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Periodensystem der Elemente – Einführung in die Atomphysik

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Jakob Köbner
Periodensystem der Elemente – Einführung in die Atomphysik
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse - 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Grundlagen zum Thema Periodensystem der Elemente – Einführung in die Atomphysik

Inhalt

Was ist Atomphysik?

Wasser, Eis, Popcorn, Holz und Luft – diese und alle anderen Dinge sind aus kleinsten Teilchen, den Atomen, zusammengesetzt. Aber was sind Atome überhaupt? Dieser Frage gehen Forscherinnen und Forscher der Atomphysik nach. Wir wollen uns im Folgenden einen kurzen Überblick über die Geschichte der Atomphysik schaffen, uns anschauen, welche Inhalte es in der Atomphysik gibt, und eine Einführung liefern.

Geschichte der Atomphysik

Die Menschen machten sich schon vor mehr als $2 000$ Jahren Gedanken darüber, aus was die Welt um sie herum besteht. Die Idee, dass Materie aus kleinsten Teilchen bestehen könnte, die nicht mehr weiter teilbar sind, wurde unter anderem in Indien und im antiken Griechenland entwickelt. Allerdings handelte es sich immer um rein philosophische Überlegungen – Experimente der Atomphysik waren zu dieser Zeit noch nicht möglich. Dennoch stammt der Name Atom aus dieser Zeit. Er wurde durch den griechischen Philosophen Demokrit geprägt und bedeutet so viel wie das Unteilbare.

Erst etwa $2 000$ Jahre später, also im $19.$ Jahrhundert, erkannten Forscher, dass es verschiedene Atomarten gibt, die sich in ihren Eigenschaften unterscheiden. Diese verschiedenen Atome wurden später als chemische Elemente bezeichnet. Es handelt sich dabei um Stoffe, die sich (chemisch) nicht weiter in andere Stoffe zerlegen lassen. Deswegen werden Elemente auch als Reinstoffe bezeichnet.

Gegen Ende des $19.$ Jahrhunderts waren schon einige der Elemente bekannt. Viele Forscherinnen und Forscher versuchten damals, die Eigenschaften der Elemente zu bestimmen. Sie stellten dabei fest, dass sich die Eigenschaften der Elemente mit der Masse änderten – sich aber bestimmte Eigenschaften periodisch mit der Masse wiederholten. Darauf aufbauend entwickelten schließlich Lothar Meyer und Dmitri Mendelejew das Periodensystem der Elemente, das als wichtiger Fortschritt in der Atomphysik und Chemie gilt.

Atomphysik einfach erklärt – Atome, Atomkerne und Elektronenhüllen

Die Atomphysik beschäftigt sich, wie der Name schon verrät, mit den Atomen. Insbesondere geht es um den Aufbau der Atome und ihrer Elektronenhüllen, ihre unterschiedlichen Eigenschaften und Wechselwirkungen. Der genaue Aufbau des Atomkerns ist hingegen kein Untersuchungsgegenstand der Atomphysik, sondern fällt in den Bereich der Kernphysik.

Um einen besseren Eindruck zu gewinnen, betrachten wir die zwei einfachsten Atome des Periodensystems, den Wasserstoff und das Helium.

Atomphysik Beispiele Wasserstoff und Helium

Das einfachste Atom ist der Wasserstoff. Sein Kern besteht aus einem einzelnen positiv geladenen Proton, seine Elektronenhülle enthält ein einzelnes negativ geladenes Elektron. Das Proton ist etwa $2\,000$-mal schwerer als das Elektron. Dafür ist die Elektronenhülle etwa $10\,000$-mal größer als der Kern.

Das Heliumatom hat einen Atomkern, der aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Neutronen sind kleinste, elektrisch neutrale Teilchen, die den Kern stabilisieren. Die Elektronenhülle enthält zwei Elektronen (solange das Heliumatom nicht ionisiert ist).

Atomphysik – Kernbegriffe und Schreibweise der Elemente

Weil Physikerinnen und Chemiker nicht immer Zeit und Lust haben, die Atome aufzuzeichnen, wurde eine Schreibweise für die Elemente entwickelt, die auch im Periodensystem genutzt wird. Für diese Schreibweise benötigen wir zunächst einige wichtige Fachbegriffe.

Ordnungszahl $Z$

Die Ordnungszahl $Z$ gibt die Anzahl an Protonen im Atomkern eines Elements an. $Z$ ist also immer eine natürliche Zahl, beginnend mit der Ordnungszahl $Z=1$ für Wasserstoff. Die höchste bisher nachgewiesene Ordnungszahl beträgt für das Element Oganesson $Z=118$. Bei elektrisch neutralen, also nicht ionisierten Atomen ist die Zahl der Elektronen in der Hülle gleich der Zahl der Protonen im Kern.
Über die Ordnungszahl ist zudem der Begriff Element definiert: Alle Atome mit gleicher Ordnungszahl gehören zu demselben Element – auch dann, wenn sie unterschiedlich viele Neutronen im Kern besitzen. Zwei Atome mit gleicher Anzahl an Protonen, aber unterschiedlichen Anzahlen an Neutronen nennt man Isotope. Isotope haben gleiche chemische Eigenschaften, können aber beispielsweise instabil und damit radioaktiv sein.

Atommasse $m$

Die Atommasse $m$ beschreibt die Masse eines einzelnen Atoms. Sie hängt unter anderem, aber nicht nur, von der Anzahl der Protonen und Neutronen ab. Sie wird in der Regel in sogenannten atomaren Masseneinheiten $\pu{u}$ statt in Kilogramm angegeben. Das hat den einfachen Grund, dass Atome sehr leicht sind und atomare Masseneinheiten wesentlich besser zum Rechnen geeignet sind – in Kilogramm müsste man mit sehr langen Kommazahlen oder unhandlichen Zehnerpotenzen rechnen. Eine atomare Masseneinheit ist definiert als genau $\frac{1}{12}$ der Masse des Kohlenstoffisotops C-12, dessen Kern aus genau sechs Protonen und sechs Neutronen besteht. In Kilogramm ausgedrückt ergibt sich:

$1~\pu{u} = 1,66 \cdot 10^{-27}~\pu{kg}$

Anmerkung: Die Atommasse ist genau genommen ein Mittelwert. Da es, wie wir bereits beschrieben haben, Atome mit gleicher Ordnungszahl, aber unterschiedlichen Anzahlen von Neutronen gibt – die Isotope –, gibt es für jedes Element auch unterschiedliche mögliche Massen. Die im Periodensystem angegebene Atommasse ist ein Mittelwert über die verschiedenen Massen, mit denen das entsprechende Element vorkommt. Die einzelnen Massen werden dabei nach ihrer Häufigkeit gewichtet.

Elektronegativität $\chi$

Die Elektronegativität gibt an, wie stark ein Atom ein Elektronenpaar einer chemischen Bindung an sich heranziehen würde. Je größer die Zahl, desto stärker zieht ein Element an einem potenziellen Elektronenpaar einer chemischen Bindung. Anhand der Elektronegativität bzw. des Unterschieds der Elektronegativität verschiedener Elemente kann man also Aussagen darüber treffen, wie eine Bindung zwischen den Elementen aussähe und ob sie möglich wäre.

Elementsymbol

Jedes chemische Element hat einen Namen. Das Elementsymbol besteht aus dem ersten, manchmal auch aus den ersten beiden Buchstaben des Namens. Dabei werden in der Regel die Buchstaben des lateinischen oder griechischen Namens der Elemente gewählt, auch wenn es deutsche Bezeichnungen gibt. So ist beispielsweise das Elementsymbol von Gold ein $\pu{Au}$, was von dessen lateinischem Namen Aurum kommt.

Massenzahl $A$

Die Massenzahl $A$ ist die Gesamtanzahl an Kernbestandteilen, also Protonen und Neutronen, die den Kern eines Atoms bilden. Sie ist also die Summe aus Ordnungszahl $Z$ und Neutronenzahl $N$:

$A = Z + N$

Der Name Massenzahl kommt daher, dass sie ungefähr der Atommasse in atomaren Masseneinheiten entspricht – genau betrachtet unterscheiden sich jedoch beide Werte, weil die Atommasse die Elektronenhülle, leicht unterschiedliche Massen von Protonen und Neutronen und weitere Effekte berücksichtigt, die Massenzahl aber die reine Anzahl der Kernbestandteile wiedergibt.

Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft, wie der Eintrag für das Kohlenstoffatom aussieht.

Atomphysik Definition der Schreibweise im Periodensystem

Da in dieser Schreibweise die einzelnen Isotope eines Elements nicht unterscheidbar sind, gibt es eine weitere Schreibweise, die die Neutronenzahl $N$ berücksichtigt. In dieser Schreibweise wird die Massenzahl $A$ linksseitig hochgestellt an das Elementsymbol geschrieben und die Kernladungszahl linksseitig tiefgestellt. Normaler Kohlenstoff mit sechs Protonen und sechs Neutronen würde in dieser Schreibweise wie folgt geschrieben werden:

$^{12}_6 \pu{C}$

Das Kohlenstoffisotop C-13, das sieben Neutronen und sechs Protonen besitzt, sähe hingegen folgendermaßen aus:

$^{13}_6 \pu{C}$

Auf diese Weise sind also alle Isotope eines Elements voneinander unterscheidbar.

Das Periodensystem der Elemente

Im Periodensystem der Elemente werden die Elemente auf ganz bestimmte Art und Weise angeordnet. Die grobe Ordnung richtet sich nach der Ordnungszahl: Alle Elemente werden von Wasserstoff an in aufsteigender Reihenfolge nach ihrer Ordnungszahl sortiert. Die so entstehende Reihe wird anschließend auf verschiedene Zeilen unterteilt, sodass die Elemente nach ihren Eigenschaften Gruppen bilden.

Atomphysik Periodensystem der Elemente

Die Zeilen des Periodensystems werden von eins bis sieben durchnummeriert und heißen Perioden. Sie geben die höchste besetzte Schale an – bei den Elementen der ersten Periode ist also nur die erste Schale mit Elektronen besetzt. Mehr Details dazu erfährst du in unserem Video zum bohrschen Atommodell.

Die Spalten des Periodensystems werden Gruppen genannt und von eins bis $18$ durchnummeriert. Alle Elemente, die in einer Gruppe stehen, haben sehr ähnliche chemische Eigenschaften. Das liegt daran, dass sie sich in der Struktur ihrer Elektronenhülle sehr ähnlich sind. Bei den Gruppen $1,2,13,14,15,16,17$ und $18$ gibt es eine Besonderheit. Diese Gruppen werden auch als Hauptgruppen bezeichnet und zusätzlich mit den römischen Ziffern $\text{I},\text{II},\text{III},\text{IV}, \text{V}, \text{VI}, \text{VII}, \text{VIII} $ durchnummeriert. In den Hauptgruppen haben die Elemente einer Hauptgruppe immer gleich viele Außenelektronen – und zwar so viele wie von der römischen Ziffer angegeben. Das haben wir in der folgenden Tabelle aufgeschlüsselt:

Gruppe Hauptgruppe Außenelektronen
1 I 1
2 II 2
13 III 3
14 IV 4
15 V 5
16 VI 6
17 VII 7
18 VIII 8 [Ausnahme: Helium: 2]

Atomphysik – Zusammenfassung

Hier findest du die wichtigsten Stichpunkte zur Einführung in die Atomphysik noch einmal zusammengefasst:

  • Die Atomphysik beschäftigt sich mit den Atomen, ihren Eigenschaften und der Struktur der Elektronenhülle.
  • Atome bestehen aus einem Kern aus Protonen und Neutronen (Ausnahme: Wasserstoff hat nur ein Proton als Kern) und einer Elektronenhülle.
  • Alle Atome mit gleicher Ordnungszahl (also Anzahl an Protonen im Kern) gehören zu demselben Element. Unterscheidet sich die Anzahl an Neutronen, spricht man von Isotopen.
  • Im Periodensystem sind alle Elemente aufgelistet. Sie sind so angeordnet, dass Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften in einer Gruppe zusammengefasst sind.

Transkript Periodensystem der Elemente – Einführung in die Atomphysik

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle, das bin ich. Heute wollen wir uns der Atomphysik widmen, im Speziellen dem Periodensystem der Elemente. In diesem Video möchte ich nach einer kurzen Einführung in die Atomphysik erklären, wie das Periodensystem entstanden ist, wie es aufgebaut ist und wie ihr es benutzen könnt. Und da ich wie alle Physiker ein ziemlich fauler Mensch bin, werde ich es ab jetzt ach mit PSE abkürzen. In diesem Film lernst du, womit sich Atomphysik eigentlich beschäftigt, was Atome, Elemente und Elementarteilchen sind, wie das Periodensystem aufgebaut ist und warum, wie du Informationen aus dem Periodensystem  gewinnst, was Isotope sind und die korrekte Schreibweise für ein Atom. Da dies der erste Film zur Atomphysik ist und die Atomphysik ein Gebiet ist, das wenig Vorkenntnisse braucht, musst du für diesen Film eigentlich nichts anderes gesehen haben. Allerdings ist es später hilfreich, wenn du dich schon mit Ladungen auskennst. Die Entstehung des Periodensystems hat eine sehr lange Geschichte. Schon 600 vor Christus wurde in Indien über nicht mehr weiter zerteilbare kleinste Bauteile der Materie philosophiert, und 450 vor Christus schlug Demokrit, ein Schüler des Leukipp, für diese Bauteile den Namen atomos, das Unzerschneidbare, vor. Obwohl wir heute wissen, dass auch Atome weiter aus kleineren Bauteilen bestehen, hat sich der Name Atom bis heute gehalten. Mehr als 2000 Jahre später entdeckten einige Wissenschaftler bei der Untersuchung der bekannten Elemente, dass sich bestimmte physikalische und chemische Eigenschaften nach einer gewissen Dauer oder Periode, daher Periodensystem, wiederholen. Bis schließlich 1869 relativ gleichzeitig, Lothar Meyer und Dmitri Mendelejev das Periodensystem der Elemente entwickelten. Bevor wir uns nun aber dem Periodensystem widmen, wollen wir doch noch einmal kurz einen Blick auf die Grundlagen werfen. Was ist eigentlich der Unterschied zwischen Atomen, Elementen und Elementarteilchen? Beginnen wir einmal mit dem allereinfachsten Atom, dem Wasserstoff-Atom. Der Kern besteht nur aus einem einzigen Proton und die Hülle aus einem einzigen Elektron. Jedes Atom besteht aus Hülle und Kern. Für alle Atome gilt, dass die Hülle zwar sehr viel leichter ist, da sie nur aus Elektronen besteht, die fast 2000× so leicht sind wie ein Proton. Dafür ist sie jedoch riesengroß. Der Durchmesser der Hülle ist ungefähr 10.000× so groß wie der Durchmesser des Kerns. Der Atomkern, der also über 99 % der Masse in sich trägt, besteht aus Protonen und Neutronen. Diese 3 Bauteile, aus denen alle Atome aufgebaut sind - die negativen Elektronen, die positiven Protonen und die neutralen Neutronen - nennt man Elementarteilchen. Wollen wir uns einmal das nächstkompliziertere Atom ansehen, das Helium-Atom. Sein Kern besteht aus 2 Protonen und 2 Neutronen und seine Hülle aus 2 Elektronen. Die Zahl der Protonen im Kern eines Atoms Z = der Zahl der Elektronen (außer bei ionisierten Atomen, mehr dazu im Kapitel über Ionen. Die brauchen uns hier aber nicht zu interessieren). Z nennt man auch die Kernladungszahl oder Ordnungszahl. Alle Atome, die die gleiche Kernladungszahl Z haben, werden einem bestimmten Element zugeordnet. Nachdem wir jetzt also wissen, was der Unterschied zwischen Atomen, Elementen und Elementarteilchen ist, können wir uns endlich dem Aufbau des Periodensystems zuwenden. Erst einmal sind alle Elemente im Periodensystem nach ihrer Kernladungszahl geordnet, beginnend mit dem Wasserstoff oben links. Dann in der gleichen Zeile rechts das Helium, dann in der nächsten Zeile das Lithium und immer so weiter. Die Zeilen des Periodensystems nennt man auch Perioden. Ab der 2. Periode kann die äußerste Schale des Atoms maximal 8 Elektronen enthalten. Wie viele dieser sogenannten Valenzelektronen sich in der äußersten Schale des Atoms befinden, hat einen sehr großen Einfluss auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften. Daher werden durch die Anzahl der Valenzelektronen die Atome in die sogenannten 8 Hauptgruppen aufgeteilt. In höheren Perioden kommen später zusätzlich größere Schalen hinzu, die zum Teil befüllt werden, bevor die äußerste Schale fertig befüllt wird. Dadurch kommen sogenannte Untergruppen hinzu. Das Periodensystem, das ich in der Schule verwenden durfte, war zum Klappen. Im einfachen Zustand zeigte es nur diese 8 Hauptgruppen an. Man konnte es aber aufklappen, um die gesamten Untergruppen ebenfalls anzuzeigen. Wenn ihr mehr über die Regeln wissen wollt, nach denen die Elektronenschalen besetzt werden, dann seht euch bitte im Chemiebereich die Videos zur Elektronenkonfiguration an. Was bringt mir nun die Anordnung der Elemente im Periodensystem? Ganz einfach. Im Periodensystem stehen Elemente, die ähnliche Eigenschaften haben, in einer Spalte übereinander. Ganz rechts zum Beispiel seht ihr die 8. Hauptgruppe, die sogenannten Edelgase. Sie haben in ihrer äußersten Schale 8 Elektronen und damit die optimale Konfiguration erreicht. Sie wollen also weder zusätzliche Elektronen aufnehmen noch welche abgeben. Gleich links daneben seht ihr die 7. Hauptgruppe, die sogenannten Halogene oder Salzbildner. Sie sind nur ein Elektron von der optimalen Elektronenkonfiguration entfernt und ziehen daher sehr kräftig, wenn sie ein weiteres ergattern können und lassen sich nur sehr schwer eines abnehmen. Im Gegensatz dazu seht ihr ganz links die sogenannten Alkalimetalle. Sie haben ein Elektron über der optimalen Elektronenkonfiguration und geben deshalb relativ gerne eines ab. Dieses Verhalten wird durch die Elektronegativität ausgedrückt. Man kann grob sagen, dass die Elektronegativität im Periodensystem von links nach rechts stetig steigt, bis sie bei den Edelgasen wieder abnimmt, da diese ja keine Elektronen mehr haben wollen. So, nun wisst ihr, warum das Periodensystem so aufgebaut ist, wie es aufgebaut ist, aber welche Informationen könnt ihr jetzt genau daraus gewinnen? Das Periodensystem ist im Prinzip eine Landkarte der Elemente, und wie jede Landkarte hat es auch eine Legende, eine Art Bedienungsanleitung. Hier befindet sich die Legende meines Periodensystems und an einem vergrößerten Beispiel möchte ich euch einmal zeigen, welche Informationen das Periodensystem zu jedem Element genau angibt. Links oben befindet sich die Ordnungszahl, also die Anzahl der Protonen im Kern des Atoms. Rechts oben befindet sich die Massenzahl A, die mir angibt, wie schwer das gesamte Atom ist. Links in der Mitte findet sich die Elektronegativität, die mir angibt, wie stark das Element an einem Elektron ziehen würde,  je höher, desto mehr. Groß in der Mitte ist das chemische Symbol für das Element, in diesem Fall C für Kohlenstoff. In diesem Periodensystem ist unten auch noch der ausgeschriebene deutsche Name des Elements angegeben. Welche Daten ein Periodensystem genau enthält, ist unterschiedlich. Das, das ich in der Schule benutzen durfte zum Beispiel, hatte eine Kopie auf der Rückseite mit anderen Daten, wie zum Beispiel Halbwertszeit für radioaktive Elemente, Dichte oder Schmelztemperatur. Sucht einfach die Legende und seht nach, ob die Information, die ihr braucht, enthalten ist. Nun wollen wir uns noch einmal die Massenzahl ein wenig näher ansehen. Wenn ihr in einem Lexikon nachschlagt, werdet ihr folgenden Satz erhalten: Die Massenzahl gibt das Gewicht des Atoms in atomaren Masseneinheiten oder u an. Was aber ist nun ein u? Wenn ihr auch das im Lexikon nachschlagt, werdet ihr folgendes finden: Eine atomare Masseneinheit ist definiert als 1/12 des Gewichts eines Kohlenstoffatoms mit 6 Protonen und 6 Neutronen. Wenn nun aber 1 atomare Masseneinheit genau 1/12 eines Kohlenstoffatoms ist, warum steht dann als Massenzahl 12,011? Die Antwort ist ganz einfach. Wie wir vorhin gelernt haben wird jedes Atom, dessen Kern 6 Protonen enthält, Kohlenstoff genannt. Wenn ich aber nun im Wald spaziere, um mir einen Sack voller Kohlenstoff zu sammeln, dann werde ich in der Natur nicht nur Kohlenstoff mit 6 Protonen und 6 Neutronen finden, sondern auch - selten - Kohlenstoff mit 6 Protonen und 7 Neutronen oder 6 Protonen und 8 Neutronen. Solche Varianten eines Elements mit unterschiedlichen Neutronenzahlen nennt man Isotop. Da die Massenzahl des Kohlenstoffs im Periodensystem mir das Durchschnittsgewicht für das natürliche Vorkommen, also auch inklusive der Isotope, angibt, habe ich also einen Wert, der leicht über 12 liegt. Da es nun also anscheinend mehrere Versionen desselben Elements gibt, wurde eine Schreibweise eingeführt, um verwechslungssicher ein bestimmtes Atom zu beschreiben. Für das Standard-Kohlenstoff-Atom mit 6 Protonen und 6 Neutronen würde man also Folgendes schreiben: Zuerst das C, das chemische Symbol des Kohlenstoffs, dann davor oben eine 12 für 6 Protonen + 6 Neutronen, also die gesamte Anzahl der Kernbauteile, dann darunter eine 6 für die 6 Protonen im Kern. Würde ich stattdessen das Isotop mit 6 Protonen und 7 Neutronen darstellen wollen, würde ich statt 12/6/C 13/6/C schreiben. Also sind mit dieser Methode alle Isotope verwechslungssicher geschrieben. Wir wollen noch einmal zusammenfassen, was wir heute gelernt haben. 1. Atome sind die Bausteine unserer Welt. Jedes Atom besteht aus einem kleinen, schweren Kern und einer großen, leichten Hülle. 2. Die Atome selbst bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen. 3. Das Periodensystem der Elemente ist eine Landkarte aller bekannten Elemente und nach der Kernladungszahl und der Besetzung der Atomhülle geordnet. 4. Es gibt mehrere Versionen ein und desselben Elements, sogenannte Isotope. Die genaue Schreibweise für ein Atom besteht aus dem chemischen Symbol, davor oben der Anzahl der Kernbauteile, also der Zahl der Protonen + der Zahl der Neutronen und darunter der Zahl der Protonen im Kern. So, das war es auch schon für heute. Ich hoffe, ich konnte euch weiterhelfen. Danke fürs Zuschauen und vielleicht bis zum nächsten Mal. Tschüss, euer Kalle.

26 Kommentare

26 Kommentare
  1. @Daniel Ich habe nicht gefunden, welche Stelle du meinst, aber das Wort lautet vermutlich "genaue".

    Von Lukas Schwarz, vor 5 Monaten
  2. @Kerstin Wilken Der Wert 12,011 ist in atomaren Masseneinheiten (u) angegeben. 12,011 u sind 1,99e-26 kg.

    Von Lukas Schwarz, vor 5 Monaten
  3. die Grafik der Kamera würde ich verbessern, man erkennt fast nichts und alles ist verpixelt

    Von NILS, vor 6 Monaten
  4. Was heißt genane
    Da ist ein Rechtschreibfehler

    Von Daniel, vor 10 Monaten
  5. Was bedeutet 12.011? Sind das Gramm?

    Von Kerstin Wilken, vor etwa 2 Jahren
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Periodensystem der Elemente – Einführung in die Atomphysik Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Periodensystem der Elemente – Einführung in die Atomphysik kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die wichtigen Punkte der Entwicklung des PSE und des Atoms.

    Tipps

    Schon in der Antike wurde man sich bewusst, dass jeder Stoff aus sehr kleinen Grundbausteinen bestehen muss.

    Lösung

    Schon in der Antike wurde man sich bewusst, dass jeder Stoff aus sehr kleinen Grundbausteinen bestehen muss. 600 v. Chr. stammt aus Indien eine frühere philosophische Erwähnung der zerteilbaren kleinsten Bauteile der Materie, einer der ersten Erwähnung des Atomkonzepts. Nicht lange danach, 450 v. Chr., prägte Demokrit im alten Griechenland den Begriff „atomos", das Unteilbare. 1869 n. Chr. entwickeln Meyer und Mendelejew das PSE (Periodensystem der Elemente) unabhängig voneinander.

  • Beschreibe den Aufbau eines Atoms.

    Tipps

    Ein Atom besteht aus drei verschiedenen Teilchen.

    Lösung

    Aus den Beobachtungen des Rutherford'schen Streuversuches kann man einige Schlüsse über den Atomaufbau ziehen.

    Hier erkennt man, dass ein Atom aus Protonen, Neutronen und Elektronen besteht. Es wird in zwei Teile unterteilt. In dem Atomkern befinden sich Neutronen und Protonen. In ihm konzentriert sich fast die gesamte Atommasse. In der sogenannten Atomhülle befinden sich Elektronen. Der Atomkern ist der positiv geladene kleinere innere Teil eines Atoms und die Atomhülle sein negativ geladener größerer äußerer Teil.

  • Ordne alle Elementengruppen zu.

    Tipps

    Die Hälfte der Elemente in dieser Tabelle sind Metalle.

    Lösung

    Im Periodensystem stehen Elemente, die ähnliche Eigenschaften haben, in einer Spalte übereinander.

    Als Edelgase werden die Elemente der letzten rechten (orangen) Spalte bezeichnet. Sie sind als Inertgase bekannt, da sie nicht reaktiv sind. Die Elektronenkonfigurationen ihrer Atomorbitale sind idealerweise vollständig gefüllt. Das heißt, sie haben in ihrer äußersten Schale 8 Elektronen und damit die optimale Konfiguration erreicht. Deswegen "wollen" sie also weder zusätzliche Elektronen aufnehmen, noch welche abgeben.

    Als Nichtmetalle Halogene werden die an der linken (grünen) Spalte (neben den Edelgasen) bezeichnet. Sie sind nur ein Elektron von der optimalen Elektronenkonfiguration entfernt und ziehen daher sehr kräftig, wenn sie ein Weiteres ergattern können, und lassen sich nur sehr schwer eins abnehmen.

    Als Metalle werden alle Elemente der rosa Spalten bezeichnet. Sie besitzen sehr wenige Elektronen in den äußersten Schalen. Deshalb können sie sich untereinander nicht so gut zu Molekülen oder Gittern verbinden.

    Als Erdalkalimetalle werden alle Elemente der zwei linken gelben Spalten bezeichnet. Sie sind weniger reaktiv als die Alkalimetalle und besitzen zwei Elektronen in der Valenzschale. Das heißt, sie haben zwei Elektronen über der optimalen Elektronenkonfiguration und geben deshalb relativ gern welche ab.

    Als Alkalimetalle werden alle Elemente der ersten linken gelben Spalte (außer dem Wasserstoff) bezeichnet. Sie sind sehr reaktive Elemente und besitzen nur ein Elektron in der Valenzschale. Das heißt, sie haben ein Elektron über der optimalen Elektronenkonfiguration und geben deshalb relativ gern eins ab.

  • Erläutere den Anstieg der Elektronegativität im PSE.

    Tipps

    Die Elektronegativität nimmt zu, von Alkali- zu … -Metallen.

    Die Elektronegativität nimmt zu, von Elementen mit größerer zu kleinerer Z.

    Lösung

    Elektronegativität versteht man als ein relatives Maß für die Elektronenmitteilung zwischen Atomen in einer chemischen Bindung. Sie wird größer, wenn wenige Elektronen auf einer vollen Außenschale fehlen, da diese „Elektronenlücken“ leicht aufgefüllt werden können. In der Regel steigt sie daher stetig von links nach rechts und innerhalb einer Elementgruppe sinkt sie von oben nach unten.

  • Gib an, wofür die Abkürzung PSE steht.

    Tipps

    Der Begriff Element stammt aus der Chemie.

    Der Begriff Element enthält schon in sich den Begriff „Atom“.

    Lösung

    Da sowohl die Elemente als auch das System in vielen Ländern Verwendung finden, einigte man sich darauf, Abkürzungen zu verwenden; sowohl für die Elementsymbole als auch für das System selbst. So weiß nun jeder, dass mit dem PSE das Periodensystem der Elemente oder das Periodensystem der chemischen Elemente gemeint ist. Genauso weiß jeder, dass z. B. Pb für das chemische Element Blei steht.

  • Erkläre die besonderen Eigenschaften der Gruppen mit der Elektronegativität und der Anzahl der Valenzelektronen.

    Tipps

    Je fähiger ein Atom ist, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen, desto größer ist seine Elektronegativität.

    Lösung

    Im Periodensystem stehen Elemente, die ähnliche Eigenschaften haben, in einer Spalte (Gruppe) übereinander.

    Die Edelgase sind als Inertgase bekannt, da sie nicht reaktiv sind. Sie haben in ihrer äußersten Schale 8 Elektronen und damit die optimale Konfiguration erreicht. Deswegen wollen sie also weder zusätzliche Elektronen aufnehmen, noch welche abgeben. Aus diesem Grund spricht man kaum über Elektronegativität von Edelgasen.

    Die Nichtmetalle Halogene sind nur ein Elektron von der optimalen Elektronenkonfiguration entfernt und ziehen daher sehr kräftig, wenn sie ein weiteres ergattern können und lassen sich nur sehr schwer eins abnehmen. Aus diesem Grund haben sie eine hohe Elektronegativität. Anders gesagt: Sie sind sehr elektronegativ.

    Die Metalle besitzen sehr wenige Elektronen in den äußersten Schalen, deshalb können sie sich untereinander nicht so gut zu Molekülen oder Gittern verbinden. Aus diesem Grund haben sie eine mittlere Elektronegativität. Anders gesagt: Sie sind mittel elektronegativ.

    Die Erdalkalimetalle sind weniger reaktiv als die Alkalimetalle, aber mehr reaktiv als die Metalle und besitzen zwei Elektronen in der Valenzschale. Das heißt, sie haben zwei Elektronen über der optimalen Elektronenkonfiguration und geben sie deshalb relativ gerne ab. Aus diesem Grund haben sie eine geringe Elektronegativität. Anders gesagt: Sie sind elektropositiv.

    Die Alkalimetalle (außer dem Wasserstoff) sind sehr reaktive Elemente und besitzen nur ein Elektron in der Valenzschale. Das heißt, sie haben ein Elektron über der optimalen Elektronenkonfiguration und geben deshalb relativ gerne eins ab. Aus diesem Grund haben sie eine sehr geringe Elektronegativität. Anders gesagt: Sie sind sehr elektropositiv.

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