Gruppen, Haupt- und Nebengruppenelemente
Wie Gruppen im Periodensystem chemisch verwandte Elemente bündeln und wie man Haupt-, Nebengruppen- und f-Elemente sicher zuordnet.
Das Wichtigste in Kürze
- Eine Gruppe ist eine senkrechte Spalte des Periodensystems. Ihre Elemente haben dieselbe Valenzkonfiguration und sind einander chemisch ähnlicher als Elemente einer Periode.
- Hauptgruppen sind die Gruppen 1, 2 und 13 bis 18 mit Trivialnamen wie Alkalimetalle, Chalkogene, Halogene und Edelgase. Halogenide sind Verbindungen der Halogene, keine Gruppe.
- Schwefel, Selen und Tellur stehen als Chalkogene in Gruppe 16 wie Sauerstoff, aber in anderen Perioden. Das Chalkogen der 3. Periode ist Schwefel.
- Nebengruppen sind die Gruppen 3 bis 12. Zink und Quecksilber stehen in Gruppe 12 (2. Nebengruppe), Zinn und Blei sind dagegen Hauptgruppenelemente.
- Cer, Samarium, Gadolinium, Holmium und Lutetium sind Lanthanoide. Uran und Plutonium gehören zu den Actinoiden.
Worum es geht
Die senkrechten Spalten des Periodensystems fassen Elemente mit ähnlichem chemischem Verhalten zusammen. Wer die Gruppen kennt, kann viele Eigenschaften ableiten und Elemente richtig einordnen. Das betrifft auch pharmazeutisch wichtige Elemente wie Zink in Wundsalben, Platin im Cisplatin oder Gadolinium in MRT-Kontrastmitteln.
Gruppen als chemisch Verwandte
Das Periodensystem ordnet die Elemente nach steigender Ordnungszahl in Zeilen und Spalten. Die Zeilen heißen Perioden. Die 18 Spalten heißen Gruppen. In einer Gruppe stehen Elemente untereinander, die sich chemisch ähneln.
Eine Gruppe ist eine senkrechte Spalte des Periodensystems. Ihre Elemente haben dieselbe Zahl an Valenzelektronen in gleichartiger Anordnung und zeigen daher ähnliche chemische Eigenschaften.
Der Grund liegt in der Elektronenhülle. Die Elemente einer Gruppe haben dieselbe Valenzkonfiguration, nur jeweils auf einer höheren Schale. Lithium (\(2s^1\)), Natrium (\(3s^1\)) und Kalium (\(4s^1\)) geben ihr einziges Außenelektron leicht ab. Alle drei bilden einfach positive Kationen und reagieren heftig mit Wasser:
\[\ce{2 Na + 2 H2O -> 2 NaOH + H2 ^}\]
Innerhalb einer Periode wächst die Zahl der Valenzelektronen dagegen von Element zu Element. Die 3. Periode reicht vom reaktiven Metall Natrium über das Halbmetall Silicium bis zum Edelgas Argon. Chemisch verwandte Elemente findet man also in derselben Gruppe, nicht in derselben Periode. Man kann sich eine Gruppe wie eine Familie vorstellen: Die Mitglieder sind unterschiedlich groß, haben aber denselben Charakter.
Namen der Hauptgruppen
Die Hauptgruppen sind die Gruppen 1 und 2 sowie 13 bis 18. Bei ihnen werden die äußeren s- und p-Orbitale besetzt. Für die Nummerierung gibt es zwei Zählweisen. Die heutige zählt alle Spalten von 1 bis 18. Die ältere nummeriert nur die Hauptgruppen von I bis VIII. Die Gruppen 13 bis 18 entsprechen also der 3. bis 8. Hauptgruppe.
Zu jeder Hauptgruppe gehört ein Trivialname. Jede Gruppe reicht bis in die 7. Periode. So ist Radium (\(\ce{Ra}\)) das schwerste Erdalkalimetall und steht wie Beryllium in Gruppe 2. Oganesson (\(\ce{Og}\), Ordnungszahl 118) ist ein künstlich erzeugtes Element und das schwerste Edelgas.
| Gruppe (neu) | Hauptgruppe (alt) | Trivialname | Elemente (Auswahl) |
|---|---|---|---|
| 1 | I | Alkalimetalle | Li, Na, K, Rb, Cs |
| 2 | II | Erdalkalimetalle | Be, Mg, Ca, Ba, Ra |
| 13 | III | Borgruppe | B, Al, Ga |
| 14 | IV | Kohlenstoffgruppe | C, Si, Ge, Sn, Pb |
| 15 | V | Stickstoffgruppe | N, P, As, Sb, Bi |
| 16 | VI | Chalkogene | O, S, Se, Te |
| 17 | VII | Halogene | F, Cl, Br, I |
| 18 | VIII | Edelgase | He, Ne, Ar, Kr, Xe, Og |
Die Halogene (griechisch „Salzbildner“) haben sieben Valenzelektronen. Sie nehmen leicht ein Elektron auf und bilden mit Metallen Salze wie Natriumchlorid. Die Edelgase besitzen eine voll besetzte Valenzschale (\(ns^2np^6\), Helium \(1s^2\)). Deshalb reagieren Argon und seine Gruppennachbarn kaum.
Die Gruppe 17 heißt Halogene. Halogenide sind dagegen Verbindungen oder Anionen der Halogene, etwa \(\ce{NaCl}\) oder \(\ce{Cl-}\), und damit keine Gruppenbezeichnung.
Wie die Abbildung zeigt, stehen die acht Hauptgruppen links und rechts im Periodensystem. Den Block dazwischen bilden die Nebengruppen.
Gruppen 14 bis 16
Die Gruppen 14, 15 und 16 stehen nebeneinander im p-Block. Ihre Elemente werden oft verwechselt, weil die Nachbarn in einer Periode ähnliche Namen und Massen haben. Hilfreich ist ein Blick auf Gruppe und Periode zugleich:
| Periode | Gruppe 14 | Gruppe 15 | Gruppe 16 |
|---|---|---|---|
| 2 | C | N | O |
| 3 | Si | P | S |
| 4 | Ge | As | Se |
| 5 | Sn | Sb | Te |
| 6 | Pb | Bi | Po |
Chalkogene
Die Chalkogene (griechisch „Erzbildner“) sind die Elemente der Gruppe 16, der alten 6. Hauptgruppe. Sie haben sechs Valenzelektronen (\(ns^2np^4\)). Viele Erze sind Oxide oder Sulfide, daher der Name. Schwefel, Selen und Tellur stehen in derselben Gruppe wie Sauerstoff. Sie liegen aber in anderen Perioden: Sauerstoff in der 2., Schwefel in der 3., Selen in der 4. und Tellur in der 5. Periode.
Selen teilt sich deshalb auch keine Periode mit Stickstoff, denn Stickstoff steht in der 2. Periode. Elemente aus anderen Spalten sind keine Chalkogene, selbst wenn sie häufig mit Sauerstoff verbunden sind. Natrium und Calcium gehören zu den Gruppen 1 und 2, Bor zur Gruppe 13 und Kohlenstoff zur Gruppe 14.
Die Chalkogene werden im Examen gerne gefragt: Schwefel, Selen und Tellur stehen in Gruppe 16 wie Sauerstoff, aber in anderen Perioden. Achte auf die Periode, denn das Chalkogen der 3. Periode ist Schwefel, während Selen erst in der 4. Periode steht.
Kohlenstoffgruppe
Die Gruppe 14 entspricht der 4. Hauptgruppe. Ihre Elemente haben vier Valenzelektronen (\(ns^2np^2\)). Unter Kohlenstoff folgen Silicium, Germanium, Zinn und Blei. Germanium steht also direkt unter Silicium.
Stickstoffgruppe
Die Gruppe 15 ist die alte 5. Hauptgruppe mit fünf Valenzelektronen (\(ns^2np^3\)). Zu ihr gehören Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon und Bismut. Antimon steht direkt oberhalb von Bismut. Die direkten Nachbarn des Stickstoffs in der 2. Periode gehören nicht dazu. Kohlenstoff steht links davon in Gruppe 14, Sauerstoff rechts davon in Gruppe 16. Ebenso stehen Schwefel und Selen eine Spalte weiter in Gruppe 16.
Nebengruppenelemente
Die Nebengruppen sind die Gruppen 3 bis 12. Sie liegen zwischen Gruppe 2 und Gruppe 13 und beginnen erst mit der 4. Periode. Bei ihnen werden die d-Orbitale der vorletzten Schale aufgefüllt. Man spricht deshalb auch vom d-Block. Alle Nebengruppenelemente sind Metalle.
Übergangsmetalle sind Elemente, deren d-Unterschale im Atom oder in einem gängigen Kation nur teilweise besetzt ist. Der Begriff deckt sich weitgehend mit den Nebengruppenelementen.
In der alten Zählung erhalten die Nebengruppen den Zusatz b. Gruppe 3 ist die IIIb, die Gruppen 8 bis 10 bilden gemeinsam die VIIIb. Gruppe 11 ist die 1. Nebengruppe, Gruppe 12 die 2. Nebengruppe. Zu Gruppe 12 gehören Zink, Cadmium und Quecksilber. Ihre Atome haben wie die Erdalkalimetalle zwei s-Elektronen außen, etwa Zink mit \(3d^{10}4s^2\). Da ihre d-Schale stets voll ist, zählen sie im strengen Sinn nicht zu den Übergangsmetallen, bleiben aber Nebengruppenelemente.
Typische Nebengruppenelemente mit pharmazeutischem Bezug:
- Titan (Gruppe 4): Titandioxid als Weißpigment in Tablettenüberzügen
- Niob (Gruppe 5): Bestandteil von Implantatlegierungen
- Nickel, Palladium, Platin (Gruppe 10): Katalysatoren, Platin im Cytostatikum Cisplatin
- Silber (Gruppe 11): Übergangsmetall mit antiseptischer Wirkung
- Zink, Quecksilber (Gruppe 12): Zinkoxid in Zinksalbe
Die Abbildung zeigt die Blöcke farbig getrennt. Entscheidend für die Zuordnung ist der Block, nicht das metallische Aussehen. Zinn und Blei sind zwar schwere Metalle, stehen aber in Gruppe 14 im p-Block. Sie sind daher Hauptgruppenelemente. Diese Zuordnung von Zinn und Blei wird im Examen gerne gefragt, weil man sie wegen ihres Metallcharakters leicht zu den Nebengruppen schiebt.
Gruppen 1, 2 und 13 bis 18 sind Hauptgruppen, Gruppen 3 bis 12 Nebengruppen. Wer ein Element zuordnen will, sucht seine Spalte, nicht seinen Metallcharakter.
Wie sich der Metallcharakter innerhalb der Hauptgruppen ändert, erklärt die Einheit zum Elementcharakter.
Lanthanoide und Actinoide
Bei den f-Elementen werden die f-Orbitale der drittletzten Schale aufgefüllt. Sie gehören eigentlich zwischen Gruppe 2 und Gruppe 3. Ein Periodensystem mit ihnen an dieser Stelle hätte 32 Spalten. Um es übersichtlich zu halten, setzt man die f-Elemente meist als zwei Zeilen unter die Tabelle.
Die Lanthanoide folgen auf Lanthan und stehen in der 6. Periode. Zu ihnen gehören 15 Elemente von Lanthan bis Lutetium. Die Actinoide folgen auf Actinium in der 7. Periode und reichen bis Lawrencium. Weil sich die f-Elemente einer Reihe chemisch sehr ähneln, fasst man sie jeweils als Gruppe zusammen.
- Periode, 4f-Orbitale werden besetzt. Beispiele: Cer (\(\ce{Ce}\)), Samarium (\(\ce{Sm}\)), Gadolinium (\(\ce{Gd}\)), Holmium (\(\ce{Ho}\)), Lutetium (\(\ce{Lu}\)).
- Periode, 5f-Orbitale werden besetzt. Beispiele: Thorium (\(\ce{Th}\)), Uran (\(\ce{U}\)), Plutonium (\(\ce{Pu}\)). Alle sind radioaktiv.
Uran ist damit ein Actinoid, kein Lanthanoid, auch wenn beide Reihen im Periodensystem direkt untereinander stehen. Pharmazeutisch begegnet man vor allem Gadolinium, dessen Komplexe als MRT-Kontrastmittel dienen. Die Eigenschaften der f-Elemente behandelt die Einheit Lanthanoide und Actinoide, die Stoffchemie der Hauptgruppen die Übersicht Hauptgruppenelemente.
Quiz
Aussage 1
In der Kohlenstoffgruppe folgt Germanium direkt unter Silicium.
Gruppe 14 lautet von oben nach unten C, Si, Ge, Sn, Pb. Germanium steht in der 4. Periode direkt unter Silicium.
Aussage 2
Die Elemente der Gruppe 17 tragen den Gruppennamen Halogenide.
Die Gruppe 17 heißt Halogene. Halogenide sind Verbindungen oder Anionen der Halogene, etwa \(\ce{NaCl}\) oder \(\ce{Cl-}\).
Aussage 3
Zinn und Blei zählen als schwere Metalle zu den Nebengruppenelementen.
Zinn und Blei stehen in Gruppe 14 im p-Block und sind Hauptgruppenelemente. Für die Zuordnung entscheidet die Spalte, nicht der Metallcharakter.
Aussage 4
Quecksilber gehört zur Gruppe 12, die in der alten Zählung als 2. Nebengruppe bezeichnet wird.
Zink, Cadmium und Quecksilber bilden die Gruppe 12 (2. Nebengruppe). Wie die Erdalkalimetalle tragen ihre Atome zwei s-Elektronen außen.
Aussage 5
Elemente derselben Periode ähneln sich chemisch stärker als Elemente derselben Gruppe.
Umgekehrt: Elemente einer Gruppe haben dieselbe Valenzkonfiguration und sind deshalb einander ähnlicher. In einer Periode ändert sich die Zahl der Valenzelektronen von Element zu Element.
Aussage 6
Samarium und Lutetium gehören zu den Lanthanoiden.
Die Lanthanoide reichen in der 6. Periode von Lanthan bis Lutetium. Samarium liegt dazwischen, Lutetium schließt die Reihe ab.
Aussage 7
Radium ist das schwerste Element der Erdalkalimetalle und steht in Gruppe 2.
Radium steht in der 7. Periode der Gruppe 2, der alten 2. Hauptgruppe, zusammen mit Beryllium, Magnesium und Calcium.
Aussage 8
Selen ist das Chalkogen der 3. Periode.
Das Chalkogen der 3. Periode ist Schwefel. Selen steht in Gruppe 16 eine Periode tiefer, also in der 4. Periode.
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