Einer der wichtigsten und interessantesten Themen in der Chemie ist die Vorhersage des Reaktionsverhaltens, dazu gibt es inzwischen viele Gesetzmäßigkeiten v.a. aus dem Bereich der physikalischen und theoretischen Chemie: Es soll aus dem Atomaufbau eines Elementes etwas über dessen Reaktionsverhalten vorhergesagt werden. Da das chemische Reaktionsverhalten hauptsächlich von den Valenzelektronen abhängt, ist es ausreichend sich mit der Elektronenverteilung (v.a. der Valenzelektronen) in der Atomhülle zu beschäftigen.
Im Periodensystem existieren einige Trends, anhand dieser kann man einige Reaktivitätstrends vorhersagen. Das Grundprinzip lautet hierbei: bevorzugt reagieren Elemente mit niedriger Ionisierungsenergie mit Elementen mit geringerer Elektronenaffinität.
Zuerst einmal sollte erwähnt werden, dass sich die Komplexität des Themas auf dem Niveau “Allgemeine Chemie” befindet und kein Kurs im Hauptstudium Theoretische Chemie ist.
Wer das Kapitel Periodensystem durchgearbeitet hat, weiß, dass die Kenntnis der Elektronenkonfiguration eines Atoms bedeutet, dass dessen Stellung im Periodensystem bekannt ist. So kann man umgekehrt auch aus der Stellung eines Elementes im Periodensystem auf die Elektronenkonfiguration schließen. Hierzu bedient man sich des Bohrschen Atommodells bzw. des Orbitalmodells. Das wichtigste aber, lässt sich ohne diese Modelle ablesen, nämlich die Zahl der Valenzelektronen. Die Zahl der Valenzelektronen eines Hauptgruppenelementes ist gleich der Hauptgruppennummer.
In der Einleitung steht, dass eine niedrige Ionisierungsenergie (ein Elektron wird abgegeben) und eine niedrige Elektronenaffinität (ein Elektron wird aufgenommen) eine Reaktion begünstigt. Aufgrund dieser Größen kann das chemische Verhalten der Hauptgruppenelemente leicht vorhergesagt werden: je geringer der “Abstand” eines Hauptgruppenelementes zum nächsten Edelgas, desto reaktionsfreudiger ist dieses Element ( So reagiert ein Element aus der 1.HG mit einem Element aus der 7. HG besonders gut, so hat das Element der 1.HG ein Elektron mehr als das vorangegangene Edelgas und dem Element der 7. HG fehlt nur ein Elektron auf das nachfolgende Edelgas). Je weiter man sich von den Rändern des PSE entfernt (zur Mitte hin, z.B. Kohlenstoffatom), desto weniger reaktiv sind die Hauptgruppenelemente.
Eine weitere Eigenschaft lässt sich ebenfalls noch vorhersagen, nämlich der metallische Charakter. Typisch für Metalle ist, dass die Valenzelektronen leicht abgegeben werden können (siehe Metallbindung auf Lernort-Mint.de).
Somit weisen die Elemente die sich links im PSE (v.a. 1. – 3. Hauptgruppe) befinden weitgehend metallische Eigenschaften und die Elemente, die eher Elektronen aufnehmen weisen weitgehend nichtmetallische Eigenschaften auf. Mit Hilfe dieses Modells lässt sich auch begründen, warum der Metallcharakter in einer Gruppe von oben nach unten zunimmt: Innerhalb einer Gruppe nimmt der Atomradius von oben nach unten (aufgrund steigender Anzahl an Schalen) zu und somit sinkt die Anziehungskraft der Protonen im Kern auf die Valenzelektronen und es ist für dieses Atom leichter, ein Elektron abzugeben (geringere Ionisierungsenergie), was eine typische Metalleigenschaft ist.
Bei den Elementen der ersten drei Hauptgruppen ist eine Zunahme der Reaktivität von oben nach unten zu beobachten, bei den Elementen der 6. und 7. Hauptgruppe ist das Gegenteil zu sehen. Um den Edelgaszustand zu erreichen ist es für die Elemente der 1. – 3. Hauptgruppe energetisch günstiger, Valenzelektronen abzugeben. Wie vorher schon einmal erwähnt wurde, bedeutet eine geringe Ionisierungsenergie eine höhere Reaktivität. Da die Ionisierungsenergie in der 1.- 3. Hauptgruppe von oben nach unten abnimmt (aufgrund der geringeren Anziehung der Protonen auf die Valenzelektronen), steigt die Reaktivität von oben nach unten.
Bei den Elementen der 6. und 7. Hauptgruppe ist dies anders, für diese Elemente ist es energetisch günstiger, Elektronen aufzunehmen, um so die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Je kleiner der Radius Protonen – Valenzelektronen umso höher ist die Anziehung der Elementarteilchen zueinander und umso leichter kann ein Elektron aufgenommen werden (deshalb ist Fluor auch so reaktiv -> kleiner Atomradius)
Eine weitere Methode zur Abschätzung des Reaktionsverhaltens ist das HSAB-Konzept. Das HSAB-Konzept (manchmal auch Pearson-Konzept genannt) steht für “Hard and Soft Acids and Bases” und basiert auf dem Lewis-Säure-Base-Konzept, also auf der Reaktivität von Elektronenpaardonatoren (Lewis-Basen) und Elektronenpaarakzeptoren (Vorstellung, dass jede Reaktion durch Elektronendonatoren und -akzeptoren beschrieben werden kann).
Bevorzugte Bindungen: weich-weich und hart-hart.
Die Elektronenverteilung in Atomen bezieht sich auf die Anordnung der Elektronen in den Energieniveaus oder Schalen um den Atomkern. Sie ist wichtig, weil sie die chemischen Eigenschaften eines Elements und seine Fähigkeit zu reagieren, also seine Reaktivität, direkt beeinflusst.
Atome streben eine stabile Elektronenkonfiguration an, normalerweise eine volle äußere Schale. Atome mit fast vollen oder fast leeren äußeren Schalen sind reaktiver als Atome mit vollständig gefüllten Schalen.
Die Oktettregel besagt, dass Atome dazu neigen, ihre äußere Elektronenschale so zu füllen oder zu leeren, dass sie acht Elektronen enthält. Sie ist deshalb wichtig, weil Atome mit acht Elektronen in ihrer äußeren Schale stabil sind und daher eine geringere Reaktivität zeigen.
Ein Valenzelektron ist ein Elektron, das sich in der äußersten Elektronenschale eines Atoms befindet. Je mehr Valenzelektronen ein Atom hat, desto reaktiver ist es, da es dazu neigt, Elektronen aufzunehmen oder abzugeben, um eine stabile Elektronenkonfiguration zu erreichen.
Die Position eines Elements im Periodensystem gibt Aufschluss über die Anzahl seiner Valenzelektronen und daher auch über seine Elektronenverteilung und Reaktivität. Elemente in der gleichen Gruppe (vertikale Spalte) haben die gleiche Anzahl von Valenzelektronen und zeigen daher ähnliche chemische Eigenschaften.
Edelgase sind weniger reaktiv, weil sie eine vollständig gefüllte äußere Elektronenschale haben. Dies führt zu einer stabilen Elektronenverteilung, die keiner weiteren Ergänzung oder Haftung von Elektronen bedarf und daher zu geringer Reaktivität führt.
Alkalimetalle sind hochreaktiv, weil sie nur ein Valenzelektron in ihrer äußeren Schale haben. Dies macht sie energetisch instabil. Sie geben dieses Elektron leicht ab, um eine volle äußere Schale zu erreichen, was dazu führt, dass sie sehr reaktiv sind.
Die Ionisierungsenergie ist die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron von einem Atom zu entfernen. Atome mit niedriger Ionisierungsenergie geben leichter Elektronen ab und sind daher reaktiver.
Die Elektronegativität ist ein Maß für die Fähigkeit eines Atoms, Elektronen an sich zu ziehen. Atome mit hoher Elektronegativität ziehen Elektronen stärker an und sind daher tendenziell reaktiver.
Ja, Atome mit ähnlicher Elektronenverteilung, insbesondere mit der gleichen Anzahl an Valenzelektronen, können ähnliche Grade an Reaktivität aufweisen, da sie ähnliche Tendenzen zur Aufnahme oder Abgabe von Elektronen haben.