Atombau und PeriodensystemDas Periodensystem feiert 150. Geburtstag

Die Vereinten Nationen haben das Jahr 2019 zum Internationalen Jahr des Periodensystems der Elemente (PSE) ausgewählt. Diese Übersicht ordnet insgesamt 118 Elemente und gibt seit 150 Jahren weltweit Orientierung, wenn es um die Eigenschaften der Atome eines Stoffes geht. Für den Unterricht gibt es besondere Ableitungen wie beispielsweise ein interaktives PSE.

Eine Darstellung des Periodensystems der Elemente. Im Vordergrund eine Frau mit Rundkolben und Reagenzglas.

Das Periodensystem spielt eine zentrale Rolle im Fach Chemie Foto: Gerd Altmann (geralt)/Pixabay CC0 Creative Commons

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Die Frage, wie sich die chemischen Elemente in eine Ordnung bringen lassen, beschäftigte schon früh die Chemiker. So hat das Periodensystem viele Väter und seine bis heute fortgeführte Systematik fußt auf der Ordnungsidee von Dmitri Mendelejew, die er 1869 veröffentlichte – vor 150 Jahren. Auch Lothar Meyer (1864 und 1870) leistete wichtige Beiträge, indem er vorschlug, die Elemente nach steigender Atommasse anzuordnen. Er sortierte die bekannten 56 Elemente in 13 Gruppen mit chemisch ähnlichen Elementen an. Mendelejew publizierte 1869 und 1871 wichtige Beiträge, in denen die steigende Atommasse ebenfalls ein Ordnungskriterium war. Neben den Gruppen entwickelte er die Idee, die Elemente in Zeilen anzuordnen, was dann zu den Perioden wurde. Die beiden bauten mit ihren Vorschlägen auf eine Reihe von Vordenkern auf. Den Begriff des Elements schuf Antoine Laurent de Lavoisier im Jahr 1789 – als nicht weiter zerlegbare Stoffe.

Ein weiterer Wegbereiter war John Dalton, der die Bausteine der Elemente als Atome beschrieb und erkannte, dass die Atome eines Elementes immer die gleichen Eigenschaften haben. So ermöglichte er eine erste Eingruppierung. Damit begann auch das Puzzlespiel, in welche Gruppen sich die Elemente clustern lassen, das Mendelejew und Meyer lösten. Die älteste bekannte Darstellung wurde kürzlich in Schottland entdeckt (Meldung zum Fund in der Universität Saint Andrews auf deutsch und im Original).

Von der Systematik bis zur Anwendung

Wer in das nun anerkannte Periodensystem schaut, kann je nach Darstellung eine einfache Tabelle bis hin zu verschachtelten Grafiken sehen. Für den Einstieg wird gewiss eine Darstellung der acht Hauptgruppen gewählt. In der Sekundarstufe I werden die zehn Nebengruppen meist überblicksmäßig integriert, unter anderem um auch die bereits intensiv behandelten Metalle, allen voran Eisen und Kupfer, in der Vorstellung der Schülerinnen und Schüler zu verankern. Die Hauptgruppen ermöglichen bereits hinlänglich, das Prinzip von Gruppen chemisch ähnlicher Elemente und der Perioden zu veranschaulichen. Die periodischen Eigenschaften werden erst später mit dem Atomaufbau verständlich.

Die erwähnte Verschachtelung betrifft die Lanthanoiden und Actinoiden, die innerhalb der dritten Nebengruppe stellvertretend in der sechsten bzw. siebten Periode einsortiert sind. Meist werden sie separat dargestellt und umfassen noch mal eine Reihe von je 15 Elementen.

Mit einem ersten Einstieg in den Atombau wird die Ordnungszahl verständlich, welche die Anzahl der Protonen ist. Die Summe der Neutronen und Protonen ergibt die Nukleonen, die sich durch die unterschiedliche Anzahl von Neutronen in Isotopen zwischen Atomen eines Elementes unterscheiden kann. Die durchschnittliche Masse wird ebenfalls im Periodensystem angegeben – darin sind die natürlichen Häufigkeiten berücksichtigt.

Natürlich spielen die Elektronen auch eine wesentliche Rolle, gehören sie zu einem elektrisch neutralen Atom doch dazu. Ihre Wechselwirkung mit dem Atomkern ändert sich periodisch mit dem steigendem Atomgewicht. Sie sind wesentlich für den Durchmesser eines Atoms oder eines Ions, also eines elektrisch geladenen Atoms. Auch diese Eigenschaft ist periodisch und wichtig, um die chemische Reaktivität eines Atoms einschätzen zu können.

Hierin liegt ein großer Schatz des Periodensystems. Wer sich damit auskennt, kann allein aus der Stellung eines Elements im Periodensystem begründete Annahmen machen, ob ein Element eher Elektronen abgibt, wie in den Gruppen eins bis drei, oder aufnimmt, wie in den Gruppen fünf bis sieben. Dazwischen, in der vierten Hauptgruppe, ist beides recht häufig anzutreffen.

Was darf nicht fehlen, wenn das Periodensystem angeschaut wird? Beispielsweise die Frage, wann die Oktettregel und wann die Edelgasregel gilt. Dabei kann die Oktettregel nur in der zweiten Periode gelten, da sie sich letztlich auch auf die sehr stabile Anordnung der acht äußeren Elektronen in der Atomhülle von Neon bezieht. Da aber alle Edelgase eine sehr stabile Atomhülle haben und infolgedessen wenig reaktiv sind, ist die Edelgasregel die gedankliche Erweiterung.

Das PSE in neuem Gewand

Für die Unterrichtsgestaltung ist ein interaktives Periodensystem interessant, bei dem jede Woche neue Elemente hinzukommen.

Es ist hier zu finden:

https://www.gdch.de/service-information/jahr-des-pse/periodensystem-im-ueberblick.html

Auf der englischsprachigen Website zum offiziellen Internationalen Jahr des PSE entstehen fortlaufend Sammlungen von Darstellungen des Periodensystems und auch eine Landkarte zu Veranstaltungen zum Themenjahr.

https://www.iypt2019.org/about-the-periodic-table

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