Chemische Elemente der vierten Periode

Grundidee der vierten Periode

Die vierte Periode des Periodensystems umfasst alle chemischen Elemente, deren Atome genau vier Elektronenschalen besitzen. Eine Elektronenschale ist ein Bereich um den Atomkern, in dem sich Elektronen aufhalten. Die innerste, erste Schale ist vollständig mit zwei Elektronen besetzt. Die zweite Schale enthält vollständig acht Elektronen. Die dritte Schale besitzt mindestens acht und höchstens 18 Elektronen. Die äußerste, vierte Schale wird auch Valenzschale genannt und kann zwischen ein und acht Elektronen aufnehmen.

Aus diesen Elektronenverteilungen ergibt sich, dass die vierte Periode insgesamt 18 chemische Elemente umfasst. Sie beginnt mit dem Alkalimetall Kalium mit der Ordnungszahl 19 und endet mit dem Edelgas Krypton mit der Ordnungszahl 36. Die Ordnungszahl gibt die Stellung eines Elements im Periodensystem an.

Elektronenverteilung auf den Schalen

Die Elektronen einer Schale werden in Orbitale eingeordnet. Ein Orbital ist ein Bereich, in dem sich Elektronen mit bestimmten Eigenschaften aufhalten können. Die Tabelle des Artikels unterscheidet s-, p-, d- und f-Orbitale.

• Die erste Elektronenschale enthält insgesamt zwei Elektronen. Beide befinden sich im s-Orbital. Sie ist die innerste Elektronenschale.
• Die zweite Elektronenschale enthält insgesamt acht Elektronen: zwei im s-Orbital und sechs im p-Orbital.
• Die dritte Elektronenschale enthält insgesamt acht bis 18 Elektronen: zwei im s-Orbital, sechs im p-Orbital und null bis zehn im d-Orbital.
• Die vierte Elektronenschale enthält insgesamt ein bis acht Elektronen: ein bis zwei im s-Orbital und null bis sechs im p-Orbital. d- und f-Orbitale werden für diese Schale in der Tabelle nicht angegeben. Sie ist die äußerste Elektronenschale beziehungsweise Valenzschale.

Die Elektronenkonfigurationen der Elemente der vierten Periode zeigen, wie die Elektronen auf diese Orbitale verteilt sind. Dabei wird die Abkürzung [Ar] verwendet; die danach genannten Orbitale beschreiben die zusätzlichen Elektronen gegenüber dieser Konfiguration.

Aufbau im Periodensystem

Im Auszug aus dem Periodensystem stehen die Elemente der vierten Periode in den Gruppen 1 bis 18. Ihre Ordnungszahlen steigen von 19 bis 36 an. Die Reihenfolge lautet:

Kalium (K), Calcium (Ca), Scandium (Sc), Titan (Ti), Vanadium (V), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Gallium (Ga), Germanium (Ge), Arsen (As), Selen (Se), Brom (Br) und Krypton (Kr).

Der Auszug ordnet die Elemente außerdem nach Kategorien. Kalium ist ein Alkalimetall, Calcium ein Erdalkalimetall. Scandium bis Zink werden als Übergangsmetalle eingeordnet. Gallium gehört zu den sonstigen Metallen. Germanium, Arsen und Selen werden in der Tabelle als Halbmetalle bezeichnet. Brom ist ein Halogen und Krypton ein Edelgas.

Die 18 Elemente und ihre Konfigurationen

Alle Elemente der vierten Periode sind bei den im Artikel angegebenen Bedingungen fest, mit zwei Ausnahmen: Brom ist flüssig und Krypton ist gasförmig. Die Liste gibt folgende Elektronenkonfigurationen an:

• Ordnungszahl 19: Kalium (K), Alkalimetalle, fest: [Ar] 4s^1.
• 20: Calcium (Ca), Erdalkalimetalle, fest: [Ar] 4s^2.
• 21: Scandium (Sc), Übergangsmetalle, fest: [Ar] 3d^1 4s^2.
• 22: Titan (Ti), Übergangsmetalle, fest: [Ar] 3d^2 4s^2.
• 23: Vanadium (V), Übergangsmetalle, fest: [Ar] 3d^3 4s^2.
• 24: Chrom (Cr), Übergangsmetalle, fest: [Ar] 3d^5 4s^1.
• 25: Mangan (Mn), Übergangsmetalle, fest: [Ar] 3d^5 4s^2.
• 26: Eisen (Fe), Übergangsmetalle, fest: [Ar] 3d^6 4s^2.
• 27: Cobalt (Co), Übergangsmetalle, fest: [Ar] 3d^7 4s^2.
• 28: Nickel (Ni), Übergangsmetalle, fest: [Ar] 3d^8 4s^2.
• 29: Kupfer (Cu), Übergangsmetalle, fest: [Ar] 3d^10 4s^1.
• 30: Zink (Zn), Übergangsmetalle, fest: [Ar] 3d^10 4s^2.
• 31: Gallium (Ga), sonstige Metalle, fest: [Ar] 3d^10 4s^2 4p^1.
• 32: Germanium (Ge), Halbmetalle, fest: [Ar] 3d^10 4s^2 4p^2.
• 33: Arsen (As), Halbmetalle, fest: [Ar] 3d^10 4s^2 4p^3.
• 34: Selen (Se), Halbmetalle, fest: [Ar] 3d^10 4s^2 4p^4.
• 35: Brom (Br), Halogene, flüssig: [Ar] 3d^10 4s^2 4p^5.
• 36: Krypton (Kr), Edelgase, gasförmig: [Ar] 3d^10 4s^2 4p^6.

Auffällig ist der schrittweise Aufbau der 3d- und 4p-Orbitale. Bei Chrom und Kupfer weicht die angegebene Verteilung von einem einfachen gleichmäßigen Auffüllen der 4s- und 3d-Orbitale ab: Chrom besitzt [Ar] 3d^5 4s^1, Kupfer [Ar] 3d^10 4s^1.

Magische Ordnungszahlen

Calcium und Nickel besitzen mit den Ordnungszahlen 20 beziehungsweise 28 im Grundzustand des Atomkerns eine höhere Stabilität als benachbarte Nuklide. Solche besonderen Ordnungszahlen werden als magische Zahlen bezeichnet. Für die vierte Periode sind daher insbesondere die Ordnungszahlen 20 und 28 wichtig.