Nebengruppenelemente

Stellung im Periodensystem und Elektronenkonfiguration der d-Elemente

Wo die d-Elemente im Periodensystem stehen, wie man sie Perioden, Gruppen und d-Reihen zuordnet und wie man die Elektronenkonfiguration ihrer Atome und Ionen ableitet.

Prüfungsrelevanz: sehr wichtig ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze6 Punkte
  • Der d-Block umfasst die Gruppen 3 bis 12; in Periode \(n\) wird die \((n-1)\)d-Unterschale aufgefüllt, daraus entstehen die 3d-, 4d- und 5d-Reihe.
  • Ti, Cr, Fe und Co sind 3d-Elemente der 4. Periode, Pd und Tc 4d-Elemente der 5. Periode, Os ist ein 5d-Element; Hg steht in der Zinkgruppe, nicht bei Cu und Ag.
  • Die Platinmetalle Ru, Rh, Pd, Os, Ir und Pt liegen in den Gruppen 8 bis 10; Gold gehört als Element der Kupfergruppe nicht dazu.
  • Chrom hat \(3d^5\,4s^1\), Kupfer \(3d^{10}\,4s^1\), weil halb- und vollbesetzte d-Schalen energetisch günstig sind.
  • Bei der Ionenbildung werden zuerst die 4s-Elektronen abgegeben; die \(\mathrm{d}^n\)-Konfiguration ergibt sich aus Gruppennummer minus Ladung, etwa \(\ce{Fe^3+}\) \(\mathrm{d}^5\).
  • d-Elektronen wirken als Valenzelektronen, doch Zn, Cd, Hg und Pd haben eine volle d-Schale ohne ungepaarte Elektronen.

Dieses Kapitel ist für Supporter

Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️

Zugang freischalten

Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse

Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.

Zum Konto

Steckbrief der d-Elemente

Die d-Elemente bilden den breiten Mittelteil des Periodensystems. Zu ihnen gehören viele pharmazeutisch wichtige Metalle, vom Eisen im Hämoglobin bis zum Platin im Cisplatin. Wer ihre Elektronenkonfiguration lesen kann, versteht ihre Oxidationsstufen, Farben und Komplexe.

Merkmal Ausprägung
Stellung im Periodensystem Gruppen 3 bis 12 zwischen s- und p-Block; 3d-Reihe (4. Periode), 4d-Reihe (5. Periode), 5d-Reihe (6. Periode)
Elektronenkonfiguration allgemein \((n-1)d^{x}\,ns^2\); Sonderfälle mit \(ns^1\) (Cr, Cu) oder \(ns^0\) (Pd)
Wichtige Oxidationsstufen meist mehrere, weil d-Elektronen mitbinden; z. B. Fe +2 und +3, Mn bis +7
Eigenschaften der Elemente ausnahmslos Metalle; Atome und Ionen mit ungepaarten d-Elektronen sind paramagnetisch

d-Block im Überblick

Ab der 4. Periode schiebt sich zwischen die Erdalkalimetalle und die Borgruppe ein Block aus zehn Gruppen. Dieser d-Block umfasst die Gruppen 3 bis 12. Hier wird nicht mehr die äußerste Schale besetzt, sondern die d-Unterschale darunter. In Periode \(n\) füllt sich also die \((n-1)\)d-Unterschale. Das Prinzip dahinter erklärt Pauli-Prinzip, Aufbauprinzip und Hund’sche Regel.

Eine d-Unterschale hat fünf Orbitale und fasst zehn Elektronen. Deshalb hat jede d-Reihe zehn Elemente. Die 3d-Reihe oder erste Übergangsreihe reicht in der 4. Periode von Scandium bis Zink. Die 4d-Reihe der 5. Periode läuft von Yttrium bis Cadmium, die 5d-Reihe der 6. Periode endet bei Quecksilber.

📖 Definition: Übergangselement

Ein Übergangselement hat im Atom eine unvollständig besetzte d-Unterschale oder bildet Kationen mit unvollständiger d-Unterschale. Im weiteren Sinn heißen alle d-Block-Elemente Übergangsmetalle oder Nebengruppenelemente.

Der Name Nebengruppe stammt aus der älteren Zählung, die Haupt- und Nebengruppen getrennt nummerierte, siehe Gruppen, Haupt- und Nebengruppenelemente. Zink, Cadmium und Quecksilber fallen streng genommen aus der Definition heraus. Sie haben in Atom und Ion eine volle \(d^{10}\)-Schale, zählen aber trotzdem zu den Nebengruppenelementen.

Davon abzugrenzen sind Lanthanoide und Actinoide. Bei ihnen füllt sich die \((n-2)\)f-Unterschale. Diese „inneren“ Übergangsmetalle stehen abgesetzt unter dem Periodensystem und werden in Lanthanoide und Actinoide behandelt.

Schematisches Periodensystem mit hervorgehobenem d-Block in den Gruppen 3 bis 12 und beschrifteten d-Reihen.

Der d-Block liegt zwischen s- und p-Block; in Periode n wird die (n−1)d-Unterschale aufgefüllt.

Zuordnung zu Perioden und Gruppen

Die Periode eines d-Elements richtet sich nach seiner äußersten s-Schale. Die d-Reihe liegt eine Hauptquantenzahl darunter. Titan, Chrom, Eisen und Cobalt stehen deshalb in der 4. Periode und sind 3d-Elemente. Palladium und Technetium sind 4d-Elemente der 5. Periode, Osmium ist ein 5d-Element der 6. Periode. Alle sind Übergangsmetalle, ebenso Ruthenium.

Diese Zuordnung einzelner Elemente wird im Examen gerne gefragt. Achte darauf, dass die Nummer der d-Reihe immer um eins kleiner ist als die Periode: Eisen steht in der 4. Periode und nicht in der 5., seine d-Reihe ist 3d. Osmium und Technetium sind d-Elemente, anders als die Lanthanoide füllen sie keine f-Schale.

Die Gruppen benennt man nach ihrem leichtesten Element.

Gruppe Name 3d (Periode 4) 4d (Periode 5) 5d (Periode 6)
3 Scandiumgruppe Sc Y La bzw. Lu
4 Titangruppe Ti Zr Hf
5 Vanadiumgruppe V Nb Ta
6 Chromgruppe Cr Mo W
7 Mangangruppe Mn Tc Re
8 Eisengruppe Fe Ru Os
9 Cobaltgruppe Co Rh Ir
10 Nickelgruppe Ni Pd Pt
11 Kupfergruppe Cu Ag Au
12 Zinkgruppe Zn Cd Hg

Zwei Zuordnungen verwechselt man leicht. Cobalt steht in Gruppe 9 und bildet mit Rhodium und Iridium die Cobaltgruppe. Die Mangangruppe ist dagegen Gruppe 7. Quecksilber gehört zur Zinkgruppe und steht damit rechts neben Kupfer und Silber, die zur Kupfergruppe zählen.

Platinmetalle

Die sechs Platinmetalle bilden einen kompakten Block in den Gruppen 8 bis 10. Ruthenium, Rhodium und Palladium sind die leichten Platinmetalle der 5. Periode. Osmium, Iridium und Platin sind die schweren der 6. Periode. Sie kommen in der Natur gemeinsam vor und sind sehr edel. Als d-Elemente sind alle Platinmetalle Nebengruppenelemente.

Ausschnitt des Periodensystems mit markierten Platinmetallen in den Gruppen 8 bis 10 der Perioden 5 und 6.

Platinmetalle Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt; rechts daneben Kupfer- und Zinkgruppe.
⚠️ Achtung: Gold und die Platinmetalle

Gold ist ebenso edel und steht direkt neben Platin. Es gehört aber zur Kupfergruppe in Gruppe 11 und zählt nicht zu den Platinmetallen.

Elektronenkonfiguration

In der 3d-Reihe kommt mit jedem Schritt ein Elektron hinzu. Es landet nicht in der äußersten Schale, sondern in der inneren 3d-Unterschale. Die 4s-Schale ist ab Calcium besetzt und bleibt meist bei \(4s^2\). Mit steigender Ordnungszahl füllt sich also vorzugsweise eine innere Schale. Grundlagen dazu bietet Elektronenkonfiguration der Elemente.

Element Atom (\([\mathrm{Ar}]\) + …) häufiges Ion \(\mathrm{d}^n\) des Ions
Sc \(3d^1\,4s^2\) \(\ce{Sc^3+}\) \(\mathrm{d}^0\)
Ti \(3d^2\,4s^2\) \(\ce{Ti^4+}\) \(\mathrm{d}^0\)
V \(3d^3\,4s^2\) \(\ce{V^3+}\) \(\mathrm{d}^2\)
Cr \(3d^5\,4s^1\) \(\ce{Cr^3+}\) \(\mathrm{d}^3\)
Mn \(3d^5\,4s^2\) \(\ce{Mn^2+}\) \(\mathrm{d}^5\)
Fe \(3d^6\,4s^2\) \(\ce{Fe^2+}\) / \(\ce{Fe^3+}\) \(\mathrm{d}^6\) / \(\mathrm{d}^5\)
Co \(3d^7\,4s^2\) \(\ce{Co^2+}\) / \(\ce{Co^3+}\) \(\mathrm{d}^7\) / \(\mathrm{d}^6\)
Ni \(3d^8\,4s^2\) \(\ce{Ni^2+}\) \(\mathrm{d}^8\)
Cu \(3d^{10}\,4s^1\) \(\ce{Cu+}\) / \(\ce{Cu^2+}\) \(\mathrm{d}^{10}\) / \(\mathrm{d}^9\)
Zn \(3d^{10}\,4s^2\) \(\ce{Zn^2+}\) \(\mathrm{d}^{10}\)

Sonderfälle Chrom und Kupfer

Zwei Elemente weichen vom Schema ab. Chrom hat \(3d^5\,4s^1\) statt \(3d^4\,4s^2\). Kupfer hat \(3d^{10}\,4s^1\) statt \(3d^9\,4s^2\). Beide verschieben ein 4s-Elektron in die d-Schale. Das lohnt sich, weil 3d und 4s energetisch dicht beieinander liegen.

Eine halbbesetzte d-Schale mit fünf parallelen Spins ist besonders günstig. Die Elektronen gewinnen Austauschenergie und verteilen sich kugelsymmetrisch. Eine volle d-Schale ist aus demselben Symmetriegrund stabil. Für beide Atome ist die abweichende Konfiguration daher energetisch günstiger.

Orbitalkästchen für Chrom und Kupfer, jeweils erwartete und tatsächliche Besetzung nebeneinander.

Chrom und Kupfer verschieben ein 4s-Elektron in die 3d-Orbitale.
💡 Merke

Fünf oder zehn: Für eine halbe oder volle d-Schale gibt Chrom bzw. Kupfer ein 4s-Elektron her.

Ionen: 4s geht zuerst

Bildet ein 3d-Metall ein Kation, gibt es zuerst die 4s-Elektronen ab. Erst danach verliert es d-Elektronen. Das wirkt paradox, weil 4s zuerst besetzt wurde. Im Übergangsmetall liegen die 3d-Orbitale aber unter 4s, und das 4s-Orbital reicht weiter nach außen. Eisen mit \(3d^6\,4s^2\) wird so zu \(\ce{Fe^2+}\) mit \([\mathrm{Ar}]\,3d^6\) und zu \(\ce{Fe^3+}\) mit \([\mathrm{Ar}]\,3d^5\).

Orbitalkästchen von Eisenatom, Eisen(II)- und Eisen(III)-Ion mit leerem 4s-Orbital in den Ionen.

Bei der Oxidation von Eisen werden zuerst die 4s-Elektronen abgegeben.

Die Zahl der d-Elektronen gibt man als \(\mathrm{d}^n\)-Konfiguration an. Weil die 4s-Schale im Ion leer ist, beschreibt sie die Valenzschale vollständig. Die äußere Konfiguration von \(\ce{Mn^2+}\) lautet ausgeschrieben \(3s^2\,3p^6\,3d^5\). \(\ce{Co^3+}\) ist schlicht \([\mathrm{Ar}]\,3d^6\). Elektronen in 4p oder 4d besitzt das Ion im Grundzustand nicht.

  1. Gruppe ablesen: Die Gruppennummer 3 bis 12 entspricht der Zahl der s- und d-Elektronen außerhalb der Edelgasschale.
  2. Ladung abziehen: d-Elektronenzahl = Gruppennummer minus Ionenladung.
  3. Aufschreiben: \([\mathrm{Ar}]\,3d^n\) mit leerer 4s-Schale. Die Sonderfälle Chrom und Kupfer ändern das Ergebnis nicht.

Beispiel \(\ce{Ti^3+}\): Titan steht in Gruppe 4, also gilt 4 − 3 = 1. Das Ion hat \([\mathrm{Ar}]\,3d^1\) und damit eine \(\mathrm{d}^1\)-Konfiguration.

🎯 Examensrelevant: d-Elektronen von Ionen

Die d-Elektronenzahl von Ionen wird im Examen gerne gefragt: \(\ce{Cr^3+}\) ist \(\mathrm{d}^3\), \(\ce{Mn^2+}\) und \(\ce{Fe^3+}\) sind \(\mathrm{d}^5\), \(\ce{Cu^2+}\) ist \(\mathrm{d}^9\). Ziehe immer zuerst die 4s-Elektronen ab.

d-Elektronen als Valenzelektronen

Anders als bei Hauptgruppenelementen beteiligen sich bei d-Elementen auch die d-Elektronen an Bindungen. Sie zählen deshalb zu den Valenzelektronen. Mangan mit \(3d^5\,4s^2\) kann alle sieben einsetzen und erreicht im Permanganat \(\ce{MnO4-}\) die Oxidationsstufe +7, mehr dazu bei Mangan. Daraus folgen die vielen Oxidationsstufen der Nebengruppenmetalle.

Nicht jedes Nebengruppenelement hat jedoch eine unvollständige d-Schale. Zink, Cadmium und Quecksilber besitzen \(d^{10}\), ebenso Palladium mit \([\mathrm{Kr}]\,4d^{10}\,5s^0\). Diese Atome haben keine ungepaarten Elektronen. Bei den meisten übrigen Nebengruppenelementen ist die d-Schale dagegen nur teilweise gefüllt.

Quiz

Teste dich mit 7 Karten
richtig oder falsch iWarum nur Aussagen? Fragen mit fünf Antworten löst man am sichersten, indem man jede Aussage einzeln bewertet: ✓✓ sicher richtig, ✓ eher richtig, 0 unsicher, ✗ eher falsch, ✗✗ sicher falsch. Mit dem Ausschlussprinzip ergibt sich daraus die Lösung. Dieses einzelne Bewerten ist der wichtigste Handgriff fürs Examen, und genau den übst du hier.

Aussage 1

Quecksilber steht in derselben Nebengruppe wie Kupfer und Silber.

Quecksilber ist ein Nebengruppenelement der Zinkgruppe (Gruppe 12); Kupfer und Silber gehören zur Kupfergruppe (Gruppe 11).

Aussage 2

\(\ce{Mn^2+}\) und \(\ce{Fe^3+}\) haben beide eine \(\mathrm{d}^5\)-Konfiguration.

Mangan: Gruppe 7 minus 2 = 5; Eisen: Gruppe 8 minus 3 = 5. Beide Ionen haben \([\mathrm{Ar}]\,3d^5\).

Aussage 3

Gold zählt wegen seines edlen Charakters zu den Platinmetallen.

Gold gehört zur Kupfergruppe. Platinmetalle sind nur Ru, Rh, Pd, Os, Ir und Pt in den Gruppen 8 bis 10.

Aussage 4

Cobalt bildet zusammen mit Technetium und Rhenium die Mangangruppe.

Cobalt steht in Gruppe 9 und bildet mit Rhodium und Iridium die Cobaltgruppe. Die Mangangruppe (Gruppe 7) besteht aus Mn, Tc und Re.

Aussage 5

Osmium ist ein 5d-Übergangselement der 6. Periode.

Osmium steht in Gruppe 8 unter Ruthenium; in der 6. Periode wird die 5d-Unterschale gefüllt, es ist also kein f-Element.

Aussage 6

Wird Eisen zu \(\ce{Fe^2+}\) oxidiert, verlässt das Atom zuerst zwei 3d-Elektronen, sodass \([\mathrm{Ar}]\,3d^4\,4s^2\) entsteht.

Zuerst werden die 4s-Elektronen abgegeben; \(\ce{Fe^2+}\) hat \([\mathrm{Ar}]\,3d^6\).

Aussage 7

Chrom besitzt im Grundzustand die Valenzelektronenkonfiguration \(3d^5\,4s^1\).

Die halbbesetzte d-Schale ist energetisch günstiger als die erwartete Konfiguration \(3d^4\,4s^2\).

Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️

Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.

Zurück nach oben