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Atombau und Periodensystem - Referat
Das Atom ist das kleinste, mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegbare Teilchen eines chemischen Elements. Mit physikalischen Mitteln kann ein Atom in Elementarteilchen gespalten werden. Drei Arten solcher Elementarteilchen bauen ein Atom auf: Proton, Neutron (für beide zusammen ist auch die Bezeichnung Nukleonen üblich) und Elektronen, wobei die Anzahl der einzelnen Atombausteine von Atomart zu Atomart verschieden ist. Die Protonen, die je eine positive Elementarladung tragen und die ungeladenen Neutronen bilden den Atomkern; er befindet sich im Zentrum der Atomhülle, die von den je eine negative Elementarladund tragenden Elektronen getragen wird. Da jedes Atom in seiner Hülle ebenso viele Elektronen aufweist wie Protonen im Kern, wird die positive Kernladung durch die Summe der negativen Ladungen der Elektronen ausgeglichen (kompensiert, neutralisiert). Die Atome sind deshalb nach außen hin elektrisch neutral. Die Anzahl der Protonen eines Atoms wird durch die Ordnungszahl (Kernladungszahl, Protonenzahl) Z angegeben, die der Neutronen durch die Neutronenzahl N. Die Summe der Protonenzahl und der Neutronenzahl ergibt die Massenzahl (Nukleonenzahl) A eines Atoms. Es existieren so viele verschiedene Atomarten wie es chemische Elemente gibt. Die Zugehörigkeit eines Atoms zu einem bestimmten Element wird durch die Zahl der Protonen in seinem Kern bestimmt. Die Protonenzahl Z ist zugleich die Ordnungszahl des Elements. Die einfachste Atomart, das Wasserstoffatom, hat die Protonenzahl Z = 1, sein Kern enthält demnach ein einziges Proton und seine Hülle ein einziges Elektron. Ein Heliumatom besitzt zwei Protonen und zwei Elektronen, ein Lithiumatom jeweils drei usw. Alle Atome, die aus gleich vielen Protonen und somit auch aus gleich vielen Elektronen bestehen, sind Atome ein und derselben Atomart. Sie tragen denselben Namen und dasselbe Symbol. So sind z.B. alle Atome mit der Protonenzahl Z = 13 Aluminiumatome; ihr Symbol ist Al. Bis heute (1988) sind 109 Atomarten bekannt; davon kommen 93 in der Natur vor, die übrigen, die Atome mit den Ordnungszahlen 95 bis 109 sowie das Element Technetium (Z = 43) werden künstlich durch Kernumwandlung gewonnen. Die mögliche Existenz überschwerer Elemente (Z 130) ist umschritten. Von fast jeder Atomart existieren mehrere Varianten, mehrere Isotope. Sie unterscheiden sich in der Anzahl der im Kern enthaltenen Neutronen und damit auch in der Masse. Ein Atom mit einer ganz bestimmten Anzahl von Protonen und Neutronen wird allgemein als Nuklid bezeichnet. Obwohl ein Atomkern 10000mal kleiner ist als das gesamte Atom, enthält er 99,95 bis 99,98% der gesamten Masse eines Atoms. Dies bedeutet, daß der größte Teil des Atoms leerer Raum ist. Da die Atommassen außerordentlich klein sind werden sie nicht in der Einheit Gramm (g) oder Kilogramm (kg), sondern in der atomaren Masseneinheit (u) angegeben.
Alle Elemente sind im Periodensystem der Elemente nach ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften geordnet. Es gibt verschiedene Formen der Darstellung. Allgemein gebräuchlich ist das Langperiodensystem. Man erhält diese sehr zweckmäßige Anordnung, wenn man die Elemente so in Zeilen schreibt, daß einerseits die Ordnungszahl regelmäßig zunimmt und andererseits immer diejenigen Elemente untereinander stehen, deren Atome in der äußeren Hauptenergiestufe die gleiche Anzahl von Elektronen aufweist. Die waagrechten Reihen des Periodensystems heißen Perioden. Innerhalb einer Periode nehmen von links nach rechts die Ordnungszahlen der Elemente und damit die Zahl der Elektronen in der Atomhülle ihrer Atome jeweils um eine Einheit zu. Deshalb unterscheiden sich die Elemente einer Periode in ihren Eigenschaften. Entsprechend den sieben zum Aufbau der bis heute bekannten Atomarten benötigten Hauptenergiestufen gibt es sieben (unterschiedlich lange) Perioden. Die Zahl der zu einer Periode zählenden Elemente steigt von der 1. bis zur 7. Periode gesetzmäßig an. 30 Freistellen befinden sich zwischen den zwei Elementen Wasserstoff und Helium, die die 1. Periode, die sogenannte Vorperiode bilden. Das Wasserstoffatom hat nur ein Elektron. Elemente, deren Atome lediglich ein Außenelektron besitzen, stehen immer am Anfang einer Periode. Das Heliumatom hingegen weist mit seinem vollbesetzten 1s Orbital eine Edelgaskonfiguration auf. Da Edelgase in den folgenden Perioden immer den letzten Platz einnehmen, muß auch das Helium ganz rechts stehen. Nur noch 24 Freistellen besitzen die 2. und 3. Periode, die beiden Kurzperioden, weil darin zusätzlich sechs Elemente eingebaut werden können. Um weitere zehn Freistellen verringert sich die 4. und 5. Periode. Sie sind die ersten beiden Langperioden. Die 6. und 7. Periode (3. und 4. Langperiode) werden schließlich ohne Unterbrechung geschrieben. Allerdings ist die 7. Periode nicht vollständig abgeschlossen; sie bricht zur Zeit mit dem Element 109 ab. Die senkrecht untereinander stehenden Elemente bilden die sogenannten Elementfamilien oder Gruppen des Periodensystems. Die einer solchen Gruppe angehörenden Elemente verhalten sich chemisch sehr ähnlich, denn ihre Atome besitzen die gleiche Anordnung der Außenelektronen. Gewöhnlich bildet man neun Gruppen, die bei der hier angegebenen Anordnung durch die Ziffern 1 bis 8 und die Ziffer 0 gekennzeichnet sind. Die ersten sieben Gruppen werden nochmals in je zwei Untergruppen (A- und B- Gruppen) aufgespalten. Bei insgesamt 16 Gruppen wird zwischen 8 Hauptgruppen (1A, 2A, 3B, 4B, 5B, 6B, 7B und 0) und 8 Nebengruppen (3A, 4A, 5A, 6A, 7A, 8, 1B, und 2B) unterschieden. Zu den Hauptgruppen zählen die 44 Elemente, bei deren Atomen die Orbitale der äußeren Hauptenergiestufen mit Elektronen aufgefüllt werden. Diese Hauptgruppen tragen besondere Namen:
Hauptgruppe 1A: Alkalimetalle (und Wasserstoff)
Hauptgruppe 2A: Erdalkalimetalle
Hauptgruppe 3B: Erdmetalle
Hauptgruppe 4B: Kohlenstoffgruppe
Hauptgruppe 5B: Stickstoffgruppe
Hauptgruppe 6B: Chalkogene
Hauptgruppe 7B: Halogene
Hauptgruppe 0: Edelgase
Die Gruppennummer gibt dabei jeweils die Anzahl der vorhandenen Außenelektronen an. Die Edelgasatome (außer den Heliumatomen) besitzen eine mit 8 Elektronen besetzte Außenschale. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften eines Elements werden vor allem durch Kernmasse und Kernladung, durch die Valenzelektronen sowie durch die Größe seiner Atome bestimmt. Bei den Hauptgruppenelementen (die Nebengruppenelemente sind ausnahmslos Metalle) nimmt der Metallcharakter von rechts nach links und von oben nach unten zu, so daß Francium das Element mit dem ausgeprägtesten Metallcharakter ist, während das Fluor am stärksten den Nichtmetallcharakter hat. Durch Überlegungen lassen sich viele Eigenschaften der Elemente und ihrer Verbindungen aus dem Periodensystem der Elemente ableiten.
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