WSR036 Das Periodensystem der Elemente - Interview mit Prof. Dr. Hans-Dieter Höltje

Das dritte Mal ist Prof. Dr. Dr. h.c. Hans-Dieter Höltje zu Gast im Wirkstoffradio. Nach den Episoden WSR001 Was sind Wirkstoffe? und WSR023 Wie Moleküle miteinander reden sprechen Bernd und André diesmal mit ihm über das Periodensystem der Elemente.

Prof. Höltje beim podcasten mit Headset
Prof. Dr. Hans-Dieter Höltje

Von den Anfängen im 19. Jahrhundert, zu der Zeit als lediglich 33 chemische Elemente bekannt waren, erzählt Herr Höltje die Anfänge zur systematischen Beschreibung der Elemente. Danach wird das Periodensystem Stück für Stück in seiner Logik erklärt bis hin zum letzten, bekannten Element, dem Oganesson. Anschließend geht es um die verschiedenen Eigenschaften der Elemente und welche man davon bereits aus dem Periodensystem ablesen kann. Der Begriff Metall wird thematisiert, es geht um die Hybridisierung von Orbitalen und schließlich auch um Lieblingselemente.

(Im Podcast gibt es Kapitelmarken, die den Zwischenüberschriften hier im Text entsprechen, so dass es einfacher ist, bestimmte Teile erneut zu hören. Nicht jede Kapitelmarke hat eine Zwischenüberschrift, manchmal fassen wir mehrere Kapitelmarken unter einer Überschrift zusammen.)

Was ist das Periodensystem?

Das Periodensystem der Elemente, klick für eine größere Ansicht (gemeinfrei)

Herr Höltje erzählt, wie es überhaupt zu der Einordnung in ein System der chemischen Elemente kam. Anfang des 19. Jahrhunderts waren erst 33 chemische Elemente bekannt, wohingegen gegen Ende des 19. Jahrhunderts knapp 60 bekannt waren. Das Periodensystem wurde 1869 unabhängig voneinander und fast identisch von zwei Chemikern vorgestellt, zunächst von dem Russen Dmitri Mendelejew und wenige Monate später von dem Deutschen Lothar Meyer. Zur damaligen Zeit war es schon möglich, das Atomgewicht zu bestimmen, aber es waren kaum andere messbare Parameter der chemischen Elemente bekannt.

Diese Vorgehensweise von Mendelejew und Mayer führte aber zu Schwierigkeiten bei den Elementen Tellur und Jod.

Die Ordnungszahl

Diese Schwierigkeiten lösten sich auf durch die Verwendung der Ordnungszahl anstatt der Atommasse, die Henry Moseley 1914 vorschlug. Diese Veränderung konnte von Moseley nur vorgeschlagen werden, weil bereits mehr zum Atomaufbau bekannt war, vornehmlich durch die Arbeit von Ernest Rutherford. Die Ordnungszahl, oder auch Kernladungszahl, spielt auch eine wichtige Rolle im Moseleyschen Gesetz.

Von der Atomschale zum Atomorbital

Durch das Bohrsche Atommodell, erdacht vom dänischen Physiker Nils Bohr, konnte noch systematischer an die Gruppierung der chemischen Elemente heran gegangen werden. Den Arbeiten von Bohr liegt die Verbindung zwischen Spektrallinien mit bestimmten Energie-Niveaus von Elektronen in der Atomhülle zu Grunde. Um zum Konzept des Atomorbitals zu gelangen, benötigte es aber noch die Erkenntnisse aus der Quantenphysik. Es handelt sich bei den Atomorbitalen nämlich immer nur um Aufenthalts-wahrscheinlichkeiten.

Formen der Atomorbitale

Es gibt einige Formen bei den Atomorbitalen. Die einfachste Form, das s-Orbital, ist kugelsymmetrisch. Die nächst höheren p-Orbitale könnte man als Hanteln bezeichnen oder auch als zwei sich berührende Kugeln.

s-Orbitale und p-Orbitale.
Obere Reihe: Darstellung der Wahrscheinlichkeitsdichten der Orbitale als Punktwolken.
Untere Reihe: Darstellung von Isoflächen. Die Isofläche ist jeweils so gewählt, dass sich das Elektron innerhalb des von der Isofläche umschlossenen Volumens mit 90 % Wahrscheinlichkeit aufhält. (gemeinfrei)

Systematischer Unterschied: Atommasse vs. Ordnungszahl

Die Ordnungszahl sagt etwas über die Atomkernladung aus und die Atommasse gibt das Gewicht eines Atoms an. Bei den leichten Elementen ergibt sich noch eine vergleichbare Reihenfolge der Elemente, bis zum Calcium mit der Ordnungszahl 20 und einer Atommasse von ca. 40. Allerdings steigt die Atommasse stärker als die Ordnungszahl an, da bei schwereren Atomen sich mehr ungeladene Neutronen im Kern befinden. Bereits beim Element Scandium mit der Ordnungszahl 21 beträgt die Atommasse knapp 45. Das geht weiter bis zum Blei, dem letzten stabilen Element, mit der Ordnungszahl 82 und einer Atommasse von 207. Elemente höherer Ordnungszahl sind noch schwerer, aber nicht mehr stabil d. h. sie zeigen radioaktiven Zerfall.

Die Neutronen sorgen überhaupt erst für die Stabilität im Atomkern – ohne Neutronen würden auch die stabilen Atomkerne zerfallen, weil die Abstoßungskräfte der vielen positiv geladenen Protonen im Kern zu groß wären.

Von allen Elementen gibt es Varianten, die sogenannten Isotope. Das heißt ein Element einer Ordnungszahl kann verschiedene Atommassen besitzen durch unterschiedlich viele Neutronen im Kern.

Gruppen und Perioden des Periodensystems der Elemente

Die Gruppen des Periodensystem sind die Spalten, die jeweils für sich genommen auch eigene Namen tragen, beispielsweise Halogene. Die Zeilen des Periodensystems bezeichnet man als Periode des Periodensystems, die  nach der Hauptquantenzahl durchnummeriert sind.

Aufbau von Orbitalen und Hundsche Regeln

Links zu diesem Abschnitt:

2. Periode

3. Periode

4. Periode

Ab der vierten Periode werden auch die d-Orbitale besetzt und die ersten Elemente der Nebengruppen kommen vor.

5. und 6. Periode

In der sechsten Periode kommt das Element Technetium vor, das erste Element, das künstlich hergestellt worden ist. In der sechsten Periode werden auch die f-Orbitale besetzt und die Gruppe der Lanthanoide kommt vor, die man auch seltene Erden nennt.

7. Periode

Alle Elemente der siebten Periode sind radioaktiv, also nicht stabil. So wie die Lanthanoide in der sechsten Periode durch die Besetzung der f-Orbitale hinzu kommen, kommen in der siebten Periode die Actinoiden durch Besetzung der f-Orbitale dazu. Das letzte Element der siebten Periode ist das Organesson und auch das Element mit der höchsten Ordnungszahl 118. Zur Zeit wird nach den Elementen mit den Ordnungszahlen 119 und 120 gesucht, aber bisher ist man noch nicht fündig geworden.

Das Periodensystem und die Gruppeneigenschaften

Links dazu:

Kohlenstoff

sp³-hybridisiertes Kohlenstoffatom (z. B. im Methan) mit eingezeichnetem Tetraederwinkel. (gemeinfrei)

Der Kohlenstoff ist das Lieblingselement von Herrn Höltje. Es tritt als Diamant, Graphit und noch in vielen anderen Formen auf.

Das besondere ist beim Kohlenstoff die Hybridiserung von s- und p-Orbitalen zu den Hybridorbitalen. Das kugelförmige s-Orbital und die drei Hantelförmigen p-Orbitale werden gemischt und es entstehen vier sp3 Hybridorbitale oder, wenn ein p-Orbital außen vor bleibt, drei sp2 Hybridorbitale.

Damit es zur Hybridisierung kommt, müssen die Hybridorbitale energetisch günstiger sein.

Außerdem wird die besondere Form des Ruß angesprochen, die keine Hybridkonfiguration hat.

Bindungen, Moleküle und Elektronegativität

Am Periodensystem kann man auch etwas über die Elektronegativität der Elemente ablesen. Die Elektronegativität nimmt von links nach rechts zu und von oben nach unten ab.

Welche Elemente sind lebenswichtig?

André macht ein kleines Experiment: Ob es im Gespräch möglich ist auszumachen welche Elemente für das Leben wichtig sind – und dabei kam raus, dass eigentlich alle Elemente irgendwie eine wichtige Rolle spielen. Mache nur eine kleine, manche eine … elementare. 😉

Prof. Dr. Höltjes Lieblingselement

Der Kohlenstoff, wie bereits oben besprochen.

Bernds Lieblingselement

Kalium. Und dazu erzählt Bernd eine kleine Geschichte.

André Lieblingselement

Silicium.


Wir bedanken uns ganz herzlich bei Prof. Dr. Hans-Dieter Höltje für das Gespräch, die Erklärungen und die vielen anschaulichen Vergleiche.

Wir freuen uns immer über Feedback: per Mail unter info@wirkstoffradio.de, in den Kommentaren unter den einzelnen Episoden, über Twitter @wirkstoffradio oder auch als Bewertung bei iTunes oder panoptikum.io.

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