Die Ordnungszahl ist die Anzahl der Protonen – positiv geladene Teilchen – im Atomkern eines chemischen Elements. Elemente unterscheiden sich durch die Anzahl dieser Teilchen, die sie haben, und so hat jedes Element seine eigene einzigartige Ordnungszahl. Die chemischen Eigenschaften eines Elements werden durch die Anzahl der Elektronen bestimmt, bei einem neutralen Atom entspricht diese jedoch der Anzahl der Protonen. Atome können jedoch Elektronen aufnehmen oder verlieren, um negativ oder positiv geladene Ionen zu bilden, daher wird die Ordnungszahl als die Anzahl der Protonen definiert, da diese für ein gegebenes Element immer gleich ist.
Ordnungszahl, Massenzahl und Atomgewicht
Es ist möglich, diese Werte zu verwechseln, aber sie unterscheiden sich ziemlich voneinander. Atome bestehen aus einem Kern, der positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen enthält, wobei Elektronen in einiger Entfernung umkreisen. Protonen und Neutronen sind relativ schwer und haben ein ähnliches Gewicht, aber Elektronen sind sehr viel leichter und tragen nur sehr wenig zum Gewicht eines Atoms bei. Die Massenzahl eines Atoms ist die Anzahl der Protonen plus die Anzahl der Neutronen und entspricht fast dem Gewicht des Atoms.
Die Anzahl der Neutronen in einem Element kann variieren. Formen eines Elements mit unterschiedlich vielen Neutronen werden als Isotope bezeichnet. Zum Beispiel hat die häufigste Form von Wasserstoff ein Proton und keine Neutronen, aber es gibt zwei andere Wasserstoffisotope, Deuterium und Tritium, mit einem bzw. zwei Neutronen. Natürlich vorkommende Elemente sind oft Mischungen verschiedener Isotope. Kohlenstoff ist ein weiteres Beispiel, bestehend aus Isotopen mit den Massenzahlen 12, 13 und 14. Diese haben alle sechs Protonen, aber sechs, sieben bzw. acht Neutronen.
Obwohl Chemiker des 19. Jahrhunderts gute Näherungen für die Atomgewichte der bekannten Elemente aufgestellt hatten, sind die genauen Berechnungen aufgrund des Vorkommens verschiedener Isotope in unterschiedlichen Anteilen nicht immer einfach. Oft wird das Atomgewicht als Mittelwert bestimmt, basierend auf der relativen Häufigkeit von Isotopen. Da einige Isotope instabil sind und sich im Laufe der Zeit in andere Elemente verwandeln, können die Atomgewichte variieren und als Bereich anstatt als einzelner Wert dargestellt werden. Isotope werden normalerweise mit der Ordnungszahl unten links des chemischen Symbols und der Massenzahl oder dem ungefähren Atomgewicht oben rechts dargestellt. Kohlenstoff 13 würde zum Beispiel als 6C13 angezeigt.
Das Periodensystem
In den 1860er Jahren arbeitete der russische Chemiker Dimitri Mendeleev an einer Tabelle der damals bekannten Elemente, listete sie zunächst nach Atomgewicht auf und ordnete sie in Reihen an, die Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften zusammenfassten. Zuvor war von anderen Chemikern festgestellt worden, dass sich die Eigenschaften der Elemente, nach Gewicht geordnet, dazu neigten, sich in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen zu wiederholen. Lithium, Natrium und Kalium sind beispielsweise alle reaktive Metalle, die sich auf ähnliche Weise mit Nichtmetallen verbinden, während Helium, Neon und Argon alle völlig unreaktive Gase sind. Aus diesem Grund wurde Mendelejews Liste als Periodensystem bekannt.
Mendelejews erster Entwurf funktionierte gut, aber es gab ein paar Ungereimtheiten. Zum Beispiel kam Jod in der Reihenfolge des Gewichts vor Tellur. Das Problem bestand darin, dass Jod mit Sauerstoff, Schwefel und Selen gruppiert wurde und Tellur mit Fluor, Chlor und Brom. Aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften hätte das Gegenteil der Fall sein müssen, daher tauschte Mendelejew diese Elemente vor der Veröffentlichung seiner Tabelle im Jahr 1869 einfach aus. Der Grund für diese Inkonsistenzen wurde jedoch erst Anfang des 20. Jahrhunderts aufgedeckt.
1913 stellte der Physiker HGJ Moseley eine Beziehung zwischen den Wellenlängen der von verschiedenen Elementen erzeugten Röntgenstrahlen und ihrer Reihenfolge im Periodensystem her. Als die Struktur des Atoms um diese Zeit durch andere Experimente aufgedeckt wurde, wurde klar, dass dieser Zusammenhang von der Anzahl der Protonen im Kern eines Elements, also seiner Ordnungszahl, abhängt. Das Periodensystem könnte dann nach dieser Zahl geordnet werden, wodurch die beobachteten chemischen Eigenschaften der Elemente auf eine solide theoretische Grundlage gestellt werden. Die gelegentlichen Unstimmigkeiten in der ursprünglichen Tabelle waren darauf zurückzuführen, dass Variationen in der Neutronenzahl manchmal dazu führen konnten, dass ein Element ein höheres Atomgewicht als ein anderes Element mit einer höheren Ordnungszahl hatte.
Das moderne Periodensystem zeigt die Elemente in Kästchen, die in Reihen und Spalten angeordnet sind, wobei die Ordnungszahl entlang jeder Reihe aufsteigend ist. Jede Spalte gruppiert Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften. Die Säulen werden durch die Anzahl und Anordnung der Elektronen in den Atomen bestimmt, die wiederum durch die Anzahl der Protonen bestimmt wird. Jedes Kästchen enthält normalerweise das chemische Symbol für das Element, mit der Ordnungszahl darüber.