Periodensystem der Elemente – Einführung in die Atomphysik

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle, das bin ich. Heute wollen wir uns der Atomphysik widmen, im Speziellen dem Periodensystem der Elemente. In diesem Video möchte ich nach einer kurzen Einführung in die Atomphysik erklären, wie das Periodensystem entstanden ist, wie es aufgebaut ist und wie ihr es benutzen könnt. Und da ich wie alle Physiker ein ziemlich fauler Mensch bin, werde ich es ab jetzt ach mit PSE abkürzen. In diesem Film lernst du, womit sich Atomphysik eigentlich beschäftigt, was Atome, Elemente und Elementarteilchen sind, wie das Periodensystem aufgebaut ist und warum, wie du Informationen aus dem Periodensystem  gewinnst, was Isotope sind und die korrekte Schreibweise für ein Atom. Da dies der erste Film zur Atomphysik ist und die Atomphysik ein Gebiet ist, das wenig Vorkenntnisse braucht, musst du für diesen Film eigentlich nichts anderes gesehen haben. Allerdings ist es später hilfreich, wenn du dich schon mit Ladungen auskennst. Die Entstehung des Periodensystems hat eine sehr lange Geschichte. Schon 600 vor Christus wurde in Indien über nicht mehr weiter zerteilbare kleinste Bauteile der Materie philosophiert, und 450 vor Christus schlug Demokrit, ein Schüler des Leukipp, für diese Bauteile den Namen atomos, das Unzerschneidbare, vor. Obwohl wir heute wissen, dass auch Atome weiter aus kleineren Bauteilen bestehen, hat sich der Name Atom bis heute gehalten. Mehr als 2000 Jahre später entdeckten einige Wissenschaftler bei der Untersuchung der bekannten Elemente, dass sich bestimmte physikalische und chemische Eigenschaften nach einer gewissen Dauer oder Periode, daher Periodensystem, wiederholen. Bis schließlich 1869 relativ gleichzeitig, Lothar Meyer und Dmitri Mendelejev das Periodensystem der Elemente entwickelten. Bevor wir uns nun aber dem Periodensystem widmen, wollen wir doch noch einmal kurz einen Blick auf die Grundlagen werfen. Was ist eigentlich der Unterschied zwischen Atomen, Elementen und Elementarteilchen? Beginnen wir einmal mit dem allereinfachsten Atom, dem Wasserstoff-Atom. Der Kern besteht nur aus einem einzigen Proton und die Hülle aus einem einzigen Elektron. Jedes Atom besteht aus Hülle und Kern. Für alle Atome gilt, dass die Hülle zwar sehr viel leichter ist, da sie nur aus Elektronen besteht, die fast 2000× so leicht sind wie ein Proton. Dafür ist sie jedoch riesengroß. Der Durchmesser der Hülle ist ungefähr 10.000× so groß wie der Durchmesser des Kerns. Der Atomkern, der also über 99 % der Masse in sich trägt, besteht aus Protonen und Neutronen. Diese 3 Bauteile, aus denen alle Atome aufgebaut sind - die negativen Elektronen, die positiven Protonen und die neutralen Neutronen - nennt man Elementarteilchen. Wollen wir uns einmal das nächstkompliziertere Atom ansehen, das Helium-Atom. Sein Kern besteht aus 2 Protonen und 2 Neutronen und seine Hülle aus 2 Elektronen. Die Zahl der Protonen im Kern eines Atoms Z = der Zahl der Elektronen (außer bei ionisierten Atomen, mehr dazu im Kapitel über Ionen. Die brauchen uns hier aber nicht zu interessieren). Z nennt man auch die Kernladungszahl oder Ordnungszahl. Alle Atome, die die gleiche Kernladungszahl Z haben, werden einem bestimmten Element zugeordnet. Nachdem wir jetzt also wissen, was der Unterschied zwischen Atomen, Elementen und Elementarteilchen ist, können wir uns endlich dem Aufbau des Periodensystems zuwenden. Erst einmal sind alle Elemente im Periodensystem nach ihrer Kernladungszahl geordnet, beginnend mit dem Wasserstoff oben links. Dann in der gleichen Zeile rechts das Helium, dann in der nächsten Zeile das Lithium und immer so weiter. Die Zeilen des Periodensystems nennt man auch Perioden. Ab der 2. Periode kann die äußerste Schale des Atoms maximal 8 Elektronen enthalten. Wie viele dieser sogenannten Valenzelektronen sich in der äußersten Schale des Atoms befinden, hat einen sehr großen Einfluss auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften. Daher werden durch die Anzahl der Valenzelektronen die Atome in die sogenannten 8 Hauptgruppen aufgeteilt. In höheren Perioden kommen später zusätzlich größere Schalen hinzu, die zum Teil befüllt werden, bevor die äußerste Schale fertig befüllt wird. Dadurch kommen sogenannte Untergruppen hinzu. Das Periodensystem, das ich in der Schule verwenden durfte, war zum Klappen. Im einfachen Zustand zeigte es nur diese 8 Hauptgruppen an. Man konnte es aber aufklappen, um die gesamten Untergruppen ebenfalls anzuzeigen. Wenn ihr mehr über die Regeln wissen wollt, nach denen die Elektronenschalen besetzt werden, dann seht euch bitte im Chemiebereich die Videos zur Elektronenkonfiguration an. Was bringt mir nun die Anordnung der Elemente im Periodensystem? Ganz einfach. Im Periodensystem stehen Elemente, die ähnliche Eigenschaften haben, in einer Spalte übereinander. Ganz rechts zum Beispiel seht ihr die 8. Hauptgruppe, die sogenannten Edelgase. Sie haben in ihrer äußersten Schale 8 Elektronen und damit die optimale Konfiguration erreicht. Sie wollen also weder zusätzliche Elektronen aufnehmen noch welche abgeben. Gleich links daneben seht ihr die 7. Hauptgruppe, die sogenannten Halogene oder Salzbildner. Sie sind nur ein Elektron von der optimalen Elektronenkonfiguration entfernt und ziehen daher sehr kräftig, wenn sie ein weiteres ergattern können und lassen sich nur sehr schwer eines abnehmen. Im Gegensatz dazu seht ihr ganz links die sogenannten Alkalimetalle. Sie haben ein Elektron über der optimalen Elektronenkonfiguration und geben deshalb relativ gerne eines ab. Dieses Verhalten wird durch die Elektronegativität ausgedrückt. Man kann grob sagen, dass die Elektronegativität im Periodensystem von links nach rechts stetig steigt, bis sie bei den Edelgasen wieder abnimmt, da diese ja keine Elektronen mehr haben wollen. So, nun wisst ihr, warum das Periodensystem so aufgebaut ist, wie es aufgebaut ist, aber welche Informationen könnt ihr jetzt genau daraus gewinnen? Das Periodensystem ist im Prinzip eine Landkarte der Elemente, und wie jede Landkarte hat es auch eine Legende, eine Art Bedienungsanleitung. Hier befindet sich die Legende meines Periodensystems und an einem vergrößerten Beispiel möchte ich euch einmal zeigen, welche Informationen das Periodensystem zu jedem Element genau angibt. Links oben befindet sich die Ordnungszahl, also die Anzahl der Protonen im Kern des Atoms. Rechts oben befindet sich die Massenzahl A, die mir angibt, wie schwer das gesamte Atom ist. Links in der Mitte findet sich die Elektronegativität, die mir angibt, wie stark das Element an einem Elektron ziehen würde,  je höher, desto mehr. Groß in der Mitte ist das chemische Symbol für das Element, in diesem Fall C für Kohlenstoff. In diesem Periodensystem ist unten auch noch der ausgeschriebene deutsche Name des Elements angegeben. Welche Daten ein Periodensystem genau enthält, ist unterschiedlich. Das, das ich in der Schule benutzen durfte zum Beispiel, hatte eine Kopie auf der Rückseite mit anderen Daten, wie zum Beispiel Halbwertszeit für radioaktive Elemente, Dichte oder Schmelztemperatur. Sucht einfach die Legende und seht nach, ob die Information, die ihr braucht, enthalten ist. Nun wollen wir uns noch einmal die Massenzahl ein wenig näher ansehen. Wenn ihr in einem Lexikon nachschlagt, werdet ihr folgenden Satz erhalten: Die Massenzahl gibt das Gewicht des Atoms in atomaren Masseneinheiten oder u an. Was aber ist nun ein u? Wenn ihr auch das im Lexikon nachschlagt, werdet ihr folgendes finden: Eine atomare Masseneinheit ist definiert als 1/12 des Gewichts eines Kohlenstoffatoms mit 6 Protonen und 6 Neutronen. Wenn nun aber 1 atomare Masseneinheit genau 1/12 eines Kohlenstoffatoms ist, warum steht dann als Massenzahl 12,011? Die Antwort ist ganz einfach. Wie wir vorhin gelernt haben wird jedes Atom, dessen Kern 6 Protonen enthält, Kohlenstoff genannt. Wenn ich aber nun im Wald spaziere, um mir einen Sack voller Kohlenstoff zu sammeln, dann werde ich in der Natur nicht nur Kohlenstoff mit 6 Protonen und 6 Neutronen finden, sondern auch - selten - Kohlenstoff mit 6 Protonen und 7 Neutronen oder 6 Protonen und 8 Neutronen. Solche Varianten eines Elements mit unterschiedlichen Neutronenzahlen nennt man Isotop. Da die Massenzahl des Kohlenstoffs im Periodensystem mir das Durchschnittsgewicht für das natürliche Vorkommen, also auch inklusive der Isotope, angibt, habe ich also einen Wert, der leicht über 12 liegt. Da es nun also anscheinend mehrere Versionen desselben Elements gibt, wurde eine Schreibweise eingeführt, um verwechslungssicher ein bestimmtes Atom zu beschreiben. Für das Standard-Kohlenstoff-Atom mit 6 Protonen und 6 Neutronen würde man also Folgendes schreiben: Zuerst das C, das chemische Symbol des Kohlenstoffs, dann davor oben eine 12 für 6 Protonen + 6 Neutronen, also die gesamte Anzahl der Kernbauteile, dann darunter eine 6 für die 6 Protonen im Kern. Würde ich stattdessen das Isotop mit 6 Protonen und 7 Neutronen darstellen wollen, würde ich statt 12/6/C 13/6/C schreiben. Also sind mit dieser Methode alle Isotope verwechslungssicher geschrieben. Wir wollen noch einmal zusammenfassen, was wir heute gelernt haben. 1. Atome sind die Bausteine unserer Welt. Jedes Atom besteht aus einem kleinen, schweren Kern und einer großen, leichten Hülle. 2. Die Atome selbst bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen. 3. Das Periodensystem der Elemente ist eine Landkarte aller bekannten Elemente und nach der Kernladungszahl und der Besetzung der Atomhülle geordnet. 4. Es gibt mehrere Versionen ein und desselben Elements, sogenannte Isotope. Die genaue Schreibweise für ein Atom besteht aus dem chemischen Symbol, davor oben der Anzahl der Kernbauteile, also der Zahl der Protonen + der Zahl der Neutronen und darunter der Zahl der Protonen im Kern. So, das war es auch schon für heute. Ich hoffe, ich konnte euch weiterhelfen. Danke fürs Zuschauen und vielleicht bis zum nächsten Mal. Tschüss, euer Kalle.