Atome und Periodensystem

Zuerst das Atom: Was ist ein Element?

Bevor wir eine Tabelle lesen, klären wir ihren Gegenstand: Ein Atom besteht aus einem kleinen Kern und einer Elektronenhülle. Im Kern sitzen positiv geladene Protonen und normalerweise auch ungeladene Neutronen. In der Hülle befinden sich negativ geladene Elektronen. Wasserstoff-1 ist die Ausnahme mit einem Proton und ohne Neutron.

Der Kern enthält fast die gesamte Masse. Die Hülle bestimmt die räumliche Ausdehnung und viele chemische Eigenschaften. Typische Größenordnungen liegen bei etwa 10⁻¹⁰ m für das Atom und 10⁻¹⁵ bis 10⁻¹⁴ m für den Kern — je nach Atom. Deshalb müssen wir den Kern in Lernbildern stark vergrößern.

Ein Element ist durch seine Protonenzahl festgelegt

„Element“ bezeichnet die Atomsorte: Ein Proton bedeutet Wasserstoff, zwei bedeuten Helium, zwölf Magnesium. Die Ordnungszahl Z ist genau diese Protonenzahl. Sie ist die Adresse, nach der wir die Elemente sortieren.

Die Zeilen sind Vergleiche, keine Anleitung für eine chemische Umwandlung: Die Protonenzahl zu ändern erfordert einen Kernprozess. Bei gewöhnlichen chemischen Reaktionen ändern sich Bindungen und Elektronenverteilungen, nicht die Elementidentitäten der Kerne.

Was bedeutet die „Wolke“?

Elektronen sind keine winzigen Planeten auf Kreisbahnen. Die Quantenmechanik beschreibt ihre Zustände und mögliche Messergebnisse. Ein Orbital liefert eine räumliche Wahrscheinlichkeitsverteilung. Ein einzelner Ortsnachweis ist lokal; viele Messungen an gleich präparierten Atomen können die Verteilung sichtbar machen. Die Wolke ist ein Bild dieser Statistik, kein Foto einer verschmierten Kugel.

Vorgriff: „Schale“ und „Orbital“ sind zwei Ebenen derselben Beschreibung. Kapitel 2 ordnet die Begriffe; Kapitel 4 zeigt berechnete Wasserstoffzustände.

Wie die Ordnung chemische Eigenschaften sichtbar macht

Das Periodensystem verbindet zwei Dinge: Die Reihenfolge folgt der steigenden Protonenzahl; die Anordnung in Zeilen und Spalten macht wiederkehrende chemische Eigenschaften sichtbar. Es ist also keine beliebige Sortierung nach „ähnlich“ und auch keine Rangliste nach Masse oder Reaktionsfreudigkeit.

Warum passt beides zusammen? Bei neutralen Atomen bedeutet ein Proton mehr auch ein Elektron mehr. Elektronen können jedoch nicht beliebig angeordnet sein: Es gibt bestimmte erlaubte Zustände. Beim Fortschreiten durch die Elemente wiederholen sich ähnliche Besetzungen der äußeren Zustände. Gerade diese äußeren Elektronen sind für chemische Bindungen besonders wichtig. So entstehen wiederkehrende Muster in der Chemie. „Periodisch“ bedeutet hier: Ein Muster kehrt wieder.

Eine waagerechte Zeile heißt Periode, eine senkrechte Spalte Gruppe. Es gibt sieben Perioden und 18 nummerierte Gruppen. Historisch halfen gemessene Eigenschaften und Atommassen beim Entdecken der Ordnung. Heute legt die Ordnungszahl Z, also die Protonenzahl, die Reihenfolge eindeutig fest.

Merksatz zur Ordnung: Die Protonenzahl bestimmt die Reihenfolge. Wiederkehrende äußere Elektronenbesetzungen erklären die chemischen Familien.

Warum diese Tabellenform? Mendelejew und andere Periodensysteme kennenlernen →

Elementfeld, Massenzahl und Isotope

Magnesium bleibt Magnesium, solange sein Kern zwölf Protonen enthält. Ein neutrales Magnesiumatom hat zwölf Elektronen: Die positiven und negativen Ladungen gleichen sich aus.

Isotope: gleicher Elementname, andere Neutronenzahl

Isotope sind Varianten desselben Elements mit gleicher Protonenzahl und unterschiedlicher Neutronenzahl. Die Zahl hinter dem Namen nennt die Massenzahl A: Sie zählt Protonen und Neutronen zusammen. Deshalb gilt: Neutronenzahl = Massenzahl − Ordnungszahl. Magnesium-26 hat 26 − 12 = 14 Neutronen.

Die relative Atommasse von ungefähr 24,3 im Elementfeld ist dagegen ein gewichteter Mittelwert für natürliches Magnesium: Häufigere Isotope tragen stärker bei als seltenere. Sie ist keine Teilchenzahl. Auch die genaue Masse eines einzelnen Isotops ist nicht einfach seine ganzzahlige Massenzahl; unter anderem spielt dabei die Bindungsenergie des Kerns eine Rolle.

Warum bekommen Isotope keine eigenen Kästchen?

Ein Elementfeld fasst alle Atome mit derselben Protonenzahl zusammen. Deshalb gehören Magnesium-24, -25 und -26 gemeinsam in das Feld mit Z = 12, in Gruppe 2 und Periode 3. Isotope sind also mitgemeint; ihre einzelnen Kerne werden in der üblichen Tabelle nicht getrennt aufgelistet. Der Name „Isotop“ bedeutet sinngemäß „am gleichen Ort“.

Das Periodensystem soll die Ordnung der Elemente zeigen. Für einzelne Kernsorten gibt es eine Nuklidkarte: Sie ordnet Kerne getrennt nach Protonen- und Neutronenzahl. Außerdem gibt es erweiterte Periodensysteme der IUPAC mit Isotopenangaben. Unterschiedliche Eigenschaften allein begründen noch kein neues Elementfeld; entscheidend bleibt die Protonenzahl.

Vier Merksätze mit klarer Bedeutung

• Protonen bestimmen das Element; Neutronen unterscheiden seine Isotope.
• Neutronen sind ungeladen, aber nicht wirkungslos: Sie beeinflussen Masse und Kernstabilität.
• Gleiche Ladung, gleiche Elektronenzahl: Isotope behalten die grundlegende Hüllenbesetzung. Hier vergleichen wir jeweils den Grundzustand.
• Isotope teilen den Tabellenplatz und ähneln sich chemisch; ihre andere Masse kann dennoch einen Unterschied machen.

Neutronen ändern die Kernmasse und können die Kernstabilität beeinflussen. Die drei hier verglichenen Magnesiumisotope sind stabil. Ihre neutralen Atome besitzen im Grundzustand dieselbe grundlegende Elektronenbesetzung; chemische Eigenschaften können sich dennoch in Einzelheiten unterscheiden.

Vertiefung: Warum Isotope chemisch ähnlich, aber nicht in allem gleich sind →

Perioden und Gruppen verstehen

Periode: Was bedeutet eine Zeile?

Gehe in der dritten Periode von links nach rechts: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar. Die Ordnungszahl steigt von 11 bis 18. Bei diesen neutralen Atomen wird dieselbe äußere Hauptschale zunehmend besetzt. Eine Hauptschale fasst bestimmte erlaubte Elektronenzustände zusammen; sie ist keine feste Kugelwand. Die Valenzelektronen sind bei diesen Hauptgruppenelementen die Elektronen der äußersten besetzten Schale. Sie wirken besonders an Bindungen mit.

Darum haben Elemente einer Periode nicht einfach dieselben Eigenschaften: Natrium und Magnesium sind Metalle, Chlor ist ein Halogen und Argon ein Edelgas. Die äußere Besetzung verändert sich innerhalb der Zeile. Beim folgenden Kalium beginnt die vierte Periode mit einem Elektron in der vierten Hauptschale. Ein ähnliches Muster beginnt erneut, jetzt mit einer weiter außen liegenden Schale.

Merksatz zur Periode: In der Zeile wächst die Protonenzahl Schritt für Schritt; bei den Hauptgruppen wird dabei die äußere Schale zunehmend besetzt.

Geltungsbereich: Bei unseren neutralen Hauptgruppenatomen im Grundzustand entspricht die Periodennummer der höchsten besetzten Hauptschale. Die Zeilen sind verschieden lang, weil weitere Arten von Elektronenzuständen hinzukommen. Bei Übergangsmetallen werden auch weiter innen liegende Unterschalen besetzt. Die Periodennummer ist deshalb keine ausnahmslose Zählregel für jede tatsächliche Besetzung aller Atome und Ionen. Kapitel 2 erklärt Schalen und Unterschalen genauer.

Gruppe: Warum bilden Spalten chemische Familien?

Vergleiche nun Be, Mg und Ca untereinander in Gruppe 2. Ihre Schalenbesetzungen sind 2 | 2, dann 2 | 8 | 2 und schließlich 2 | 8 | 8 | 2. Innen kommt etwas hinzu; außen stehen jeweils zwei Elektronen. Das erklärt eine gemeinsame chemische Tendenz: Alle drei bilden häufig Ionen mit der Ladung 2+, indem sie zwei Elektronen abgeben.

Eine Gruppe versammelt also Elemente mit verwandter äußerer Besetzung und dadurch oft ähnlichem Bindungs- und Reaktionsverhalten. Sie sind trotzdem nicht austauschbar: Die äußeren Elektronen von Calcium befinden sich in einer anderen Schale als die von Magnesium. Abstand zum Kern und der Einfluss innerer Elektronen verändern sich. Deshalb kann die Reaktivität innerhalb einer Gruppe deutlich variieren.

Die Hauptgruppen sind die Gruppen 1, 2 und 13 bis 18. Hier lässt sich die Zahl der äußeren Elektronen besonders einfach ablesen: Gruppe 1 bedeutet eines, Gruppe 2 zwei; bei 13 bis 18 zieht man zehn ab. Helium bildet die Ausnahme: Seine erste Schale ist schon mit zwei Elektronen voll. Für die Gruppen 3 bis 12 gilt diese einfache Rechenhilfe nicht.

Merksatz zur Gruppe: In der Spalte ähnelt sich die äußere Besetzung. Das erklärt chemische Verwandtschaft, aber keine völlige Gleichheit.

Die Elektronenbesetzung aller 118 Elemente selbst erkunden →
Auf der Werkzeugseite kannst du jedes Element auswählen, Schalen und Orbitale vergleichen und die Grafik speichern.

Selbst erkunden

Wähle eines unserer fünf Vergleichselemente. Die Nachbarn beziehen sich auf die tatsächliche Reihenfolge innerhalb der Periode und auf dieselbe Gruppe.

Welche Gruppen begegnen dir zuerst?

Zwei Sonderfälle: Wasserstoff steht in Gruppe 1, ist aber kein Alkalimetall. Helium steht wegen seiner Eigenschaften bei den Edelgasen, obwohl seine volle erste Schale nur zwei Elektronen enthält. Die oft gehörte „Achterregel“ darfst du nicht auf die erste Schale übertragen.

Eine Edelgaskonfiguration bedeutet nicht, dass sämtliche erlaubten Orbitale der äußeren Hauptschale besetzt sind. Bei Argon sind 3s und 3p voll; 3d ist leer. Wie das zusammenpasst, untersuchen wir in Kapitel 2.

Jetzt ohne Nachsehen erklären

Das kannst du jetzt erklären

Bereit für Kapitel 2? Erkläre laut oder schriftlich: „Die Ordnungszahl bestimmt …; die Gruppe verläuft …; die Periode verläuft …“. Wenn dir das gelingt, untersuchen wir, warum die Gruppen chemische Familien bilden.