Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.09.10

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2.5 Das Periodensystem der Elemente

Ziel: Wie kriegt man Ordnung in die (theoretisch) unbegrenzte Zahl möglicher Atomsorten?

Material:
bulletModell mehrdimensionales PSE
bulletV 1-2

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2.5.1 Ordnungskriterien

Um die Ordnung bei chemischen Elementen hat sich bereits um 1870 MENDELEJEW gekümmert: er schrieb sie einfach der Reihe nach auf, und zwar nach steigender Atommasse.

Tafelskizze: 1H, 4He, 6Li, 8Be, 10B, 12C, 14N, 16O...

Nummeriert man die Elemente im PSE durch beginnend mit 1 für den Wasserstoff, so erhält man Ordnungszahlen. Sie sind identisch mit der Zahl der Protonen im Kern.

Ergänzung der Tafelskizze: 11H, 24He, 36Li, 48Be, 510B, 612C, 714N, 816O...

Dabei fielen ihm zwei Dinge auf:

  1. Die Massen der Elemente steigen regelmäßig um zwei bis drei Einheiten an.
    Grund: sie hängt von der Zahl der Nucleonen ab und diese tragen immer einen ganzzahligen Wert bei. Mendelejew wusste allerdings noch nichts von Elementarteilchen.

Folien: Mendelejews Periodensystem

Folie: heutige Form

Hinweis: Mendelejew fand allerdings auch "Unregelmäßigkeiten": wo der Massensprung von einem Element zum nächsten mehr als die üblichen 2-3u betrug hatte er genügend Selbstvertrauen, nicht an seiner Regel zu zweifeln sondern einen Platz für ein noch unbekanntes Element freizuhalten. Beispiel: Germanium 32Ge.

  1. In gewissen Abständen folgten Elemente, deren Eigenschaften sehr ähnlich waren.

Modell: mehrdimensionales PSE

Diese schrieb er untereinander und erhielt so das noch heute gültige Periodensystem der Elemente (PSE), "perioden" deshalb, weil sich Eigenschaften periodisch wiederholen.

Die senkrechten Spalten im PSE heißen Gruppen. Alle Elemente einer Gruppe zeigen sehr ähnliche Eigenschaften.

Grund: sie besitzen die gleiche Zahl von Elektronen auf ihrem letzten Energieniveau.

Beispiel: Li, Na, K in den Niveaus L, M, N je 1 Elektron.

Die waagrechten Spalten im PSE heißen Perioden. Die Elemente einer Periode füllen die gleichen Energieniveaus mit Elektronen auf.

Ordnungskriterien im PSE sind also:

bulletAtommasse
bulletEigenschaften.

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2.5.2 Gruppeneigenschaften

V1: Vergleich von Eigenschaften der Alkalimetalle
M:
bulletLithium
bulletNatrium
bulletKalium
bullet3 Petrischalen
bulletMesser
bulletPapier als Unterlage
bulletTiegelzange
D1:
bullethohe Reaktivität gegenüber Luft (Aufbewahrung unter Petroleum)
bulletDemonstration: Härte (Natrium)
bulletDemonstration: metallischer Glanz (Lithium)
bulletDemonstration: geringe Dichte (Lithium)
D2:
bulletReaktion mit Wasser: etwa gleichgroße Stückchen in den Petrischalen mit Wasser reagieren lassen
bulletBeobachtung zur Reaktionsgeschwindigkeit?
E: Lithium, Natrium und Kalium zeigen gemeinsame Eigenschaften. Sie sind Metalle, erkennbar am
bulletmetallischen Glanz
bulletder guten elektrischen Leitfähigkeit und
bulletrelativ hohem Schmelzpunkt
bulletsie besitzen im Vergleich zu anderen Metallen geringe Härte und Dichte
bulletsie zeigen hohe Reaktivität gegenüber Wasser; diese nimmt in der Gruppe von oben nach unten zu.

Hinweis: andere Alkalimetalle im PSE

Die Hauptgruppen des PSE werden mit den (alt) römischen Ziffern I-VIII, oder (neu) zusammen mit den Nebengruppen mit den arabischen Ziffern 1-18 durchnummeriert und erhalten folgende Namen:

alt neu Bezeichnung
I 1 Alkalimetalle U Laugen(Basen)bildner
II 2 Erdalkalimetalle
III 13 Borgruppe
IV 14 Kohlenstoffgruppe
V 15 Stickstoffgruppe
VI 16 Chalkogene (Sauerstoffgruppe)
VII 17 Halogene = Salzbildner
VIII 18 Edelgase = die, die nicht reagieren (="tote Hunde")

Arbeitsblatt: Eintrag der Gruppennummern und Namen; Periodennummern

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2.5.3 Periodeneigenschaften

Perioden werden mit den Zahlen 1-7 oder den Buchstaben K-Q bezeichnet.

V2: Elemente der 3. Periode
M:
bulletNa
bulletMg-Band
bulletAl-Platte
bulletSi
bulletP weiß
bulletS (Stangen)
bulletChlor im Kolben
bullet"Ar" = leerer Kolben
D: Demonstration abnehmender metallischer Eigenschaften.

Es fällt auf, dass die ersten drei Elemente einander ähnlicher sind als die anderen: Metalle gegenüber Nichtmetallen. In den anderen Perioden sind es nicht die ersten drei, sondern nach unten hin mehr, nach oben hin weniger pro Periode.

Von H zu Po verläuft in den Hauptgruppen eine Diagonale, die im PSE Metalle (links) von Nichtmetallen (rechts) trennt.

Hinweis: Diagonale im PSE

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2.5.4 Die Häufigkeit von Elementen

Hinweis: nicht ganzzahlige Massen

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2.5.5 Zusammenfassung: Aussagen des PSE

  1. Die Elemente sind nach steigender Atommasse und nach Eigenschaften geordnet.
  2. Die Gruppennummer gibt die Anzahl der Elektronen auf dem letzten Energieniveau an. Elemente mit sehr ähnlichen Eigenschaften stehen in der gleichen Gruppe.
  3. Die Periodennummer gibt die Zahl der Energieniveaus an.
  4. Die Ordnungszahl ist identisch mit der Kernladungszahl, d.h. sie gibt die Gesamtzahl der Protonen (somit auch der Elektronen) an.

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    E-Mail an: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de