Hauptgruppen im Periodensystem einfach erklärt

Eine Gruppe ist eine senkrechte Spalte im Periodensystem. Waagerechte Reihen heißen dagegen Perioden. Von oben nach unten steigt in einer Gruppe die Ordnungszahl.

Das Periodensystem hat insgesamt 18 Gruppen. Acht davon sind Hauptgruppen: in der modernen Nummerierung der IUPAC, der internationalen Vereinigung für Chemie, die Gruppen 1, 2 und 13 bis 18. Im Unterricht begegnet dir außerdem die traditionelle Nummerierung I bis VIII. Die Tabelle stellt beide nebeneinander.

Die IUPAC-Gruppen 3 bis 12 liegen zwischen den Hauptgruppen II und III. Im traditionellen Schulmodell werden sie als Nebengruppen zusammengefasst.

Valenzelektronen sind die Elektronen in der äußersten besetzten Schale eines Atoms. Sie sind für viele chemische Reaktionen besonders wichtig. Mit Ausnahme von Helium besitzen Hauptgruppenelemente derselben Gruppe gleich viele Valenzelektronen. Die traditionelle Hauptgruppennummer nennt ihre Zahl, wie die Tabelle oben zeigt. Darum ähneln sich die chemischen Eigenschaften der Elemente einer Gruppe häufig.

Helium steht bei den Edelgasen, obwohl es nur zwei Valenzelektronen hat. Seine einzige Elektronenschale ist damit bereits voll besetzt. Entscheidend ist also die stabile Elektronenanordnung der Edelgase: acht Elektronen auf der äußersten Schale, bei Helium zwei in seiner einzigen, damit vollen Schale.

Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Teilchen. Gibt ein neutrales Atom Elektronen ab, entsteht ein positiv geladenes Ion, ein Kation. Nimmt es Elektronen auf, entsteht ein negativ geladenes Ion, ein Anion.

Für ausgewählte Hauptgruppen lässt sich eine einfache Ionenladung gut vorhersagen. Atome der Hauptgruppe I geben häufig ein Valenzelektron ab und bilden Ionen mit der Ladung +1. Atome der Hauptgruppe II geben häufig zwei Valenzelektronen ab und bilden Ionen mit der Ladung +2. Atome der Hauptgruppe VII nehmen häufig ein Elektron auf und bilden Ionen mit der Ladung −1. Edelgase besitzen schon eine Edelgaskonfiguration und sind sehr reaktionsträge.

Diese Regel ist eine begrenzte Vorhersagehilfe. Sie bedeutet nicht, dass jedes Hauptgruppenelement immer ein einfaches Ion bildet oder dass alle Gruppen gleich einheitlich reagieren.

Gleich viele Valenzelektronen führen oft zu ähnlichem Reaktionsverhalten. Die Ähnlichkeit ist aber nicht in jeder Hauptgruppe gleich stark. Besonders deutlich zeigt sie sich bei Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, Halogenen und Edelgasen.

Alkalimetalle sind weiche, leichte und sehr reaktive Metalle. Sie reagieren stark mit Wasser und Sauerstoff und kommen in der Natur deshalb nur gebunden vor. Erdalkalimetalle sind Metalle und ähneln den Alkalimetallen in abgeschwächter Form. Halogene sind reaktionsfreudige Nichtmetalle mit sieben Valenzelektronen. Sie reagieren mit Metallen zu Salzen. Edelgase besitzen eine Edelgaskonfiguration und reagieren fast nicht mit anderen Stoffen.

Nicht jede Gruppe besteht aus einem einzigen Stofftyp. Die Kohlenstoffgruppe enthält zum Beispiel Nichtmetalle, Halbmetalle und Metalle. „Gleiche Hauptgruppe“ bedeutet daher ähnlich, nicht identisch. Auch Wasserstoff mahnt zur Vorsicht: Er steht formal in Gruppe 1 und besitzt ein Valenzelektron, ist aber ein gasförmiges Nichtmetall. Als Alkalimetalle gelten Lithium bis Francium.

Innerhalb einer Hauptgruppe können sich Eigenschaften regelmäßig verändern. Bei den Alkalimetallen zeigt die Reaktion mit Wasser einen klaren Trend, den die Tabelle festhält. Beobachtung: Von Lithium in Richtung Caesium wird die Reaktion heftiger. Das ist der aus den Daten abgeleitete Reaktivitätstrend.

Modellerklärung: Nach unten kommen zusätzliche Elektronenschalen hinzu. Sie schirmen das äußere Elektron stärker von der positiven Kernladung ab. Das einzige Valenzelektron lässt sich deshalb leichter abgeben. Dadurch steigt die Reaktivität der Alkalimetalle nach unten.

Vorhersage: Ein weiter unten stehendes Alkalimetall wird voraussichtlich reaktiver sein als ein weiter oben stehendes. Die Aussage gilt für diesen Gruppentrend; sie ist keine Regel für jede beliebige Hauptgruppe. Bei den Halogenen nimmt die Reaktivität nach unten beispielsweise ab.

Reaktionen von Alkalimetallen mit Wasser sind gefährlich. Die Tabelle dient nur zum Auswerten bereits erhobener Beobachtungen, nicht als Anleitung zum eigenen Experiment.