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Periodensystem der Elemente – Einführung in die Atomphysik 10:58 min

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Transkript 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.

21 Kommentare
  1. Ich finde,das du zu sehr in die Chemie eingegangen bist. Man sagt ja immer, "Der Physiker beschäftigt sich mit dem, mit dem sich der Chemiker nicht befassen möchte". Ansonsten war es gut und man konnte alles verstehen.
    Danke

    Von Katrin Z., vor 10 Monaten
  2. Gutes Video:D

    Von Familie Unrau, vor fast 2 Jahren
  3. Damke alter!!! Jetzt hab ich es gerafft xD

    Von Alex G., vor etwa 2 Jahren
  4. LOL!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!LOL

    Von Sandra Schaal, vor etwa 2 Jahren
  5. SUPER erlärt hat mir total geholfen

    Von Selma Kulow, vor etwa 2 Jahren
  1. @Zehra Oezdemir,

    Falls du dich für die Elemente interessierst, schaue dir bitte die Videos in Fach Chemie an, dort findest du zu vielen Elementen ein einzelnes Video und auch noch weitere Videos zum PSE.

    Von Karsten Schedemann, vor fast 3 Jahren
  2. Ja, leider ist die Erklärung zu Elementen (was sind Elemente) sehr zu kurz gekommen.

    Von Zehra Oezdemir, vor fast 3 Jahren
  3. Das video ist gut aber es ist viel viel viel viel viel viel viel viel viel zu schnell.

    Von Monninger, vor fast 3 Jahren
  4. Super Video! Voll gut! :)

    Von Germaine Bartlett, vor mehr als 4 Jahren
  5. Achso, ansonsten natürlich vielen Dank, finde das Video gut!
    Auch der Inhalt bzgl. der Einheit u ist mir nun etwas klarer geworden.

    Von Sicktrackofficial, vor fast 5 Jahren
  6. Hallo!
    Vielen Dank für das Video! Im Zeitintervall (7,10m ; 8,20m) wird die Atommasse als Gewicht bezeichnet. Wäre es nicht besser, hier zu schreiben, dass 1u gleich der Masse 1/12 und nicht gleich des Gewichts 1/12 ist?

    Erbsenzählerei, ich weiß. Aber gerade wenn es um die Vermittlung naturwissenschaftlicher Inhalte geht, würde ich das hoch gewichten um ein Gefühl für den Umgang mit Umgangsbegriffen und korrekter Ausdrucksweise zu vermitteln.

    Von Sicktrackofficial, vor fast 5 Jahren
  7. Die Frage ist aber viel zu einfach... :D

    Von Michael Z., vor fast 5 Jahren
  8. Die Frage ist aber viel zu einfach... :D

    Von Michael Z., vor fast 5 Jahren
  9. tolles video ;)

    Von Claudia Zanza, vor mehr als 5 Jahren
  10. Juhu ich habs verstanden :)

    Von Adrienne Molnar, vor mehr als 5 Jahren
  11. Super Video ;)))

    Von Winnie22, vor mehr als 5 Jahren
  12. Super video, aber bitte nicht so schnell sprechen :-)

    Von Fiausch, vor fast 6 Jahren
  13. hallo :) ich hab eine frage und zwar um 5 kg Wasser mit der temperatur 14 grad celsius , sieden zu bringen . wie viel gesamt energie ist notwendig

    Von Cerenalsulu, vor mehr als 6 Jahren
  14. Einfach genial. Klasse Video. Endlich verstehe ich Chemie;)

    Von Sepp Bleialf, vor mehr als 6 Jahren
  15. Danke! Super Video! :)

    Von Selma Reinhold, vor fast 7 Jahren
  16. Sehr gutes Video ;) Weiter soo !!

    Von Ke Lm En Di96, vor fast 8 Jahren
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Periodensystem der Elemente – Einführung in die Atomphysik Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Periodensystem der Elemente – Einführung in die Atomphysik kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne die wichtigen Punkte der Entwicklung des PSE und des Atoms.

    Tipps

    Schon in der Antike wurde man sich bewusst, dass jeder Stoff aus sehr kleinen Grundbausteinen bestehen muss.

    Lösung

    Schon in der Antike wurde man sich bewusst, dass jeder Stoff aus sehr kleinen Grundbausteinen bestehen muss. 600 v. Chr. stammt aus Indien eine frühere philosophische Erwähnung der zerteilbaren kleinsten Bauteile der Materie, einer der ersten Erwähnung des Atomkonzepts. Nicht lange danach, 450 v. Chr., prägte Demokrit im alten Griechenland den Begriff „atomos", das Unteilbare. 1869 n. Chr. entwickeln Meyer und Mendelejew das PSE (Periodensystem der Elemente) unabhängig voneinander.

  • Beschreibe den Aufbau eines Atoms.

    Tipps

    Ein Atom besteht aus drei verschiedenen Teilchen.

    Lösung

    Aus den Beobachtungen des Rutherford'schen Streuversuches kann man einige Schlüsse über den Atomaufbau ziehen.

    Hier erkennt man, dass ein Atom aus Protonen, Neutronen und Elektronen besteht. Es wird in zwei Teile unterteilt. In dem Atomkern befinden sich Neutronen und Protonen. In ihm konzentriert sich fast die gesamte Atommasse. In der sogenannten Atomhülle befinden sich Elektronen. Der Atomkern ist der positiv geladene kleinere innere Teil eines Atoms und die Atomhülle sein negativ geladener größerer äußerer Teil.

  • Ordne alle Elementengruppen zu.

    Tipps

    Die Hälfte der Elemente in dieser Tabelle sind Metalle.

    Lösung

    Im Periodensystem stehen Elemente, die ähnliche Eigenschaften haben, in einer Spalte übereinander.

    Als Edelgase werden die Elemente der letzten rechten (orangen) Spalte bezeichnet. Sie sind als Inertgase bekannt, da sie nicht reaktiv sind. Die Elektronenkonfigurationen ihrer Atomorbitale sind idealerweise vollständig gefüllt. Das heißt, sie haben in ihrer äußersten Schale 8 Elektronen und damit die optimale Konfiguration erreicht. Deswegen "wollen" sie also weder zusätzliche Elektronen aufnehmen, noch welche abgeben.

    Als Nichtmetalle Halogene werden die an der linken (grünen) Spalte (neben den Edelgasen) bezeichnet. 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 eins abnehmen.

    Als Metalle werden alle Elemente der rosa Spalten bezeichnet. Sie besitzen sehr wenige Elektronen in den äußersten Schalen. Deshalb können sie sich untereinander nicht so gut zu Molekülen oder Gittern verbinden.

    Als Erdalkalimetalle werden alle Elemente der zwei linken gelben Spalten bezeichnet. Sie sind weniger reaktiv als die Alkalimetalle und besitzen zwei Elektronen in der Valenzschale. Das heißt, sie haben zwei Elektronen über der optimalen Elektronenkonfiguration und geben deshalb relativ gern welche ab.

    Als Alkalimetalle werden alle Elemente der ersten linken gelben Spalte (außer dem Wasserstoff) bezeichnet. Sie sind sehr reaktive Elemente und besitzen nur ein Elektron in der Valenzschale. Das heißt, sie haben ein Elektron über der optimalen Elektronenkonfiguration und geben deshalb relativ gern eins ab.

  • Erläutere den Anstieg der Elektronegativität im PSE.

    Tipps

    Die Elektronegativität nimmt zu, von Alkali- zu … -Metallen.

    Die Elektronegativität nimmt zu, von Elementen mit größerer zu kleinerer Z.

    Lösung

    Elektronegativität versteht man als ein relatives Maß für die Elektronenmitteilung zwischen Atomen in einer chemischen Bindung. Sie wird größer, wenn wenige Elektronen auf einer vollen Außenschale fehlen, da diese „Elektronenlücken“ leicht aufgefüllt werden können. In der Regel steigt sie daher stetig von links nach rechts und innerhalb einer Elementgruppe sinkt sie von oben nach unten.

  • Gib an, wofür die Abkürzung PSE steht.

    Tipps

    Der Begriff Element stammt aus der Chemie.

    Der Begriff Element enthält schon in sich den Begriff „Atom“.

    Lösung

    Da sowohl die Elemente als auch das System in vielen Ländern Verwendung finden, einigte man sich darauf, Abkürzungen zu verwenden; sowohl für die Elementsymbole als auch für das System selbst. So weiß nun jeder, dass mit dem PSE das Periodensystem der Elemente oder das Periodensystem der chemischen Elemente gemeint ist. Genauso, dass Pb für das chemische Element Blei steht.

  • Erkläre die besonderen Eigenschaften der Gruppen mit der Elektronegativität und der Anzahl der Valenzelektronen.

    Tipps

    Je fähiger ein Atom ist, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen, desto größer ist seine Elektronegativität.

    Lösung

    Im Periodensystem stehen Elemente, die ähnliche Eigenschaften haben, in einer Spalte (Gruppe) übereinander.

    Die Edelgase sind als Inertgase bekannt, da sie nicht reaktiv sind. Sie haben in ihrer äußersten Schale 8 Elektronen und damit die optimale Konfiguration erreicht. Deswegen wollen sie also weder zusätzliche Elektronen aufnehmen, noch welche abgeben. Aus diesem Grund spricht man kaum über Elektronegativität von Edelgasen.

    Die Nichtmetalle Halogene 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 eins abnehmen. Aus diesem Grund haben sie eine hohe Elektronegativität. Anders gesagt: Sie sind sehr elektronegativ.

    Die Metalle besitzen sehr wenige Elektronen in den äußersten Schalen, deshalb können sie sich untereinander nicht so gut zu Molekülen oder Gittern verbinden. Aus diesem Grund haben sie eine mittlere Elektronegativität. Anders gesagt: Sie sind mittel elektronegativ.

    Die Erdalkalimetalle sind weniger reaktiv als die Alkalimetalle, aber mehr reaktiv als die Metalle und besitzen zwei Elektronen in der Valenzschale. Das heißt, sie haben zwei Elektronen über der optimalen Elektronenkonfiguration und geben sie deshalb relativ gerne ab. Aus diesem Grund haben sie eine geringe Elektronegativität. Anders gesagt: Sie sind elektropositiv.

    Die Alkalimetalle (außer dem Wasserstoff) sind sehr reaktive Elemente und besitzen nur ein Elektron in der Valenzschale. Das heißt, sie haben ein Elektron über der optimalen Elektronenkonfiguration und geben deshalb relativ gerne eins ab. Aus diesem Grund haben sie eine sehr geringe Elektronegativität. Anders gesagt: Sie sind sehr elektropositiv.