Anordnung der Elemente nach aufsteigender Atommasse, Gesetz der Periodizität (Lothar Meyer, Dmitri Mendelejew, 1869)

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1 1.2 Periodensystem der Elemente Anordnung der Elemente nach aufsteigender Atommasse, Gesetz der Periodizität (Lothar Meyer, Dmitri Mendelejew, 1869) Periode I a b 1 H 1,0 2 Li 6,9 3 Na 23, K 39,1 Cu 63,5 Rb 85,5 Ag 107,9 Cs 132,9 Au 197,0 II a b Be 9,0 Mg 24,3 Ca 40,1 Zn 65,4 Sr 87,6 Cd 112,4 Ba 137,3 Hg 200,6 III a b B 10,8 Al 27,0 Sc 45,0 Ga 69,7 Y 88,9 In 114,8 La* 138,9 Tl 204,4 IV a b C 12,0 Si 28,1 Ti 47,9 Ge 72,6 Zr 91,2 Sn 118,7 Hf 178,5 Pb 207,2 V a b N 14,0 P 31,0 V 50,9 As 74,9 Nb 92,9 Sb 121,8 Ta 180,9 Bi 209,0 Gruppe VI a b O 16,0 S 32,1 Cr 52,0 Se 79,0 Mo 95,9 Te 127,6 W 183,9 VII a b F 19,0 Cl 35,5 Mn 54,9 Br 79,9 Tc I 126,9 Re 186,2 Fe 55,8 Ru 101,1 Os 190,2 VIII a Co 58,9 Rh 102,9 Ir 192,2 Ni 58,7 Pd 106,4 Pt 195,1 b He 4,0 Ne 20,2 Ar 39,9 Kr 83,8 Xe 131,3 Po At Rn 7 Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun * Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

2 - Die Eigenschaften wiederholen sich periodisch, ähnliche Elemente stehen in senkrechten Spalten Gruppen. - Die Entdeckung weiterer Elemente ist zu erwarten (Ga, Ge). - Im Ordnungsprinzip sind Widersprüche bei den Elementen Co-Ni, Te-I, Ar-K vorhanden.

3 Ordnungsprinzip Elektronenkonfiguration - periodische Wiederholung analoger Elektronenkonfigurationen periodisches Auftreten ähnlicher Elemente (Periodensystem, Bildung von Haupt- und Nebengruppen) - Aufbauprinzip Anzahl an Elementen in den einzelnen Perioden wird verständlich - Systematisierung der Elemente Blockbildungen in Abhängigkeit der aufgefüllten Unterschale (Orbitaltyp) sinnvoll

4 E Energieniveaus der Elektronen der ersten vier Schalen 7 x 4f 4d n = 4 4p 3d n = 3 n = 2 4s 3s 2s 3p 2p n = 1 1s

5 Anzahl der Elemente in den Perioden 1. Periode: 2 Elemente bis 2 He 2. Periode: 8 Elemente bis 10 Ne 3. Periode: 8 Elemente bis 18 Ar 4. Periode: 18 Elemente bis 36 Kr 5. Periode: 18 Elemente bis 54 Xe 6. Periode: 32 Elemente bis 86 Rn 7. Periode: 32 Elemente bis 118 Uuo Klassische Einteilung (Nummer Hauptgruppe = Anzahl Valenzelektronen) Hauptgruppe I, II: Anzahl s-elektronen Hauptgruppe III - VIII: Anzahl s- und p-elektronen Nebengruppe III - VIII: historisch bedingt (Mendelejew), dann I und II entspricht Zuordnung der Nebengruppenelemente im Kurz-PSE A - Hauptgruppe, B - Nebengruppe Moderne Einteilung (nach IUPAC, 1985) Gruppe 1-2 : Gruppe 3-12 : Gruppe 13-18: Anzahl s-elektronen Anzahl s- und d-elektronen Anzahl s- und p-elektronen + 10 d

6 relative Atommasse Periodensystem der Elemente IA VIII A ,0079 H Wasserstoff 1 2,1 IIA 6,941 Li Lithium 3 1,0 22,99 Na Natrium 11 0,9 39,098 K Kalium 19 0,8 85,468 Rb Rubidium 37 0,8 132,91 Cs Cäsium 55 0,7 (223) Fr Francium 87 0,7 9,012 Be Beryllium 4 1,5 24,305 Mg 14,007 N Stickstoff 7 3,0 III A IV A V A VI A VII A Magnesium 12 1,2 III B IV B V B VI B VII B VIII B VIII B VIII B I B II B 40,078 Ca Calcium 20 1,0 87,621 Sr Strontium 38 1,0 137,33 Ba Barium 56 0,9 (226) Ra Radium 88 0,9 44,956 Sc Scandium 21 1,3 88,906 Y Yttrium 39 1,3 138,91 La Lanthan 57 1,1 (227) Ac Actinium 89 1,1 Ordnungszahl 47,867 Ti Titan 22 1,5 91,224 Zr Zirkonium 40 1,4 178,49 Hf Hafnium 72 1,3 (261) Rf Rutherfordium ,942 V Vanadium 23 1,6 92,906 Nb Niob 41 1,6 180,95 Ta Tantal 73 1,5 (262) Db Dubnium ,996 Cr Chrom 24 1,6 95,951 Mo Molybdän 42 1,8 183,84 W Wolfram 74 1,7 (263) Sg Seaborgium ,938 Mn Mangan 25 1,5 (98,91) Tc Technetium 43 1,9 186,21 Re Rhenium 75 1,9 (262) Bh Bohrium 107 Chemisches Symbol des Elements Elektronegativität (EN) nach Pauling 55,845 Fe Eisen 26 1,8 101,072 Ru Ruthenium 44 2,2 190,23 Os Osmium 76 2,2 (265) Hs Hassium ,933 Co Cobalt 27 1,8 102,906 Rh Rhodium 45 2,2 192,22 Ir Iridium 77 2,2 (266) Mt Meitnerium ,693 Ni Nickel 28 1,8 106,421 Pd Palladium 46 2,2 195,08 Pt Platin 78 2,2 (269) Ds Darmstadtium ,546 Cu Kupfer 29 1,9 107,868 Ag Silber 47 2,4 196,97 Au Gold 79 2,4 (272) Rg Röntgenium ,382 Zn Zink 30 1,6 112,41 Cd Cadmium 48 1,7 200,59 Hg Quecksilber 80 1,9 (277) Cn Copernicium ,811 B Bor 5 2,0 26,982 Al Aluminium 13 1,5 69,723 Ga Gallium 31 1,6 114,82 In Indium 49 1,7 204,38 Tl Thallium 81 1,8 (287) Uut Ununtrium ,011 C Kohlenstoff 6 2,5 28,086 Si Silicium 14 1,8 72,631 Ge Germanium 32 1,8 118,71 Sn Zinn 50 1,8 207,2 Pb Blei 82 1,8 (289) Fl Flerovium ,007 N Stickstoff 7 3,0 30,974 P Phosphor 15 2,1 74,922 As Arsen 33 2,0 121,76 Sb Antimon 51 1, Bi Bismut 83 1,9 (288) Uup Ununpentium ,999 O Sauerstoff 8 3,5 32,066 S Schwefel 16 2,5 78,972 Se Selen 34 2,4 127,60 Te Tellur 52 2,1 (209) Po Polonium 84 2,0 (289) Lv Livemorium ,998 F Fluor 9 4,0 35,453 Cl Chlor 17 3,0 79,904 Br Brom 35 2,8 126,90 I Iod 53 2,5 (210) At Astat 85 2,2 (293) Uus Ununseptium 117 4,0026 He 2 Helium 20,18 Ne Neon 10 39,948 Ar Argon 18 83,798 Kr Krypton ,29 Xe Xenon 54 (222) Rn Radon 86 (295) Uuo Ununoctium 118 Oxide basisch Oxide sauer 140,12 Ce Cer 58 1,1 232,04 Th Thorium 90 1,3 140,91 Pr Praseodym 59 1,1 231,04 Pa Protactinium 91 1,5 144,24 Nd Neodym 60 1,2 238,03 U Uran 92 1,4 (145) Pm Promethium 61 1,1 (237) Np Neptunium 93 1,3 150,36 Sm Samarium 62 1,2 (244) Pu Plutonium 94 1,3 151,96 Eu Europium 63 1,2 (243) Am Americium 95 1,3 157,25 Gd Gadolinium 64 1,2 (247) Cm Curium 96 1,3 158,93 Tb Terbium 65 1,2 (247) Bk Berkelium 97 1,3 162,50 Dy Dysprosium 66 1,2 (251) Cf Californium 98 1,3 164,93 Ho Holmium 67 1,2 (252) Es Einsteinium 99 1,3 167,26 Er Erbium 68 1,2 (257) Fm Fermium 100 1,3 168,93 Tm Thulium 69 1,2 (258) Md Mendelevium 101 1,3 173,05 Yb Ytterbium 70 1,2 (259) No Nobelium 102 1,3 174,97 Lu Lutetium 71 1,2 (262) Lr Lawrencium 103 1,3 Protonenzahl + Neutronenzahl = Massenzahl 14 Die Massenzahl gibt annähernd die relative Atommasse an. 7N Ordnungszahl = Protonenzahl = Elektronenzahl

7 Elektronenkonfiguration der Elemente - Blockbildungen nach dem Aufbauprinzip np 1 np 2 np 3 np 4 np 5 np 6 ns 1 ns 2 nd x, nf y ns 2 ns 2 ns 2 ns 2 ns 2 ns s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 5d* 6p 7s 6d 7p * 4f 5f

8 Elementblock Elektronenkonfiguration der Außenschale Zuordnung, Eigenschaften Edelgase 1s 2 ; ns 2 np 6 Einatomige, reaktionsträge Gase Hauptgruppenelemente Übergangsmetalle Lanthanoide (seltene Erden), Actinoide s-block, Besetzung der ns- Unterschale p-block, Besetzung der np- Unterschale d-block, Besetzung der nd- Unterschale (d- und s-valenzelektronen) f-block, innere Übergangselemente, (f-, d- und s- Valenzelektronen) Alkali- und Erdalkalimetalle Metalle und Nichtmetalle Übergangsmetalle, meist paramagnetisch, Verbindungen häufig paramagnetisch und farbig Paramagnetische Metalle, Verbindungen häufig paramagnetisch und farbig

9 Bedeutung der Valenzelektronen Die Hauptgruppennummer gibt die Anzahl der Valenzelektronen an. Die chemische Ähnlichkeit der Elemente einer Gruppe beruht auf ihrer identischen Valenzelektronenkonfiguration. Valenzelektronen: Alle Elektronen der Außenschale n, Nebengruppen s und d Elektronen Valenzelektronen- Besetzung der Außenschale n, konfiguration: Nebengruppen s und d Unterschale Edelgaskonfiguration: Stabile Elektronenkonfiguration: Vollbesetzte Außenschale Halb- und vollbesetzte Unterschale Edelgase Übergangsmetalle

10 Stabile Elektronenkonfigurationen Edelgase ns 2 np 6 Übergangsmetalle 24 Cr: [Ar] 3d 5 4s 1 statt [Ar] 3d 4 4s 2 Magnetismus von Festkörpern 29 Cu: [Ar] 3d 10 4s 1 statt [Ar] 3d 9 4s 2 Diamagnetismus keine ungepaarten Elektronen, Abstoßung von äußerem Magnetfeld Paramagnetismus ungepaarte Elektronen mit magnetischen Momenten, Anziehung von äußerem Magnetfeld Ferromagnetismus magnetische Momente einzelner Teilchen in "Weissschen Bezirken" parallel ausgerichtet, Gleichrichtung durch äußeres Magnetfeld Permanentmagnet

11 Hauptgruppennummer und stöchiometrische Wertigkeit 1) (H: stöchiometrische Wertigkeit = 1 ; O: stöchiometrische Wertigkeit = 2) Wertigkeit Hauptgruppe I II III IV V VI VII VIII Höchste Wertigkeit gegenüber Sauerstoff I II III IV V VI VII VIII Sauerstoffverbindung Na 2 O CaO Al 2 O 3 SiO 2 N 2 O 5 SO 3 Cl 2 O 7 XeO 4 Wertigkeit gegenüber Wasserstoff I II III IV III II I - Wasserstoffverbindung NaH CaH 2 AlH 3 CH 4 NH 3 SH 2 2) ClH 3) - 1) Stöchiometrische Wertigkeit: Anzahl der H-Atome, die von einem Atom gebunden oder ersetzt werden können 2) H2 S 3) HCl

12 Aufstellen von Formeln mit Hilfe der stöchiometrischen Wertigkeit s. 2.2 Bindigkeit Kleinstes gemeinsames Vielfaches 4 Stöchiometrische Wertigkeit IV I Atomverhältnis der Verbindung C H 4 Kleinstes gemeinsames Vielfaches 4 Stöchiometrische Wertigkeit IV II Atomverhältnis der Verbindung C O 2

13 Änderung wichtiger Eigenschaften von Hauptgruppenelementen in einer Periode Eigenschaft Außenelektronenkonfiguration Hauptgruppe I II III IV V VI VII ns 1 ns 2 ns 2 np 1 ns 2 np 2 ns 2 np 3 ns 2 np 4 ns 2 np 5 Außenelektronen Atomradius Ionisierungsenergie Tendenz zur Bildung von Kationen Tendenz zur Bildung von Anionen Metallcharakter/ Basizität der Oxide 1) Nichtmetallcharakter /Acidität der Oxide 1) 1) s. 5.3

14 Atomradius r - Bestimmung des Atomradius aus der Bindungslänge Abstand zwischen den Kernen Kovalenzradius Cl Cl = 198 pm 1) r Cl = 99 pm C C = 154 pm 2) r C = 77 pm - Innerhalb einer Periode erfolgt der Einbau von Elektronen (q 1 ) in die gleiche Schale mit nahezu gleichem Abstand vom Kern (l). Kugel-Stab-Modelle 1) Chlor 2) Diamant - Durch zunehmende Kernladungszahl (q 2 ) erfolgt eine stärkere Anziehung der Elektronen.

15 Verlauf einiger Atomradien 1) (in pm) (Brown, LeMay, Bursten, 2007) ) kovalenter Radius

16 Radioaktiver Zerfall (Antoine Henri Becquerel, 1896) - Neben den leichteren Elementen Technetium (Te) und Promethium (Pm) sind alle Elemente mit einer Kernladungszahl Z > 83 nicht stabil (Neutronen/Protonen > 1,5). - Sie zerfallen unter Aussendung von radioaktiver Strahlung (hauptsächlich α-, β- und/oder γ- Strahlung) in stabilere Elemente 1). Auf diese Weise können radioaktive Zerfallsreihen entstehen. - Die Halbwertszeit t 1/2 gibt die Zeit an 2), nach der die Hälfte einer bestimmten Menge eines radioradioaktiven Nuclids zerfallen ist. Sie variiert zwischen s und a! - Die Strahlungsmenge, die aus einer Probe pro Zeiteinheit austritt 3), die (Radio-)Aktivität a, entspricht der Anzahl an Kernreaktionen pro Zeiteinheit und wird in Becquerel angegeben (veraltet Curie). mittlere Anzahl an Atomkernen, die pro Sekunde zerfallen 1 Bq = 1 s -1 1 Ci = 3, Bq 1) Nebenreaktion: spontane Spaltung für Z > 90 unter Freisetzung von Neutronen 2) unabhängig von der Masse der Probe 3) abhängig von der Masse und der Halbwertszeit

17 Radioaktiver Zerfall chemischer Elemente 1) 1H Elemente ohne stabile Isotope 2He Einige Elemente mit natürlich vorkommenden 3Li 4Be radioaktiven Isotopen 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne 11Na 12 Mg 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18 Ar 19K 20Ca 21 Sc 22 Ti 23V 24Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 37Rb 38 Sr 39Y 40Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53I 54Xe 55Cs 56 Ba 57 La 72 Hf 73 Ta 74W 75Re 76 Os 77Ir 78Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 87Fr 88Ra 89 Ac 104 Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 Ds 58Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68Er 69Tm 70Yb 71Lu 90Th 91 Pa 92U 93Np 94 Pu 95 Am 96 Cu 97 Bk 98 Cf 99Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr 1) Es existieren ca. 100 natürliche radioaktive Nuclide primordiale Nuklide 238 U, 40 K (t 1/2 > a) radiogene Nuklide 222 Rn kosmogene Nuklide 14 C 3H

18 Halbwertszeit und Aktivität 1) Isotop Halbwertszeit Aktivität/Masse I Tage Bq/mg Cs Jahre Bq/mg Pu Jahre Bq/mg U Jahre 80 Bq/mg U Jahre 12 Bq/mg Th Jahre 4 Bq/mg 1) ( Je kürzer die Halbwertszeit, desto größer ist bei gegebener Substanzmenge die Aktivität.

19 Ein weiterer Grund, Anreicherung von Po-210 und Pb-210 in den Blättern nicht zu Rauchen der Tabakpflanze t 1/2 (Po-210) = 138,4 d t 1/2 (Pb-210) = 22,3 a