Stöchiometrische Wertigkeit

Hallo liebe Chemie-Interessierte! Schön, dass ihr mich weiter begleitet auf meiner Reise durch das Periodensystem der Elemente. Wir zeigen bereits das achte Video. Wir haben in den Videos vorher gelernt, was eine Periode im Periodensystem ist. Das ist eine Zeile. Zum Beispiel die Kleine, Wasserstoff, Helium - das ist die 1. Periode. So, und von Lithium bis Neon haben wir die 2. Periode. Von Natrium bis Argon die 3. Periode. Viel wichtiger jedoch für unsere Betrachtungen sind die Hauptgruppen. C, Si - Kohlenstoff und Silizium, die 4.Hauptgruppe. 1. Hauptgruppe und die 7. Hauptgruppe, davon hängen im Wesentlichen die Eigenschaften der chemischen Elemente ab.

In diesem Video nun wollen wir einen Zusammenhang zwischen der stöchiometrischen Wertigkeit eines chemischen Elementes und der Nummer der Hauptgruppe, in der es steht, darstellen. Nun gehe ich sicher nicht fehl in der Annahme, wenn ich glaube, dass viele den Begriff stöchiometrische Wertigkeit nicht kennen. Ich möchte euch daher eine gängige Definition vorstellen: Die stöchiometrische Wertigkeit ist eine Zahl, die angibt, wie viele Wasserstoffatome ein Atom eines chemischen Elements binden oder ersetzen kann.

Um einen Startpunkt, einen Aufhänger, für die Überlegungen zu finden, muss man eine Wertigkeit festsetzen. Und das ist die Wertigkeit für das chemische Element Wasserstoff. Das Wort "stöchiometrische" werden wir in Zukunft weglassen und einfach nur noch von Wertigkeit sprechen. Die Wertigkeit des Wasserstoffs beträgt 1. Wenn das so ist, dann brauchen wir die Wertigkeit für den Sauerstoff nicht noch zu definieren. Wir können ihn jetzt direkt bestimmen. Das tun wir, in dem wir die Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff betrachten. Und diese Verbindung hat die Formel H2O. Es handelt sich um Wasser. Da hier zwei Wasserstoffatome mit jeweils einer Wertigkeit von 1 mit einem Sauerstoffatom verbunden sind, ist die Wertigkeit für Sauerstoff 2.

Unsere kleinen Schulblätter verlege ich nun auf die rechte untere Seite und dann können wir schon mit der Untersuchung beginnen.

Wir werden uns jetzt mit der 3. Periode des Periodensystems der Elemente befassen. Das sind die Elemente Natrium bis Argon. Und wir beginnen mit dem Natrium. Wie ihr bereits aus dem Video "Periodensystem der Elemente - Teil 7" wisst, hat das Natriumoxid die Formel Na2O. Zwei Natriumatome sind mit einem Sauerstoffatom chemisch verbunden. Wir wissen inzwischen aber, dass Sauerstoff die Wertigkeit 2 hat. Ich schreibe diese 2 einmal über das Symbol für das Sauerstoffatom. Dieser Wertigkeit 2 stehen die beiden Natriumatome gegenüber. Und da zwei Natriumatome eine Wertigkeit von 2 kompensieren müssen, bedeutet das, ein Natriumatom die Wertigkeit von 1 hat. Natrium, das chemische Element Natrium, hat demzufolge die Wertigkeit 1.

Wir führen die Untersuchung mit dem Magnesiumatom fort. Aus dem Video 7 wisst ihr bereits, dass die Verbindung aus Magnesium und Sauerstoff die chemische Formel MgO hat. Wir erinnern uns, dass Sauerstoff die Wertigkeit 2 hat. Ich schreibe diese Wertigkeit über das Symbol für das Sauerstoffatom in der Formel MgO. Jetzt ist nur ein Sauerstoffatom mit einem Magnesiumatom verbunden. Dieses muss die Wertigkeit 2 in dem Sauerstoffatom kompensieren. Daher hat das Magnesiumatom, und das chemische Element Magnesium, darf man auch so sagen, die Wertigkeit 2.

Wir führen unsere Untersuchung mit dem chemischen Element Aluminium fort. Erinnert euch bitte an das Video 7. Dort haben wir eine Formel für Aluminiumoxid von Al2O3 kennengelernt. Der Blick wandert wieder unauffällig nach rechts. Wertigkeit für Sauerstoff ist 2. Ich schreibe nun diese Wertigkeit über das Symbol für Sauerstoff in der Formel von Aluminiumoxid. Wir haben nun drei Sauerstoffatome mit jeweils einer Wertigkeit von 2. Das macht zusammen 3×2=6. Wir haben eine Gesamtwertigkeit für die Sauerstoffatome von 6. In unserer Formel haben wir zwei Aluminiumatome. Wir müssen nun die Gesamtwertigkeit von 6 auf diese beiden Aluminiumatome verteilen. Gesamtwertigkeit 6 dividiert durch 2, die Zahl der Aluminiumatome, ergibt 3. Das chemische Element Aluminium hat daher die Wertigkeit 3.

Wir kommen zur 4. Hauptgruppe. Das chemische Element Silizium. Merkpfeil unten rechts: Sauerstoff hat die Wertigkeit 2. Könnt ihr euch erinnern, welche Formel das Siliziumoxid hat, Video 7? Richtig: SiO2. Ich schreibe nun die Wertigkeit über das Symbol für Sauerstoff in der Formel. Da wir zwei Sauerstoffatome haben, ergibt sich die Gesamtwertigkeit durch 2×2=4. Diese Gesamtwertigkeit müssen wir auf ein einziges Siliziumatom aufteilen. Na ja, 4÷1 ergibt 4. Demzufolge beträgt die Wertigkeit für das chemische Element Silizium 4.

Wir gehen weiter zur 5. Hauptgruppe. Dort finden wir in der 3. Periode das chemische Element Phosphor. Könnt ihr euch noch an die Formel von Phosphoroxid erinnern? Im Video 7 haben wir gezeigt, dass die Formel von Phosphoroxid P2O5 ist. Ich glaube ihr wisst es bereits, ich zeige es trotzdem noch einmal unten rechts, die Wertigkeit von Sauerstoff beträgt 2. Ich notiere jetzt diese 2 über das Symbol des Sauerstoffatoms in der Formel unseres Phosphoroxids. Da in der Formel fünf Sauerstoffatome stehen, können wir die Gesamtwertigkeit für den Sauerstoff bestimmen. Er beträgt 5×2=10. Andererseits haben wir in dem Oxid zwei Phosphoratome. Wir müssen nun die Gesamtwertigkeit von 10 auf diese beiden Phosphoratome verteilen. Also 10÷2=5. Das chemische Element Phosphor hat somit die Wertigkeit 5.

Wir gehen weiter zur 6. Hauptgruppe. Dort finden wir in der 3. Periode das chemische Element Schwefel. Ich erinnere noch einmal an die Wertigkeit des Sauerstoffs, unten rechts, 2. Erinnert euch an die Formel des Oxids für Schwefel SO3 im Video 7. Ich notiere nun die Wertigkeit für Sauerstoff über das Symbol für ein Sauerstoffatom über der Formel. Die Gesamtwertigkeit berechnet sich zu 3×2, denn wir haben ja drei Sauerstoffatome mit jeweils der Wertigkeit 2, also =6. Diese Gesamtwertigkeit verteilt sich nun auf ein einziges Schwefelatom. Also 6÷1=6. Die Wertigkeit des Schwefels in der Verbindung hier beträgt demzufolge 6.

Gehen wir nun weiter zur 7. Hauptgruppe. In der 3. Periode finden wir in der 7. Hauptgruppe das chemische Element Chlor. Wir haben in Video 7 gelernt, dass das Element Chlor mit Sauerstoff ein Oxid der Formel Cl2O7 bildet. Sauerstoff hat die Wertigkeit 2. Ich notiere sie über das Symbol für das Sauerstoffatom im Oxid. Da wir sieben Sauerstoffatome haben, ergibt sich eine Gesamtwertigkeit von 7×2=14. Diese Gesamtwertigkeit von 14 muss jetzt auf die beiden Chloratome in der chemischen Verbindung verteilt werden, also 14÷2=7. Das chemische Element Chlor hat demzufolge in der betrachteten Verbindung eine Wertigkeit von 7.

Wir gehen über zur 8. Hauptgruppe und ihrem Vertreter Argon. Wir haben bereits in Video 7 gelernt, dass die Edelgase Helium, Neon und Argon keine chemischen Verbindungen bilden. Bevor ich euch nun in die Freiheit entlasse, möchte ich noch einen kernigen Merksatz formulieren: Die höchste stöchiometrische Wertigkeit eines Hauptgruppenelements ist gleich der Nummer der Hauptgruppe. Oder kurz und bündig mathematisch formuliert: W (im Kreis hier) ist gleich HG (im Kreis hier).