Perioden und Gruppen - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Chemie, Klasse 7-8, G-Niveau

Einleitung

Das Periodensystem ist eine geordnete Übersicht aller chemischen Elemente. Es hilft Dir, Eigenschaften von Atomen und typische Reaktionen vorherzusagen. Zwei Ordnungsbegriffe sind besonders wichtig:

1. Periode: eine waagerechte Zeile
2. Gruppe: eine senkrechte Spalte

Im modernen Periodensystem gibt es 7 Perioden und 18 Gruppen. Elemente derselben Gruppe ähneln sich häufig chemisch, weil ihre Atome eine ähnliche Besetzung der äußeren Elektronenschale besitzen.

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Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du Perioden und Gruppen sicher unterscheiden, die Stellung eines Elements mit seinem Atomaufbau verbinden und einfache Aussagen zu Valenzelektronen, Ionen und Stoffeigenschaften ableiten.

Aufbau des Periodensystems

Die Elemente sind nach steigender Ordnungszahl angeordnet. Die Ordnungszahl gibt die Zahl der Protonen im Atomkern an. Bei einem neutralen Atom ist sie zugleich die Zahl der Elektronen.

Struktur	Richtung	Bedeutung im einfachen Schalenmodell
Periode	waagerecht	Zahl der besetzten Elektronenschalen
Gruppe	senkrecht	Bei Hauptgruppenelementen Hinweis auf die Zahl der Valenzelektronen
Ordnungszahl	steigt von links nach rechts	Zahl der Protonen und beim neutralen Atom Zahl der Elektronen

Die Lanthanoide und Actinoide werden meist unterhalb der Tabelle dargestellt. Sie gehören dennoch zur sechsten beziehungsweise siebten Periode.

Die farbigen Bereiche zeigen den s-, p-, d- und f-Block. Für den Einstieg sind vor allem die Hauptgruppen am linken und rechten Rand wichtig.

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Perioden

Eine Periode verläuft von links nach rechts. Alle Elemente einer Periode besitzen im einfachen Schalenmodell gleich viele besetzte Elektronenschalen. Innerhalb einer Periode nimmt die Ordnungszahl von Element zu Element um eins zu.

Periode	Beispielbereich	Zahl besetzter Schalen
erste Periode	Wasserstoff bis Helium	eine
zweite Periode	Lithium bis Neon	zwei
dritte Periode	Natrium bis Argon	drei
vierte Periode	Kalium bis Krypton	vier
fünfte Periode	Rubidium bis Xenon	fünf
sechste Periode	Caesium bis Radon	sechs
siebte Periode	Francium bis Oganesson	sieben

Beispiel Natrium

Ein Natriumatom besitzt im vereinfachten Schalenmodell die Elektronenverteilung $2|8|1$. Drei besetzte Schalen bedeuten: Natrium steht in der dritten Periode.

Beispiel Chlor

Ein Chloratom besitzt die Elektronenverteilung $2|8|7$. Auch Chlor steht deshalb in der dritten Periode.

Natrium und Chlor liegen in derselben Periode, reagieren aber unterschiedlich, weil sie verschieden viele Valenzelektronen besitzen.

Gruppen

Eine Gruppe verläuft von oben nach unten. Bei den Hauptgruppenelementen hängt die chemische Ähnlichkeit stark mit der Zahl der Valenzelektronen zusammen. Die Gruppen 3 bis 12 enthalten überwiegend Übergangsmetalle; dort ist die Zuordnung zwischen Gruppennummer und Valenzelektronenzahl weniger einfach.

Moderne Gruppe	Elementfamilie	Valenzelektronen im Schulmodell	Typische Tendenz
1	Alkalimetalle	eins	Abgabe eines Elektrons, häufig Ionen mit Ladung $+1$
2	Erdalkalimetalle	zwei	Abgabe zweier Elektronen, häufig Ionen mit Ladung $+2$
13	Borgruppe	drei	häufig drei Bindungen oder Elektronenabgabe
14	Kohlenstoffgruppe	vier	häufig vier Bindungen
15	Stickstoffgruppe	fünf	häufig drei Bindungen oder Elektronenaufnahme
16	Chalkogene	sechs	häufig Aufnahme zweier Elektronen
17	Halogene	sieben	häufig Aufnahme eines Elektrons, häufig Ionen mit Ladung $-1$
18	Edelgase	acht; Helium besitzt zwei	meist sehr reaktionsträge

In der älteren Hauptgruppenzählung heißen die Gruppen 1, 2 und 13 bis 18 auch erste bis achte Hauptgruppe. Bei den Gruppen 13 bis 18 erhältst Du die Zahl der Valenzelektronen, indem Du von der modernen Gruppennummer zehn abziehst.

Alkalimetalle: Gruppe 1

Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium und Francium gehören zu den Alkalimetallen. Sie besitzen ein Valenzelektron. Wasserstoff steht zwar in Gruppe 1, ist aber kein Alkalimetall und nimmt eine Sonderstellung ein.

Alkalimetalle reagieren leicht, weil ihr einzelnes Valenzelektron vergleichsweise leicht abgegeben werden kann. Innerhalb der Gruppe nimmt die Reaktivität im Allgemeinen nach unten zu.

Erdalkalimetalle: Gruppe 2

Erdalkalimetalle besitzen zwei Valenzelektronen. Magnesium und Calcium sind bekannte Vertreter. Sie bilden häufig zweifach positiv geladene Ionen.

Halogene: Gruppe 17

Fluor, Chlor, Brom, Iod und Astat gehören zu den Halogenen; Tenness wird ebenfalls der Gruppe 17 zugeordnet. Halogenatome besitzen sieben Valenzelektronen und nehmen bei einfachen Salzbildungen häufig ein Elektron auf.

Die Reaktivität der Halogene nimmt innerhalb der Gruppe im Allgemeinen nach unten ab. Halogene kommen elementar meist als zweiatomige Moleküle vor, zum Beispiel $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}$.

Edelgase: Gruppe 18

Edelgase besitzen eine vollständig besetzte Außenschale: Helium hat zwei Außenelektronen, die übrigen Edelgase im einfachen Modell acht. Deshalb sind sie meist reaktionsträge. Von einigen schwereren Edelgasen sind dennoch Verbindungen bekannt.

Die leuchtenden Gasentladungsröhren zeigen, dass verschiedene Edelgase charakteristische Farben erzeugen können.

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Valenzelektronen und Ionen

Valenzelektronen befinden sich in der äußersten besetzten Schale und bestimmen viele chemische Eigenschaften. Atome können durch Elektronenabgabe oder Elektronenaufnahme Ionen bilden.

Für Natrium gilt vereinfacht:

$\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{\to }\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}$

Für Chlor gilt vereinfacht:

$\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{+}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}\mathrm{\to }\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{\mathrm{-}}$

Die entgegengesetzt geladenen Ionen ziehen sich an. So kann der Ionenverband Natriumchlorid entstehen. Die Formel lautet $\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}$.

Beispiele zum Bestimmen von Periode und Gruppe

Element	Elektronenverteilung im Schalenmodell	Periode	Gruppe	einfache Vorhersage
Magnesium	$2|8|2$	dritte	2	bildet häufig $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{\mathrm{2}\mathrm{+}}$
Schwefel	$2|8|6$	dritte	16	bildet in einfachen Salzen häufig ${\mathrm{S}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}$
Kalium	$2|8|8|1$	vierte	1	bildet häufig ${\mathrm{K}}^{\mathrm{+}}$
Argon	$2|8|8$	dritte	18	ist meist reaktionsträge

Periodische Trends

Die Stellung im Periodensystem erlaubt auch allgemeine Vorhersagen. Es handelt sich um Trends, von denen es einzelne Ausnahmen gibt.

Richtung im Periodensystem	Atomradius	Ionisierungsenergie	Elektronegativität
innerhalb einer Periode von links nach rechts	nimmt im Allgemeinen ab	nimmt im Allgemeinen zu	nimmt im Allgemeinen zu
innerhalb einer Gruppe von oben nach unten	nimmt im Allgemeinen zu	nimmt im Allgemeinen ab	nimmt im Allgemeinen ab

Innerhalb einer Periode steigt die Kernladung, während die neu hinzukommenden Elektronen überwiegend dieselbe Hauptschale besetzen. Dadurch werden sie im Allgemeinen stärker angezogen. Innerhalb einer Gruppe kommen weitere Elektronenschalen hinzu; der Abstand der Valenzelektronen zum Kern und die Abschirmung nehmen zu.

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Häufige Missverständnisse

Missverständnis	Korrektur
Gruppen sind Zeilen.	Gruppen sind senkrechte Spalten.
Die Periodennummer zeigt die Zahl der Valenzelektronen.	Sie zeigt im einfachen Modell die Zahl der besetzten Schalen.
Die Gruppennummer entspricht bei allen Elementen direkt der Valenzelektronenzahl.	Diese einfache Regel gilt vor allem für Hauptgruppenelemente.
Alle Elemente einer Periode reagieren gleich.	Sie besitzen gleich viele Schalen, aber unterschiedlich viele Valenzelektronen.
Edelgase bilden nie Verbindungen.	Sie sind meist reaktionsträge; einige schwere Edelgase können Verbindungen bilden.

Zusammenfassung

Perioden sind Zeilen, Gruppen sind Spalten. Die Periodennummer beschreibt im einfachen Schalenmodell die Zahl der besetzten Elektronenschalen. Hauptgruppenelemente derselben Gruppe besitzen gleich viele Valenzelektronen und zeigen deshalb oft ähnliche chemische Eigenschaften. Von links nach rechts und von oben nach unten verändern sich Eigenschaften wie Atomradius, Ionisierungsenergie und Elektronegativität regelmäßig.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wie nennt man eine waagerechte Zeile im Periodensystem? (Periode) (!Gruppe) (!Hauptgruppe) (!Elementfamilie)

Wie nennt man eine senkrechte Spalte im Periodensystem? (Gruppe) (!Periode) (!Schale) (!Atomkern)

Was gibt die Periodennummer im einfachen Schalenmodell an? (Die Zahl der besetzten Elektronenschalen) (!Die Zahl der Neutronen) (!Die Atommasse) (!Die Zahl aller Isotope)

Welche Gruppe enthält die Halogene? (Gruppe 17) (!Gruppe 1) (!Gruppe 2) (!Gruppe 18)

Wie viele Valenzelektronen besitzt ein Alkalimetallatom im Schulmodell? (Eins) (!Zwei) (!Sieben) (!Acht)

Welche Elementfamilie steht in Gruppe 18? (Edelgase) (!Halogene) (!Alkalimetalle) (!Erdalkalimetalle)

Welche Elektronenverteilung gehört zu einem Element der dritten Periode? (2 8 1) (!2 1) (!2 8 8 1) (!1)

Welches Ion bildet Natrium häufig? (Na positiv) (!Na zweifach positiv) (!Na negativ) (!Na zweifach negativ)

Wie verändert sich der Atomradius innerhalb einer Gruppe im Allgemeinen von oben nach unten? (Er nimmt zu) (!Er nimmt ab) (!Er bleibt immer gleich) (!Er wird null)

Warum ähneln sich Hauptgruppenelemente derselben Gruppe häufig chemisch? (Sie besitzen gleich viele Valenzelektronen) (!Sie besitzen immer dieselbe Ordnungszahl) (!Sie besitzen immer dieselbe Atommasse) (!Sie besitzen gleich viele Neutronen)

Memory

Periode	waagerechte Zeile
Gruppe	senkrechte Spalte
Valenzelektronen	Elektronen der Außenschale
Alkalimetalle	reaktive Metalle mit einem Außenelektron
Halogene	Nichtmetalle mit sieben Außenelektronen
Edelgase	meist reaktionsträge Elementfamilie

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Alkalimetalle	Lithium und Natrium
Erdalkalimetalle	Magnesium und Calcium
Halogene	Fluor und Chlor
Edelgase	Helium und Neon
Übergangsmetalle	Eisen und Kupfer

Kreuzworträtsel

Periode	Wie heißt eine waagerechte Zeile im Periodensystem?
Gruppe	Wie heißt eine senkrechte Spalte im Periodensystem?
Valenzelektron	Wie heißt ein Elektron der äußersten besetzten Schale?
Halogene	Welche Elementfamilie enthält Chlor und Brom?
Edelgase	Welche Elementfamilie steht ganz rechts im Periodensystem?
Schalen	Was zählt die Periodennummer im einfachen Atommodell?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Eine waagerechte Zeile im Periodensystem heißt . Eine senkrechte Spalte heißt . Die Periodennummer gibt im einfachen Modell die Zahl der besetzten an. Die Elektronen der äußersten besetzten Schale heißen . Die Alkalimetalle stehen in Gruppe . Die Halogene stehen in Gruppe . Die Edelgase stehen in Gruppe . Natrium besitzt im Schalenmodell ein Außenelektron und bildet häufig ein positiv geladenes . Chlor nimmt bei einer einfachen Salzbildung häufig ein auf. Innerhalb einer Gruppe nimmt der Atomradius von oben nach unten im Allgemeinen .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Periodensystem markieren: Drucke ein Periodensystem aus und markiere Perioden waagerecht sowie Gruppen senkrecht in unterschiedlichen Farben.
2. Element-Steckbrief: Erstelle einen Steckbrief zu einem Hauptgruppenelement mit Symbol, Ordnungszahl, Periode, Gruppe und Valenzelektronenzahl.
3. Schalenmodell zeichnen: Zeichne die Schalenmodelle von Lithium, Natrium und Kalium und beschreibe die Gemeinsamkeit.
4. Begriffskarten: Gestalte Karten zu Periode, Gruppe, Valenzelektron, Halogen und Edelgas mit Begriff und Erklärung.

Standard

1. Magnesium und Chlor vergleichen: Vergleiche Schalenaufbau, Stellung im Periodensystem und typische Ionenbildung beider Elemente.
2. Trendpfeile: Ergänze in einem leeren Periodensystem Pfeile für Atomradius, Ionisierungsenergie und Elektronegativität und erkläre jeden Pfeil.
3. Medienanalyse Periodensystem: Wähle eines der eingebetteten Videos und fasse drei Kernaussagen sowie eine offene Frage zusammen.
4. Elementfamilien-Poster: Gestalte ein Poster zu Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, Halogenen oder Edelgasen mit Eigenschaften und Alltagsbezügen.

Schwer

1. Reaktivität begründen: Erkläre mit Schalenabstand und Abschirmung, warum Kalium im Allgemeinen reaktiver als Lithium ist.
2. Ausnahmen untersuchen: Recherchiere die Sonderstellung von Wasserstoff oder bekannte Edelgasverbindungen und stelle Deine Ergebnisse quellenkritisch vor.
3. Daten auswerten: Erstelle aus geeigneten Messwerten ein Diagramm zum Atomradius einer Periode und deute den Verlauf.
4. Erklärvideo produzieren: Produziere ein kurzes Erklärvideo, das aus einer Elektronenverteilung Periode, Gruppe und eine wahrscheinliche Ionenladung ableitet.

Lernkontrolle

1. Unbekanntes Element bestimmen: Ein Atom besitzt die Elektronenverteilung $2|8|2$. Bestimme Periode und Gruppe, nenne eine passende Elementfamilie und begründe Deine Zuordnung.
2. Reaktivität vergleichen: Begründe, welches Element voraussichtlich leichter ein Elektron abgibt: Natrium oder Kalium.
3. Salzformel herleiten: Leite aus den typischen Ionenladungen von Magnesium und Chlor die Formel des entstehenden Salzes her.
4. Fehleranalyse: Beurteile die Aussage „Alle Elemente der dritten Periode besitzen drei Valenzelektronen“ und formuliere eine korrekte Aussage.
5. Trend übertragen: Vergleiche die Atomradien von Lithium, Natrium und Kalium und erkläre den erwarteten Verlauf.
6. Stoffeigenschaft vorhersagen: Ein unbekanntes Element steht in Gruppe 18. Formuliere zwei begründete Erwartungen an sein chemisches Verhalten und nenne eine mögliche Einschränkung.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du:

1. Perioden und Gruppen im Periodensystem korrekt erkennst und benennst.
2. aus der Elektronenverteilung die Periode und bei Hauptgruppenelementen die Gruppe ableitest.
3. den Zusammenhang zwischen Valenzelektronen, Ionenbildung und chemischer Ähnlichkeit erklärst.
4. wichtige Elementfamilien mit typischen Eigenschaften zuordnest.
5. periodische Trends beschreibst, begründest und auf unbekannte Beispiele überträgst.
6. Grenzen einfacher Regeln und wichtige Ausnahmen benennst.

Verknüpfte Lernbereiche

Perioden und Gruppen - Chemie Periodensystem Atomaufbau Elektronenkonfiguration Valenzelektron Ionenbindung Chemische Bindung Alkalimetalle Erdalkalimetalle Halogene Edelgase