Ordnungsprinzip, Perioden und Diagonalen des Periodensystems
Nach welchem Prinzip das Periodensystem aufgebaut ist, wie es historisch entstand und wie man Elemente sicher Perioden und Diagonalen zuordnet.
Das Wichtigste in Kürze
- Das Periodensystem ordnet alle Elemente nach steigender Protonenzahl (Ordnungszahl, Kernladungszahl), benachbarte Elemente einer Periode unterscheiden sich in \(Z\) um genau eins.
- Atommasse und Massenzahl steigen nicht durchgehend: Kobalt/Nickel und Tellur/Iod stehen in derselben Periode, das rechte Element ist jeweils leichter.
- Mendelejew und Meyer ordneten nach steigender relativer Atommasse, Mendelejews Eka-Silicium ist das heutige Germanium.
- Die Nummer einer Periode entspricht der Hauptquantenzahl der äußersten Schale, jede Periode endet mit einem Edelgas (He 2, Ne 10, Ar 18, Kr 36, Xe 54, Rn 86).
- Eine Diagonale geht im Hauptgruppen-Raster pro Periode genau eine Gruppe weiter: Auf der Linie von Helium nach Zinn liegen F, S, As, auf der von Beryllium nach Antimon Al, Ge.
- Silicium hat die diagonalen Nachbarn B, N, Ga, As, Schwefel hat N, F, As, Br, Chlor ist sein waagerechter Nachbar.
Worum es geht
Das Periodensystem ordnet alle Elemente nach einem einzigen Kriterium. Aus der Stellung eines Elements lassen sich Elektronenkonfiguration, Atomradius oder Elektronegativität ableiten. Wer Zeilen und Diagonalen sicher lesen kann, hat das Werkzeug für fast jede Frage zur allgemeinen und anorganischen Chemie in der Hand.
Ordnungsprinzip
Das Periodensystem der Elemente (PSE) ordnet alle Elemente in einer Tabelle aus Zeilen und Spalten. Ordnungskriterium ist die Protonenzahl, also die Ordnungszahl oder Kernladungszahl \(Z\). Jedes Feld gehört zu genau einer Ordnungszahl. Vom linken zum rechten Nachbarn einer Zeile steigt sie stets um genau eins: Wasserstoff hat \(Z = 1\), Helium \(Z = 2\), Lithium \(Z = 3\).
Warum gerade die Protonenzahl? Sie legt fest, um welches Element es sich handelt. Die Neutronenzahl schwankt dagegen innerhalb eines Elements. Die Isotope \(\ce{^{35}Cl}\) und \(\ce{^{37}Cl}\) haben verschiedene Massenzahlen und stehen trotzdem im selben Feld. Umgekehrt haben \(\ce{^{40}Ar}\) und \(\ce{^{40}Ca}\) dieselbe Massenzahl, sind aber verschiedene Elemente. Massenzahl, Nukleonenzahl und Neutronenzahl taugen deshalb nicht als Ordnungskriterium.
Auch die mittlere Atommasse ordnet das PSE nicht. Meist wächst sie mit der Ordnungszahl, aber unregelmäßig. Von Wasserstoff (1,01 u) zu Helium (4,00 u) springt sie um fast drei Einheiten, von Natrium (22,99 u) zu Magnesium (24,31 u) um gut eine. An einigen Stellen kehrt sich die Reihenfolge sogar um:
| Elementpaar | Ordnungszahlen | Mittlere Atommassen in u |
|---|---|---|
| Argon / Kalium | 18 / 19 | 39,95 / 39,10 |
| Kobalt / Nickel | 27 / 28 | 58,93 / 58,69 |
| Tellur / Iod | 52 / 53 | 127,60 / 126,90 |
Kobalt und Nickel stehen in derselben Periode, ebenso Tellur und Iod. Das rechte Element ist dort leichter als das linke. Der Grund liegt in der Isotopenverteilung. Iod besteht fast nur aus \(\ce{^{127}I}\), Tellur enthält dagegen viel schweres \(\ce{^{128}Te}\) und \(\ce{^{130}Te}\).
Das Ordnungsprinzip wird im Examen gerne gefragt: Das heutige PSE ordnet nach steigender Protonenzahl, Nachbarn einer Periode unterscheiden sich in \(Z\) immer um eins. Atommasse und Massenzahl steigen dagegen nicht durchgehend, wie Kobalt/Nickel und Tellur/Iod zeigen.
Mendelejew und Meyer
Die ersten Periodensysteme stellten 1869 und 1870 unabhängig voneinander Dmitri Mendelejew und Lothar Meyer auf. Protonen waren damals unbekannt. Beide ordneten die Elemente deshalb nach steigender relativer Atommasse und stellten chemisch ähnliche Elemente untereinander. Die Elektronegativität spielte für ihre Ordnung keine Rolle. Sie wurde erst Jahrzehnte später definiert.
Weil die Atommasse an einigen Stellen gegen die Ordnungszahl läuft, weicht die Reihenfolge einiger Elemente im ursprünglichen System vom heutigen ab. Mendelejew vertraute an solchen Stellen bereits den chemischen Eigenschaften. Tellur setzte er vor Iod, obwohl es schwerer ist. Iod gehört chemisch eindeutig zu Chlor und Brom. Erst Henry Moseley zeigte 1913 mit Röntgenspektren, dass die Kernladung das eigentliche Ordnungsprinzip ist.
Berühmt wurde Mendelejew durch seinen Mut zur Lücke. Wo kein passendes Element bekannt war, ließ er das Feld frei und sagte dessen Eigenschaften voraus. Die Platzhalter benannte er mit der Vorsilbe „Eka-“, sinngemäß „eins unter“ dem bekannten Element. Eka-Silicium ist das heutige Germanium, 1886 von Clemens Winkler entdeckt. Mendelejew hatte eine Atommasse um 72 vorhergesagt, gemessen wurden 72,6. Ebenso entpuppte sich Eka-Aluminium als Gallium und Eka-Bor als Scandium.
Perioden
Die waagerechten Zeilen des PSE heißen Perioden. Es gibt sieben davon, und ihre Nummer hat eine physikalische Bedeutung.
Eine Periode ist eine waagerechte Zeile des Periodensystems. Ihre Nummer entspricht der Hauptquantenzahl \(n\) der äußersten besetzten Schale aller Elemente dieser Zeile.
Mit jeder Periode beginnt also eine neue Elektronenschale. Natrium hat die Elektronenkonfiguration \(\ce{[Ne] 3s^1}\) und eröffnet die 3. Periode. Jede Periode endet mit einem Edelgas. Die Perioden werden nach unten länger: Sie umfassen 2, 8, 8, 18, 18, 32 und 32 Elemente. Ab der 4. Periode schieben sich die d-Elemente ein, ab der 6. zusätzlich die f-Elemente. Mehr dazu steht bei den Gruppen.
Für die Zuordnung reichen die Ordnungszahl und die Lage der Edelgase.
Die Edelgase schließen die Perioden ab: He 2, Ne 10, Ar 18, Kr 36, Xe 54, Rn 86. Ein Element gehört zu der Periode, deren Edelgas als nächstes auf seine Ordnungszahl folgt.
| Periode | Hauptquantenzahl | Ordnungszahlen | Beispiele |
|---|---|---|---|
| 1 | \(n = 1\) | 1 bis 2 | H, He |
| 2 | \(n = 2\) | 3 bis 10 | B, C, O, F |
| 3 | \(n = 3\) | 11 bis 18 | Na, Al, Si, P, S |
| 4 | \(n = 4\) | 19 bis 36 | K, Ca, Zn, Ga, As, Br, Kr |
| 5 | \(n = 5\) | 37 bis 54 | Sr, Sn, Sb, I |
| 6 | \(n = 6\) | 55 bis 86 | Cs, Ba, Bi |
Zwei Beispiele zeigen das Vorgehen. Zink hat \(Z = 30\) und liegt damit zwischen Argon und Krypton, also in der 4. Periode. Bismut (\(Z = 83\)) folgt auf Xenon und steht vor Radon. Es gehört zur 6. Periode, Krypton dagegen zur 4. Barium (\(Z = 56\)) und Caesium (\(Z = 55\)) teilen sich die 6. Periode.
Die Periodenzuordnung der Hauptgruppenelemente solltest du sicher können. Achte besonders auf Kalium, Calcium und Gallium, die man leicht noch der 3. Periode zuschlägt. Gallium steht zwar in der Spalte unter Aluminium, gehört aber zur 4. Periode. Bor steht über Aluminium und gehört zur 2. Periode, zusammen mit Kohlenstoff, Sauerstoff und Fluor. In der 3. Periode folgen Aluminium, Silicium, Phosphor und Schwefel in dieser Reihenfolge, Silicium steht also links von Phosphor.
Diagonalen
Neben Zeilen und Spalten lassen sich im PSE auch schräge Linien ziehen. Eine Diagonale verbindet Elemente, die von Feld zu Feld jeweils eine Periode tiefer und eine Gruppe weiter stehen. Gezählt wird im Raster der Hauptgruppen I bis VIII, die Nebengruppen bleiben ausgeblendet. Gallium steht dann direkt unter Aluminium, Helium über Neon in der VIII. Hauptgruppe.
Die Diagonale von Helium nach Zinn läuft nach links unten: He (1. Periode, VIII), F (2., VII), S (3., VI), As (4., V) und Sn (5., IV). Auf der Strecke von Fluor nach Zinn liegen somit Schwefel und Arsen. Die Diagonale von Beryllium nach Antimon läuft nach rechts unten: Be (2., II), Al (3., III), Ge (4., IV) und Sb (5., V).
Im Langperiodensystem mit 18 Spalten liegen Beryllium (Gruppe 2) und Aluminium (Gruppe 13) elf Spalten auseinander, die Diagonale zerfällt. Bestimme Diagonalen deshalb immer im Raster der acht Hauptgruppen.
So bestimmst du die Elemente einer Diagonale, hier am Beispiel von Bor nach Tellur:
- Start festlegen: Bor steht in der 2. Periode und der III. Hauptgruppe.
- Richtung bestimmen: Tellur steht in der 5. Periode und der VI. Hauptgruppe. Pro Periode nach unten geht es also eine Gruppe nach rechts.
- Schrittweise gehen: In der 3. Periode trifft man Gruppe IV, also Silicium. In der 4. Periode trifft man Gruppe V, also Arsen.
- Prüfen: Ein Element liegt nur dann auf der Linie, wenn Periode und Gruppe exakt zum Schritt passen. Germanium (4., IV) gehört deshalb nicht dazu.
Dieselbe Rechnung zeigt, wer abseits liegt. Kohlenstoff (2., IV) und Magnesium (3., II) verfehlen die Linie von Helium nach Zinn, denn dort stehen in diesen Perioden Fluor und Schwefel. Phosphor (3., V) und Germanium (4., IV) liegen jeweils eine Gruppe neben Schwefel bzw. Arsen. Lithium, Selen und Iod liegen neben der Linie von Beryllium nach Antimon.
Diagonale Nachbarn eines Elements sind die vier Eckfelder um es herum. Sie stehen eine Periode höher oder tiefer und eine Gruppe links oder rechts. Silicium (3., IV) hat damit B, N, Ga und As als diagonale Nachbarn. Für Schwefel (3., VI) sind es N, F, As und Br. Chlor steht dagegen in derselben Periode direkt neben Schwefel und ist ein waagerechter Nachbar.
Diagonalaufgaben werden im Examen gerne gefragt: Entscheidend ist, Periode und Hauptgruppe jedes Elements sicher zu kennen und pro Schritt genau eine Periode und eine Gruppe weiterzugehen. Dass manche diagonal benachbarten Elemente chemisch ähneln, behandelt die Schrägbeziehung.
Quiz
Aussage 1
Strontium gehört zur 4. Periode des Periodensystems.
Strontium hat \(Z = 38\) und folgt auf Krypton (36). Es steht daher in der 5. Periode.
Aussage 2
Mendelejew und Meyer ordneten die Elemente bereits nach der Protonenzahl.
Beide ordneten nach steigender relativer Atommasse, da Protonen noch unbekannt waren. Die Kernladung als Ordnungsprinzip zeigte erst Moseley 1913.
Aussage 3
Auf der Diagonale von Helium nach Zinn liegen Fluor, Schwefel und Arsen.
Von He (1., VIII) geht es pro Periode eine Hauptgruppe nach links: F (2., VII), S (3., VI), As (4., V), Sn (5., IV).
Aussage 4
Zwei in einer Periode nebeneinanderstehende Elemente unterscheiden sich in ihrer Ordnungszahl um genau eins.
Das PSE ist nach steigender Protonenzahl geordnet, von Feld zu Feld nimmt \(Z\) um eins zu.
Aussage 5
Innerhalb einer Periode besitzt das rechte von zwei benachbarten Elementen immer die größere mittlere Atommasse.
Nickel steht rechts von Kobalt und ist leichter, ebenso Iod rechts von Tellur. Verlässlich steigt nur die Protonenzahl.
Aussage 6
Barium und Caesium stehen in derselben Periode.
Caesium (\(Z = 55\)) und Barium (\(Z = 56\)) liegen beide zwischen Xenon und Radon, also in der 6. Periode.
Aussage 7
Das von Mendelejew vorhergesagte Eka-Silicium entspricht dem Element Germanium.
Germanium wurde 1886 entdeckt und füllte die Lücke unter Silicium, seine Atommasse von 72,6 passte zur Vorhersage.
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