Wie hängen die Valenzelektronen eines Elements mit seiner Gruppe im Periodensystem zusammen?

1869 veröffentlichte Dmitri Mendelejew eine Arbeit mit dem Titel "Über die Beziehung der Eigenschaften der Elemente zu ihren Atomgewichten". In diesem Papier er erzeugte eine geordnete Anordnung der Elemente, listete sie nach steigendem Gewicht auf und ordnete sie in Gruppen auf der Grundlage ähnlicher Chemikalien an Eigenschaften. Obwohl es viele Jahrzehnte dauerte, bis die Details der Atomstruktur entdeckt wurden, ordnete Mendelejews Tabelle Elemente bereits nach ihrer Wertigkeit.

Zu Mendelejews Zeit galten Atome als unteilbare, einzigartige Einheiten. Einige waren schwerer als andere, und es schien vernünftig, die Elemente durch Erhöhung des Gewichts zu ordnen. Bei diesem Ansatz gibt es zwei Probleme. Erstens ist das Messen von Gewichten eine schwierige Aufgabe, und viele der akzeptierten Gewichte von Mendeleev waren nicht korrekt. Zweitens stellt sich heraus, dass das Atomgewicht nicht wirklich der relevante Parameter ist. Das heutige Periodensystem ordnet die Elemente nach ihrer Ordnungszahl, also der Anzahl der Protonen im Kern. Zu Mendelejews Zeit waren Protonen noch nicht entdeckt worden.

Mendelejew schrieb, dass "die Anordnung nach Atomgewicht der Wertigkeit des Elements und in gewissem Maße der Differenz entspricht" im chemischen Verhalten." Die Wertigkeit war nach Mendelejews Verständnis ein Hinweis auf die Fähigkeit eines Elements, sich mit anderen zu verbinden Elemente. Mendelejew kombinierte die Ordnung des Atomgewichts mit gemeinsamen Wertigkeiten, um die Elemente in einer Tabelle zu organisieren. Das heißt, er ordnete die Elemente nach ihren chemischen Eigenschaften in Gruppen. Da sich diese Eigenschaften von Zeit zu Zeit wiederholen, war das Ergebnis ein Periodensystem, in dem jede vertikale Spalte, die als Gruppe bezeichnet wird, Elemente enthält mit ähnlichen Eigenschaften, und jede horizontale Reihe, die als Periode bezeichnet wird, ordnet die Elemente nach Gewicht an, von links nach rechts und von oben nach. ansteigend Unterseite.

Ungefähr 50 Jahre nach Mendelejews erstem Periodensystem entdeckten Wissenschaftler, dass das Atom gebaut wurde um einen Kern mit positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen – die beide relativ zueinander sind schwer. Der positiv geladene Kern ist von einer Wolke aus negativ geladenen Elektronen umgeben. Die Anzahl der Protonen – auch Ordnungszahl genannt – entspricht typischerweise der Anzahl der Elektronen. Es stellt sich heraus, dass die Anzahl der Elektronen, die ein Element besitzt, seine chemischen Eigenschaften maßgeblich bestimmt. Die richtige Reihenfolge im Periodensystem wird also durch die Anzahl der Elektronen bestimmt, nicht durch das Gewicht, wie Mendeleev ursprünglich vorgeschlagen hatte.

Die Elektronen in der Wolke, die den Kern eines Elements umgibt, sind in Schichten, sogenannten Schalen, angeordnet. Jede Schale hat eine bestimmte Anzahl von Elektronen, die sie aufnehmen kann. Wenn jede Schale gefüllt ist, wird eine neue Schale hinzugefügt, bis alle Elektronen berücksichtigt sind. Elektronen in der äußersten Schale werden Valenzelektronen genannt, weil ihre Wechselwirkungen die chemischen Eigenschaften eines Elements bestimmen. Die Säulen, die aufgestellt wurden, um Elemente nach ähnlichen chemischen Eigenschaften zu gruppieren, erweisen sich als exakt die gleichen Säulen, die durch die Anzahl der Valenzelektronen definiert sind. Elemente in Gruppe 1A haben nur ein Valenzelektron, und jede Spalte der Gruppe A rechts fügt ein weiteres Valenzelektron hinzu. Die Organisation wird bei den Elementen der Gruppe B etwas trüb, aber jedes von ihnen wird auch nach der Anzahl der Valenzelektronen gruppiert.