Eigenschaften von Elementfamilien begründet vorhersagen
Im Chemie-Fachraum zeigt dein Lehrer, wie ein erbsengroßes Stück Natrium auf Wasser zischend herumschwimmt. Kalium würde noch heftiger reagieren. Und bei Rubidium? Das hat niemand von euch ausprobiert. Kannst du trotzdem sagen, was passiert? Das geht, wenn du weißt, wie die Elemente im Periodensystem geordnet sind. In diesem Abschnitt lernst du, wie du aus der Stellung eines Elements im PSE seine Eigenschaften begründet vorhersagst.
Alkalimetalle (I. Hauptgruppe)
Zu den Alkalimetallen gehören Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Caesium (Cs) und Francium (Fr). Sie stehen in der I. Hauptgruppe und haben alle ein Valenzelektron.
Ein Blick auf die Schalenbesetzung zeigt die Gemeinsamkeit:
| Element | Z | Schalenbesetzung | Periode |
|---|---|---|---|
| Lithium | 3 | 2 \ | 1 |
| Natrium | 11 | 2 \ | 8 \ |
| Kalium | 19 | 2 \ | 8 \ |
Das Außenelektron sitzt bei allen auf der äußersten Schale. Die Zahl der Schalen ist gleich der Periodennummer.
Das Modell zeigt ein Natriumatom: 11 Protonen und 11 Elektronen, davon eines auf der Außenschale.
Typische Eigenschaften:
-
weich, mit dem Messer schneidbar; frische Schnittfläche glänzt silbrig, läuft aber schnell an der Luft an
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geringe Dichte (Lithium, Natrium und Kalium schwimmen auf Wasser)
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niedrige Schmelztemperatur
-
gute elektrische Leitfähigkeit
-
sehr reaktionsfreudig, deshalb Aufbewahrung unter Paraffinöl
Vorkommen und Nutzen: Natrium steckt als Natriumchlorid im Speisesalz und im Streusalz. Lithium steckt im Lithium-Ionen-Akku von Smartphone und E-Bike. Kalium ist in Mineralwasser enthalten, und Alkalimetall-Verbindungen färben beim Silvester-Feuerwerk die Flamme (Lithium rot, Natrium gelb, Kalium violett).
Reaktion mit Wasser (Wortgleichung):
$$\text{Natrium} + \text{Wasser} \longrightarrow \text{Natriumhydroxid-Lösung} + \text{Wasserstoff}$$Dabei entsteht eine Lauge (Indikator Phenolphthalein färbt sich pink) und das brennbare Gas Wasserstoff. Die Reaktion setzt viel Energie frei.
Reaktivität: Sie nimmt in der Gruppe von oben nach unten zu: Lithium reagiert ruhig, Natrium heftig, Kalium so heftig, dass sich der Wasserstoff entzündet. Der Grund: Mit jeder Periode kommt eine Schale hinzu. Das Außenelektron ist weiter vom Atomkern entfernt und wird schwächer festgehalten. Es lässt sich leichter abgeben.
Lithium, Natrium und Kalium gehören zu den Alkalimetallen. a) Nenne die Hauptgruppe der Alkalimetalle und die Anzahl ihrer Valenzelektronen. b) Nenne zwei Eigenschaften,…
Lithium, Natrium und Kalium gehören zu den Alkalimetallen.
- a) Nenne die Hauptgruppe der Alkalimetalle und die Anzahl ihrer Valenzelektronen.
- b) Nenne zwei Eigenschaften, die für Alkalimetalle typisch sind (zum Beispiel Härte oder Reaktion mit Wasser).
Die Reaktionsfreudigkeit der Alkalimetalle gegenüber Wasser nimmt von Lithium über Natrium bis Kalium zu. a) Ordne Lithium ($Z = 3$), Natrium ($Z = 11$) und Kalium (…
Die Reaktionsfreudigkeit der Alkalimetalle gegenüber Wasser nimmt von Lithium über Natrium bis Kalium zu.
- a) Ordne Lithium ($Z = 3$), Natrium ($Z = 11$) und Kalium ($Z = 19$) nach der Anzahl ihrer Schalen.
- b) Sage die Reaktivität von Rubidium ($Z = 37$) im Vergleich zu Kalium voraus und begründe mit der Stellung im Periodensystem.
- c) Nenne eine Sicherheitsmaßnahme, die beim Umgang mit Alkalimetallen im Labor wichtig ist.
Halogene (VII. Hauptgruppe)
Die Halogene stehen in der VII. Hauptgruppe: Fluor (F), Chlor (Cl), Brom (Br), Iod (I) und Astat (At). Sie haben alle sieben Valenzelektronen. Zur vollen Außenschale (8 Elektronen) fehlt ihnen genau eins.
Ihre Moleküle bestehen aus zwei Atomen: $\mathrm{F_2}$, $\mathrm{Cl_2}$, $\mathrm{Br_2}$, $\mathrm{I_2}$. Fluor, Chlor, Brom und Iod sind giftig und riechen stechend. Der Name „Halogen“ heißt „Salzbildner“, denn sie reagieren mit Metallen zu Salzen.
| Element | Schalen | Zustand bei 20 °C | Farbe |
|---|---|---|---|
| Fluor | 2 | gasförmig | blassgelb |
| Chlor | 3 | gasförmig | gelbgrün |
| Brom | 4 | flüssig | rotbraun |
| Iod | 5 | fest | dunkelgrau (violetter Dampf) |
Trend beim Aggregatzustand: Von oben nach unten werden die Teilchen größer und schwerer, die Anziehung zwischen den Molekülen wächst. Siedetemperatur und Schmelztemperatur steigen: gasförmig → flüssig → fest. Dazu wird die Farbe dunkler.
Reaktivität: Sie nimmt von oben nach unten ab, also genau umgekehrt wie bei den Alkalimetallen. Ein Halogenatom muss ein Elektron aufnehmen. Bei Fluor liegt die Außenschale nah am Kern, und der Kern zieht das fremde Elektron stark an. Bei Iod ist die Außenschale weit weg, die Anziehung ist schwächer.
Mit Natrium reagiert Chlor heftig zu Speisesalz:
$$\text{Natrium} + \text{Chlor} \longrightarrow \text{Natriumchlorid}$$Nutzen im Alltag: Chlor desinfiziert das Wasser im Hallenbad, Fluorid steckt in der Zahnpasta, Iod desinfiziert Wunden und ist im Jodsalz enthalten.
Fluor, Chlor, Brom und Iod sind Halogene. Iod wird zum Beispiel zur Desinfektion von Wunden verwendet. a) Gib die Hauptgruppe der Halogene und die Zahl ihrer…
Fluor, Chlor, Brom und Iod sind Halogene. Iod wird zum Beispiel zur Desinfektion von Wunden verwendet.
- a) Gib die Hauptgruppe der Halogene und die Zahl ihrer Valenzelektronen an.
- b) Nenne den Aggregatzustand und die Farbe von Chlor und von Brom bei Raumtemperatur.
Chlor ist ein gelbgrünes Gas, Brom eine rotbraune Flüssigkeit, Iod ein dunkelgrauer Feststoff. a) Beschreibe den Trend des Aggregatzustands in der Halogengruppe von oben…
Chlor ist ein gelbgrünes Gas, Brom eine rotbraune Flüssigkeit, Iod ein dunkelgrauer Feststoff.
- a) Beschreibe den Trend des Aggregatzustands in der Halogengruppe von oben nach unten.
- b) Sage den Aggregatzustand von Astat ($Z = 85$) bei Raumtemperatur voraus und begründe.
- c) Sage voraus, ob Astat reaktiver oder weniger reaktiv als Iod ist, und begründe mit der Stellung im Periodensystem.
Edelgase (VIII. Hauptgruppe)
Zu den Edelgasen zählen Helium (He), Neon (Ne), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe) und Radon (Rn). Sie stehen in der VIII. Hauptgruppe. Neon und Argon haben acht Valenzelektronen, Helium hat zwei, damit ist seine einzige Schale voll.
Die Außenschale ist bei allen Edelgasen voll besetzt. Deshalb nehmen ihre Atome keine Elektronen auf, geben keine ab und bilden kaum Verbindungen: Edelgase sind reaktionsträge. Sie kommen als einzelne Atome vor und sind farblos und geruchlos.
Nutzen im Alltag:
-
Helium: Ballonfüllung. Es ist leichter als Luft und, anders als Wasserstoff, nicht brennbar. Für Kinderballons ist das deutlich sicherer.
-
Neon: Leuchtreklame, es leuchtet rot-orange, wenn Strom durchfließt.
-
Argon: Schutzgas beim Schweißen und früher in Glühlampen. Es verhindert, dass das heiße Metall mit Sauerstoff reagiert.
Vorkommen in der Natur: Natrium und Kalium kommen nie rein vor, weil sie so reaktiv sind. Man findet sie nur in Verbindungen, etwa als Natriumchlorid im Steinsalz oder im Meerwasser. Die Edelgase dagegen findet man rein, zum Beispiel Argon in der Luft (etwa 0,9 %).
Helium, Neon und Argon sind Edelgase. Helium füllt Ballons, Argon wird beim Schweißen als Schutzgas verwendet. a) Gib die Hauptgruppe der Edelgase an. b) Erkläre, warum…
Helium, Neon und Argon sind Edelgase. Helium füllt Ballons, Argon wird beim Schweißen als Schutzgas verwendet.
- a) Gib die Hauptgruppe der Edelgase an.
- b) Erkläre, warum Edelgase kaum Verbindungen bilden.
- c) Nenne einen Grund, warum Helium und nicht Wasserstoff zur Füllung von Ballons für Kinder bevorzugt wird.
In einer Stadtwerke-Schwimmhalle in Bochum wird das Wasser mit Chlor desinfiziert. In Glühlampen früherer Zeit und in Leuchtreklamen werden Edelgase verwendet. a) Ordne…
In einer Stadtwerke-Schwimmhalle in Bochum wird das Wasser mit Chlor desinfiziert. In Glühlampen früherer Zeit und in Leuchtreklamen werden Edelgase verwendet.
- a) Ordne Chlor, Neon und Natrium je einer Elementfamilie zu.
- b) Nenne für jede der drei Familien ein Beispiel für Vorkommen oder Nutzen im Alltag.
- c) Begründe, warum Natrium in der Natur nicht als reines Metall, sondern nur in Verbindungen (zum Beispiel Kochsalz) vorkommt.
Eigenschaften begründet vorhersagen
Mit dem Periodensystem kannst du Eigenschaften auch für Elemente vorhersagen, die du nie im Labor gesehen hast. Eine gute Vorhersage hat immer drei Schritte:
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Stellung bestimmen: Periode (= Schalenzahl), Hauptgruppe (= Valenzelektronen).
-
Familie und Trend nennen: Welche Eigenschaften sind für die Familie typisch und wie verändern sie sich nach unten?
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Begründen: Mit Schalenzahl, Abstand der Außenelektronen zum Kern und Elektronenabgabe oder -aufnahme.
Francium ($Z = 87$) ist ein sehr seltenes radioaktives Alkalimetall, das kaum untersucht werden konnte. a) Bestimme Periode, Hauptgruppe und Valenzelektronenzahl von…
Francium ($Z = 87$) ist ein sehr seltenes radioaktives Alkalimetall, das kaum untersucht werden konnte.
- a) Bestimme Periode, Hauptgruppe und Valenzelektronenzahl von Francium.
- b) Sage die Reaktion von Francium mit Wasser voraus und begründe deine Vorhersage mit Trends der Gruppe.
- c) Beurteile die Zuverlässigkeit deiner Vorhersage und nenne eine Grenze solcher Voraussagen.
Eine Tabelle enthält Angaben zu den Halogenen: | Element | Schalen | Zustand bei 20 °C | |---|---|---| | Fluor | 2 | gasförmig | | Chlor | 3 | gasförmig | | Brom | 4 |…
Eine Tabelle enthält Angaben zu den Halogenen:
| Element | Schalen | Zustand bei 20 °C |
|---|---|---|
| Fluor | 2 | gasförmig |
| Chlor | 3 | gasförmig |
| Brom | 4 | flüssig |
| Iod | 5 | fest |
- a) Beschreibe den Zusammenhang zwischen der Schalenzahl und dem Aggregatzustand.
- b) Fluor reagiert noch heftiger als Chlor. Begründe, warum die Reaktivität der Halogene in der Gruppe nach unten abnimmt, während sie bei den Alkalimetallen zunimmt (Hinweis: Außenschale und Abstand zum Kern, Elektronenaufnahme gegenüber Elektronenabgabe).
- c) Sage vorher, ob ein Halogen mit dem Alkalimetall Natrium reagiert, und nenne die Art der entstehenden Verbindung.
Ein Element Y ist ein weiches Metall, das sich unter Paraffinöl aufbewahren lässt, mit Wasser unter Wasserstoffbildung reagiert und in der 4. Periode steht. a) Ermittle…
Ein Element Y ist ein weiches Metall, das sich unter Paraffinöl aufbewahren lässt, mit Wasser unter Wasserstoffbildung reagiert und in der 4. Periode steht.
- a) Ermittle Y mit Begründung und gib die Elektronenverteilung an.
- b) Ein Mitschüler meint, Y sei ungefährlich, weil es ein Metall ist. Widerlege diese Aussage.
- c) Entwirf eine begründete Vorhersage, wie sich Y im Vergleich zu Natrium bei der Reaktion mit Wasser verhält.
Auf einen Blick
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Alkalimetalle (I. HG): 1 Valenzelektron, weich, leicht, reagieren mit Wasser zu Lauge und Wasserstoff. Die Reaktivität steigt nach unten.
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Halogene (VII. HG): 7 Valenzelektronen, giftig, F₂ und Cl₂ gasförmig, Br₂ flüssig, I₂ fest. Die Reaktivität sinkt nach unten.
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Edelgase (VIII. HG): volle Außenschale, reaktionsträge, einatomig. Nutzung als Ballongas, Leuchtgas, Schutzgas.
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Die Periode gibt die Schalenzahl an, die Hauptgruppe die Zahl der Valenzelektronen.
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Eine Vorhersage besteht aus: Stellung, Trend, Begründung. Sie bleibt eine begründete Vermutung mit Grenzen.
Vorhin hast du gefragt, was bei Rubidium passiert: Es reagiert noch heftiger als Kalium, weil sein Außenelektron noch weiter vom Kern entfernt ist.