Nebengruppen

Die Nebengruppen sind die Gruppen im Periodensystem, die in der älteren Darstellung (Kurzperiodensystem) neben den entsprechenden Hauptgruppen stehen und den Einruck erwecken, als wären sie mit diesen „verwandt“. Alle Nebengruppenelemente sind Metalle. So finden wir in dieser Darstellung die Elemente der I. Nebengruppe, die Münzmetalle Kupfer, Silber und Gold, neben der Gruppe der Alkalimetalle, der I. Hauptgruppe.

In einigen Fällen sind gewisse verwandtschaftliche Beziehungen zu erkennen, was besonders bei den Oxidationszahlen sichtbar wird. So bilden die Elemente der I. Nebengruppe, wie die Alkalimetalle, häufig Verbindungen in denen einfach positiv geladene Kationen vorliegen, wie z. B. Silbernitrat und Kupfer(I)-chlorid.

Auch die Elemente der II. Nebengruppe weisen Eigenschaften auf, die denen der Elemente der II. Hauptgruppe, wie Magnesium und Calcium ähnlich sind. Z. B. sind ${\text{ZnSO}}_{\text{4}}·\text{7}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\text{und}{\text{MgSO}}_{\text{4}}·\text{7}{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}$ isomorph und bilden Mischkristalle.

Diese Ähnlichkeiten treten auch beim Vergleich in höheren Gruppen auf. So löst sich Chrom(VI)-oxid, ${\text{CrO}}_{\text{3}}\text{,}$ wie das ${\text{SO}}_{\text{3}},$ in Wasser, zu einer sauren Lösung $\text{(Chromsäure}\text{,}{\text{H}}_{\text{2}}{\text{CrO}}_{\text{4}}\text{)}\text{.}$
Sowohl die Chromate als auch die Sulfate bilden mit Erdalkalimetallionen, wie ${\text{Ba}}^{\text{2+}}\text{und}{\text{Sr}}^{\text{2+}}$, schwer lösliche Verbindungen, während die analogen Magnesiumverbindungen ${\text{(MgSO}}_{\text{4}}\text{,}{\text{MgCrO}}_{\text{4}}\text{)}$ in Wasser gut löslich sind.

Schließlich kann als weiteres Beispiel gelten, dass die bei Normalbedingungen flüssigen und explosiven Verbindungen Dichlorheptoxid, ${\text{Cl}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{7}}\text{,}$ und Dimanganheptoxid, ${\text{Mn}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{7}}\text{,}$ in Wasser die entsprechenden Säuren ${\text{HClO}}_{\text{4}}$ (Perchlorsäure, Chlor(VII)-säure) bzw. Permangansäure, ${\text{HMnO}}_{\text{4}},$ bilden.

Für die Erklärung der genannten Ähnlichkeiten können wir, wie so oft beim Vergleich chemischer Eigenschaften, die Valenzelektronenkonfiguration heranziehen. Die Alkalimetalle verfügen über ein Valenzelektron, sie haben die Valenzelektronenanordnung ${\text{ns}}^{\text{1}}$ (n = 2, 3, 4, 5, 6, 7). Dieses eine Valenzelektron ist mit steigender Hauptquantenzahl n immer weiter vom positiven Kern entfernt. Außerdem wird die positive Kernladung durch die zwischen dem Valenzelektron ${\text{ns}}^{\text{1}}$ und dem Kern zu formulierenden abgeschlossenen, also vollständig mit Elektronen besetzten, Energieniveaus, gut abgeschirmt. Das Valenzelektron wird deshalb mit zunehmender Hauptquantenzahl immer leichter abgegeben, die Ionisierungsenergie sinkt.

Bei den Elementen der I. Nebengruppe formulieren wir die Valenzelektronenkonfiguration $\text{(n}{\text{–1)d}}^{\text{10}}{\text{ns}}^{\text{1}},$ formal also wieder 1 Valenzelektron, was die Existenz der oben genannten Verbindungen mit ${\text{E}}^{\text{+}}\text{–}\text{Kationen}$ (E = Cu, Ag, Au) erklärt. Aber der energetische Unterschied zu den d-Niveaus ist nur gering, so dass auch aus diesen Niveaus Elektronen abgespalten oder zur Verbindungsbildung genutzt werden können und Verbindungen, wie ${\text{CuSO}}_{\text{4}}\text{,}{\text{AgF}}_{\text{2}}\text{oder}{\text{AuCl}}_{\text{3}}$ gebildet werden. Wesentlich ist, dass die Radien der Elemente der 1. Nebengruppe deutlich kleiner sind und damit das s-Valenzelektron fester gebunden ist. Die 1. Ionisierungsenergie der Elemente ist höher, die Metalle sind edler.

Die Valenzelektronenkonfiguration der Elemente der II. Nebengruppe ist $\text{(n}{\text{–1)d}}^{\text{10}}{\text{ns}}^{\text{2}}$ und ist damit der Konfiguration der Elemente der II. Hauptgruppe ähnlich. Das erklärt das Auftreten von ${\text{Zn}}^{\text{2+}}\text{und}{\text{Cd}}^{\text{2+}}\text{–}\text{Ionen}$ die einige, den Erdalkalimetallionen ${\text{Mg}}^{\text{2+}}\text{und}{\text{Ca}}^{\text{2+}}$ ähnliche Eigenschaften haben und auch vergleichbar große Ionenradien aufweisen.

Obwohl wir noch weitere Beispiele für die „Verwandtschaft von Haupt- und Nebengruppen“ finden können, ist ein durchgängiges Prinzip nicht zu erkennen. Stattdessen sind auch deutliche Unterschiede zu erkennen, so z. B. beim Vergleich der Metalle der VII. Nebengruppe mit den stark elektronegativen Nichtmetallen der VII. Hauptgruppe. Zur VIII. Nebengruppe gehören im Kurzperiodensystem sogar 9 Elemente, während bei den anderen Nebengruppen nur 3 Elemente genannt werden.

Deshalb hat sich die Darstellung des Langperiodensystems (Bild 1) durchgesetzt, die das dem PSE innewohnende Aufbauprinzip deutlicher macht. Nach dem Calcium, Elektronenkonfiguration $4{\text{s}}^{\text{2}}$, folgt als nächstes Element das Scandium mit der Valenzelektronenkonfiguration $4{\text{s}}^{\text{2}}3{\text{d}}^{\text{1}}$. Das erste d-Block-Element verfügt über insgesamt 3 Valenzelektronen und bildet zusammen mit den Elementen Yttrium, Lanthan und Actinium die 3. Gruppe. Bei ihm sind die 1. bis 3. Ionisierungsenergie vergleichsweise niedrig, so dass $\text{Sc}{}^{\text{3+}}\text{- Ionen}$ gebildet werden können.

IV. Nebengruppe, 4. Gruppe

Die Metalle Titan , Zirkonium und Hafnium sind hochschmelzend und korrosionsbeständig und finden Verwendung im Maschinen- und Apparatebau. Die wichtigsten Mineralien sind die Oxide ${\text{MO}}_{\text{2}}.$
${\text{TiO}}_{\text{2}}$ wird mit Koks und Chlor in ${\text{TiCl}}_{\text{4}}$ übergeführt, das durch Destillation gereinigt und mit Magnesium oder Natrium zum Leichtmetall Titan reduziert wird. Es dominiert die Oxidationszahl IV. Die Verbindungen sind überwiegend kovalent. ${\left[{\text{Ti(H}}_{\text{2}}{\text{O)}}_{\text{6}}\right]}^{\text{4+}}\text{–}\text{Ionen}$ sind instabil und werden in wässriger Lösung zu ${\text{TiO}}^{\text{2+}}\text{–}\text{Ionen}$ umgewandelt. Die Oxide sind hochschmelzende Verbindungen, die als Weißpigment ${\text{(TiO}}_{\text{2}}\text{,}\text{>50}\text{Mio}\text{.}\text{t/a)}$ und als hochfeuerfeste Materialien ${\text{(ZrO}}_{\text{2}}\text{)}$ bedeutsam sind. Die Basizität der Oxide nimmt mit steigender Ordnungszahl zu.
Als Folge der Lanthanoidenkontraktion sind die Atomradien von Zirkonium und Hafnium fast gleich und damit die Eigenschaften der Verbindungen sehr ähnlich.

V. Nebengruppe, 5. Gruppe

Die Elemente Vanadium , Niob und Tantal spielen als Stahlveredler, z. B. für Baustähle eine große Rolle. Tantal ist ein Werkstoff für chirurgische Instrumente und Materialien (Knochennägel, Prothesen). Entsprechend der Elektronenkonfiguration ist die wichtigste Oxidationszahl V. Vanadium ist ein essenzielles Spurenelement und stimuliert die Chlorophyll-Synthese.
Wichtige Quelle für die Synthese von Vanadium und seine Verbindungen ist ein Ti-Fe-Erz, bei dessen Verhüttung in der Schlacke ca. 20% ${\text{V}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}$ vorliegen. Daraus wird entweder Ferrovanadium, eine V-Fe-Legierung oder über die thermische Zersetzung von ${\text{VI}}_{\text{3}}$mit dem VAN ARKEL-DE-BOER-Verfahren reines Vanadium gewonnen. Durch Reduktion der Oxide ${\text{M}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{5}}$ (M = Nb, Ta) mit Kohlenstoff können Niob und Tantal gewonnen werden. Die Metalle reagieren bei höheren Temperaturen mit Nichtmetallen, wie ${\text{O}}_{\text{2}}\text{,}{\text{Cl}}_{\text{2}}\text{,}{\text{F}}_{\text{2}}\text{.}$ Oxidierende Säuren und Alkalihydroxidschmelzen lösen die Metalle.

VII. Nebengruppe, 7. Gruppe

Während Mangan als essenzielles Element zu den häufigsten Elementen der Erdkruste gehört, sind Technetium und Rhenium sehr selten. Die chemischen Eigenschaften von Mangan unterscheiden sich deutlich von denen der schwereren Elemente, die wegen der Lanthanoidenkontraktion ähnliche Eigenschaften aufweisen.
Der saure Charakter der Oxide und die Tendenz zur Bildung anionischer Komplexe steigt mit zunehmender Oxidationszahl.
Als wichtiger Legierungsbestandteil wird Mangan überwiegend als Ferromangan eingesetzt. Mangan ist in der Wärme reaktiv, löst sich in nichtoxidierenden Säuren und überzieht sich an der Luft mit einer dünnen Oxidschicht, die weitere Einwirkung verhindert. Auffällig ist die Vielfarbigkeit von Mn-Verbindungen:

$\begin{array}{l}{\text{MnO}}_{\text{4}}{}^{\text{–}}\text{(violett)}\text{,}{\text{MnO}}_{\text{4}}{}^{\text{2}\text{–}}\text{(grün)}\text{,}{\text{MnO}}_{\text{4}}{}^{\text{3}\text{–}}\text{(blau)}\text{,}{\text{MnO}}_{\text{4}}\text{(braun)}\text{,}\\ {\left[{\text{Mn(H}}_{\text{2}}{\text{O)}}_{\text{6}}\right]}^{\text{3+}}\text{(granatrot)}\text{,}{\left[{\text{Mn(H}}_{\text{2}}{\text{O)}}_{\text{6}}\right]}^{\text{2+}}\text{(rosa)}\text{.}\end{array}$

Technetium (griech. technetos = künstlich) wird bei der
Wiederaufbereitung von Kernbrennstäben als ${}^{\text{99}}\text{Tc}\text{–}\text{Isotop}\text{(HWZ=2}·{\text{10}}^{\text{5}}\text{a)}$ gewonnen und isoliert.
Aus den Röstgasen der Molybdän-Produktion wird ${\text{Re}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{7}}$ und daraus Rhenium gewonnen. Es dient zur Herstellung von Thermoelementen und Katalysatoren für bleifreies Benzin.

VIII. Nebengruppe, 8.–10. Gruppe

Die VIII. Nebengruppe umfasst 9 Elemente. In der Kurzperiodendarstellung stehen diese Elemente neben den Edelgasen (8. Hauptgruppe). Die Reaktionsträgheit der Edelmetalle und die maximale Wertigkeit acht weisen auf diesen formalen Zusammenhang hin. Im Langperoidensystem bilden die Elemente die 8. (Eisen, Ruthenium, Osmium), die 9. (Cobalt, Rhodium, Iridium) und die 10. Gruppe (Nickel, Palladium, Platin) des Periodensystems und werden hier auch getrennt betrachtet.

I. Nebengruppe, 11. Gruppe

In dieser Gruppe sind die seit dem Altertum bekannten sogenannten Münzmetalle , das technisch bedeutsame Kupfer und die beiden Edelmetalle Silber und Gold enthalten. Sie kommen als Sulfide
(${\text{Cu}}_{\text{2}}\text{S}$) oder auch gediegen (Au) in der Natur vor. Der Anteil der Wiederaufarbeitung ist sehr hoch.
Wegen der Korrosionsbeständigkeit wird Gold für Kontakte in der Elektronik verwendet. Kupfer ist ein bedeutsames Metall der Bauindustrie (Rohre, Rinnen, Dächer) und ein wichtiges Legierungsmetall (Bronzen, Messing). Silberhalogenide spielen in der Fotografie eine wichtige Rolle.