Elemente derselben Gruppe haben häufig ähnliche chemische Eigenschaften, weil ihre Außenelektronen ähnlich angeordnet sind.[4]
Für die Hauptgruppenelemente helfen Dir folgende Schulregeln:
- Gruppen 1 und 2: Die Gruppennummer entspricht der Zahl der Valenzelektronen.
- Gruppen 13 bis 18: Ziehe von der Gruppennummer 10 ab, um die Zahl der Valenzelektronen zu erhalten.
- Edelgase: Sie besitzen meist acht Valenzelektronen; Helium besitzt zwei.
- Reaktionsverhalten: Eine ähnliche Zahl von Valenzelektronen führt oft zu ähnlichem Verhalten.
Wichtige Elementfamilien
| Gruppe | Elementfamilie | Valenzelektronen | Typische Eigenschaft |
|---|---|---|---|
| 1 | Alkalimetalle | 1 | sehr reaktionsfreudige Metalle |
| 2 | Erdalkalimetalle | 2 | reaktionsfreudige Metalle |
| 17 | Halogene | 7 | reaktionsfreudige Nichtmetalle |
| 18 | Edelgase | volle Außenschale | meist sehr reaktionsträge |
Wichtig: Wasserstoff steht über den Alkalimetallen, ist aber ein Nichtmetall und besitzt eine Sonderstellung.
Hauptgruppen, Nebengruppen und Blöcke
Die Gruppen 1, 2 und 13 bis 18 werden im Schulunterricht häufig als Hauptgruppen behandelt. Die Gruppen 3 bis 12 enthalten die Übergangsmetalle und werden oft als Nebengruppen bezeichnet.
Nach der Art des zuletzt besetzten Orbitals wird das PSE außerdem in vier Blöcke eingeteilt:
| Block | Lage im PSE | Grobe Zuordnung |
|---|---|---|
| s-Block | links | Gruppen 1 und 2 sowie Helium |
| p-Block | rechts | Gruppen 13 bis 18 |
| d-Block | Mitte | Übergangsmetalle |
| f-Block | ausgelagerte Reihen unten | Lanthanoide und Actinoide |
Die ausgelagerten Reihen unter dem Hauptfeld sparen Platz. Die Lanthanoide gehören zur 6. Periode, die Actinoide zur 7. Periode.
Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle
Im PSE liegen die meisten Metalle links und in der Mitte. Viele Nichtmetalle stehen rechts oben. Dazwischen verläuft ein stufenförmiger Bereich mit Halbmetallen. Wasserstoff ist trotz seiner Position links ein Nichtmetall.
.svg)
Einfache Trends im Periodensystem
Die Stellung eines Elements erlaubt vorsichtige Vorhersagen:
| Richtung | Atomradius | Metallcharakter | Elektronegativität |
|---|---|---|---|
| innerhalb einer Periode von links nach rechts | nimmt meist ab | nimmt meist ab | nimmt meist zu |
| innerhalb einer Gruppe von oben nach unten | nimmt meist zu | nimmt meist zu | nimmt meist ab |
Diese Regeln sind Trends und keine ausnahmslosen Gesetze. Für die Schule helfen sie Dir, Bindungen und Reaktionen zu begründen.
So liest Du ein Elementfeld
Am Beispiel Chlor:
| Beobachtung | Schlussfolgerung |
|---|---|
| Ordnungszahl 17 | 17 Protonen; im neutralen Atom 17 Elektronen |
| 3. Periode | drei besetzte Elektronenschalen |
| Gruppe 17 | sieben Valenzelektronen |
| Elementfamilie Halogene | reaktionsfreudiges Nichtmetall |
Aus der Stellung im PSE kannst Du somit den Atombau und typische Eigenschaften miteinander verbinden.
Merksätze
- Ordnungszahl: Sie steigt von links nach rechts und bestimmt das Element.
- Periode: Sie zeigt bei Hauptgruppenelementen die Zahl der besetzten Schalen.
- Gruppe: Elemente einer Gruppe besitzen ähnliche Außenelektronen und oft ähnliche Eigenschaften.
- Valenzelektronen: Sie bestimmen das chemische Verhalten besonders stark.
- Trend: Eigenschaften verändern sich im PSE regelmäßig, aber nicht immer ohne Ausnahme.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Wonach sind die Elemente im modernen Periodensystem hauptsächlich geordnet? (Nach steigender Ordnungszahl) (!Nach steigender Dichte) (!Nach dem Alphabet) (!Nach der Farbe)
Was gibt die Ordnungszahl an? (Die Zahl der Protonen im Atomkern) (!Die Zahl der Elektronenschalen) (!Die Zahl der Neutronen bei jedem Isotop) (!Die Zahl der chemischen Bindungen)
Wie heißen die waagerechten Zeilen des Periodensystems? (Perioden) (!Gruppen) (!Blöcke) (!Familien)
Was zeigt die Periodennummer im einfachen Schalenmodell? (Die Zahl der besetzten Elektronenschalen) (!Die Atommasse) (!Die Zahl der Neutronen) (!Den Aggregatzustand)
Wie heißen die senkrechten Spalten des Periodensystems? (Gruppen) (!Perioden) (!Reihenfolgen) (!Schalen)
Welche Elementfamilie steht in Gruppe 18? (Edelgase) (!Halogene) (!Alkalimetalle) (!Erdalkalimetalle)
Wie viele Valenzelektronen besitzen Halogene meist? (Sieben) (!Eins) (!Zwei) (!Achtzehn)
Wo liegen die Übergangsmetalle im Periodensystem? (In den Gruppen 3 bis 12) (!Nur in Gruppe 1) (!Nur in Gruppe 18) (!Außerhalb aller Perioden)
Welche Aussage über Metalle ist im Periodensystem meist richtig? (Sie stehen überwiegend links und in der Mitte) (!Sie stehen ausschließlich rechts oben) (!Sie bilden nur die Gruppe 18) (!Sie besitzen immer sieben Valenzelektronen)
Was nimmt innerhalb einer Periode von links nach rechts meist zu? (Die Elektronegativität) (!Der Atomradius) (!Die Zahl der Elektronenschalen) (!Der Metallcharakter)
Memory
| Ordnungszahl | Protonenzahl |
| Periode | waagerechte Zeile |
| Gruppe | senkrechte Spalte |
| Valenzelektronen | Außenelektronen |
| Alkalimetalle | Gruppe 1 |
| Halogene | Gruppe 17 |
| Edelgase | Gruppe 18 |
| d-Block | Übergangsmetalle |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Bedeutung |
|---|---|
| Ordnungszahl | Zahl der Protonen |
| Periode | waagerechte Zeile |
| Gruppe | senkrechte Spalte |
| Hauptgruppen | Gruppen 1, 2 und 13 bis 18 |
| Nebengruppen | Gruppen 3 bis 12 |
| Lanthanoide | ausgelagerter Teil der 6. Periode |
| Actinoide | ausgelagerter Teil der 7. Periode |
Kreuzworträtsel
| Ordnungszahl | Welche Zahl entspricht der Protonenzahl eines Elements? |
| Periode | Wie heißt eine waagerechte Zeile im PSE? |
| Gruppe | Wie heißt eine senkrechte Spalte im PSE? |
| Halogene | Welche Elementfamilie steht in Gruppe siebzehn? |
| Edelgase | Welche Elementfamilie steht in Gruppe achtzehn? |
| Valenzelektronen | Wie heißen die Elektronen der äußersten besetzten Schale? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Element-Steckbrief: Wähle ein Element aus den ersten drei Perioden und gestalte einen Steckbrief mit Symbol, Ordnungszahl, Gruppe, Periode und Verwendung.
- Farbcodierung: Markiere in einer Kopie des PSE Alkalimetalle, Halogene, Edelgase, Metalle und Nichtmetalle mit einer eigenen Legende.
- Schalenmodell: Zeichne die Schalenmodelle von Sauerstoff, Natrium und Chlor und begründe ihre Periodenzuordnung.
- Merksatz: Formuliere drei eigene Merksätze zu Ordnungszahl, Periode und Gruppe und prüfe sie an Beispielen.
Standard
- Familienvergleich: Vergleiche Alkalimetalle und Halogene hinsichtlich Valenzelektronen, Metallcharakter und typischer Ionenbildung.
- Erklärvideo: Produziere ein ein- bis zweiminütiges Video, in dem Du erklärst, wie man ein Elementfeld liest.
- Trenddiagramm: Stelle den Atomradius oder die Elektronegativität einer Periode grafisch dar und beschreibe den Verlauf.
- Interview: Befrage eine Chemielehrkraft oder eine Person aus einem Labor dazu, wofür das PSE im Alltag oder Beruf gebraucht wird.
Schwer
- Elementdetektiv: Erstelle ein Rätsel zu einem Element, bei dem nur Gruppe, Periode, Stoffklasse und einige Eigenschaften genannt werden.
- Historische Analyse: Untersuche, wie Mendelejew aus Lücken im damaligen System Eigenschaften unbekannter Elemente vorhersagte.
- Alternatives Modell: Entwirf ein räumliches oder digitales PSE, das Gruppen, Perioden und Blöcke besonders deutlich macht.
- Reaktionsvergleich: Plane unter Aufsicht eine sichere Untersuchung, mit der Gemeinsamkeiten einer Elementfamilie sichtbar werden; berücksichtige Gefährdungsbeurteilung und Entsorgung.
|
|
Lernkontrolle
- Position begründen: Ein neutrales Atom besitzt 15 Elektronen. Bestimme Ordnungszahl, Element, Periode und Hauptgruppe und begründe jeden Schritt.
- Eigenschaften vorhersagen: Ein unbekanntes Element steht unter Chlor. Leite erwartbare Gemeinsamkeiten und Unterschiede ab, ohne nur Fakten aufzuzählen.
- Fehleranalyse: Beurteile die Aussage „Alle Elemente einer Periode reagieren gleich, weil sie gleich viele Schalen haben“ und verbessere sie.
- Modelle vergleichen: Erkläre, was das Schalenmodell zur Stellung eines Hauptgruppenelements zeigt und wo das Orbitalmodell genauer ist.
- Trend anwenden: Ordne drei vorgegebene Elemente einer Periode nach Atomradius und Elektronegativität und begründe die Reihenfolge.
- Transfer: Erkläre mithilfe des PSE, warum Natrium und Chlor sehr unterschiedliche Stoffe sind, aber gemeinsam ein stabiles Salz bilden können.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du
- ein Elementfeld sicher lesen und die Angaben erklären kannst.
- Ordnungszahl, Protonenzahl und Elektronenzahl eines neutralen Atoms verknüpfst.
- Gruppen und Perioden erkennst und mit dem Schalenmodell verbindest.
- Valenzelektronen bei Hauptgruppenelementen ableitest.
- wichtige Elementfamilien einordnest und deren Gemeinsamkeiten begründest.
- Hauptgruppen, Übergangsmetalle und die vier Blöcke unterscheidest.
- einfache Trends fachsprachlich beschreibst und auf neue Beispiele überträgst.
- Aussagen zum PSE kritisch prüfst und Ausnahmen kennzeichnest.
OERs zum Thema
Weiterführende freie Lernmedien
- IUPAC Periodic Table of Elements
- Wikimedia Commons: Periodensysteme
- Periodic Videos der Universität Nottingham
Quellen
Verknüpfte Lernbereiche
aiMOOC-Projekte
Schulfach+
|
|
aiMOOCs
aiMOOC Projekte
|
|
THE MONKEY DANCE
|
|
|