Trends in den chemischen Eigenschaften der Elemente

Wie bereits erwähnt, besteht die charakteristische chemische Eigenschaft eines Metallatoms darin, ein oder mehrere seiner Elektronen zu verlieren und ein positives Ion zu bilden. Bestimmte Metalle verlieren jedoch viel leichter Elektronen als andere. So kann insbesondere Cäsium (Cs) sein Valenzelektron leichter abgeben als Lithium (Li). Bei den Alkalimetallen (den Elementen der Gruppe 1) variiert die Leichtigkeit, mit der ein Elektron abgegeben wird, wie folgt: Cs > Rb > K > Na > Li, wobei Cs am wahrscheinlichsten und Li am unwahrscheinlichsten ein Elektron verliert. Je weiter man in der Gruppe nach unten geht, desto wahrscheinlicher wird es, dass die Metalle ein Elektron verlieren, weil das Elektron, das entfernt wird, immer weiter vom positiven Kern entfernt ist. Das heißt, das Elektron, das aus Cs verloren geht, um Cs+ zu bilden, liegt in einem viel größeren Abstand zum attraktiven positiven Kern und ist daher leichter zu entfernen als das Elektron, das aus einem Lithiumatom entfernt werden muss, um Li+ zu bilden. Die gleiche Tendenz ist auch bei den Elementen der Gruppe 2 (den Erdalkalimetallen) zu beobachten; je weiter unten in der Gruppe sich das Metall befindet, desto wahrscheinlicher ist es, dass es ein Elektron verliert.

Gleich wie die Metalle unterscheiden sich auch die Nichtmetalle in ihren Eigenschaften. In der Regel befinden sich die chemisch aktivsten Metalle in der linken unteren Region des Periodensystems, während die chemisch aktivsten Nichtmetalle in der rechten oberen Region zu finden sind. Die Eigenschaften der Halbmetalle oder Metalloide liegen zwischen denen der Metalle und der Nichtmetalle.

Die Ionisierungsenergie eines Elements ist die Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron aus einem einzelnen Atom zu entfernen. Hier steht M(g) für ein Metall im Dampfzustand.

Metallatome verlieren Elektronen an Nichtmetallatome, weil Metalle typischerweise relativ niedrige Ionisierungsenergien haben. Metalle am unteren Ende einer Gruppe verlieren leichter Elektronen als solche am oberen Ende. Das heißt, dass die Ionisierungsenergie von oben nach unten in einer Gruppe tendenziell abnimmt. Die Nichtmetalle, die im rechten Bereich des Periodensystems zu finden sind, haben relativ große Ionisierungsenergien und nehmen daher eher Elektronen auf. Die Ionisierungsenergien nehmen im Allgemeinen in einer bestimmten Periode von links nach rechts zu. So haben die Elemente, die im unteren linken Bereich des Periodensystems vorkommen, die niedrigsten Ionisierungsenergien (und sind daher die chemisch aktivsten Metalle), während die Elemente, die im oberen rechten Bereich des Periodensystems vorkommen, die höchsten Ionisierungsenergien haben (und daher die chemisch aktivsten Nichtmetalle sind).

Wie bereits erwähnt, werden bei der Reaktion eines nichtmetallischen Elements mit einem metallischen Element Elektronen von den Atomen des Metalls auf die Atome des Nichtmetalls übertragen, wobei positive Ionen (Kationen) und negative Ionen (Anionen) entstehen. Auf diese Weise entsteht eine ionische Verbindung. So reagieren beispielsweise Lithium und Fluor (F) zu Lithiumfluorid (LiF), das Li+ und F- Ionen enthält.

Reagieren dagegen zwei nichtmetallische Elemente, verbinden sich die Atome zu Molekülen, indem sie Elektronen teilen. Bindungen, die durch den Austausch von Elektronen zwischen Atomen entstehen, werden kovalente Bindungen genannt. Die Elektronen werden geteilt und nicht übertragen, weil die beiden Nichtmetallatome vergleichbare Anziehungskräfte für die Elektronen in der Bindung haben. So besteht beispielsweise Fluorgas aus F2-Molekülen, in denen die Fluoratome durch die gemeinsame Nutzung eines Elektronenpaares verbunden sind, wobei jedes Atom ein Elektron beisteuert. Darüber hinaus reagieren Wasserstoff und Fluor zu Fluorwasserstoff, der HF-Moleküle enthält. Die Wasserstoff- und Fluoratome sind durch ein Elektronenpaar aneinander gebunden, wobei ein Elektron vom Wasserstoffatom und eines vom Fluoratom beigesteuert wird. Obwohl die Elektronen zwischen dem Wasserstoff- und dem Fluoratom geteilt werden, sind sie in diesem Fall nicht gleichmäßig verteilt. Dies wird daran deutlich, dass das HF-Molekül polar ist; das Wasserstoffatom ist teilweise positiv geladen (δ+), während das Fluoratom teilweise negativ geladen ist (δ-): H-F
δ+ δ- (In diesem Beispiel steht das Symbol δ für eine Zahl kleiner als eins.) Diese elektrische Polarität kommt zustande, weil die gemeinsam genutzten Elektronen mehr Zeit in der Nähe des Fluoratoms verbringen als in der Nähe des Wasserstoffatoms. Das heißt, Fluor hat eine größere Affinität zu den geteilten Elektronen als Wasserstoff. Dies führt zu einer polaren kovalenten Bindung.

Die Fähigkeit eines Atoms, die mit einem anderen Atom geteilten Elektronen anzuziehen, wird als seine Elektronegativität bezeichnet. Die relativen Elektronegativitäten der verschiedenen Atome können durch Messung der Polaritäten der Bindungen, an denen die betreffenden Atome beteiligt sind, bestimmt werden. Fluor hat die größte Elektronegativität (4,0 nach der Pauling-Skala), Cäsium und Francium haben die kleinsten Werte (0,79 bzw. 0,7). Im Allgemeinen haben Nichtmetallatome höhere Elektronegativitätswerte als Metallatome. Im Periodensystem nimmt die Elektronegativität in der Regel zu, wenn man eine Periode überschreitet, und ab, wenn man eine Gruppe absteigt. Wenn Elemente mit sehr unterschiedlichen Elektronegativitäten (wie Fluor und Cäsium) miteinander reagieren, werden ein oder mehrere Elektronen übertragen und eine ionische Verbindung gebildet. Cäsium und Fluor reagieren zum Beispiel zu CsF, das Cs+- und F- Ionen enthält. Wenn Nichtmetallatome mit unterschiedlichen Elektronegativitäten reagieren, bilden sie Moleküle mit polaren kovalenten Bindungen.

Eine weitere wichtige Eigenschaft der Atome ist die Atomgröße. Die Größe der Atome variiert; die Atome werden im Allgemeinen größer, wenn man eine Gruppe im Periodensystem absteigt, und kleiner, wenn man eine Periode von links nach rechts durchläuft.