Was ist eine Ordnungszahl?
Die Ordnungszahl ist die Anzahl der Protonen - positiv geladene Teilchen - im Kern eines Atoms eines chemischen Elements. Elemente unterscheiden sich durch die Anzahl der Partikel, die sie haben, und daher hat jedes Element seine eigene eindeutige Ordnungszahl. Die chemischen Eigenschaften eines Elements werden durch die Anzahl der Elektronen bestimmt. In einem neutralen Atom entspricht dies der Anzahl der Protonen. Atome können jedoch Elektronen gewinnen oder verlieren, um negativ oder positiv geladene Ionen zu bilden, sodass die Ordnungszahl als die Anzahl der Protonen definiert wird, da diese für ein bestimmtes Element immer gleich ist.
Ordnungszahl, Massenzahl und Atomgewicht
Es ist möglich, diese Werte zu verwechseln, aber sie unterscheiden sich deutlich voneinander. Atome bestehen aus einem Kern, der positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen enthält, wobei Elektronen in einiger Entfernung umkreisen. Protonen und Neutronen sind relativ schwer und von ähnlichem Gewicht, aber Elektronen sind sehr viel leichter und tragen sehr wenig zum Gewicht eines Atoms bei. Die Massenzahl eines Atoms ist die Anzahl der Protonen plus der Anzahl der Neutronen und entspricht nahezu dem Gewicht des Atoms.
Die Anzahl der Neutronen in einem Element kann variieren. Formen eines Elements mit unterschiedlicher Anzahl von Neutronen werden als Isotope bezeichnet . Zum Beispiel hat die häufigste Form von Wasserstoff ein Proton und keine Neutronen, aber zwei andere Isotope von Wasserstoff existieren, Deuterium und Tritium, mit einem bzw. zwei Neutronen. Natürlich vorkommende Elemente sind oft Gemische verschiedener Isotope. Kohlenstoff ist ein weiteres Beispiel, das aus Isotopen mit den Massenzahlen 12, 13 und 14 besteht. Diese haben alle sechs Protonen, aber jeweils sechs, sieben und acht Neutronen.
Obwohl die Chemiker des 19. Jahrhunderts gute Näherungen für die Atomgewichte der bekannten Elemente aufgestellt hatten, sind die genauen Berechnungen aufgrund des Auftretens verschiedener Isotope in unterschiedlichen Anteilen nicht immer einfach. Oft wird das Atomgewicht als Durchschnitt aus der relativen Häufigkeit von Isotopen bestimmt. Da einige Isotope instabil sind und sich mit der Zeit in andere Elemente verwandeln, können die Atomgewichte variieren und können als Bereich und nicht als einzelner Wert dargestellt werden. Isotope werden normalerweise mit der Ordnungszahl links unten neben dem chemischen Symbol und der Massenzahl oder dem ungefähren Atomgewicht rechts oben dargestellt. Beispielsweise würde Kohlenstoff 13 als 6 C 13 gezeigt .
Das Periodensystem
In den 1860er Jahren arbeitete der russische Chemiker Dimitri Mendeleev an einer Tabelle der damals bekannten Elemente. Zunächst wurden sie nach Atomgewicht aufgelistet und in Reihen angeordnet, in denen Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften zusammengefasst wurden. Andere Chemiker hatten bereits bemerkt, dass sich die Eigenschaften der Elemente, wenn sie nach Gewicht geordnet waren, mehr oder weniger regelmäßig wiederholten. Beispielsweise sind Lithium, Natrium und Kalium reaktive Metalle, die sich auf ähnliche Weise mit Nichtmetallen verbinden, während Helium, Neon und Argon vollständig reaktionslose Gase sind. Aus diesem Grund wurde Mendeleevs Liste als Periodensystem bekannt.
Mendeleevs erster Entwurf hat gut funktioniert, aber es gab ein paar Unstimmigkeiten. Beispielsweise kam Jod, nach Gewicht geordnet, vor Tellur. Das Problem war, dass dieses Jod mit Sauerstoff, Schwefel und Selen und Tellur mit Fluor, Chlor und Brom gruppiert wurde. Aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften hätte das Gegenteil der Fall sein müssen. Bevor Mendeleev seine Tabelle im Jahr 1869 veröffentlichte, tauschte er diese Elemente einfach aus. Der Grund für diese Inkonsistenzen wurde jedoch erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts bekannt.
1913 stellte der Physiker HGJ Moseley eine Beziehung zwischen den Wellenlängen von Röntgenstrahlen, die von verschiedenen Elementen erzeugt werden, und ihrer Abfolge im Periodensystem her. Als die Struktur des Atoms um diese Zeit durch andere Experimente aufgedeckt wurde, wurde klar, dass diese Beziehung von der Anzahl der Protonen im Kern eines Elements abhängt, mit anderen Worten von seiner Ordnungszahl. Das Periodensystem könnte dann nach dieser Zahl geordnet werden, wobei die beobachteten chemischen Eigenschaften der Elemente auf eine solide theoretische Basis gestellt würden. Die gelegentlichen Inkonsistenzen in der Originaltabelle waren auf die Tatsache zurückzuführen, dass Schwankungen in der Anzahl der Neutronen manchmal dazu führen konnten, dass ein Element ein höheres Atomgewicht als ein anderes Element mit einer höheren Atomzahl aufwies.
Das moderne Periodensystem zeigt die Elemente in Kästchen, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei die Ordnungszahl entlang jeder Zeile aufsteigt. Jede Säule gruppiert Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften. Die Säulen werden durch die Anzahl und Anordnung der Elektronen in den Atomen bestimmt, die wiederum durch die Anzahl der Protonen bestimmt wird. Jedes Kästchen enthält normalerweise das chemische Symbol für das Element mit der Ordnungszahl darüber.