Metallcharakter, Aggregatzustände und Schrägbeziehung
Wie sich Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle im Periodensystem verteilen, welche Aggregatzustände die Elemente einzelner Gruppen bei Raumtemperatur haben und welche Elementpaare eine Schrägbeziehung zeigen.
Das Wichtigste in Kürze
- Metalle stehen links unten, Nichtmetalle rechts oben, die Halbmetalle B, Si, Ge, As, Sb und Te auf der Treppenlinie dazwischen.
- Der Metallcharakter nimmt in einer Gruppe nach unten zu und in einer Periode nach rechts ab, parallel zu sinkender Ionisierungsenergie und Elektronegativität.
- Nur die 17. Gruppe zeigt bei Raumtemperatur alle drei Zustände: \(\ce{F2}\) und \(\ce{Cl2}\) gasförmig, \(\ce{Br2}\) flüssig, \(\ce{I2}\) fest.
- Die Edelgase sind alle gasförmig; die 13. Gruppe hat kein Gas, die 16. Gruppe keine Flüssigkeit.
- Schrägbeziehungen bestehen zwischen Li/Mg, Be/Al und B/Si, nicht zwischen B und Mg.
Worum es geht
Aus der Stellung eines Elements im Periodensystem lässt sich ablesen, ob es metallisch ist und wie es sich chemisch verhält. Das hilft beim Einordnen von Stoffen wie Lithiumcarbonat oder Aluminiumhydroxid, die beide als Arzneistoffe dienen.
Metalle, Halbmetalle, Nichtmetalle
Metalle stehen links und unten im Periodensystem. Sie haben eine niedrige Ionisierungsenergie und eine niedrige Elektronegativität. Deshalb geben sie Elektronen leicht ab und bilden Kationen. Sie glänzen und leiten Strom, was die Metallbindung erklärt.
Nichtmetalle stehen rechts oben. Ihre hohe Ionisierungsenergie und Elektronegativität lassen sie Elektronen aufnehmen oder teilen. Sie bilden Anionen oder kovalente Moleküle. Wasserstoff zählt trotz seiner Stellung in der 1. Gruppe zu den Nichtmetallen.
Halbmetalle liegen auf der Treppenlinie von B über Si, Ge, As und Sb bis Te. Ihre Eigenschaften liegen dazwischen. Silicium und Germanium sind typische Halbleiter. Der Metallcharakter nimmt in einer Gruppe nach unten zu und in einer Periode nach rechts ab.
Aggregatzustände in den Gruppen
Bei Raumtemperatur sind die meisten Elemente fest. Gase und Flüssigkeiten finden sich vor allem rechts oben bei den Nichtmetallen. Nur die Halogene zeigen in einer einzigen Gruppe alle drei Zustände. Der Grund ist die wachsende Molekülgröße: Mit ihr steigen die Van-der-Waals-Kräfte zwischen den \(\ce{X2}\)-Molekülen.
| Gruppe | gasförmig | flüssig | fest |
|---|---|---|---|
| 1 | \(\ce{H2}\) | keines | Li bis Cs |
| 13 | keines | keines | B bis Tl |
| 16 | \(\ce{O2}\) | keines | S, Se, Te |
| 17 | \(\ce{F2}\), \(\ce{Cl2}\) | \(\ce{Br2}\) | \(\ce{I2}\) |
| 18 | alle Edelgase | keines | keines |
Caesium (28 °C) und Gallium (30 °C) schmelzen knapp über Raumtemperatur. Bei 25 °C sind beide noch fest. So hat die 1. Gruppe nur gasförmigen Wasserstoff und feste Metalle, die 13. Gruppe gar kein Gas.
Bei Raumtemperatur flüssig sind nur zwei Elemente: das Nichtmetall Brom und das Metall Quecksilber.
Schrägbeziehung
Leichte Elemente der 2. Periode ähneln oft weniger ihrem Gruppennachbarn als dem Element rechts unten in der 3. Periode. Diese Verwandtschaft entlang der Diagonalen heißt Schrägbeziehung.
Ähnlichkeit der chemischen Eigenschaften zwischen einem Element der 2. Periode und dem diagonal rechts unten stehenden Element der 3. Periode.
Die Ursache ist ein Ausgleich zweier Trends. Nach rechts steigen Ladung und Elektronegativität, nach unten sinken sie wieder. Diagonal heben sich beide Effekte fast auf. Auch die Ionenradien passen: \(\ce{Li+}\) misst etwa 76 pm, \(\ce{Mg^2+}\) etwa 72 pm.
Lithium und Magnesium reagieren beide direkt mit Stickstoff zum Nitrid:
\[\ce{6 Li + N2 -> 2 Li3N}\]
Ihre Carbonate zerfallen beim Erhitzen zum Oxid und \(\ce{CO2}\). Natrium verhält sich anders.
Beryllium und Aluminium bilden amphotere Hydroxide. Diese lösen sich in Säure und in Lauge:
\[\ce{Al(OH)3 + OH- -> [Al(OH)4]-}\]
Beide Metalle passivieren sich durch eine Oxidschicht. Ihre Chloride \(\ce{BeCl2}\) und \(\ce{AlCl3}\) sind stark kovalent und Lewis-sauer.
Bor und Silicium sind Halbmetalle mit sauren Oxiden. \(\ce{B2O3}\) und \(\ce{SiO2}\) sind Glasbildner, und beide Elemente bilden flüchtige Hydride.
Wird im Examen gerne gefragt: Die Paare sind Li/Mg, Be/Al und B/Si, immer von links oben nach rechts unten. Bor und Magnesium verbindet die Gegendiagonale, daher besteht zwischen ihnen keine Schrägbeziehung.
Quiz
Aussage 1
Bor und Magnesium stehen im Periodensystem in Schrägbeziehung zueinander.
Die Schrägbeziehung verläuft von links oben nach rechts unten. Bor steht mit Silicium in Schrägbeziehung, Magnesium mit Lithium.
Aussage 2
Innerhalb einer Gruppe nimmt der Metallcharakter von oben nach unten zu.
Nach unten sinken Ionisierungsenergie und Elektronegativität, die Elemente geben Elektronen leichter ab.
Aussage 3
Beryllium und Aluminium bilden beide amphotere Hydroxide, was ihre Schrägbeziehung widerspiegelt.
\(\ce{Be(OH)2}\) und \(\ce{Al(OH)3}\) lösen sich sowohl in Säure als auch in Lauge.
Aussage 4
In der 16. Gruppe kommt bei Raumtemperatur ein flüssiges Element vor.
Sauerstoff ist gasförmig, Schwefel, Selen und Tellur sind fest. Ein flüssiges Element gibt es in dieser Gruppe nicht.
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