Das Periodensystem der Elemente - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, G-Niveau

Einleitung

Das Periodensystem der Elemente, kurz PSE, ist eine geordnete Übersicht aller bekannten chemischen Elemente. Es hilft Dir, Elemente zu finden, ihre Atome zu beschreiben und chemische Eigenschaften vorherzusagen. Die Elemente sind nach steigender Ordnungszahl angeordnet. Das heutige PSE enthält 118 Elemente, 7 Perioden und 18 Gruppen.

Ein deutsches Periodensystem mit Elementsymbolen, Ordnungszahlen und weiteren Angaben.

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Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du:

1. Ordnungszahl und Massenzahl unterscheiden.
2. Perioden und Gruppen erklären.
3. wichtige Hauptgruppen benennen.
4. aus der Stellung eines Elements einfache Eigenschaften ableiten.
5. grundlegende Trends wie Atomradius, Elektronegativität und Ionisierungsenergie beschreiben.
6. Informationen aus einem Elementkästchen sicher lesen.

Wie ist das Periodensystem entstanden?

Im Jahr 1869 entwickelten Dmitri Mendelejew und Lothar Meyer unabhängig voneinander ähnliche Ordnungssysteme. Mendelejew ließ Lücken für noch unbekannte Elemente und sagte einige ihrer Eigenschaften voraus. Später zeigte sich, dass die Ordnungszahl das entscheidende Ordnungsprinzip ist.

Dmitri Mendelejew trug wesentlich zur Entwicklung des Periodensystems bei.

Eine historische Form von Mendelejews Periodensystem.

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Das Elementkästchen lesen

Ein Elementkästchen enthält meist vier Grundinformationen:

1. Ordnungszahl: Anzahl der Protonen im Atomkern.
2. Elementsymbol: international festgelegtes Kurzzeichen, zum Beispiel O für Sauerstoff.
3. Elementname: Name des chemischen Elements.
4. Atommasse: mittlere Masse der natürlich vorkommenden Isotope, meist in atomaren Masseneinheiten angegeben.

Für ein Nuklid wird häufig folgende Schreibweise verwendet:

${}_Z^A\mathrm{X}$

Dabei ist $Z$ die Ordnungszahl, $A$ die Massenzahl und $\mathrm{X}$ das Elementsymbol. Die Neutronenzahl $N$ berechnest Du mit:

$N=A-Z$

Beispiel Natrium:

${}_{11}^{23}\mathrm{N}\mathrm{a}$

Ein Natriumatom dieses Isotops besitzt 11 Protonen und $23-11=12$ Neutronen. Ein elektrisch neutrales Natriumatom besitzt außerdem 11 Elektronen.

Natrium ist ein weiches, silbrig glänzendes und sehr reaktives Metall.

Atomaufbau und Stellung im PSE

Die Stellung eines Elements hängt mit dem Aufbau seiner Atomhülle zusammen. Im einfachen Schalenmodell gilt für Hauptgruppenelemente:

1. Die Periodennummer zeigt, wie viele Elektronenschalen besetzt sind.
2. Die Hauptgruppennummer zeigt meist, wie viele Valenzelektronen vorhanden sind.
3. Valenzelektronen bestimmen besonders stark das chemische Verhalten.

Eine wichtige Ausnahme ist Helium: Es steht bei den Edelgasen, besitzt aber nur zwei Elektronen. Seine einzige Schale ist damit vollständig besetzt.

Kohlenstoff besitzt sechs Elektronen, davon vier Valenzelektronen.

Fluor besitzt sieben Valenzelektronen und steht deshalb bei den Halogenen.

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Perioden und Gruppen

Perioden

Die waagerechten Zeilen heißen Perioden. Innerhalb einer Periode steigt die Ordnungszahl von links nach rechts. Im vereinfachten Schalenmodell besitzen die Atome einer Periode gleich viele besetzte Elektronenschalen.

Gruppen

Die senkrechten Spalten heißen Gruppen. Elemente derselben Hauptgruppe besitzen eine ähnliche Zahl an Valenzelektronen und zeigen deshalb oft ähnliche chemische Eigenschaften. Nach der IUPAC-Zählung werden die Gruppen von 1 bis 18 nummeriert.

Hauptgruppen und Nebengruppen

Die Gruppen 1, 2 und 13 bis 18 werden im Schulunterricht meist als Hauptgruppen behandelt. Die Gruppen 3 bis 12 enthalten die Übergangsmetalle und werden traditionell als Nebengruppen bezeichnet. Lanthanoide und Actinoide stehen aus Platzgründen meist unterhalb der Haupttabelle.

Die s-, p-, d- und f-Blöcke zeigen, welche Arten von Orbitalen aufgefüllt werden.

Wichtige Elementfamilien

Alkalimetalle

Die Alkalimetalle stehen in Gruppe 1. Wasserstoff wird zwar dort eingeordnet, ist aber kein Alkalimetall. Alkalimetalle besitzen ein Valenzelektron und geben es leicht ab. Lithium, Natrium und Kalium reagieren deutlich mit Wasser. Ihre Reaktivität nimmt innerhalb der Gruppe nach unten im Allgemeinen zu.

Erdalkalimetalle

Die Erdalkalimetalle stehen in Gruppe 2 und besitzen zwei Valenzelektronen. Zu ihnen gehören Magnesium und Calcium. Sie sind reaktive Metalle, aber meist weniger reaktiv als die Alkalimetalle derselben Periode.

Proben der Erdalkalimetalle Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium und Barium.

Halogene

Die Halogene stehen in Gruppe 17. Sie besitzen sieben Valenzelektronen und nehmen häufig ein Elektron auf. Halogene sind reaktive Nichtmetalle und bilden mit Metallen oft Salze. Beispiele sind Fluor, Chlor, Brom und Iod.

Iod ist ein Halogen und liegt bei Raumtemperatur als dunkler Feststoff vor.

Edelgase

Die Edelgase stehen in Gruppe 18. Ihre äußere Elektronenschale ist vollständig besetzt. Deshalb reagieren sie unter normalen Bedingungen nur wenig. Zu ihnen gehören Helium, Neon und Argon.

Edelgase erzeugen in Gasentladungsröhren charakteristische Lichtfarben.

Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle

Im PSE liegen die meisten Metalle links und in der Mitte. Sie leiten elektrischen Strom meist gut, sind häufig verformbar und besitzen metallischen Glanz. Nichtmetalle stehen überwiegend rechts oben. Zwischen beiden Bereichen befinden sich einige Halbmetalle mit gemischten Eigenschaften, zum Beispiel Silicium.

Diese Einteilung ist eine nützliche Orientierung. Einzelne Elemente können jedoch Besonderheiten zeigen.

Periodische Trends

Viele Eigenschaften verändern sich im PSE regelmäßig. Es handelt sich um Tendenzen, von denen es Ausnahmen gibt.

1. Atomradius: nimmt innerhalb einer Periode von links nach rechts meist ab und innerhalb einer Gruppe nach unten zu.
2. Ionisierungsenergie: nimmt innerhalb einer Periode meist zu und innerhalb einer Gruppe nach unten ab.
3. Elektronegativität: nimmt innerhalb einer Periode meist zu und innerhalb einer Gruppe nach unten ab.
4. Metallischer Charakter: nimmt nach links und nach unten zu.

Pfeile veranschaulichen wichtige Trends im Periodensystem.

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Vom PSE zur chemischen Reaktion

Das PSE hilft Dir, typische Ionenladungen und Bindungen vorherzusagen:

1. Alkalimetalle geben meist ein Elektron ab und bilden Ionen mit der Ladung $+1$.
2. Erdalkalimetalle geben meist zwei Elektronen ab und bilden Ionen mit der Ladung $+2$.
3. Halogene nehmen meist ein Elektron auf und bilden Ionen mit der Ladung $-1$.
4. Edelgase sind wegen ihrer voll besetzten Außenschale meist reaktionsträge.

Beispiel Natriumchlorid:

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

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

Die entgegengesetzt geladenen Ionen ziehen sich an und bilden ein Ionengitter.

Spektren und Flammenfärbung

Werden Elektronen durch Energie angeregt, können sie später Licht bestimmter Wellenlängen aussenden. Deshalb zeigen einige Elemente charakteristische Emissionsspektren oder Flammenfarben. Diese Beobachtungen helfen bei der Identifikation von Elementen.

Kupferverbindungen können eine grünlich-blaue Flammenfärbung erzeugen.

Bedeutung des Periodensystems

Das PSE ist mehr als eine Liste. Es verbindet Atomaufbau, Stoffeigenschaften und chemische Reaktionen. Es wird in Schule, Forschung, Medizin, Technik, Umweltwissenschaft und Materialentwicklung genutzt. Aus der Stellung eines Elements kannst Du Vermutungen ableiten, die anschließend durch Experimente geprüft werden.

Eine besondere Darstellung zeigt mögliche kosmische Entstehungswege der Elemente.

Merksätze

1. Die Ordnungszahl ist die Anzahl der Protonen.
2. Perioden sind waagerechte Zeilen.
3. Gruppen sind senkrechte Spalten.
4. Ähnliche Valenzelektronenzahlen führen oft zu ähnlichen Eigenschaften.
5. Die Stellung im PSE ermöglicht begründete Vorhersagen.
6. Periodische Trends sind Regeln mit möglichen Ausnahmen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wonach sind die Elemente im modernen Periodensystem geordnet? (Nach steigender Ordnungszahl) (!Nach alphabetischer Reihenfolge) (!Nach steigender Dichte) (!Nach ihrem Entdeckungsjahr)

Was gibt die Ordnungszahl an? (Die Anzahl der Protonen) (!Die Anzahl der Neutronen) (!Die Zahl der Elektronenschalen) (!Die Atommasse in Gramm)

Wie heißen die waagerechten Zeilen im Periodensystem? (Perioden) (!Gruppen) (!Familien) (!Blöcke)

Wie heißen die senkrechten Spalten im Periodensystem? (Gruppen) (!Perioden) (!Schalen) (!Isotope)

Welche Elementfamilie steht in Gruppe 17? (Halogene) (!Edelgase) (!Alkalimetalle) (!Erdalkalimetalle)

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

Was bestimmt das chemische Verhalten eines Hauptgruppenelements besonders stark? (Die Zahl der Valenzelektronen) (!Die Farbe des Elements) (!Das Entdeckungsjahr) (!Die Größe des Elementsymbols)

Wie verändert sich der Atomradius innerhalb einer Hauptgruppe meist nach unten? (Er nimmt zu) (!Er nimmt ab) (!Er bleibt immer gleich) (!Er wird null)

Welches Teilchen entsteht meist, wenn Natrium ein Elektron abgibt? (Ein positiv geladenes Natriumion) (!Ein negativ geladenes Natriumion) (!Ein Neutron) (!Ein Chloridion)

Warum sind Edelgase meist reaktionsträge? (Ihre Außenschale ist vollständig besetzt) (!Sie besitzen keine Protonen) (!Sie sind immer fest) (!Sie enthalten nur Neutronen)

Memory

Ordnungszahl	Anzahl der Protonen
Periode	waagerechte Zeile
Gruppe	senkrechte Spalte
Alkalimetalle	erste Hauptgruppe
Halogene	Salzbildner
Edelgase	reaktionsträge Elementfamilie
Valenzelektronen	Elektronen der äußeren Schale
Mendelejew	Vorhersage unbekannter Elemente

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Periodensystem
Ordnungszahl	Protonenzahl
Periodennummer	Zahl besetzter Schalen im einfachen Schalenmodell
Gruppe 1	Alkalimetalle
Gruppe 2	Erdalkalimetalle
Gruppe 17	Halogene
Gruppe 18	Edelgase

Kreuzworträtsel

Protonen	Welche Teilchenzahl legt die Ordnungszahl fest?
Periode	Wie heißt eine waagerechte Zeile des PSE?
Gruppe	Wie heißt eine senkrechte Spalte des PSE?
Halogene	Welche Elementfamilie steht in der vorletzten Spalte?
Edelgase	Welche Elementfamilie besitzt meist eine volle Außenschale?
Mendelejew	Welcher Chemiker sagte Eigenschaften unbekannter Elemente voraus?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Das Periodensystem ordnet die Elemente nach steigender . Die Ordnungszahl entspricht der Anzahl der . Waagerechte Zeilen heißen . Senkrechte Spalten heißen . Elemente derselben Hauptgruppe besitzen oft eine ähnliche Zahl an . Die Elemente der Gruppe 1 heißen . Die Elemente der Gruppe 17 heißen . Die Elemente der Gruppe 18 heißen . Der Atomradius nimmt innerhalb einer Gruppe nach unten meist . Die Elektronegativität nimmt innerhalb einer Periode von links nach rechts meist . Mendelejew ließ in seinem System bewusst . Ein neutrales Atom besitzt gleich viele Protonen wie .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Element-Steckbrief: Wähle ein Element aus und gestalte einen Steckbrief mit Symbol, Ordnungszahl, Gruppe, Periode und Verwendung.
2. PSE-Farblegende: Markiere in einer Kopie des Periodensystems Metalle, Nichtmetalle und Halbmetalle mit einer eigenen Legende.
3. Elemente im Alltag: Fotografiere fünf Gegenstände und ordne jedem Gegenstand mindestens ein enthaltenes Element zu.
4. Merksatz: Erfinde einen kurzen Merksatz für die Begriffe Ordnungszahl, Gruppe und Periode.

Standard

1. Elementfamilien vergleichen: Vergleiche Alkalimetalle, Halogene und Edelgase in einer selbst erstellten Tabelle.
2. Schalenmodelle zeichnen: Zeichne die Schalenmodelle von Lithium, Kohlenstoff, Fluor und Neon und erkläre ihre Stellung im PSE.
3. Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Video darüber, wie man ein Elementkästchen liest.
4. Flammenfärbung untersuchen: Plane mit Deiner Lehrkraft einen sicheren Versuch zur Flammenfärbung und dokumentiere Beobachtung und Auswertung.

Schwer

1. Periodische Trends erklären: Erkläre mit Kernladung und Abschirmung, warum sich Atomradius und Ionisierungsenergie periodisch verändern.
2. Mendelejews Vorhersagen: Recherchiere eine historische Vorhersage Mendelejews und vergleiche sie mit den später gemessenen Eigenschaften.
3. Unbekanntes Element bestimmen: Entwickle ein Rätsel mit Eigenschaften eines Elements, das Mitschülerinnen und Mitschüler mithilfe des PSE lösen.
4. Alternatives Periodensystem: Entwirf eine eigene Darstellung des PSE und begründe, welche Zusammenhänge dadurch besonders sichtbar werden.

Lernkontrolle

1. Elementposition begründen: Ein neutrales Atom besitzt 12 Protonen und 12 Elektronen. Bestimme seine Position im PSE und leite zwei wahrscheinliche Eigenschaften ab.
2. Reaktivität vergleichen: Vergleiche Lithium und Kalium. Begründe mithilfe ihrer Stellung im PSE, welches Metall reaktiver ist.
3. Ionenbildung übertragen: Erkläre, welche Ionen Magnesium und Chlor wahrscheinlich bilden und welche Verhältnisformel sich für ihre Verbindung ergibt.
4. Trend analysieren: Ordne Natrium, Magnesium und Chlor nach zunehmender Elektronegativität und begründe Deine Reihenfolge.
5. Modellkritik: Erkläre, welche Aussagen das Schalenmodell für Hauptgruppenelemente gut ermöglicht und wo es zu stark vereinfacht.
6. Alltagsstoff untersuchen: Wähle einen Alltagsstoff, nenne die beteiligten Elemente und erkläre, wie das PSE hilft, eine Eigenschaft des Stoffes zu verstehen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

1. ein Element im PSE sicher findest.
2. Ordnungszahl, Massenzahl und Atommasse unterscheidest.
3. Perioden und Gruppen korrekt erklärst.
4. wichtige Elementfamilien zuordnest.
5. Valenzelektronen mit typischem Reaktionsverhalten verbindest.
6. einfache Ionenladungen begründet vorhersagst.
7. periodische Trends beschreibst und erklärst.
8. das PSE auf eine neue Fragestellung überträgst.

OERs zum Thema

Weitere freie Lernmedien

1. IUPAC: Periodic Table of Elements
2. Periodensystem
3. Chemisches Element
4. Atommodell
5. Gruppe des Periodensystems
6. Periode des Periodensystems

Verknüpfte Lernbereiche

Das Periodensystem der Elemente - Chemie Chemisches Element Atom Ordnungszahl Massenzahl Isotop Atomhülle Valenzelektron Hauptgruppe Alkalimetalle Erdalkalimetalle Halogene Edelgase Übergangsmetalle Elektronegativität Ionisierungsenergie Chemische Bindung