Chemie für Quereinsteiger - Band 1 - Die Ordnung der Grundbausteine
2. Die Ordnung der Grundbausteine
2.1 Das Periodensystem

In Tabelle 2.1 sind einige Grundbausteinsorten alphabetisch aufgezählt. Dadurch erhalten wir aber keinen Hinweis darauf, welche Teilchen sich mit anderen leicht oder vielleicht auch gar nicht verknüpfen lassen. Das ist jedoch das Anliegen des Chemikers. Man hat deshalb die Teilchen zunächst nach ihrem ähnlichen Verhalten anderen Teilchen gegenüber geordnet.

Tab. 2.1: Atomsymbole in alphabetischer Reihenfolge, Elementnamen und Ordnungszahlen

Zum Beispiel erhält man aus der Kombination von Lithium-, Natrium- oder Kalium-Teilchen mit Chlor-Teilchen jeweils ganz ähnliche salzartige Substanzen, in denen die Teilchen im Zahlenverhältnis 1:1 verknüpft sind. Verknüpft man mit Magnesium- oder Calcium-Teilchen, dann setzen sich diese mit Chlor-Teilchen im Zahlenverhältnis 1:2 zusammen. Verknüpft man Sauerstoff-, Schwefel- oder Selen-Teilchen mit Wasserstoff-Teilchen, erhält man ebenfalls unter sich ähnliche Substanzen, die im Teilchenzahlenverhältnis 1:2 zusammengesetzt sind. Die Kombination zwischen Wasserstoff- und Sauerstoff-Teilchen führt zur Substanz Wasser, die anderen beiden sind im Verhalten dem Wasser ähnlich.

Diese wenigen Beispiele sollen die Fragestellung andeuten, auf deren Grundlage die Chemiker bis in die Mitte des letzten Jahrhunderts experimentell geforscht haben. Es wurden alle gefundenen Zahlenverhältnisse von Teilchen miteinander verglichen und aufgrund von Ähnlichkeiten entsprechende Teilchenarten geordnet. Teilchen, die sich besonders ähnlich sind, bezeichnet der Chemiker als verwandt, beispielsweise gehören Lithium-, Natrium- und Kalium-Teilchen einer Elementfamilie an. Diese Verwandtschaften und andere ordnende Faktoren sind im "Periodensystem der Elemente" (PSE) dargestellt.

Abbildung 2.1 zeigt einen Ausschnitt aus dem Periodensystem, Abbildung 2.2 zeigt das Periodensystem vollständig, allerdings nur schematisch und ohne Angabe der Elementnamen und Symbole. In Tabelle 2.1 sind alle derzeit bekannten Elemente aufgeführt und alphabetisch nach Atomsymbolen geordnet.

Abb. 2.1: Periodensystem der Elemente und Grundbausteine der Materie (Auswahl)

Ein erster Blick auf das verkürzte Periodensystem der Elemente in Abbildung 2.1 zeigt Kreise, versehen mit Atom- und Ionensymbolen. Sie sollen die Grundbausteinsorten als Kugeln darstellen. Offensichtlich sind jeweils Atome und zugehörige Ionen unterschiedlich groß. Auch die Atome und Ionen einer Elementfamilie unterscheiden sich: die Atom- und Ionenradien nehmen von oben nach unten gesehen zu.

Die abgebildeten Kreise im Periodensystem spiegeln die relative Größe der Teilchen zueinander wieder. Die absoluten Durchmesser der Teilchen bewegen sich im Bereich von 50 250 pm (Einheit Picometer: 1 pm = 10-12m). Allerdings benötigen wir zu Beginn unserer Arbeit diese Zahlenwerte nicht und werden sie später ins Spiel bringen, wenn sie eine Rolle spielen. Außerdem sind die Atome und Ionen eigentlich nicht starr wie Holzkugeln, sondern eher elastisch wie Gummibälle: der Abstand wird bei größer werdender Bindungskraft zwischen zwei Teilchen immer kleiner, es kommt bei der Messung von Radien auf den speziellen Teilchenverband an. Aus diesem Grund ist es schwierig, feste Zahlenwerte als Durchmesser von Teilchen anzugeben. Da die Abstände zwischen Teilchen für unsere ersten Grundüberlegungen unerheblich sind, können wir zunächst die Atome und Ionen im Modell als starre Kugeln ansehen.

Stellen wir uns vor, alle Grundbausteinsorten würden in einem Regal von Schubladen aufbewahrt, das von vorn gesehen genau dem Periodensystem entspricht. Nehmen wir an, ein Chemikalienladen würde solch ein Regal gefüllt besitzen, dann könnten wir rasch jede beliebige Menge an Bausteinen kaufen und zu den gewünschten Substanzen zusammensetzen. Allerdings befänden sich in den Schubladen sowohl Atome als auch die zugehörigen Ionen, vielleicht getrennt voneinander in zwei Fächern der Schublade. So sind Atome und zugehörige Ionen unabhängig voneinander abrufbar, um sie unabhängig voneinander verknüpfen zu können. Das Periodensystem der Elemente ist also für den Chemiker der Schlüssel zur Systematik, wie man sinnvoll und erfolgreich Atome oder Ionen zu größeren Teilchenverbänden kombiniert, wie man also modellmäßig durch solche Kombinationen verschiedene Substanzen erhält. Diese Kombinationssystematik führt so zum Grundverständnis der Substanzen und deren Beschreibung durch Namen und Symbole.