Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 01.04.16


Vergleich der Elemente der 2. und 3. Periode

Vortrag von Julia Heinz im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 12/13


Gliederung:


Einführung Bei der Betrachtung der 2. und der 3. Periode fällt zuerst auf, dass Kohlenstoff der Baustein des Lebens und Silizium der Baustein des Unbelebten ist. In mancher Science-Fiction-Story wird aber von einem Planeten auf Silizium-Basis berichtet. Einer der Autoren war Isaac Asimov. Da der Mensch schon lange nach neuen Lebensformen sucht, wäre ein Planet auf neuer Basis sehr hilfreich und deshalb soll geklärt werden, ob es möglich ist einen für die Menschen bewohnbaren Planeten auf Silizium-Basis, oder auf Basis anderer Elemente der 3. Periode, zu finden.


1 Vergleich Kohlenstoff und Silizium

1.1 Bindigkeit

Da sowohl Silizium, als auch Kohlenstoff vierbindig sind, kann man aus der Bindigkeit keine Erklärung für die unterschiedlichen Fundorte der Stoffe folgern.

1.2 Elektronenkonfiguration

C: 1s2 2s2 2p2

Si: 1s2 1p2 2p6 3s2 3p2

Der Unterschied in der Elektronenkonfiguration ist deutlich erkennbar, aber inwieweit dies ein Hinweis auf verschiedene Lebensformen sein könnte, ist nicht ersichtlich.

1.3 Ionisierungsenergie

Kohlenstoff hat eine wesentlich höhere Ionisierungsenergie (11,26eV) als Silizium (8,15eV). Doch auch hieraus allein lässt sich keine Erklärung finden.

1.4 Atomradius

Kohlenstoff hat einen viel kleineren Atomradius (70pm) als Silizium (110 m)

Dies hat zur Folge, dass Silizium aufgrund des großen Atomradius keine Mehrfachbindungen ausbilden kann, das Kopfelement Kohlenstoff jedoch schon, da der Radius kein genug ist. Das hat zur Folge, dass für Lebewesen notwendige Stoffe nicht aus Silizium, sondern aus Kohlenstoff bestehen.


2 Vergleich Lithium und Natrium

2.1 Versuch

Lithium und Natrium  in Wasser
Zeitbedarf 10 Minuten
Kompetenz/Ziel Elemente der 2. und 3. Periode haben unterschiedlich starke Ionisierungsenergien
Material
  • 2 Petrischalen ca. d=180mm
  • Lithium
  • Natrium
  • Messer
  • Pinzette
  • VE-Wasser
Durchführung In eine Petrischale mit Wasser wird ein kleines Stück Lithium bzw in die zweite Petrischale ein kleines Stück Natrium gegeben.
Beobachtung Natrium reagiert sehr stark unter Wasserstoffbildung, Lithium reagiert weniger stark.
Deutung Lithium hat eine größere Ionisierungsenergie als Natrium.
Entsorgung Mit viel Wasser in den Abfluss.
Quelle Allgemeingut.
Diskussion Das Element der 2. Periode reagiert weniger stark als das Element der 3. Periode. Kann man diesen Trend im PSE fortsetzen?

Natrium ist sehr stark reaktiv während Lithium weniger stark reagiert. Die folgt aus der Ionisierungsenergie. Natrium reagiert heftiger, hat also eine geringere Ionisierungsenergie, gibt sein Valenzelektron also schwerer ab als Lithium

Ionisierungsenergien: Li: 5,39eV Na: 5,14eV.

2.2 Zusammenhang Ionisierungsenergie und Atomradius

Je größer ein Atomradius, desto leichter lässt sich ein Valenzelektron abspalten und desto kleiner ist die Ionisierungsenergie.

Daraus folge, dass der Radius von Lithium kleiner sein muss, als der von Natrium.

r(Li)=145pm       r(Na)=180pm

Ionisierungsenergien und Radien verlaufen im Trend gegenläufig.


3 Betrachtung aller Paare

Das Kopfelement hat immer den kleineren Radius und die höhere Ionisierungsenergie. 

  Li Na Be Mg B Al C Si N P O S F Cl
IE(eV) 5,39 5,14 9,32 7,65 8,3 5,99 11,26 8,15 14,53 10,49 13,62 10,36 17,42 12,97
Radius(pm) 145 180 105 150 85 125 70 110 65 100 60 100 50 100

Abb. 1: Tabelle IE und Radien

In allen Hauptgruppen ist das Element der 3. Periode zu groß, um Mehrfachbindungen zu bilden und somit den Kohlenstoff in lebenswichtigen Stoffen zu ersetzen.

     
Abb.2:
Mehrfachbindungen in verschiedenen Hauptgruppen

Doppelbindungsregel

Die empirisch aufgestellte Doppelbindungsregel besagt, dass es den Elementen des 3. Periode des Periodensystems nicht mehr möglich sein sollte, stabile chemische Verbindungen mit Mehrfachbindungen auszubilden.

4 Allgemeine Trends im PSE


Abb. 3: Trends im PSE [1]


Zusammenfassung. Die Ionisierungsenergie verläuft im PSE gegensätzlich zum Atomradius. Elemente ab der dritten Periode haben einen zu großen Atomradius, um Mehrfachbindungen auszubilden. Es kommen prinzipiell nur Elemente der zweiten Periode für neue Lebensformen in Betracht, viele davon sind allerdings aus anderen Gründen auszuschließen.


Literatur

  1.  http://www.periodensystem.info, 30.10.2012 (12 weitere Quellen)

  2.  http://www.chemie.de/lexikon/doppelbindungsregel.html, 30.10.2012

  3.  http://w3.restens.lu/ddnuc/COURS/images/haupt.gif, 30.10.2012

  4.  http://www.zeitungsartikel.biz/wp-content/uploads/2011/03/Pflanzen-klonen.jpg, 30.10.2012

  5.  http://paul-langrock.de/images/solaenergie/sol13.jpg, 22.1..2012

  6.  http://static.pagenstecher.de/uploads/7/7b/7b1/7b10/Planet1.jpg, 22.11.2012

  7.  http://www.focus.de/wissen/diverses/kein-phosphor-ersatz-durch-vermeindliche-alien-bakterien-folgen-auch-irdischen-gesetzen_aid_779293.html, 13.11.2012


E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 01.04.16