Das Periodensystem der Elemente (PSE)

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1 Das Periodensystem der Elemente (PSE) A) Geschichte und Entwicklung Dimitri I. Mendelejew und Loth Meyer ordnete 1869 die damals bekannten Elemente nach ihren Atomgewichten und stellten fest, dass nach gewissen Perioden immer Elemente mit ähnlichen Eigenschaften auftraten. Heute weiß man, dass diese experimentell beobachtete Periodizität auf dem Bau der Atome beruht ( Periodizität : Wiederkehr von Ereignissen z.b. Pendel in der Physik) wurde das Periodensystem ohne Kenntnis des Atombaus entwickelt. Mendelejew erkannte, dass Elemente in seinem Schema fehlten und ließ an diesen Stellen Lücken frei. Er sagte die Eigenschaften bei sieben noch unbekannten Elementen voraus. Am besten bekannt ist das Beispiel des Germaniums, das Mendelejew Eka-Silicium nannte, weil es in der Gruppe dem Silicium folgt. Die Eigenschaften, die Mendelejew 1871 für Eka-Silicium und seine Verbindungen angab, stimmten überraschend genau mit denen des erst 1886 von Clemens Wickler ( ) isolierten Germaniums überein. B) Wie arbeite ich mit dem Periodensystem? 1. Schritt - erste Orientierung: Welche OZ; MZ; EN, hat mein gesuchtes Element? (OZ)Ordnungszahl=Zahl der Protonen = entspricht auch der Gesamt-Zahl der Elektronen des Elements Die Elemente des PSE sind nach der Ordnungszahl gereiht. (MZ) Massenzahl=Atommasse= Zahl der Protonen + Zahl der Neutronen im Kern Elementsymbol = Abkürzungsbuchstabe(/n) des Elements (in diesem Fall Aluminium). 2. Schritt Das Kreuzworträtsel PSE wo genau steht mein gesuchtes Element? Die Stellung eines Elementes im Periodensystem der Elemente (PSE) erlaubt Rückschlüsse auf seine chemischen und physikalischen Eigenschaften (z.b. Metallcharakter, EN, Atomgröße, usw.) 1. Suche nach der Ordnungszahl (=Kernladungszahl) Suche nach der Stellung innerhalb der Gruppen (Hauptgruppen/ Nebengruppen) und Perioden - Die Hauptgruppennummer -röm. Zahlen I bis VIII - gibt die Zahl der 1 Valenzelektronen an. - Die Elemente einer Periode weisen die gleiche Zahl von Elektronenschalen auf. 1 Valenzelektronen : Die Außenelektronen eines Elements. Die Elektronen der äußeren Schalen/Valenzen. Nur diese Elektronen nehmen an chemischen Bindungen teil! 1/5

2 Abb: PSE und Übersicht 3. Gehört das gesuchte Element zu den Metallen/ Halbmetallen/ Nichtmetallen? Der größere Teil der Hauptgruppen-Elemente und alle Elemente der Nebengruppen sind Metalle. Die unedelsten Metalle sind die Alkalimetalle (1. Hauptgruppe ausgenommen H )). In der "rechten oberen Ecke" des Perioden-systems (neben den Edelgasen) befinden sich die Nichtmetalle, die hohe Elektronegativitäten besitzen. Dazwischen gibt es einige Elemente, die Halbmetalle, welche sowohl typische Metalleigenschaften (metallischer Glanz, elektrische Leitfähigkeit) als auch Eigenschaften von Nichtmetallen (molekularer Aufbau, Bildung von Anionen) besitzen. 4. In welchem Orbital-Block befindet sich mein Element? Aus diesem Schema kann man die Reihenfolge, in der die Orbitale gefüllt werden, entnehmen (Vorsicht! Kleine Unregelmäßigkeiten in den f- und d-blöcken!) Bei der Verteilung der Elektronen auf die Orbitale werden zuerst immer die energieärmsten (die untersten) Niveaus besetzt (Aufbauprinzip nach Wolfgang Pauli). 5. Welche Elektronegativität (EN)hat mein Element? Elektronegativität ist ein Maß dafür, wie stark ein Element innerhalb einer Verbindung Elektronen an sich zieht. Die EN nimmt im Periodensystem tendenziell von links unten nach rechts oben zu. Fluor ist am elektronegativsten, die Atome der Alkalimetalle sind am wenigsten elektronegativ (sie sind elektropositiv). Die Elektronegativität ist ein nach einer Formel berechneter Wert zwischen ca. 0,7-4. 2/5

3 Beträgt die Differenz der EN ( EN) zwischen zwei Atomen mehr als 1,7 (hohe Elektronegativitäts-Differenz), bildet sie eine Ionenbindung, dann geben die elektropositiven Atome ihre Außenelektronen an die elektronegativeren Atome ab. Es entsteht ein Salz. Dies findet in der Regel zwischen einem Metall und einem Nichtmetall statt. Bei kleineren EN-Differenzen ( EN) benutzen nichtmetallische Bindungspartner gemeinsam das bindende Elektronenpaar (Elektronenpaarbindung). M NM Beisp.: EN von Sauerstoff = 3,5. EN von Wasserstoff = 2,1 EN = 1,4. Vorsicht: Es gibt keine EN-Werte für die Edelgase! Abb.: Wie nehmen die Elektronegativität und die Ionisierungsenergie im PSE zu bzw. ab? C) Weitere Begriffe rund ums PSE - Ionisierungsenergie (IE): Die Ionisierungsenergie ist die Energie, die benötigt wird um ein Elektron eines Atoms oder Ions abzuspalten. Die Ionisierungsenergie steigt, je mehr Elektronen schon abgespalten sind. Sie steigt rapide an, wenn eine neue Schale angebrochen werden soll. Im Gegensatz zur EN, die ein berechneter Zahlenwert ist, kann die IE direkt gemessen werden. Während die EN für Edelgase nicht anwendbar ist, ist die IE bei Edelgasen besonders hoch!! Bei den Edelgasen lassen sich die Elektronen nur schwer entfernen. Es muss sehr viel Energie aufgewendet werden. Die Alkalimetalle können ihr einzelnes Außenelektron leicht abgegeben, die aufgewendete Ionisierungsenergie dafür ist relativ gering - Atomgröße: Die Atomgröße nimmt von links nach rechts und von oben nach unten ab) - Oktettregel/Edelgaskonfiguration: Oktett (griechisch acht ) bezeichnet eine Elektronenkonfiguration, in der die äußere Elektronenschale eines Atoms mit 8 Elektronen besetzt ist. Edelgase (ausgen. Helium) besitzen diese s 2 p 6 Konfiguration. Die Oktettregel besagt, dass Atome sehr gerne Verbindungen eingehen (also Elektronen abgeben oder aufnehmen), um die stabile Edelgaskonfiguration zu erreichen. Die so genannte Edelgaskonfiguration ist energetisch besonders günstig Abb.: Beisp. zur Oktettregel anhand der Bindung von Na (Natrium) und Cl (Chlor) Elemente mit wenigen Valenzelektronen geben daher die Elektronen der äußersten Schale ab. Die freigelegte Schale hat dann Edelgaskonfiguration. Die neutralen Atome wandeln sich dabei in positiv geladene Teilchen, die Kationen, um. Aus z.b. Na, Mg und Aluminium wird Na +, Mg 2+ und Al 3+, die als vorletzt Schale alle die entsprechenden Achterschale von Neon besitzen. Diese Elemente, die Kationen bilden, sind Metalle, sie stehen links im PSE. 3/5

4 Für Elemente mit vielen Valenzelektronen ist es energetisch günstiger, durch Aufnahme weiterer Elektronen die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Die neutralen Atome erhalten dadurch eine negative Ladung und werden zu Anionen. Aus F und O werden auf diese Weise F - und O 2-, die wieder beide die Achterschale von Neon besitzen. Diese Elemente heißen Nichtmetalle, sie stehen im PSE. Kationen sind kleiner als die entsprechenden neutralen Atome, weil sie Elektronen aus ihrer Hülle abgegeben haben. Anionen sind größer als die entsprechenden neutralen Atome, da sie Elektronen in ihre Hülle aufgenommen haben - Isotope: Als Isotop (Nuklide) werden verschiedene Atomarten eines Elements bezeichnet, die zwar die gleiche Protonenzahl aber eine unterschiedliche Neutronenzahl besitzen. Bei vielen Elementen ist die Atommasse keine ganze Zahl. Z.B Lithium (siehe PSE) hätte eine Neutronenzahl von 3,94 (Atommasse minus Ordnungszahl). Es gibt jedoch nur ganze Neutronen. Die meisten Lithium- Isotope haben demnach 4 Neutronen, ein geringer Teil nur 3. Isotope eines Elementes haben gleiche chemische, aber verschiedene physikalische Eigenschaften. Sie stehen im PSE am gleichen Ort, da sie zum gleichen Element gehören. Elemente die in der Natur nur in einer Nuklidart vorkommen sind Reinelemente (z.b. F). Eine sehr wichtige Eigenschaft der Isotope ist ihre Stabilität. Manche Isotope zerfallen und senden dabei Strahlung aus. Daher nennt man sie radioaktiv. Beispiel Wasserstoff: In der Natur tritt Wasserstoff in Form der 3 Isotope 1 H (Protium), 2 H (Deuterium, D) und 3 H (Tritium, T) auf. Beispiel Kohlenstoff C-14: radioaktives Nuklid mit 8 Neutronen zur Altersbestimmung von organischen Stoffen (z.b. Mumien). D) Elemente und Elementegruppen des PSE im Detail: Tabellarische Übersicht von Edelgasen: Edelgase 8. Hauptgruppe Helium, Neon, Xeon, usw. Atmosphäre Destillation von flüssiger Luft Nicht reaktiv, Farblos, geruchslos, nicht brennbar Schutzgas, Xenonlampen, Lungenröntgen Tabellarische Übersicht von Halogenen: Halogene 7. Hauptgruppe Fluor, Chlor, Iod, usw. Anionen in elektrochemisch Flüssig Glühlampen, Salzen, gasförmig, sehr Halogenierung Natriumsalze reaktionsfreudig Fluor Minerale Schwefelsäure reaktionsfreudig Uranhexafluorid Chlor Erdspähren Abbau von Giftig, umweltgefährdend Rohschwefel Pestizide, Arzneistoffe, Kunststoffe 4/5

5 Tabellarische Übersicht von Nichtmetallen: Nichtmetalle Wasserstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff Sauerstoff Fast überall auf der Erde Rektifikation der Luft Schwefel Erdsphären Abbau von Rohschwefel Phosphor Erdkruste (gebundene Form) z.b. Luft Erdkruste Schmelz- Reduktionsöfen Stickstoff Luft Destillation von Luft Kohlenstoff Biosphäre, Lebewesen Abbau Sehr Unterschiedlich Eigenschaften und Zustände (von gasförmig, fest, flüssig zu Kristallgitter) Brandfördernd Reizend Ätzend, sehr giftig, umweltschädigend, leicht entzündbar Geruchs-, geschmacks- und farbloses Gas Isolator, z.t. leicht entzündbar Vielfältig, z.b. Chlor- und Sauerstoffbleiche für Papier Brenngase, Medizin Medizin, Insektizide, Farbstoff Streichholz, Brandmunition, Phosphor-bombe Ammoniak, Azide, Hydrazin Kohlensäure, Bleistift Tabellarische Übersicht von Metallen: Metalle Alkalimetalle (Gruppe) Erdalkalimetalle (Gruppe) Eisen, Aluminium, usw. Eisen Aluminium Erdkruste, Waffen, Behälter, Erdkern Folie, etc. Erdkruste, in Mineralien Erdatmosphäre, in Mineralien, Erd-kruste, Meer-wasser Abbau von Erzen -> Schmelzen Gute Leitfähigkeit von Wärme + Strom), Verformbarkeit Metallisches Gitter, Fähigkeit zur Legierungsbildung Bergbau Salzbildner, gibt 1 Valenzelektron leicht ab, leicht schneidbar, leicht entzündlich, reaktiv Bergbau, Reduktion, Elektrolyse Erze, Minerale Abbau -> Schmelzen Erdkruste Bauxit -> Elektrolyse Salzbildner, haben zwei Valenzelektronen, reaktiv s.o. s.o. Feuerwerke; Atomphysik, da einfach mit Lasern zu kühlen verschiedene szwecke Stahl, Stahlbeton Alufolie, Schweißen 5/5

6 Auswahl zweier Elemente: 1) Eisen Eisenerze: Als Eisenerze bezeichnet man solche Eisenverbindungen, die einen höheren Eisengehalt aufweisen und verhüttbar sind. Sie können durch Aufbereiten weitgehend von der Gangart befreit und im Hochofen zu Roheisen reduziert werden. Der Hochofen ist ein Schachtofen von m Höhe und einem Gestell-Durchmesser von 6 bis 15 m. Er ist mit feuerfesten Steinen ausgemauert. Die Mauer ist bis zu 1 m dick. Ein Hochofen wird von oben mit Koks und Möller beschickt. Möller ist die Mischung von Erzen und Zuschlägen. Die Zuschläge ermöglichen den Ablauf des Hochofenprozesses, sie verbinden die erdigen Bestandteile des Erzes zu einer leichtflüssigen Schlacke, die auch unerwünschte Begleitelemente (z.b. Schwefel) löst. COREX-Verfahren. Die Herstellung von Roheisen im Hochofen ist sehr aufwendig und umweltbelastend, da Koks aus verkokbarer Steinkohle hergestellt werden muss. Das COREX-Verfahren ermöglicht erstmals eine Roheisenproduktion ohne Einsatz verkokbarer Kohle. Eine COREX-Anlage besteht im Wesentlichen aus dem Eisenschmelzvergaser und dem Reduktionsschacht. Die Höhe der gesamten Anlage ist etwa 100 m. Der Innendurchmesser des Eischmelzvergasers ist 7-8 m. 6/5

7 Stahlherstellung Um Stahl zu erhalten, müssen die unerwünschten Begleitelemente aus dem Roheisen entfernt werden. Dies geschieht durch Verbrennung. Den Vorgang nennt man Frischen. Heute wird Sauerstoffaufblasverfahren (LD-Verfahren) technisch reiner Sauerstoff durch eine wassergekühlte Lanze auf das flüssige Roheisen aufgeblasen. Edelstähle. Zur Herstellung von Edelstählen, Sonderstählen, nicht rostenden Stählen schmilzt man Eisenschrott und Eisenschwamm mit solchen Elementen zusammen, die Stahlsorten mit bestimmten Eigenschaften ergeben, z.b. Vanadium, Wolfram, Molybdän u.a. 2) Aluminium Aluminium gewinnt man aus Bauxit. Bauxit ist ein Gestein, das etwa 50% Aluminiumoxid enthält. Aus dem Bauxit gewinnt man nach dem Bayer-Verfahren reines Aluminiumoxid (Tonerde). Dazu wird der Bauxit gemahlen und in Autoklaven bei ca. 200 C und 10 bar mit Natronlauge umgesetzt. Es entsteht das wasserlösliche Natriumtethrahydroxoaluminat. Die unlöslichen Oxide werden abfiltriert und als Rotschlamm verworfen. Bayer- Verfahren Zur Herstellung von 1 kg Aluminium braucht man etwa 15 kwh Strom, dazu Wärmeenergie, die etwa 7 kwh Strom entspricht. Das Verfahren ist also sehr energieaufwendig, daher wird heute der Aluminiumschrott aufgearbeitet. Die Weltproduktion von Aluminium betrug 2008 ca. 30 Mio. t. Eigenschaften von Aluminium: Geringe Dichte, 2,7/dm³ Gute Verformbarkeit Korrosionsfest Die Korrosionsfestigkeit wird durch Eloxieren verstärkt. 7/5