Quiz: Periodensystem der Elemente

1869 stellte der russische Chemiker Dmitri Mendelejew sein Periodensystem vor. Er ordnete die bekannten Elemente nach ansteigender Atommasse und Verhaltensähnlichkeit untereinander an. Dabei wurden die Ähnlichkeiten höher bewertet als die Atommassen, so dass beispielsweise Jod vor Tellur steht. Schon 1864 hatte der deutsche Chemiker Lothar Meyer ein eigenständiges Periodensystem vorgestellt, das aber nur etwa halb so viele Elemente umfasste und nach Valenz statt nach Atommasse sortiert war. Da Mendelejews Modell außerdem die Existenz weiterer, bis dahin unbekannter Elemente berücksichtigte, wird sein Beitrag zur Entwicklung des Periodensystems heute höher bewertet.

Quecksilber und Brom sind die einzigen natürlichen Elemente, die unter Normbedingungen – das heißt einer Temperatur von 0°C und einem Druck von 1 bar – flüssig sind. Im Gegensatz zu Quecksilber kommt Brom allerdings in der Natur nicht elementar, sondern nur in verschiedenen Verbindungen vor.
ACHTUNG: Wasser hat unter den Antworten eigentlich nichts zu suchen, denn es ist natürlich kein Element, sondern eine chemische Verbindung.

Die Ordnungszahl, auch Atomnummer oder Kernladungszahl genannt, entspricht der Anzahl der Protonen im Atomkern des betreffenden Elementes. Da in jedem ungeladenen Atom die Zahl der Protonen im Kern mit der Zahl der Elektronen in der Atomhülle übereinstimmt, gibt die Ordnungszahl indirekt auch die Elektronenzahl des Atoms an. Über die Anzahl der Neutronen gibt die Ordnungszahl dagegen keine Auskunft.

Von Jod gibt es nur eine Sorte Atome mit der Massenzahl 126,9. Von Tellur gibt es dagegen acht Isotope mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen im Kern. Das am häufigsten vorkommende Isotop hat dabei eine Massenzahl von 130. Unter Berücksichtigung der sieben anderen Isotope ergibt sich eine durchschnittliche Atommasse von 127,6. Entscheidend für die Platzierung innerhalb des Periodensystems ist aber die Anzahl der Protonen, die für die chemischen Eigenschaften eines Elementes wichtiger ist als die Masse, und da hat Jod die Nase vorn.

Die Elemente der 8. Hauptgruppe werden als „Edelgase“ bezeichnet, weil sie ebenso wie Edelmetalle sehr reaktionsträge oder inert sind. Alle Edelgase sind farb- und geruchlose, nicht brennbare und kaum wasserlösliche Gase. Sie kommen atomar statt molekular vor, da sie chemisch nahezu keine Verbindungen eingehen können. Der Grund hierfür ist, dass die früher auch als „Schalen“ bezeichneten Energieniveaus des Atoms abgeschlossen – also vollständig mit Elektronen aufgefüllt – sind.

Plutonium ist mit der Ordnungszahl 94 das schwerste in der Natur vorkommende Element. Obwohl Elemente mit höheren Ordnungszahlen theoretisch auch in einer Supernova entstehen können, ist aufgrund der kurzen Halbwertszeiten bis heute kein Nachweis natürlicher Vorkommen gelungen. Das letzte bislang „entdeckte“ Element ist Oganesson mit der Ordnungszahl 118 (Stand Oktober 2021). Es steht im Periodensystem der Elemente in der 18. IUPAC-Gruppe und gehört damit zu den Edelgasen. Benannt wurde es nach einem der Mitentdecker, Juri Oganesjan. Die Endung -on leitet sich aus der Analogie zu den Namen der anderen Edelgase ab.

Alkalimetalle besitzen nur ein einziges Valenzelektron, das sie leicht abgeben können. Sie sind daher sehr reaktiv und kommen in der Natur nur in gebundener Form vor. In reiner Form reagieren sie mit vielen Stoffen, darunter auch Wasser und Luft, äußerst heftig und unter starker Wärmeentwicklung. Die schweren Alkalimetalle neigen dazu, sich an der Luft selbst entzünden. Daher werden die leichteren Elemente Lithium, Natrium und Kalium in Schutzflüssigkeiten wie Paraffin oder Petroleum aufbewahrt, während Rubidium und Caesium unter Luftabschluss in Ampullen gelagert werden.

Unter einer Periode des Periodensystems versteht man in der Chemie jede Zeile des Periodensystems der Elemente. Bis auf die erste Periode, die nur die Elemente Wasserstoff und Helium enthält, umfasst jede Periode acht Hauptgruppenelemente. Mit der 4. Periode kommen jeweils zehn Nebengruppenelemente hinzu. Die 6. Periode enthält zusätzlich 14 Lanthanoide, die 7. Periode 14 Actinoide.

Als Isotope bezeichnet man Varianten eines Elements, deren Atomkerne gleich viele Protonen, aber verschieden viele Neutronen enthalten. Sie haben daher verschiedene Massenzahlen, verhalten sich chemisch aber fast identisch. Bislang wurden in der Natur 69 solcher Mischelemente nachgewiesen. Bei der Berechnung der Atommasse eines Elements, von dem mehrere Isotope existieren, wird neben den Massen der Isotope auch deren natürliche Häufigkeit berücksichtigt. Meist überwiegt eine Atomart bei weitem, die dann auch die Massenzahl bestimmt. Die Existenz von Isotopen kann, wie im Falle von Jod und Tellur, dazu führen, dass Elemente ihre Plätze im Periodensystem gegenüber der Massenreihenfolge vertauschen.

Einem Atom wird ein Atomradius zugeschrieben, mit dem seine räumliche Größe näherungsweise bestimmt werden kann. Ein absoluter Radius kann nicht angegeben werden, denn ein Atom besitzt nach den Vorstellungen der Quantenmechanik keine definierte Grenze. Im Periodensystem der Elemente nehmen die Atomradien innerhalb einer Gruppe von oben nach unten zu und innerhalb einer Periode von links nach rechts ab. Die Zunahme von oben nach unten resultiert daraus, dass neue „Schalen“ mit Elektronen besetzt werden. Die Abnahme von links nach rechts erklärt sich aus der ansteigenden positiven Kernladungszahl, durch welche die negativ geladenen Elektronen stärker angezogen werden. Ein direkter Zusammenhang mit der Ordnungszahl besteht also nicht.