Periodische Trends: Wie sich Atomradius, Elektronegativität und Ionisierungsenergie ändern

Zwei Ideen hinter jedem Trend

Fast jeder Trend geht auf zwei Effekte zurück. Der erste ist die Kernladung. Innerhalb einer Periode hat jedes Element ein Proton mehr, daher zieht der Kern stärker an den Elektronen. Elektronen, die in dieselbe Schale kommen, schirmen sich kaum gegenseitig ab, daher spüren die äußeren Elektronen von links nach rechts einen stärkeren Zug, die sogenannte effektive Kernladung.

Der zweite ist die Anzahl der Schalen. Innerhalb einer Gruppe von oben nach unten hat jedes Element eine besetzte Schale mehr, daher sitzen die äußeren Elektronen weiter vom Kern entfernt und werden von mehr inneren Elektronen abgeschirmt. Sie werden weniger fest gehalten, obwohl der Kern mehr Protonen hat.

Atomradius

Der Atomradius misst die Größe eines Atoms. Innerhalb einer Periode nimmt er im Allgemeinen ab, weil der stärkere Zug die Elektronenwolke nach innen zieht. Innerhalb einer Gruppe nimmt er zu, weil jede neue Schale weiter außen liegt. Positive Ionen sind kleiner als ihre Atome, und negative Ionen sind größer.

Die Alkalimetalle zeigen den Gruppentrend in den Daten dieser Website deutlich: Lithium 182 pm, Natrium 227 pm, Kalium 275 pm, Rubidium 303 pm und Caesium 343 pm. Radiuswerte hängen davon ab, wie sie gemessen werden (Kovalenz-, Metall- oder Van-der-Waals-Radien), daher geben verschiedene Tabellen unterschiedliche Zahlen an, und der Trend innerhalb einer Periode ist ein allgemeines Muster und kein vollkommen gleichmäßiges.

Elektronegativität

Die Elektronegativität misst, wie stark ein Atom die gemeinsamen Elektronen in einer chemischen Bindung anzieht. Auf der Pauling-Skala steigt sie innerhalb einer Periode an und sinkt innerhalb einer Gruppe nach unten.

In Periode 2 steigt sie von Lithium (0,98) über Kohlenstoff (2,55) und Sauerstoff (3,44) bis zu Fluor (3,98), dem elektronegativsten Element. In Gruppe 17 sinkt sie von Fluor über Chlor (3,16) und Brom (2,96) bis zu Iod (2,66). Die niedrigsten Werte stehen links unten, etwa Caesium mit 0,79. Helium, Neon und Argon haben keinen Wert, weil sie keine stabilen Verbindungen bilden.

Der Unterschied in der Elektronegativität sagt die Art der Bindung voraus. Ein großer Unterschied, wie zwischen Natrium (0,93) und Chlor (3,16), ergibt eine Ionenbindung, während ein kleiner Unterschied eine kovalente Bindung ergibt.

Ionisierungsenergie

Die Ionisierungsenergie ist die Energie, die nötig ist, um das äußerste Elektron aus einem Atom in der Gasphase zu entfernen. Sie steigt innerhalb einer Periode, weil die Elektronen fester gehalten werden, und sinkt innerhalb einer Gruppe nach unten, weil das äußere Elektron weiter vom Kern entfernt ist.

In Periode 3 steigt sie von 5,139 eV bei Natrium auf 15,76 eV bei Argon, und in Gruppe 1 sinkt sie von 5,392 eV bei Lithium auf 3,894 eV bei Caesium. Helium hat mit 24,587 eV die höchste erste Ionisierungsenergie aller Elemente. Unterwegs gibt es kleine Einbrüche: Bor liegt niedriger als Beryllium, weil sein äußeres Elektron in einer energiereicheren 2p-Unterschale sitzt, und Sauerstoff liegt niedriger als Stickstoff, weil sein viertes 2p-Elektron sich ein Orbital teilt, wo die Abstoßung es leichter entfernbar macht.

Metallischer Charakter und Reaktivität

Der metallische Charakter beschreibt, wie leicht ein Atom Elektronen abgibt. Er folgt dem entgegengesetzten Muster der Ionisierungsenergie: Er nimmt innerhalb einer Periode ab und innerhalb einer Gruppe nach unten zu. Deshalb stehen die am stärksten metallischen Elemente, wie Caesium und Francium, links unten und die am stärksten nichtmetallischen, wie Fluor und Sauerstoff, rechts oben.

Die Reaktivität folgt aus diesen Trends, hängt aber von der Gruppe ab. Alkalimetalle werden in der Gruppe nach unten reaktiver, weil ihr einzelnes Valenzelektron leichter abzugeben ist: Lithium reagiert gleichmäßig mit Wasser, während Kalium heftig reagiert. Halogene werden in der Gruppe nach unten weniger reaktiv, weil größere Atome ein zusätzliches Elektron weniger stark anziehen, daher ist Fluor das reaktivste Halogen.