Das Periodensystem der Elemente

Das heute gebräuchliche Periodensystem der Elemente (PSE) entwickelte sich aus den Entwürfen von Dimitri Mendelejew und Lothar Meyer (1869). Mit Hilfe des PSE erfährt man einfach und übersichtlich Informationen zu den Eigenschaften von Elementen und zum Bau der Atome.

Arbeitsmittel

Arbeitsblatt

Grundlagen

Das PSE ist nach steigender Ordnungszahl (Protonenzahl) der Elemente gereiht. Weiters wird bei der Anordnung der Bau der Elektronenhülle der Atome berücksichtigt. Die Elemente werden mit internationalen Elementsymbolen abgekürzt, wie zum Beispiel N für Stickstoff.

Genauere Informationen zu den Elementen findest du im interaktiven Periodensystem.

Elementsymbole

Bereits im frühen Mittelalter hat man für chemische Elemente Symbole entwickelt, um Experimente und deren Ergebnisse zu notieren. Im Laufe der Jahrhunderte machte man sich viele Gedanken zur vereinfachten Darstellung von Elementen.

Auch John Dalton (um 1800) hatte sich für jedes Element ein Symbol überlegt – Verbindungen stellte er als Kombinationen dieser Elementsymbole dar. Dieses System wurde aber rasch sehr kompliziert und unübersichtlich.

Aufzeichnung der Symbole die Dalton verwendet hat um die Elemente darzustellen — Symbolsprache nach Dalton

Mit der Entstehung der modernen Chemie und dem Austausch von Informationen mit anderen Ländern hat man eine international anerkannte Symbolsprache festgelegt. Wie im Periodensystem der Elemente ersichtlich, wird heute jedes chemische Element mit einem international gültigen Symbol abgekürzt, welches aus einem oder zwei Buchstaben besteht. Dabei wird der erste Buchstabe immer groß, der zweite (falls vorhanden) immer klein geschrieben. Viele Symbole leiten sich von den lateinischen oder griechischen Namen der Elemente ab.

Symbol	Bezeichnung	Herkunft
H	Wasserstoff	hydrogenium (griech.)
C	Kohlenstoff	carbo (lat.)
N	Stickstoff	nitrogenium (griech.)
O	Sauerstoff	oxygenium (griech.)
S	Schwefel	sulfur (lat.)
Fe	Eisen	ferrum (lat.)
Ag	Silber	argentum (lat.)
Au	Gold	aurum (lat.)

Durch diese Schreibweise können einzelne Elemente (z. B. Co für Cobalt) und auch Verbindungen (z. B. CO für Kohlenstoffmonoxid, eine Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff) eindeutig dargestellt werden. Eine tiefgestellte Zahl nach dem Elementsymbol (Index) zeigt die Anzahl gleicher Atome in einer Verbindung (z. B. O₂ für zwei verbundene Sauerstoff-Atome).

Die Symbolschreibweise von Wasser H2O — Symbolschreibweise einer Verbindung (hier: Wasser)

Zeilen = Perioden = Schalen

Jede Zeile (auch Periode genannt) entspricht dabei einer Schale der Atomhülle. Innerhalb einer Periode nimmt die Anzahl der Protonen zu (z. B. Kohlenstoff C: 6p⁺, Stickstoff N: 7p⁺). Da im PSE ungeladene Atome dargestellt sind, nimmt auch die Zahl der Elektronen zu.

Farblich hervorgehobene fünfte Zeile im Periodensystem. — Die Zeilen werden als Perioden bezeichnet und entsprechen der Anzahl der Schalen eines Atoms.

Spalten = Gruppen

Die Elemente in einer Spalte (Gruppe genannt) haben ähnliche chemische Eigenschaften. Daher tragen die Gruppen im Periodensystem eigene Namen, die einen Hinweis auf gemeinsame Eigenschaften geben können. Die erste Gruppe bezeichnet man (mit Ausnahme von Wasserstoff) als Alkalimetalle, die 2. Gruppe umfasst die Erdalkalimetalle. Die Halogene (17. Gruppe) und Edelgase (18. Gruppe) sind wichtige Vertreter der Nichtmetalle.

Farblich hervorgehobene zweite Spalte im Periodensystem. — Die Spalten im PSE werden als Gruppen bezeichnet

Die Gruppen 3 bis 12 werden als Übergangsmetalle bezeichnet. Bei allen anderen Gruppen (Gruppe 1, 2, 13 bis 18) kann man über die Gruppennummer eine Aussage zu den Außenelektronen treffen. Die letzte Ziffer der Gruppe gibt die Anzahl der Außenelektronen an. So ist Sauerstoff in der 16. Gruppe und hat 6 Außenelektronen.

Gruppe	1	2	13	14	15	16	17	18
Außenelektronen	1	2	3	4	5	6	7	8 (Ausnahme He: 2)

Durchschnittliche Atommasse

Da bei einem Element unterschiedliche Atomtypen (Isotope) mit unterschiedlichen Atommassen vorliegen, ist die durchschnittliche Atommasse als Kommazahl angeführt. Diese Zahl stellt einen Durchschnittswert der Atommassen aller Isotope eines Elements dar. Bei der Ermittlung des Wertes wird auch berücksichtigt, in welchem Anteil die jeweiligen Atome auftreten. Elemente, bei denen ein Isotop stark überwiegt, haben daher einen nahezu ganzzahligen Wert (z. B. 22,99 u).

Zusatzinformationen des Elements Natrium. Ordnungszahl: 11, Symbol: Na, Name: Natrium, Atomgeweicht: 22.99 — Im PSE kann man sehen, dass Natrium eine durchschnittliche Atommasse von 22,99 u hat.

Radioaktive Elemente

Radioaktive Atome haben instabile Kerne, die sich durch das spontane Aussenden von Teilchen in andere Kerne umwandeln.

Gibt es von einem Element keine stabile Form, so wird das Element im PSE mit einem Symbol für Radioaktivität markiert (hier: ☢). Bei vielen Elementen existieren zu den stabilen Atomsorten auch radioaktive Isotope. Beispielsweise gibt es von Kohlenstoff zwei stabile Formen und ein natürliches radioaktives Isotop: $$ \large \ce{ ^{14}_{6}C } $$.

Die Kohlenstoff-Isotope ¹²C, ¹³C und ¹⁴C

Ein weiteres Beispiel sind die Isotope von Wasserstoff:
Protium $$ \large \ce{ ^{1}_{1}H } $$ und Deuterium $$ \large \ce{ ^{2}_{1}H } $$ sind stabil, Tritium $$ \large \ce{ ^{3}_{1}H } $$ ist radioaktiv.

Die Wasserstoff-Isotope Protium, Deuterium und Tritium

Die Geschwindigkeit des Zerfalls wird durch die Halbwertszeit (t_1/2) angegeben. Dies ist die Zeitspanne, in der die Hälfte der vorhandenen Atome zerfällt. Bismut hat eine lange Halbwertszeit (1,9·10¹⁹ Jahre), daher spielt seine Radioaktivität in unserer Lebensspanne keine Rolle. Viele künstliche Elemente hingegen haben eine sehr kurze Halbwertszeit, manche sogar unter einer Sekunde (z. B. Meitnerium mit t_1/2 = 0,72 Sekunden).