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Haupt- und Nebengruppenelemente 09:49 min

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Transkript Haupt- und Nebengruppenelemente

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um die Hauptgruppenelemente und Nebengruppenelemente. Als Vorkenntnisse solltet Ihr das Video über das PSE, den Aufbau und die Elektronenkonfiguration, bereits gesehen haben. Ferner solltet Ihr wissen, worum es sich bei den Orbitalen s-Orbital, p-Orbital, d-Orbital und vielleicht auch f-Orbital handelt. Im Video möchte ich auf das Wesen der Hauptgruppenelemente und Nebengruppenelemente eingehen. Ich möchte Euch erklären, wie die äußeren Orbitale die Stellung im Periodensystem der Elemente beeinflussen. Die Unterschiede in den wesentlichsten Eigenschaften möchte ich kurz darstellen. Der Film besteht aus 5 Abschnitten. 1. Schematisches Periodensystem der Elemente mit Hauptgruppen und Nebengruppen 2. Alte und neue Bezeichnung der Gruppen 3. Äußere Orbitale 4. Unterschiede in den Eigenschaften und 5. Zusammenfassung.

  1. Schematisches Periodensystem der Elemente mit Hauptgruppen und Nebengruppen Erinnert Euch an den Film über das Periodensystem der Elemente. Ich habe Euch gezeigt, dass es aus verschiedenen Blöcken zusammengesetzt ist. Das ist der 1. Block. Der 2. Block ist dieser helllila-farbene. Oben rechts an ihm befindet sich eine kleine Exklave des gelben Blockes. Der gelbe und der lilafarbene Block schließen einen langen kaminroten Block von Elementen ein. Ausgelagert aus diesem kompakten System ist dieser lange braune Block an chemischen Elementen. Die Hauptgruppenelemente des Periodensystems befinden sich im gelben Block und im helllila-farbenen Block sowie natürlich in der kleinen Exklave oben rechts. Die Elemente des kaminfarbenen Blockes sind die Nebengruppenelemente. Die chemischen Elemente, die den lang gestreckten braunen Block bilden, stellen 2 große Gruppen an Elementen dar: Die Lanthanoide und die Actinoide. Lanthanoide und Actinoide entfallen aus der Betrachtung.

  2. Alte und neue Bezeichnung der Gruppen Nach der alten Bezeichnung der Gruppen des Periodensystems der Elemente, wurde nach Hauptgruppen und Nebengruppen unterschieden. Im großen gelben Block befinden sich die Hauptgruppen 1a und 2a. Das bedeutet: Der Index a deutet darauf hin, dass es sich um eine Hauptgruppe handelt. Der große helllila-farbene Block besteht aus den verbleibenden Hauptgruppen: 3a, 4a, 5a, 6a, 7a und 8a. Die kleine gelbe Exklave gehört ebenfalls zu einer Hauptgruppe, nämlich der Hauptgruppe 8a. Der kaminrote Block enthält die Nebengruppenelemente. Die Nebengruppen sind in der Folge: 3b, 4b, 5b, 6b, 7b, 8b, 1b und 2b angeordnet. Der Index b deutet darauf hin, dass es sich um eine Nebengruppe handelt. Nach neuer Bezeichnung wird nicht mehr in Haupt- und Nebengruppen unterschieden, sondern die Gruppen werden einfach durchnummeriert. Das geschieht so: Hauptgruppe 1a und Hauptgruppe 2a sind entsprechend die Gruppen 1 und 2. Die Hauptgruppen 3b bis 7b sind in neuer Schreibweise die Gruppen 3, 4, 5, 6 und 7. Die Nebengruppe, nach alter Bezeichnung 8b, wird in 3 neue Gruppen nach neuer Bezeichnung unterteilt. In 8, 9 und 10. Nach alter Bezeichnung 1b und 2b sind entsprechend 11 und 12. Und weiter geht es. Die Hauptgruppen,die vormals als 3a, 4a, 5a, 6a, 7a und 8a bezeichnet wurden, haben nun die einfachen Bezeichnungen 13, 14, 15, 16, 17 und 18.

  3. Äußere Orbitale Alle Hauptgruppenelemente, die gelb gekennzeichnet sind, haben s-Orbitale als äußere Orbitale. Alle Hauptgruppenelemente, die lilafarben gekennzeichnet sind, haben p-Orbitale als äußere Orbitale. Alle Nebengruppenelemente haben d-Orbitale als äußere Orbitale. 

  4. Unterschiede in den Eigenschaften Wenn Elemente die Perioden durchlaufen, d. h., wenn sie von links nach rechts mit Elektronen aufgefüllt werden, so kommt es zu unterschiedlichen Ergebnissen. In jedem Fall kommt es zur Auffüllung der Schalen. Dabei kann es einmal zum Auffüllen der äußeren Schalen kommen, dann haben wir es mit einem Hauptgruppenelement zu tun. Werden die inneren Schalen aufgefüllt, so haben wir es mit einem Nebengruppenelement zu tun. Das ist auch schon das gesamte Geheimnis, das die Unterschiede zwischen den Haupt- und Nebengruppenelementen ausmacht. Wir haben bereits gelernt, dass jene Elemente, die als äußere Orbitale s- oder p-Orbitale haben, zu unterscheiden sind von den Elementen, die als äußere Orbitale d-Orbitale haben. Erstere Elemente sind die Hauptgruppenelemente. Die Elemente mit äußeren d-Orbitalen sind die Nebengruppenelemente. Zunächst wollen wir schauen, wo wir es mit Metallen, Nichtmetallen oder Halbmetallen zu tun haben. Bei einem Hauptgruppenelement kann es sich entweder um ein Metall, ein Nichtmetall oder ein Halbmetall handeln. Nebengruppenelemente hingegen treten nur als Metalle auf. Nichtmetalle oder Halbmetalle gibt es unter den Nebengruppenelementen nicht. Stellvertretend für die Metalle der Hauptgruppenelemente möchte ich Beryllium und Calcium nennen. Wichtige Nichtmetalle unter den Hauptgruppenelementen sind Kohlenstoff und Schwefel. Halbmetalle mit extrem großer Bedeutung sind Silicium und Germanium. Stellvertretend für die vielen Nebengruppenelemente möchte ich Chrom, Kupfer, Molybdän, Silber und Gold nennen. Kommen wir zum Vergleich der Oxidationszahlen. Bei den Hauptgruppenelementen treffen wir in den Hauptgruppen 1a bis 7a folgende Oxidationszahlen an. Für Lithium +1, für Beryllium +2, für Bor +3, für Kohlenstoff +2 und +4, für Stickstoff von -3 bis +5 praktisch alle, für Sauerstoff -2, für Fluor -1, für Natrium +1, für Magnesium +2, für Aluminium +3, für Silicium +4, für Phosphor -3, +3 und +5, für Schwefel -2, +2 und +6 sowie für Chlor -1, +1, +3, +4, +5, +6 und +7. Im Vergleich dazu möchte ich die sogenannten 3d-Elemente, d. h. die Elemente vom Scandium bis Zink mit ihren Oxidationszahlen aufführen. Scandium +3, Titan +2, +3, +4, Vanadium +2, +3, +4, +5, Chrom +2, +3, +6, Mangan +2, +3, +4, +5, +6, +7, Eisen +2, +3, +6, Cobalt +2, +3, Nickel +2, +3, Kupfer +1, +2 und Zink +2. Ein flüchtiger Blick auf diese beiden Reihen von Zahlen führt zum Ergebnis, dass die Anzahl an Oxidationszahlen, ihr Spektrum, im Fall der Hauptgruppenelemente  geringer ist im Fall der Nebengruppenelemente. Das führt dazu, dass auch das Spektrum der Verbindungen der Nebengruppenelemente breiter, als jenes der Hauptgruppenelemente ist. Bei den Hauptgruppenelementen kennen wir die Minerale Halit und Glaubersalz. Das führt dazu, dass auch das Spektrum der Verbindungen der Nebengruppenelemente breiter, als jenes der Hauptgruppenelemente ist. Logischerweise ist die Anzahl an Salzen, Komplexen und überhaupt die Gesamtheit an chemischen Verbindungen im Fall der Nebengruppenelemente bedeutend breiter als im Fall der Hauptgruppen.

  5. Zusammenfassung Die größte Anzahl der Elemente im Periodensystem der Elemente befindet sich in den Hauptgruppen (HG) und den Nebengruppen (NG). Für die Hauptgruppen sind die Orbitale s und p von Bedeutung. Für die Nebengruppen die d-Orbitale. Die entsprechenden Orbitale stellen die äußeren Orbitale in den Atomen der entsprechenden Elemente. Haupt- und Nebengruppenelemente wurden nach alter Schreibweise so dargestellt, dass römische Ziffern und entsprechende Indizes (a für Hauptgruppenelemente und b für Nebengruppenelemente) verwendet wurden. So wurden diese bezeichnet von 1 bis 8 mit den Indizes a und b. Bei der neuen Schreibweise wird zwischen Haupt- und Nebengruppenelementen in der Bezeichnung nicht mehr unterschieden. Es wird durchnummeriert von 1 bis 18. Dabei ist zu bemerken, dass die nach der alten Bezeichnung aufgeführte Nebengruppe in ab in 3 Gruppen 8, 9 und 10 zerfällt. Das Spektrum an Oxidationszahlen ist bei Nebengruppenelementen größer als jenes bei den Hauptgruppenelementen. Daraus ergibt sich, dass das Spektrum bei Salzen, Komplexen und überhaupt chemischen Verbindungen bei Nebengruppenelementen weiter als jenes der Hauptgruppenelemente ist.

Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.

3 Kommentare
  1. Hallo Fordola,

    dieses Video und die folgenden Videos richten sich eher an Schüler höherer Klassenstufen. Am besten schaust du einmal in die Kerncurricula deines Bundeslandes. Dann weißt du, was du bisher alles wissen solltest.

    Liebe Grüße aus der Redaktion.

    Von Karsten Schedemann, vor 6 Monaten
  2. ._. woher soll man wissen was man alles vorher lernen sollte, wo find ich das video was da gesagt wurde dass man das gesehn haben sollte?
    und welche themen liegen da noch zwischen?

    also einfach 1 video nach dem andern geht wohl nicht weil die total durcheinander sind

    Von Fordola, vor 6 Monaten
  3. Danke für das Informationsreiche Vidio.

    Von Yasminarakji, vor etwa 3 Jahren

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).

  • 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, violett und rot), 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.

  • 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.