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Haupt- und Nebengruppenelemente

Erfahre, wie das Periodensystem Hauptgruppen- und Nebengruppenelemente unterscheidet, welche unterschiedlichen Eigenschaften sie haben und wie sich ihre Elektronenverteilung unterscheidet. Interessiert? Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text!

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Die Autor*innen
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André Otto
Haupt- und Nebengruppenelemente
lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse

Haupt- und Nebengruppenelemente Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Haupt- und Nebengruppenelemente kannst du es wiederholen und üben.
  • Kennzeichne wichtige Blöcke im Periodensystem der Elemente.

    Tipps

    Die Nebengruppenelemente sind ausschließlich Metalle.

    Edelgase werden häufig als Leuchtreklame verwendet (Leuchtstoffröhre).

    Lösung

    Zu den Hauptgruppenelementen gehören die Alkali- und Erdalkalimetalle (gelb; I a und II a), die Edelgase (orange; VIII a/ 18), sowie die Borgruppe (III a/ 13), die Kohlenstoffgruppe (IV a/ 14), die Stickstoffgruppe (V a/ 15), die Chalkogene (VI a/ 16) und die Halogene (VII a/ 17). Die Hauptgruppenelemente unterteilen sich in die Nichtmetalle (orange, rot), Metalle (gelb, blau) und Halbmetalle (grün). Die Nebengruppenelemente bilden den blauen Block, der insgesamt 30 Elemente enthält (Gruppe 3 bis 12).

  • Vergleiche Hauptgruppen- und Nebengruppenelemente.

    Tipps

    Die Hauptgruppenelemente bestehen auch aus einigen gasförmigen Substanzen.

    Aus einem wichtigen Hauptgruppenelement können Solarzellen gebaut werden.

    Lösung

    Die Hauptgruppenelemente setzen sich zusammen aus den Alkali- und Erdalkalimetallen, den Halogenen, Edelgasen, Chalkogenen, der Kohlenstoff- und der Borgruppe. In dieser Vielfalt an Elementen gibt es ein flüssiges (Br), mehrere gasförmige (N, O, Ne) und feste (Al, Ca, S) Stoffe. Diese Stoffe lassen sich erneut in die Nichtmetalle, Halbmetalle und Metalle unterscheiden.

    Nebengruppenelemente hingen sind ausschließlich Metalle, wobei alle fest sind außer Quecksilber, welches flüssig ist.

    Der größte Unterschied zwischen den NG- und den HG-Elementen ist, wie sie mit Elektronen aufgefüllt werden. Bei den Hauptgruppenelementen sind die s-Orbitale oder die p-Orbitale die äußeren Orbitale, die gefüllt werden. Bei den Nebengruppenelementen hingegen sind es die inneren d-Orbitale, die schrittweise mit Elektronen gefüllt werden. Aus theoretischen Rechnungen konnte bestätigt werden, dass ein 3d-Niveau bei Anwesenheit von Elektronen immer energetisch ungünstiger liegt als ein 4s-Niveau. Deswegen gibt es bei der Elektronenkonfiguration die Reihenfolge: $1s^22s^22p^6s^23p^64s^23d^{10}...$

    • In der alten Bezeichnung wurden die Nebengruppen durch die römischen Zahlen von I bis VIII und den Buchstabe b - beginnend bei III b - gekennzeichnet, wobei zu VIII b die drei ferromagnetischen Elemente gehören (Fe, Co, Ni). Die Hauptgruppenelemente wurden ebenfalls mit den römischen Ziffern von 1 bis 8 und dem Buchstaben a bezeichnet.
    • In der neueren Bezeichnung wird von 1 bis 18 entlang der Gruppen durchnummeriert, wobei 1,2 und 13 - 18 die Hauptgruppenelemente beschreibt und 3 bis 12 die Nebengruppen.
  • Bestimme die Nichtmetalle aus dem Block der Hauptgruppenelemente.

    Tipps

    Einige Nichtmetalle sind gasförmig und essentiell wichtig für die Lebensprozesse.

    Nichtmetallen fehlen die typischen metallischen Eigenschaften, wie elektrische Leitfähigkeit, Glanz, Wärmeleitfähigkeit und Verformbarkeit.

    Einige gasförmige Nichtmetalle werden zu Leuchtreklamezwecken genutzt.

    Lösung

    Die Hauptgruppenelemente setzen sich aus Metallen, Nichtmetallen und Halbmetallen zusammen.

    • Zu den Metallen gehören die Alkali- und die Erdalkalimetalle (gelb) sowie die rot markierten Metalle, wie z.B. Blei, Aluminium und Zinn.
    • Zu den Halbmetallen gehören die blau markierten Elemente. Diese dienen zur Herstellung von Dioden bzw. Solarzellen (v.a. Silicium).
    • Zu den Nichtmetallen gehören die Edelgase und die grün markierten Elemente. Vor allem fällt auf, dass viele davon gasförmig sind (weiße Schrift). Die Edelgase werden häufig für Leuchtreklamezwecke benötigt und die Elemente Stickstoff und Sauerstoff sind lebensnotwendig.
  • Ermittle die Oxidationszahlen durch die Formeln folgender Salze.

    Tipps

    In $NaCl$ hat Natrium die Oxidationsstufe +1.

    Mangan gibt im $KMnO_4$ alle seine Valenzelektronen (s- und d-Elektronen) ab.

    Sauerstoff $O$ hat in Verbindungen mit anderen Elementen, immer die Oxidationsstufe -2.

    Kalium besitzt in Verbindungen immer die Oxidationsstufe +1.

    Lösung

    Die Nebengruppenelemente sind nur Metalle. Diese nehmen ausschließlich positive Oxidationszahlen an. Ursache dafür ist die geringe Elektronegativität der Metalle (1,2 - 1,7), was den Alkalimetallen ähnlich ist.

    Bsp. $TiCl_4$:
    Das Chloratom hat eine viel größere Elektronegativität als Titan $( \Delta EN = 1,5)$. Anhand der $\Delta EN$ lässt sich erkennen, dass es sich um eine Ionenverbindung halten muss. Wie vorab erläutert, bildet das Metallion das Kation. Chloridionen sind einfach negativ geladen, da eine Ladungsneutralität $((4 \cdot (-1)) + x = 0 \rightarrow x = +4)$ bestehen muss, hat Titan die Oxidationsstufe (und Ladung) +4.

  • Entscheide, ob die Elemente Haupt- oder Nebengruppenelemente sind.

    Tipps

    Hauptgruppenelemente können Metalle, Nichtmetalle und Halbmetalle sein, während die Nebengruppenlemente ausschließlich Metalle sind.

    Germanium füllte eine Lücke im Periodensystem von Dmitri Mendelejew. Dieses war die Vorstufe von unserem PSE. Germanium nahm den Platz vom postulierten Eka-Silicium ein, dieses hatte ähnliche Eigenschaften wie Silicium.

    Lösung

    Das Periodensystem ist unterteilt in die Hauptgruppenelemente (gelb, rot und violett), in die Nebengruppenelmente (blau) und in die Lanthanoide und Actionide (grün).

    Hauptgruppenelemente können sein:

    • Metalle (Pb, Al)
    • Halbmetalle (Si, Ge)
    • Nichtmetalle (C, S, N, O)
    Hingegen sind alle Nebengruppenlemente ausschließlich Metalle (Cu, Mo, Ag, Au, Cr).

  • Erkläre die unterschiedlichen Elektronenkonfigurationen von Nickel und Stickstoff.

    Tipps

    Elemente streben vollbesetzte oder halbbesetzte Schalen an.

    Nach dem Aufbauprinzip liegen die Orbitale in elektronenbesetzten Zuständen in folgender Reihenfolge vor:

    Lösung

    Nickel ist ein klassisches Metall mit den charakteristischen Eigenschaften, wie z.B. Glanz, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Verformbarkeit. Nach dem Pauli-Prinzip sind halb- oder vollbesetzte Schale energetisch am günstigsten. Nickel kann sich stabilisieren, indem es die Elektronen aus dem s-Orbital abgibt ($1s^22s^22p^63s^23p^64s^03d^{8}$) und so in Verbindungen zweiwertige Kationen bildet $Ni^{2+}$.

    Wenn nun weitere Elektronen aufgefüllt werden, um zu Kupfer oder Zink zu werden, so wird das 3d-Orbital weiter aufgefüllt. Damit gibt es eine Beeinflussung auf die inneren Schalen des Atoms. Dieses Phänomen ist die Ursache für charakteristische Eigenschaften der NG-Metalle, wie z.B. die Einnahme von vielen verschiedenen Oxidationsstufen.

    Stickstoff ist ein Nichtmetall aus dem Block der Hauptgruppenelemente. Es besitzt insgesamt 5 Valenzelektronen (2s und 3p) Elektronen. Durch Auffüllen mit weiteren Elektronen gelangen die Elektronen ebenfalls in das 3p-Niveau, d.h. die äußeren Schalen werden beeinflusst. Dieser Effekt ist essentiell für die Eigenschaften der Hauptgruppenelemente entlang einer Periode. So nimmt zum Beispiel die Elektronegativität in einer Periode stark zu, aber die Atomradien sinken, da die Orbitale immer näher zusammenrutschen. Die Chemie der Hauptgruppenelemente wird aufgrund diesen Effekts auch „Valenzelektronen“-Chemie genannt.