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Atome träumen vom Adel

Der letzte Artikel über Chemie ist schon eine Weile her. Darin ging es um das Periodensystem der Elemente (PSE), das für mich eines der coolsten wissenschaftlichen Errungenschaften darstellt. Nach einem Exkurs in die Darstellung besonders großer und kleiner Zahlen, komme ich wieder zurück zu den Atomen und Molekülen. Zum Einstieg gibt es noch einmal das Bild des PSE vom letzten Mal.

Periodensystem der Elemente
Das Periodensystem der Elemente (PSE) (zum Vergrößern anklicken)

Wunderschön, ich weiß. Und diese Schönheit kann durch mehr Wissen über die Elemente und ihre Verbindungen sogar noch weiter verstärkt werden. Von den Perioden (=Zeilen) und Gruppen (=Spalten) habe ich schon ein wenig berichtet und dabei auch die 18. Gruppe erwähnt, deren Elemente als Edelgase bezeichnet werden. Sie heißen so, weil die Atome so edel (um nicht zu sagen snobistisch) sind, dass sie unter normalen Umständen mit keinem anderen Atom reagieren.

Eine Bindung, sie zu knechten

Schauen wir uns im Gegenzug das erste Element des PSE an, Wasserstoff (\ce{H}). Es ist unter normalen Umständen ein Gas, aber nicht aus einzelnen Atomen. Wasserstoff und viele andere Gase, die sich aus nur einem Element zusammensetzen (etwa auch Stickstoff \ce{N_2} und Sauerstoff O_2), bestehen aus jeweils zwei Atomen, die über eine chemische Bindung zusammengehalten werden. Eine solche Bindung entsteht, indem sich die Atome ihre Elektronen untereinander teilen und so jeder mehr besitzt als allein. Beim Wasserstoff stellt also jedes Atom sein einziges Elektron zum Teil seinem Partner zur Verfügung, wodurch beide quasi zwei Elektronen besitzen. Das entspricht übrigens genau der Situation das Edelgases Helium (\ce{He}), das am Ende der ersten Periode steht:

Zwei Wasserstoffatome teile ihre Elektronen in einer Bindung.
Zwei Wasserstoffatome teilen ihre beiden Elektronen miteinander und haben dadurch jeweils so viele Elektronen wie das Edelgas Helium.

Weitere Beispiele: Sauerstoff (\ce{O}) hat insgesamt 8 Elektronen und teilt zwei davon mit seinem Zwilling, wodurch er auch zwei von jenem erhält und mit zehn Elektronen genau so viele hat wie das Edelgas Neon (\ce{Ne}) am Ende der zweiten Periode. Bei Stickstoff (\ce{N}) werden sogar drei Elektronen pro Atom geteilt, was wiederum zu Neon führt.

Der Traum vom Adel

Die gezeigten Atome versuchen also, genauso viele Elektronen zu besitzen wie ein Edelgas. Bei den bisherigen Beispielen war das imitierte Edelgas immer am Ende der Periode des imitierenden Elements. Das ist jedoch nicht immer so.  Für die Elemente der ersten und zweiten Gruppe (Alkali- und Erdalkalimetalle) ist es einfacher, ein bzw. zwei Elektronen ganz abzugeben und damit dem Edelgas der vorigen Periode zu entsprechen. Ein typisches Beispiel ist Natrium (\ce{Na}) aus der dritten Periode, das durch Abgabe eines Elektrons zum Natriumion (\ce{Na^+}) wird und damit wiederum eine Elektronenkonfiguration (Fachbegriff für Elektronenzählerei) wie Neon aus der zweiten Periode hat.

Auf der anderen Seite steht Chlor (\ce{Cl}) in der 17. Gruppe und braucht damit lediglich noch ein Elektron, um als Chloridion1 (\ce{Cl^-}) seinem Idol Argon (\ce{Ar}) zu entsprechen. Natrium und Chlor ergänzen sich also in ihrem Verlangen, (schein)adelig zu werden und bilden auf diese Weise Natriumchlorid (\ce{NaCl}), das vielfach verwendete Kochsalz:

Natrium und Chlor arrangieren ihre Elektronen und bilden Natriumchlorid.
Natrium gibt ein Elektron ab und wird zum Natriumion, Chlor nimmt ein Elektron auf und wird zum Chloridion. Zusammen bilden sie Natriumchlorid (Kochsalz).

Auf Salze gehe ich ein anderes Mal genauer ein. Hier sei nur darauf hingewiesen, dass Salze nicht durch die gleiche Art von Bindung zusammengehalten werden wie etwa das Wasserstoff- oder das Sauerstoffmolekül. Bei ihnen wirkt stattdessen die elektrostatische Anziehung zwischen dem positiven Natriumion und dem negativen Chloridion bindend.

Dieses offenbare Ziel der Atome, die Elektronenkonfiguration von Edelgasen zu erreichen, wird als Acht-Elektronen-Regel bezeichnet. Dabei werden jedoch nur die sogenannten Außenelektronen gezählt, das heißt jene Elektronen, die in der aktuellen Periode des Elementes hinzugekommen sind. In der zweiten und dritten Periode sind das entsprechend acht, die vierte und fünfte Periode beherbergt zehn Elemente mehr als die zweite und dritte; passenderweise wird dort analog von einer 18-Elektronen-Regel gesprochen. Und das Wasserstoffmolekül von weiter oben gehorcht natürlich einer Zwei-Elektronen-Regel.

Der Grund für die unterschiedlichen Elektronenzahlen bei den Regeln ist, dass sie älter sind als die heutige Form des Periodensystems der Elemente. Die allgemeinere Regel ist eben, dass die Elemente den Edelgasen entsprechen wollen. Je nachdem, wie lang die Periode ist, sind das aber unterschiedlich viele Elektronen und daher unterschiedliche Regeln.

Es muss auch erwähnt werden, dass diese Regeln nicht immer zutreffen. Es gibt Verbindungen, bei denen man beim Durchzählen nicht auf acht Elektronen kommt. Bei den Nebengruppenelementen der vierten und fünften Periode sind die Abweichungen von ihrer 18-Elektronen-Regel sogar noch zahlreicher.

Adel hat keine Zukunft

Festzuhalten ist, dass das träge Reaktionsverhalten der Edelgase denselben Grund hat wie das Streben der anderen Elemente nach Adelstiteln: Bestimmte Elektronenzahlen sind besonders stabil. Die Edelgase besitzen “von Geburt” an diese stabile Konfiguration und gewinnen daher nichts davon, bei einer Reaktion mit anderen Elementen Elektronen zu geben, zu nehmen oder zu teilen. Daher bilden sie auch kein molekulares Gas, sondern schwirren als einzelne Atome durch die Gegend.

Die Ausnahmen der besagten Regeln weisen aber darauf hin, dass die Anzahl der Elektronen nicht das einzig Wichtige ist. Selbst die Edelgase (zumindest die schweren, wie Argon und Xenon (\ce{Xe})) lassen sich (unter extremen Bedingen) mit einigen Elementen, vor allem dem reaktionsfreudigen Fluor (\ce{F}), in Verbindungen überführen. Und nicht jede stabile Verbindung anderer Elemente lässt sich mit der Acht- bzw. 18-Elektronen-Regel erklären.

Dennoch ist dieses Konzept ein hilfreiches, um sich einen Überblick zu verschaffen. Und es trifft bei vielen (vor allem einfachen) Verbindungen gut zu. Vor allem aber ist es ein Stück Erkenntnis, das eng mit dem Erstellen des Periodensystems verwoben ist. Die Struktur des PSE enthält noch weitere Erkenntnisse ungeahnten Ausmaßes, etwa das Prinzip von Schalen und Orbitalen. Das soll jedoch erst das Thema des nächsten Artikels werden.

  1. Die Endung -id weißt darauf hin, dass Chlor ein Elektron aufgenommen hat und daher negativ geladen ist.

ABChemie: Das Periodensystem der Elemente, Akt I

Im Anschluss an die letzte Einleitung komme ich auf eines der Dinge zu sprechen, die mich an der Chemie besonders begeistern. Passend zum Internationalen Jahr der Chemie haben einige englischsprachige Chemieblogger eine Liste der Dinge aufgestellt, die sie an der Chemie an liebsten haben. Mit einer Liste kann ich nicht dienen, aber eine Sache, die meine Begeisterung für die Chemie besonders gut verkörpert, ist das Periodensystem der Elemente (PSE).
Es besticht durch seine Informationsfülle und Übersichtlichkeit, kurz durch seine Eleganz. Es verdeutlicht auch wundervoll den Aspekt, den ich mit dem vorigen Beitrag zu diesem Thema hervorheben wollte, nämlich dass die uns umgebene Materie nur aus einer kleinen Zahl von Grundbausteinen zusammensetzt und diese ebenfalls Gesetzmäßigkeiten unterliegen. Doch bevor wir richtig einsteigen, erst einmal Vorhang auf für den Star dieses Beitrags:

Periodensystem der Elemente
Das Periodensystem der Elemente (PSE) Zum Vergrößern in neuem Fenster/Tab Strg halten und Bild anklicken.

Ja, standing ovations sind absolut berechtigt. In sieben Zeilen und 18 Spalten (plus Anhang) findet sich alles, was man zum chemischen Spiel braucht. 112 benannte Elemente tummeln sich in einer Kakophonie aus Namen, Symbolen, Zahlen und Farben1 und sprechen von den geordneten Möglichkeiten, die die Welt bietet.

Ich werde im folgenden auf Bestandteile des PSE eingehen. Der Artikel ist so aufgebaut, dass man sich das obige Bild am besten in einem separaten Fenster oder Tab öffnet und während des Lesens immer wieder anschaut, um die Beschreibungen nachzuvollziehen. Es wird hier nicht alles ausführlich behandelt, aber die Grundlage für weitergehende Artikel gelegt. Mit dieser Prämisse nun zurück zum Thema.

Wie im vorigen Chemie-Artikel erwähnt, unterscheiden sich die Elemente in der Anzahl der Protonen im Atomkern und Elektronen in der Hülle. Da liegt es nahe, diese Information zu nutzen und die Elemente nach aufsteigender Protonenzahl zu sortieren. Die so zugewiesene Nummer wird Kernladungszahl oder Ordnungszahl genannt und bestimmt, welches Element gemeint ist. Wasserstoff hat die Ordnungszahl eins, Helium zwei, Lithium drei und so weiter. Liest man das oben abgebildete PSE zeilenweise von oben nach unten so erkennt man, dass die Ordnungszahl (links oben in jedem Elementkasten) jeweils um eins steigt. Die Unterbrechnungen nach den Ordnungszahlen 56 (Barium) und 88 (Radium) sind darauf zurückzuführen, dass die Abbildung zu weit in die Breite ginge, wenn die ausgelagerten Lanthanoide und Actinoide (die beiden Extrazeilen im unteren Bereich) in das normale Schema eingepflegt würden. Inhaltlich trifft dies aber zu und es gibt auch erweiterte PSEs, die es so darstellen.

Gruppendynamik

Ist das PSE also nur eine lange Zeile, die je nach Druckbreite umgebrochen wird? Glücklicherweise nicht, denn man kann daraus noch viel mehr ablesen. Sieht man sich die Elemente in ihrer reinen Form an, so fällt auf, dass es einige Gemeinsamkeiten gibt. Ein Großteil von ihnen ist metallisch, also meist grau, glänzend, fest (Ausnahme: Quecksilber), elektrisch und thermisch leitend. Einige dieser Metalle verhalten sich sehr ähnlich, etwa Natrium, Kalium und Rubidium bei Kontakt mit Wasser. Manche Elemente sind wiederum Gase wie Helium, Neon und Argon, die fast gar nicht mit anderen Stoffen reagieren.
Wenn man das fertige Periodensystem betrachtet, so fällt es leicht zu erkennen, dass ähnliche Elemente in derselben Spalte stehen. Die reaktionsträgen Gase von eben finden sich in der äußersten rechten Spalte und werden als Edelgase bezeichnet.2 Die genannten Metalle stehen hingegen am linken Ende untereinander und sind die so genannten Alkalimetalle. Diese Spalten werden als “Gruppen” bezeichnet und von links nach rechts mit 1 bis 18 durchnummeriert, wobei die ausgegliederten Lanthanoide und Actinoide unten nicht mitgezählt werden.3 Die Gruppen 1 und 2 sowie 13 bis 18 werden dabei als Hauptgruppen und die restlichen Gruppen (3 bis 12) als Nebengruppen bezeichnet.

Periodische Namen

Wir haben jetzt also einen Begriff für die Spalten, doch wie nennt man die Zeilen? Diese werden als Perioden bezeichnet und wie leicht ersichtlich ist, enthalten sie unterschiedlich viele Elemente. Die erste Periode beinhaltet nur zwei, nämlich Wasserstoff (1) und Helium (2), die zweite und dritte Periode je acht, von Lithium (3) bis Argon (18). Die vierte und fünfte Perioden umfassen schon jeweils 18 Elemente (19 bis 54) und die sechste und siebste sogar 32 Elemente, da zu ihnen wie erwähnt auch die Lanthanoide und Actinoide gehören.
Sowohl Gruppe als auch Periode eines Elements verrät einiges über seinen Aufbau. Dies führt auch zur Lösung des Rätsels, warum die Perioden mit steigender Zahl mehr Elemente enthalten. Doch dazu komme ich in einem anderen Artikel. Nun sei erst noch auf die weiteren Bestandteile der Elementkäschten hingewiesen.

Neben der Ordnungszahl links oben, findet sich darunter der Name des Elements und rechts oben sein Symbol. Die Symbole bestehen aus ein bis drei Buchstaben, von denen der erste  großgeschrieben wird. Die dreibuchstabigen Symbole werden ausschließlich bei den Platzhalternamen der Elemente 112 bis 118 und gegebenenfalls darüber hinaus verwendet. Sobald ein neu entdecktes/erschaffenes Element offiziell anerkannt wird, schlägt die Gruppe der Finder einen Namen und ein zweibuchstabiges (unbenutztes) Symbol vor.
In vielen Fällen kann man einen Zusammenhang zwischen dem Namen und dem Symbol eines Elementes erkennen, doch nicht immer. Quelle der Symbole ist Altgriechisch und Latein, wodurch z. B. bei den Symbolen H (“hydrogenium” = Wasserstoff) und Fe (“ferrum” = Eisen) die Anfangsbuchstaben nicht einmal im Deutschen Namen vorkommen. Und auch wenn englischsprachige Menschen beim “hydrogen” (H) weniger Probleme haben, gleicht es sich über “sodium” (Na, Natrium) wieder aus.
Eine zusätzliche Information ist in der Farbe des Symbols verschlüsselt. Daraus lässt sich der Aggregatzustand des Elements ablesen. Man erkennt, dass die Feststoffe (schwarz) überwiegen und die Gase (rot) vor allem im oberen rechten Bereich anzutreffen sind. Außerdem gibt es nur drei flüssige (blau) Elemente, Brom, Quecksilber und das neuentdeckte und -benannte Copernicium.4

Individueller Detailreichtum

Periodensysteme variieren darin, wieviele Informationen sie für die Elemente angeben, doch die bisher genannten und der Aufbau sind typisch. Zum Teil wird aus Platzgründen oder wegen schlechter Leserbarkeit auf die Namen verzichtet.
Ein ebenfalls oft anzutreffendes Datum ist die atomare Masse. Sie ist in einer definierten Atommasseneinheit (u) angegeben und erlaubt es, die Massen der Elemente untereinander zu vergleichen. So müsste man auf einer fiktiven Waage 18 Kohlenstoffatome (12,01 u) in eine der Schalen legen, um ein Bleiatom in der anderen zu heben. Weiterhin lässt sich über diese Zahl ermitteln, wieviele Atome sich in einer bestimmten Menge einer (bekannten) Substanz befinden.

Die Grundlagen sind mit diesem Crashkurs über das Periodensystem der Elemente nun gelegt. Von hier aus werde ich in kommenden Artikeln auf die Details des Atombaus, die Elektronenkonfigurationen der verschiedenen Elemente (der letzte Eintrag im gezeigten PSE) und weitere interessante Themen eingehen. Ich hoffe, ich konnte die Genialität, die im Aufbau des PSEs liegt, und meine Begeisterung dafür ein wenig näher bringen. Im weiteren Verlauf dieser Artikelreihe wird sich diese Faszination hoffentlich noch weiter eröffnen.

  1. Ein farbloses PSE ist keines, wenn ihr mich fragt. 😉
  2. Der Wortbestandteil “edel”, der auch mit dem “Adel” verwandt ist, weist darauf hin, dass sie diese Elemente zu fein sind, um sich mit anderen einzulassen.
  3. In veralteten Gruppenbezeichnungen werden römische Zahlen und zur weiteren Unterteilung zusätzliche Buchstaben verwendet.
  4. Diese Angaben treffen nur für bestimmte Bedinungen zu, üblicherweise bei einem Standarddruck von 1 atm und einer Temperatur von 25 °C.