Periodensystem der Elemente – Aufbau und Erklärung

Das Periodensystem der Elemente (Abkürzung: PSE) teilt die Elemente in Gruppen und Perioden ein. Dabei sind die Elemente mit einer fortlaufenden Nummer gekennzeichnet, der Ordnungszahl. Die Ordnungszahl bzw. Kernladungszahl eines Atoms im Periodensystem ist identisch mit der Anzahl der Protonen und Elektronen. Das erste Element im Periodensystem ist Wasserstoff (H). Es hat die Ordnungszahl 1, besitzt also ein Elektron und ein Proton. Das Element mit der Ordnungszahl 2 ist Helium (He), das Element mit der Ordnungszahl 3 ist Lithium (Li) und immer so weiter. Die Anzahl der Elemente im Periodensystem beträgt 118. Neben der Ordnungszahl wird auch die Massenzahl im Periodensystem angegeben, diese gibt die Masse eines Elements an. Zieht man die Ordnungszahl von der Massenzahl ab, erhält man die Anzahl der Neutronen eines Elements. Anders als die Ordnungszahl kann die Massenzahl eines Elements unterschiedliche Werte annehmen. Die Atome unterscheiden sich dann in der Zahl der Neutronen. Es gibt also unterschiedliche Atomarten desselben chemischen Elements (Isotope). Eine weitere Zahl, die in der Chemie eine wichtige Rolle spielt, ist die Elektronegativität. Gelegentlich ist auch die Elektronegativität im Periodensystem verzeichnet. Sie gibt Auskunft darüber, wie stark ein Atom in einer chemischen Verbindung die Elektronen an sich bindet. Beispielsweise besitzt Sauerstoff den Wert 3,44 und ist damit eines der elektronegativsten Atome.
Die chemischen Elemente sind aber nicht einfach in einer Tabelle nach steigender Ordnungszahl aufgelistet. Vielmehr ist die Ordnung des PSE so, dass Elemente mit ähnlichen Eigenschaften in senkrechten Reihen, den sogenannten Gruppen von chemischen Elementen, zusammengefasst sind. Dabei wird im Periodensystem zwischen Hauptgruppen und Nebengruppen unterschieden.
In der folgenden Grafik ist ein beschriftetes Bild eines Periodensystems mit deutschen Namen der Elemente dargestellt:

Es gibt im Periodensystem insgesamt acht Hauptgruppen. Alle Elemente einer Hauptgruppe im Periodensystem haben die gleiche Anzahl an Valenzelektronen (Außenelektronen), das sind die Elektronen auf der äußeren Schale. Da das chemische Verhalten eines Elements maßgeblich durch die Valenzelektronen bestimmt wird, haben alle Elemente einer Hauptgruppe ähnliche Eigenschaften. Die Hauptgruppen werden mit römischen Zahlen von I bis VIII bezeichnet. Die Namen der Hauptgruppe sind in folgender Tabelle aufgeführt:

Die ersten beiden Hauptgruppen bilden also die Metalle im Periodensystem. Dazu gehört etwa Natrium (Na). Die Kohlenstoffgruppe im Periodensystem wird von Kohlenstoff (C) angeführt. Unter anderem ist auch Blei (Pb) im Periodensystem in dieser Gruppe zu finden. Stickstoff (N) ist das erste Element in der V. Hauptgruppe des Periodensystems. Sauerstoff (O) führt die Gruppe der Chalkogene an, gefolgt von Schwefel (S). Die VII. Hauptgruppe der Halogene umfasst die reaktivsten Elemente. Alle Atome sind bestrebt, acht Valenzelektronen zu besitzen (Edelgaskonfiguration). Da die Halogene sieben Außenelektronen besitzen, fehlt ihnen nur noch ein Elektron bis zur Edelgaskonfiguration. Zu dieser Gruppe im Periodensystem gehört zum Beispiel Iod (I). Die Edelgase der VIII. Hauptgruppe haben diesen Zustand bereits erreicht und sind aus diesem Grund sehr reaktionsträge. Eine Ausnahme von dieser Regel bildet das Element Helium. Es hat bereits mit zwei Außenelektronen eine voll besetzte äußere Schale. In der folgenden Abbildung ist ein Periodensystem ohne Nebengruppen, also nur die Elemente der Hauptgruppen abgebildet.

Alle übrigen Elemente sind in elf Nebengruppen zu finden. Beispielsweise sind Gold (Au) und Silber (Ag) im Periodensystem Nebengruppenelemente.

Um die Einteilung des Periodensystems in Perioden einfach zu erklären, ist eine kurze Erläuterung des Schalenmodells nach Bohr sinnvoll: Nach diesem Modell befinden sich die positiv geladenen Protonen und die ungeladenen Neutronen im Atomkern. In der Atomhülle befinden sich Elektronenschalen, auf denen die negativ geladenen Elektronen in festgelegten Bahnen um den Kern kreisen. Die maximale Anzahl an Elektronen, die eine Schale aufnehmen kann, unterscheidet sich zwischen den Schalen und lässt sich nach folgender Formel berechnen . Das steht dabei für die Schalennummer. Wie viele Schalen ein Element besitzt, lässt sich im Periodensystem ablesen: Die Nummer der Periode eines Elements im Periodensystem entspricht der Anzahl der Schalen seines Atoms. Alle Elemente der gleichen Periode stehen waagerecht nebeneinander. Je höher die Periodennummer eines Elements im PSE, desto größer sein Atomradius, da es über mehr Schalen in der Atomhülle verfügt. Als Beispiel soll hier ein Element der sechsten Periode des Periodensystems betrachtet werden: das Element Radon (Rd). Radon besitzt also sechs Elektronenschalen. Die Ordnungszahl von Radon ist 86, es besitzt also insgesamt 86 Elektronen, die auf die sechs Schalen aufgeteilt sind. Da Radon in der VIII. Hauptgruppe steht, ist die äußere Schale mit acht Valenzelektronen voll besetzt. Als weiteres Beispiel dient Sauerstoff. Dieses Element steht in der zweiten Periode, die Ordnungszahl von Sauerstoff ist acht. Die acht Elektronen des Sauerstoffs sind also auf zwei Schalen aufgeteilt. Sauerstoff steht in der VI. Hauptgruppe, das heißt, die äußere, hier die zweite Schale, ist mit sechs Elektronen besetzt.
So lässt sich für jedes Hauptgruppenelement das Periodensystem der Elemente lesen.