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Periodensystem
wuerg, 22.05.2006 00:41
Heute ist bekannt, warum sich die chemischen Elemente in einer gewissen Ordnung in Form eines Periodensystems aufschreiben lassen. Weil die chemischen Eigenschaften im wesentlichen von den Elektronen abhängen, bei gleicher äußerer Konfiguration ähnliche Eigenschaften auftreten und sie sich in Schalen n=1,2,3,4,5,6,… (K,L,M,N,O,P,…) tummeln, die jeweils n Unterschalen l=0,1,2,3,…,n−1 (s,p,d,f,g,h,…) mit bis zu 2l+1 Elektronenpaaren aufweisen.
2 ∣ 2 ∣ 6 2 ∣ 6 2 ∣ 10 6 2 ∣ 10 6 2 ∣ 14 10 6 2 ∣ 14 10 6 …
Daraus ergäbe sich eine systematische Anordnung in einem Periodensystem
Spätestens jetzt höre ich, daß Lanthan selbst gar kein f‑Elektron hätte, sondern statt dem geplanten 4f¹ bereits 5d¹. Das haut nicht vom Sockel, denn schon Chrom weicht mit 3d⁵ statt 4s² vom Belegungs-Schema ab. Es kommt auf die Energie der Gesamtkonfiguration an. Addierbare Einzelenergien der Elektronen gibt es streng genommen nicht. [4] Offensichtlich erscheint die mit 5 statt 4 Elektronen genau halb gefüllte 3d‑Schale so günstig, daß dafür auf 4s² verzichtet wird. Solche Verzichte habe ich durch ein rotes d hevorgehoben. Für Palladium (fett) sind es sogar zwei.
An dieser Stelle könnte ich ein gewisses Verständnis für Kritik an Physikern zeigen, die ihr Belegungs-Schema über die Realität stellen. Doch ehrlicherweise muß man sagen: Nicht die Esoteriker haben die Unregelmäßigkeiten erforscht, sondern die Wissenschaftler. Ihnen ist deshalb eine schematische Denkhilfe gestattet. Für weniger erhellend halte ich andere Schemata. So betrachtet Peter Plichta [5] nur die Hauptgruppenelemente (s und p) der 81 stabilen Elemente
Einmal davon abgesehen, daß man Wismut als instabil sehen könnte, handelt es sich dabei um eine nette Spielerei, und sicherlich nicht um einen göttlichen Plan für ein Periodensystem. Die Zahlen 19 und 81 generieren nicht die Natur, so sehr Peter Plichta sich das auch wünschen mag.
[1] Dieses Belegungs-Schema resultiert aus der Tatsache, daß die Elektronen der inneren Schalen stärker gebunden sind, also energetisch günstiger sind, aber als Fermionen nach dem Pauli-Prinzip keinen gemeinsamen Zustand einnehmen dürfen.
[2] Gerthsen, Kneser: Physik. Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 10. Auflage, 1969. Periodensystem in dieser Form auf Seite 430.
[3] Holleman, Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie. Walter de Gruyter, Berlin, 57.–70. Auflage, 1964. Eine unschöne Systematik ist auf den Seiten 445 und 456 an den Gruppenbezeichnungen zu erkennen: Hauptgruppen Ia, IIa und IIIb–VIIIb (heute 1,2,13–18). Nebengruppen Ib, IIb und IIIa–VIIIa (heute 3‐12).
[4] Man kann es mit dem Kauf von Bierflaschen bei einem Händler mit kreativer Preisgestaltung vergleichen. Paarweise sind sie etwas billiger als einzeln. Es scheint günstig, einen halben Zehner- oder Vierzehnerkasten (d⁵ oder f⁷) zu nehmen und dafür eine Flasche mehr oder weniger aus einem Zweierpack (s² oder d²). Noch günstiger sind volle Kästen. So lohnt es sich für Palladium den Zehnerkasten mit zwei Flaschen auf 4d¹⁰ aufzufüllen und auf das zuvor günstigere Paar 5s² ganz zu verzichten.
[5] Peter Plichta: Der Erfinder und Entdecker.
19 | 81 | Isotope | Elemente des Glaubens
Schale Anzahlen in den Anzahl
n den Unterschalen gesamt
1 K 2 2
2 L 2 6 8
/
/
3 M 2 6 10 18
/ /
/ /
4 N 2 6 10 14 32
/ / /
/ / /
5 O 2 6 10 14 18 50
/ / / /
/ / / /
6 P 2 6 10 14 18 22 72
/ / / / /
/ / / / /
7 Q 2 6 10 14 18 22 26 98
Unter- s p d f g h i
schale l 0 1 2 3 4 5 6
Doch werden die freien Plätze nicht schalenweise belegt. Im allgemeinen geht es entlang der schrägen Linien. [1] Das gliedert die Elemente wie folgt in Gruppen:2 ∣ 2 ∣ 6 2 ∣ 6 2 ∣ 10 6 2 ∣ 10 6 2 ∣ 14 10 6 2 ∣ 14 10 6 …
Daraus ergäbe sich eine systematische Anordnung in einem Periodensystem
n (n−4)g (n−3)f (n−2)d (n−1)p ns 1 ss 2 ss 3 pppppp ss 4 pppppp ss 5 dddddddddd pppppp ss 6 dddddddddd pppppp ss 7 ffffffffffffff dddddddddd pppppp ss 8 ffffffffffffff dddddddddd pppppp ss 9 gggggggggggggggggg ffffffffffffff dddddddddd pppppp ssauf die ansatzweise schon Lothar Meyer 1864 kam. Nur fehlte den sieben ‚Tönen der Oktaven‘ (ppppp.ss) die drittletzte Spalte mit den noch unbekannten Edelgasen. Statt sie vor die zweitletzte Spalte mit den Alkalimetallen zu quetschen, wechselte man die Zeilen (Perioden) zwei Elemente früher. So entstanden die acht Gruppen I bis VIII, einigermaßen im Einklang mit ihren Wertigkeiten in folgendem Schema, das zu meiner Schul- und Ausbildungszeit noch weit verbreitet war: [2,3]
I II III IV V VI VII VIII
ab ab ab ab ab ab ab a b
1. s s
2. s s p p p p p p
3. s s p p p p p p
4. s s d d d d d ddd
d d p p p p p p
5. s s d d d d d ddd
d d p p p p p p
6. s s f* d d d d ddd
d d p p p p p p
7. s s f*
Heutzutage hat man sich vom Korsett der Oktaven befreit und trägt die Elemente der Nebengruppen nicht mehr unterhalb der Hauptgruppen-Elemente auf, sondern als Kompromiß der beiden vorangehenden Schemata gemäß
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Anzahl
1. s s 2 2
2. s s p p p p p p 8 10
3. s s p p p p p p 8 18
4. s s d d d d d d d d d d p p p p p p 18 36
5. s s d d d d d d d d d d p p p p p p 18 54
6. s s f* d d d d d d d d d p p p p p p 32 86
7. s s f* d d d d d d d d d p p p p p p 32 118
An den mit f* gekennzeichneten Stellen ist im Geiste ffffffffffffffd einzusetzen. Sie stehen für die Lanthaniden (Seltene Erden) und die Aktiniden (politisch korrekt Lathanoide und Actinoide).Spätestens jetzt höre ich, daß Lanthan selbst gar kein f‑Elektron hätte, sondern statt dem geplanten 4f¹ bereits 5d¹. Das haut nicht vom Sockel, denn schon Chrom weicht mit 3d⁵ statt 4s² vom Belegungs-Schema ab. Es kommt auf die Energie der Gesamtkonfiguration an. Addierbare Einzelenergien der Elektronen gibt es streng genommen nicht. [4] Offensichtlich erscheint die mit 5 statt 4 Elektronen genau halb gefüllte 3d‑Schale so günstig, daß dafür auf 4s² verzichtet wird. Solche Verzichte habe ich durch ein rotes d hevorgehoben. Für Palladium (fett) sind es sogar zwei.
An dieser Stelle könnte ich ein gewisses Verständnis für Kritik an Physikern zeigen, die ihr Belegungs-Schema über die Realität stellen. Doch ehrlicherweise muß man sagen: Nicht die Esoteriker haben die Unregelmäßigkeiten erforscht, sondern die Wissenschaftler. Ihnen ist deshalb eine schematische Denkhilfe gestattet. Für weniger erhellend halte ich andere Schemata. So betrachtet Peter Plichta [5] nur die Hauptgruppenelemente (s und p) der 81 stabilen Elemente
Hauptgruppe I II III IV V VI VII VIII 1. Periode 1 2 2. Periode 3 4 5 6 7 8 9 10 3. Periode 11 12 13 14 15 16 17 18 4. Periode 19 20 | 31 32 33 34 35 36 5. Periode 37 38 | 49 50 51 52 53 54 6. Periode 55 56 ‖ 81 82 83und stellt fest, daß es 1+19+19 sind. Zunächst der Wasserstoff als eigentlich gruppenlose Ausnahme, dann 19 Elemente bis zur ersten Unterbrechung mit 10 Nebengruppenelementen (|), und schließlich die restlichen 19 bis zum letzten stabilen Element Wismut mit der Nummer 83. Stabil sind 83−2=81, denn das 43. Element Technetium und das 61. Element Promethium sind nicht stabil. Von 43 bis 61 sind es wieder 19 Elemente, das 19. Element Kalium ist das erste mit einer unvollständigen inneren Schale (4s wird gefüllt, obwohl 3d noch leer ist), und bis zum Lanthan mit der Nummer 57=3⋅19 bleiben die f‑Unterschalen leer.
Einmal davon abgesehen, daß man Wismut als instabil sehen könnte, handelt es sich dabei um eine nette Spielerei, und sicherlich nicht um einen göttlichen Plan für ein Periodensystem. Die Zahlen 19 und 81 generieren nicht die Natur, so sehr Peter Plichta sich das auch wünschen mag.
[1] Dieses Belegungs-Schema resultiert aus der Tatsache, daß die Elektronen der inneren Schalen stärker gebunden sind, also energetisch günstiger sind, aber als Fermionen nach dem Pauli-Prinzip keinen gemeinsamen Zustand einnehmen dürfen.
[2] Gerthsen, Kneser: Physik. Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 10. Auflage, 1969. Periodensystem in dieser Form auf Seite 430.
[3] Holleman, Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie. Walter de Gruyter, Berlin, 57.–70. Auflage, 1964. Eine unschöne Systematik ist auf den Seiten 445 und 456 an den Gruppenbezeichnungen zu erkennen: Hauptgruppen Ia, IIa und IIIb–VIIIb (heute 1,2,13–18). Nebengruppen Ib, IIb und IIIa–VIIIa (heute 3‐12).
[4] Man kann es mit dem Kauf von Bierflaschen bei einem Händler mit kreativer Preisgestaltung vergleichen. Paarweise sind sie etwas billiger als einzeln. Es scheint günstig, einen halben Zehner- oder Vierzehnerkasten (d⁵ oder f⁷) zu nehmen und dafür eine Flasche mehr oder weniger aus einem Zweierpack (s² oder d²). Noch günstiger sind volle Kästen. So lohnt es sich für Palladium den Zehnerkasten mit zwei Flaschen auf 4d¹⁰ aufzufüllen und auf das zuvor günstigere Paar 5s² ganz zu verzichten.
[5] Peter Plichta: Der Erfinder und Entdecker.
19 | 81 | Isotope | Elemente des Glaubens
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