Blöcke des Periodensystems
Die s-, p-, d- und f-Blöcke zeigen, welcher Typ atomarer Unterschale im Verlauf des Periodensystems aufgefüllt wird. Ihre Breiten und Positionen sind nicht dekorativ: Sie ergeben sich aus den Orbital-Kapazitäten und aus der Reihenfolge, in der Unterschalen energetisch zugänglich werden.
Blockdefinition und Unterschalenkapazität
Der s-Block entspricht hauptsächlich der Besetzung von ns-Orbitalen; der p-Block np, der d-Block (n−1)d und der f-Block (n−2)f. Eine s-Unterschale fasst 2 Elektronen, p 6, d 10 und f 14 – genau die charakteristischen Blockbreiten.
s-Block
Gruppen 1–2 plus Helium nach Elektronenkonfiguration. Typisches äußeres Muster ns¹–².
p-Block
Gruppen 13–18 außer He. Typisches äußeres Muster ns²np¹–⁶.
d-Block
Übergangselemente. Besetzung von (n−1)d-Orbitalen; an der Chemie sind häufig sowohl ns- als auch d-Elektronen beteiligt.
f-Block
Lanthanoide und Actinoide. Besetzung von (n−2)f-Orbitalen; meist unterhalb dargestellt, damit die Tabelle kompakt bleibt.
Aufbau des Periodensystem-Layouts
Periode 1 enthält nur 1s und damit zwei Elemente. Perioden 2 und 3 füllen ns und danach np und enthalten jeweils 8 Elemente. Perioden 4 und 5 schieben zwischen s und p einen d-Block mit zehn Elementen ein und enthalten daher 18. Perioden 6 und 7 umfassen zusätzlich den 14 Elemente breiten f-Block und können 32 Elemente enthalten.
Die abgesetzten f-Reihen sind eine typografische Entscheidung. In der vollständigen Langform gehören Lanthanoide und Actinoide zwischen die s- und d-Teile der Perioden 6 und 7; ihre Darstellung darunter verhindert eine extrem breite Tabelle.
Konfigurationen aus der Position ablesen
Die Position im Block liefert schnell das Muster der zuletzt gefüllten Unterschale. Ein Element in der zweiten Spalte des p-Blocks hat np²; eines in der fünften np⁵, bei Hauptgruppenelementen zusammen mit dem vorausgehenden ns².
Schwefel liegt zum Beispiel in Periode 3 und in der vierten Spalte des p-Blocks, also [Ne]3s²3p⁴. Calcium liegt in Periode 4, zweite Spalte des s-Blocks, also [Ar]4s². Scandium beginnt nach 4s² die 3d-Reihe: [Ar]3d¹4s².
Die Blockkarte ist nützlich, aber nicht unfehlbar
Die Blockklassifikation folgt der Elektronenstruktur, doch einzelne Grundzustandskonfigurationen weisen Ausnahmen auf. Cr und Cu folgen nicht der einfachsten 4s²3dⁿ-Vorhersage, und schwerere d- und f-Block-Elemente zeigen weitere Unregelmäßigkeiten, weil benachbarte Unterschalen energetisch nahe beieinanderliegen.
Helium ist ein weiteres lehrreiches Beispiel: Seine Konfiguration lautet 1s² und entspricht elektronisch einem s-Block-Muster; dennoch steht es in Gruppe 18, weil geschlossene Schale und chemisches Verhalten zu den Edelgasen passen.
Das Periodensystem kodiert somit gleichzeitig Elektronenkonfiguration und chemische Ähnlichkeit. Beide Prinzipien verstärken sich, sind aber nicht in jedem Fall identische Klassifikationsregeln.
Aufbau Periode für Periode
| Periode | Im Verlauf der Periode besetzte Unterschalen | Maximale Elementzahl |
|---|---|---|
| 1 | 1s | 2 |
| 2 | 2s, 2p | 8 |
| 3 | 3s, 3p | 8 |
| 4 | 4s, 3d, 4p | 18 |
| 5 | 5s, 4d, 5p | 18 |
| 6 | 6s, 4f, 5d, 6p | 32 |
Das Muster zeigt, warum Periodennummer und n-Wert der gerade besetzten Unterschale nicht immer übereinstimmen. Der d-Block der 4. Periode ist 3d, der f-Block der 6. Periode 4f.
Blöcke verbinden Position und Chemie
s-Block-Metalle besitzen meist ein oder zwei leicht abzugebende ns-Elektronen. Die Chemie des p-Blocks reicht von Metallen über Halbmetalle bis zu stark elektronegativen Nichtmetallen, während die np-Unterschale über sechs Spalten gefüllt wird. d-Block-Elemente zeigen variable Oxidationsstufen und Koordinationschemie, weil mehrere d- und s-Zustände energetisch nahe liegen.
Im f-Block sind die Änderungen entlang der Lanthanoide subtiler, weil 4f-Elektronen schlecht abschirmen und relativ kontrahiert bleiben. Diese schwache Abschirmung verursacht die Lanthanoidenkontraktion, die wiederum die Größen nachfolgender Übergangsmetalle beeinflusst.
Helium und die Grenzen einer einzigen Klassifikation
Elektronisch ist He 1s² und würde damit in eine s-Block-Definition passen. Chemisch macht seine geschlossene Schale es eindeutig zum Edelgas, weshalb es über Ne in Gruppe 18 steht. Das erinnert daran, dass das Periodensystem sowohl Orbitalbesetzung als auch wiederkehrende Chemie kodiert.
Ähnliche Diskussionen über die genaue Platzierung mancher f-Block-Endpunkte spiegeln denselben Sachverhalt wider: Blockbezeichnungen sind Erklärungswerkzeuge, während reale elektronische Strukturen nahe an Klassifikationsgrenzen liegen können.
Gruppennummern und Position im Block
Im p-Block lässt sich die moderne Gruppennummer in die Zahl der äußeren s- und p-Elektronen übersetzen: Gruppen 13 bis 18 entsprechen grob ns²np¹ bis ns²np⁶. Deshalb besitzen C und Si, beide Gruppe 14, dasselbe Valenzmuster ns²np², obwohl ihre Hauptschalenzahlen verschieden sind.
Im d-Block ist die Beziehung weniger direkt, weil sich ns- und (n−1)d-Besetzungen umordnen können. Die Gruppennummer spiegelt weiterhin grob Elektronenzahl und Chemie wider, doch Oxidationsstufen und tatsächliche Konfigurationen müssen elementweise geprüft werden.
Die verzögerte d-Block-Folge
Die erste d-Unterschale ist 3d, beginnt aber erst in Periode 4 mit der Besetzung, weil 4s zuvor energetisch zugänglich wird. Entsprechend gehört 4d zu Periode 5 und 5d zu Periode 6. Die Periodennummer bezeichnet daher die höchste Hauptschale, die am Anfang und Ende der Reihe besetzt wird, nicht jede dazwischen gefüllte Unterschale.
Der f-Block und die Lanthanoidenkontraktion
Entlang der 4f-Reihe schirmen die hinzugefügten f-Elektronen die zunehmende Kernladung nur schlecht ab. Die äußere Elektronenhülle wird zunehmend nach innen gezogen; es entsteht die Lanthanoidenkontraktion. Der Effekt reicht über den f-Block hinaus: Hf wird nahezu so groß wie Zr und beeinflusst damit die Chemie der gesamten 5d-Übergangsreihe.
Der f-Block ist also kein abgetrennter Anhang. Seine Elektronenstruktur verändert Größe und Chemie der Elemente, die ihm im Hauptteil der Tabelle folgen.
Übungen
Länge der 4. Periode
Warum enthält Periode 4 18 Elemente?
Lösung
Es werden 4s² + 3d¹⁰ + 4p⁶ = 18 Elektronen im Verlauf der Periode aufgefüllt.
Selen
Se liegt in Periode 4, vierte Spalte des p-Blocks. Gib seine äußere Konfiguration an.
Lösung
4s²4p⁴, davor die vollständig gefüllte 3d¹⁰-Unterschale und der [Ar]-Rumpf.
f-Block
Warum ist der f-Block 14 Elemente breit?
Lösung
f hat ℓ = 3, also 2ℓ + 1 = 7 Orbitale; 7 × 2 = 14 Elektronen.