Aufgaben: Konfiguration, Periodensystem und Eigenschaften

Das Periodensystem gleicht einem Bibliotheksregal: Jede Zeile ist eine Periode und jede Spalte eine Gruppe, wie die Abbildung zeigt.

Erkläre, was die Elektronenkonfigurationen der Elemente einer Gruppe gemeinsam haben und welche Information die Nummer der Periode über die Konfiguration eines Elements liefert.

Aluminium aus Getränkedosen hat die Elektronenkonfiguration $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^1$.

1. a) In welcher Periode des Periodensystems steht es? (Tipp: Achte auf die höchste Schale, die Elektronen enthält.)
2. b) Wie viele Valenzelektronen hat es?
3. c) Aluminium steht in der Gruppe $13$: Welchen Zusammenhang erkennst du zwischen dieser Gruppennummer und den Valenzelektronen?

Lithium ($Z = 3$) und Natrium ($Z = 11$) sind Alkalimetalle, die so reaktiv sind, dass sie im Labor unter Öl aufbewahrt werden, damit sie nicht mit Luft in Berührung kommen.

1. a) Schreibe die Elektronenkonfiguration jedes Elements auf.
2. b) Gib an, was ihre Valenzschalen gemeinsam haben und in welcher Gruppe des Periodensystems sie stehen.

Fluor ($Z = 9$) in manchen Zahnpasten und Chlor ($Z = 17$) in Schwimmbädern gehören zur Gruppe $17$, den Halogenen.

1. a) Schreibe die Elektronenkonfigurationen der beiden Elemente auf.
2. b) Erkläre anhand dieser Konfigurationen, warum sie in derselben Gruppe stehen.

Helium ($Z = 2$), das die Magnete der Magnetresonanztomografen in Krankenhäusern kühlt, und Argon ($Z = 18$), das Glühlampen füllt, gehören zur Gruppe $18$, den Edelgasen.

1. a) Schreibe die Elektronenkonfigurationen der beiden Gase auf.
2. b) Was ist an ihren äußersten Schalen besonders?
3. c) Bringe diese Besonderheit damit in Zusammenhang, dass Edelgase kaum Verbindungen bilden.

Ein Element steht in der Periode $2$ und hat $4$ Valenzelektronen.

1. a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf.
2. b) Um welches Element handelt es sich?
3. c) In welcher Gruppe des Periodensystems steht es?

Im Periodensystem stehen die Metalle links und die Nichtmetalle rechts, wie die Abbildung zeigt.

Gib für jedes dieser Elemente an, ob es ein Metall oder ein Nichtmetall ist und ob es ihm leichter fällt, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen:

1. a) Natrium, aus der Gruppe $1$;
2. b) Chlor, aus der Gruppe $17$.

Das Periodensystem ordnet die Elemente nach steigender Ordnungszahl $Z$. Erkläre, warum diese Reihenfolge mit der Reihenfolge übereinstimmt, in der die Orbitale gefüllt werden, und berücksichtige dabei, dass jedes Element ein Proton (und, wenn es neutral ist, ein Elektron) mehr hat als das vorherige.

Streichholzköpfe enthalten Schwefel, dessen Elektronenkonfiguration $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^4$ lautet.

1. a) Leite ab, in welcher Periode und in welcher Gruppe des Periodensystems Schwefel steht.
2. b) Wie viele Elektronen fehlen ihm, um seine äußerste Schale zu füllen?
3. c) Sage voraus, welches Ion er bildet, und gib dessen Ladung an.

Ein Element steht im Periodensystem in der Gruppe $2$ und in der Periode $3$.

1. a) Schreibe seine Elektronenkonfiguration auf.
2. b) Um welches Element handelt es sich? (Tipp: Es verbrennt mit sehr hellem, weißem Licht und wird in Wunderkerzen und Feuerwerk verwendet.)
3. c) Sage das Ion voraus, das es leicht bildet, und schreibe sein Symbol mit der passenden Ladung auf.

Aluminium (Gruppe $13$) und Chlor (Gruppe $17$) bilden die Verbindung $\text{AlCl}_3$, die in manchen Antitranspirantien enthalten ist.

1. a) Sage voraus, welches Ion jedes Element bildet, und begründe dies anhand seiner Valenzelektronen.
2. b) Begründe mithilfe der Ladungen dieser Ionen, warum die Formel $\text{AlCl}_3$ lautet und nicht $\text{AlCl}$.

Natrium und Chlor stehen in der Periode $3$, aber das Natriumatom ist deutlich größer als das Chloratom, wie die Abbildung zeigt.

1. a) Schreibe die Elektronenkonfigurationen der beiden Elemente auf und überprüfe, dass ihre Valenzelektronen dieselbe Schale besetzen.
2. b) Erkläre, warum das Chloratom kleiner ist, indem du vergleichst, wie viele Protonen in den beiden Fällen diese Elektronenschale anziehen.

Innerhalb der Gruppe der Alkalimetalle (Lithium, Natrium, Kalium) werden die Atome von oben nach unten immer größer, wie die Abbildung zeigt.

1. a) Schreibe die Elektronenkonfigurationen der drei Elemente auf ($Z$: Li = 3, Na = 11, K = 19).
2. b) Erkläre anhand der Anzahl der besetzten Schalen, warum der Atomradius innerhalb der Gruppe von oben nach unten zunimmt.

In einem Schulversuch werden Stückchen von Lithium, Natrium und Kalium auf Wasser gegeben: Lithium sprudelt langsam, Natrium flitzt schnell über die Oberfläche und Kalium verbrennt mit violetter Flamme.

1. a) Ordne die drei Metalle von der geringsten zur größten Reaktivität.
2. b) Erkläre die Reihenfolge, indem du berücksichtigst, in welchem Abstand vom Kern sich das Valenzelektron in jedem Atom befindet und wie leicht es sich entfernen lässt.

Ordne die Atome von Fluor ($Z = 9$), Chlor ($Z = 17$) und Brom ($Z = 35$) nach aufsteigendem Atomradius. Begründe deine Antwort, indem du darlegst, wie viele besetzte Elektronenschalen jedes Atom hat (Fluor füllt bis zur Schale $2$, Chlor bis zur Schale $3$ und Brom bis zur Schale $4$).

Zwei unbekannte Elemente haben die Ordnungszahlen $Z = 3$ und $Z = 19$.

1. a) Schreibe ihre Elektronenkonfigurationen auf.
2. b) Leite ab, ob sie in derselben Gruppe stehen, und nenne diese.
3. c) Sage eine chemische Eigenschaft voraus, die sie gemeinsam haben.

Ein Element X hat die Elektronenkonfiguration $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6\ 4s^1$.

1. a) Bestimme es mithilfe des Periodensystems und leite seine Periode und seine Gruppe ab.
2. b) Ist es ein Metall oder ein Nichtmetall? Welches Ion bildet es leicht?
3. c) Sage die Formel der Verbindung voraus, die es mit Sauerstoff bildet, der $\text{O}^{2-}$-Ionen ergibt, und begründe sie.

Der Radius des Natriumatoms beträgt etwa $0,190\ \text{nm}$, während der seines Ions $\text{Na}^+$ nur $0,098\ \text{nm}$ beträgt. Das Chloratom dagegen misst $0,099\ \text{nm}$ und sein Ion $\text{Cl}^-$ misst $0,181\ \text{nm}$, wie die Abbildung zeigt.

1. a) Gib an, wie sich die Größe jedes Elements ändert, wenn es zum Ion wird.
2. b) Erkläre beide Änderungen, indem du die Zahl der Protonen und Elektronen vor und nach der Ionenbildung vergleichst (du kannst dazu die Elektronenkonfigurationen nutzen).

Die Ionen $\text{N}^{3-}$, $\text{O}^{2-}$, $\text{F}^{-}$, $\text{Na}^{+}$ und $\text{Mg}^{2+}$ haben alle dieselbe Elektronenkonfiguration, wie die Abbildung zeigt.

1. a) Schreibe diese Konfiguration auf.
2. b) Ihre Radien sind jedoch verschieden: $0,065$; $0,098$; $0,133$; $0,140$ und $0,171\ \text{nm}$ (sie sind durcheinander). Ordne jedem Ion den passenden Radius zu und erkläre das verwendete Kriterium. Berücksichtige dabei, dass alle $10$ Elektronen haben, aber eine unterschiedliche Anzahl an Protonen im Kern.

In der Gruppe der Alkalimetalle nimmt die Reaktivität von oben nach unten zu: Kalium reagiert mit Wasser viel heftiger als Lithium. In der Gruppe der Halogene ist es genau umgekehrt: Fluor ist am reaktivsten, und von oben nach unten nimmt die Reaktivität ab, wie die Abbildung zeigt.

Erkläre beide Trends mit demselben Gedanken: Was muss jede Familie mit den Elektronen tun (abgeben oder aufnehmen), um Edelgaskonfiguration zu erreichen, und in welchem Abstand vom Kern liegt ihre Valenzschale?

Gips in Wänden enthält ein Element X, dessen Ion $\text{X}^{2+}$ isoelektronisch mit Argon ($Z = 18$) ist.

1. a) Berechne die Ordnungszahl von X und identifiziere das Element mithilfe des Periodensystems der Elemente.
2. b) Leite seine Gruppe und seine Periode her.
3. c) Sage voraus, ob es ein reaktionsfreudiges Metall ist, und begründe, was mit einem kleinen Stück X passieren würde, wenn wir es in Wasser fallen ließen (vergleiche mit Natrium).

Neon bildet nie chemische Verbindungen, aber Natrium und Chlor verbinden sich leicht zu Kochsalz, $\text{NaCl}$.

1. a) Schreibe die Elektronenkonfigurationen der drei Elemente auf ($Z$: Ne = 10, Na = 11, Cl = 17).
2. b) Erkläre, warum Neon nicht reagieren „muss“.
3. c) Erkläre, warum Natrium und Chlor einander „brauchen“, um die Elektronenkonfiguration eines Edelgases zu erreichen.

Lithium, Natrium und Kalium ähneln sich sehr, und dasselbe gilt für Fluor, Chlor und Brom.

1. a) Schreibe die Elektronenkonfigurationen von Li ($Z = 3$), Na ($Z = 11$) und K ($Z = 19$) auf und gib an, was sich in ihren Valenzschalen wiederholt.
2. b) Erkläre anhand dieser Wiederholung, warum sich die chemischen Eigenschaften der Elemente im Periodensystem periodisch wiederholen.

Fünf Elemente der Perioden $2$, $3$ und $4$ haben ungefähre Atomradien von $0,064$; $0,099$; $0,155$; $0,190$ und $0,235\ \text{nm}$. Es handelt sich um Fluor, Chlor, Lithium, Natrium und Kalium, aber man weiß nicht, welcher Radius zu welchem Element gehört.

1. a) Ordne jeden Radius seinem Element zu und begründe mit den beiden periodischen Trends (wie sich der Radius innerhalb einer Periode und innerhalb einer Gruppe nach unten ändert).
2. b) Ordne die fünf Elemente nach steigender Ordnungszahl und erkläre, wie sich die beiden Trends beim Durchlaufen des Periodensystems kombinieren.

Themenchallenge. Wie bestimmt die Elektronenhülle der Atome die Eigenschaften der Materialien, die wir täglich benutzen? Verbinde den Atombau mit der makroskopischen Welt in folgenden Phasen:

1. Konfiguration und Periodizität: Wähle zwei gewöhnliche Haushaltsmetalle: Aluminium (Alufolie) und Kupfer (Elektrodraht). Schreibe ihre Elektronenkonfigurationen im Grundzustand auf, ordne sie im Periodensystem ein (Gruppe und Periode) und bestimme ihre Valenzelektronen.

2. Messung zu Hause und Messunsicherheit: Nimm ein rechteckiges Stück Alufolie. Miss seine Länge und Breite mit einem Lineal ($\pm 0,1\text{ cm}$) und seine Masse mit einer Küchenwaage ($\pm 1\text{ g}$). Berechne mit der handelsüblichen typischen Dicke ($0,0016\text{ cm}$, die du als exakt annimmst) das Volumen und die experimentelle Dichte mit ihrer Messunsicherheit ($\rho \pm \Delta\rho$).

3. Auswertung offizieller Daten: Suche auf der Referenzwebsite WebElements oder NIST den Atomradius und die Dichte der Elemente der 3. Periode (von $Na$ bis $Ar$). Erstelle eine Wertetabelle und zeichne das Diagramm „Atomradius gegen Dichte“.

4. Begründeter Vorschlag: Verfasse einen kurzen Bericht, in dem du das Diagramm mit der effektiven Kernladung ($Z^*$) und der Abschirmung in Beziehung setzt ($Z^*$ ist die Ladung, die ein äußeres Elektron „spürt“: die Protonen im Kern minus die Abschirmung durch die inneren Elektronen; sie wächst entlang der Periode, weil es mehr Protonen bei gleichen inneren Schalen gibt). Vergleiche dazu deine experimentelle Dichte von $Al$ mit dem periodischen Trend.

Bewertet werden:

• korrekte Herleitung der Elektronenkonfigurationen und der Stellung im Periodensystem,

• Genauigkeit beim Messen zu Hause, sachgerechte Angabe der Messunsicherheiten und Qualität des Diagramms,

• naturwissenschaftliche Argumentation, die den Atombau mit den makroskopischen Trends verbindet.