Chemisches Element

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Ein chemisches Element besteht ausschließlich aus Atomen mit gleicher Anzahl an Protonen im Kern (sogenannte Kernladungszahl). Chemische Elemente sind daher physikalisch nicht weiter trennbare Stoffe, sogenannte Reinstoffe, welche sich auch chemisch nicht weiter zerlegen lassen.

Früher war die Definition des Elementbegriffs intuitiver, aber unpräziser: Robert Boyle definierte ein chemisches Element nur als einen Reinstoff, der mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegt werden kann. Diese Definition hat den Nachteil, dass man nie sicher sein kann, ob man die chemischen Methoden völlig ausgeschöpft hat. Wäre es z. B. nicht gelungen, Wasser in seine Bestandteile zu zerlegen, so hätte man es als Element einordnen müssen.

Der heutige Element-Begriff, der für die Stoffe eine Einteilung nach ihren Bestandteilen, den Atomen, vornimmt, ist abstrakter, dafür aber präziser. Seine praktische Bedeutung liegt darin, dass er Atome mit gleichem chemischen Verhalten (dem Verhalten bei chemischen Reaktionen) zusammenfasst. Das physikalische Verhalten von Atomen ein und desselben Elements kann dabei durchaus unterschiedlich sein, z. B. können sich die Atome eines Elements in der Masse unterscheiden (Isotope) und bei nuklearen Reaktionen unterschiedlich verhalten.

[Bearbeiten] Eigenschaften

Die Atome haben im elektrisch ungeladenen Zustand die gleiche Anzahl Elektronen in der Elektronenhülle. Das Element tritt im Universum mit einer bestimmten Elementhäufigkeit auf (Kosmochemie). Die chemischen Elemente zählen wie die Verbindungen zu den Reinstoffen. Reinstoffe sind physikalisch nicht weiter trennbar und stehen somit im Gegensatz zu den Stoffgemischen.

Griechische Münze mit Demokrit und Atomdarstellung

[Bearbeiten] Geschichtliches

In der Antike und bis weit ins Mittelalter bestand die Doktrin, dass die Welt aus den vier Elementen Erde, Wasser, Luft und Feuer (stellvertretend für die vier Aggregatzustände Festkörper, Flüssigkeit, Gas und Plasma) aufgebaut ist.

Von den heute bekannten Elementen waren in der Antike nur wenige in Reinform bekannt, die entweder gediegen vorkamen oder aus Erz geschmolzen werden konnten: Kohlenstoff, Schwefel, Eisen, Kupfer, Zink, Silber, Zinn, Gold, Quecksilber und Blei. Im Laufe der mittelalterlichen Bergbaugeschichte wurden dann, vor allem im Erzgebirge in Erzen geringe Mengen an Beimengungen unbekannter Metalle entdeckt und nach Berggeistern benannt (Cobalt, Nickel, Wolfram). Die Entdeckung des Phosphors 1669 durch Hennig Brand läutete schließlich das Zeitalter der Entdeckung der meisten Elemente ein, einschließlich des Urans aus Pechblende durch Martin Heinrich Klaproth 1789. Im Laufe des 19. Jahrhundert wurden die Metalle der Seltenen Erden entdeckt, womit fast alle natürlich vorkommenden Elemente bekannt waren. Im 20. und dem begonnenen 21. Jahrhundert wurden viele in der Natur nicht vorkommende Elemente - die Transurane - künstlich erzeugt, teils in Kernreaktoren, teils in Teilchenbeschleunigern. Allen diesen Elementen ist gemeinsam, dass sie instabil sind, d. h. dass sie sich unterschiedlich schnell in andere Elemente umwandeln. Mit der Entdeckung weiterer solcher kurzlebiger Elemente ist zu rechnen, sie entstehen jeweils in nur äußerst geringen Mengen.

Nach der Kernladungszahl (Ordnungszahl) und der Elektronenkonfiguration ihrer Atome ordnet man die Elemente im Periodensystem der Elemente (PSE) in Gruppen und Perioden an. Dieses System wurde vom russischen Gelehrten Dmitri Iwanowitsch Mendelejew zeitgleich mit dem deutschen Lothar Meyer 1869 begründet.

Die Kurzbezeichnung oder Abkürzung wird vom meist lateinischen Namen des Elements (O von oxygenium, Hg von hydrargyrum usw.) abgeleitet.

Identifiziert werden chemische Elemente über Nachweisreaktionen der Analytischen Chemie - ihre Entstehung und Verteilung im Universum beschreibt die Kosmochemie.

[Bearbeiten] Kernladungszahl und Masse

Die Massenzahl der Elemente entspricht nicht genau dem Vielfachen der Masse des Wasserstoffatoms; Erklärungen dafür sind:

Protonen und Neutronen, die den Hauptanteil der Masse bilden, sind fast, jedoch nicht genau gleich schwer.
Natürliche Elemente bestehen aus einer Mischung von Atomen mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Eine Atomart überwiegt meist bei weitem, diese bestimmt dann die Massenzahl.
Das natürliche Mischverhältnis ist bei einem Element meist gleich (Ausnahme ist Blei, das unterschiedliche Atommassen aufweist, je nachdem, aus welcher Lagerstätte es stammt).
Bei sehr genauen Messungen zeigt sich die Bindungsenergie als Massendefekt, so dass die Kernmasse stets minimal kleiner ist als die Summe der Massen der Protonen und Neutronen.

[Bearbeiten] Rein- und Mischelemente

Der Kern des Wasserstoffs besteht fast immer aus nur einem Proton. Wasserstoff mit einem Proton und einem Neutron im Kern (Deuterium) tritt in natürlichem Wasserstoff nur mit einem Anteil von 0,015 % auf.

Der Heliumkern besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Es existieren aber auch Helium-Atome, die zwei Protonen, aber nur ein Neutron enthalten. Diese treten in natürlichem Helium jedoch nur mit einem Anteil von 0,000137 % auf.

Chlor (17 Protonen) besteht aus einer Mischung aus Atomen mit 18 Neutronen (75,8 %) und 20 Neutronen (24,2 %).

Chemische Elemente, die nur aus einer Atomart bestehen, heißen Reinelemente, wenn sie dagegen aus zwei oder mehr Atomarten bestehen, heißen sie Mischelemente. Atome des gleichen Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotope.

[Bearbeiten] Chemische Verbindungen

Chemische Elemente können, bis auf einige Edelgase, chemische Verbindungen eingehen. Dabei sind mehrere der elementaren Atome zu Molekülen oder Ionenkristallen zusammengeschlossen.

Natürliche oder künstliche Reinstoffe sind entweder Elemente oder Verbindungen.

Elemente können eine Verbindung mit anderen Elementen oder auch mit sich selbst eingehen: Bei vielen Gasen wie Chlor Cl oder Fluor F verbinden sich zwei Atome desselben Elements untereinander zu einem Molekül, also Cl₂ bzw. F₂. Gewöhnliches Wasser (Summenformel: H₂O) ist hingegen eine Verbindung aus den Elementen Wasserstoff H (2 Atome pro Molekül) und Sauerstoff (1 Atom pro Molekül).

Unlegierte Metalle wie Eisen Fe oder Kupfer Cu sind dagegen stets Elemente.

Grundsätzlich gibt es vier Arten von chemischen Verbindungen zwischen den Atomen der Elemente:

Molekulare Verbindungen entstehen aus Nichtmetall und Nichtmetall - sie sind Nichtleiter (elektrisch nicht leitfähig) mit zumeist relativ niedrigem Siedepunkt (Diamantartige oder Kunststoffartige Verbindungen mit Riesenmolekülen ausgenommen). Beispiele für molekulare Verbindungen sind neben Wasser auch Methangas, Zucker) usw.
Ionische Verbindungen entstehen aus Metall(kation) und Nichtmetall(anion). Sie sind salzartige: spröde, von hohem Schmelzpunkt und elektrisch leitfähig nur in Schmelze oder Lösung. Beispiele für Ionenverbindungen sind Eisen-II-oxid (dem Rost ähnlich) und Kochsalz (Natriumchlorid).
Metallische Verbindungen entstehen aus Metall und Metall - sie sind elektrisch leitfähig, gut verformbar, glänzend und gute Wärmeleiter. Beispiele für derlei Legierungen sind Bronze und Messing).
Verbindungen höherer Ordnung (Komplexe) entstehen bei einer Komplexbildungsreaktion zumeist aus Buntmetallkation und Molekülen mit freien Elektronenpaaren (Liganden). Sie sind oft auffallend farbig; Beispiele: Der rote Blutfarbstoff Hämoglobin aus Eisen-II-ionen und Eiweißmolekülen und der tiefblaue Kupfertetrammin-komplex aus Kupfer-II-ionen und Ammoniak).

[Bearbeiten] Die Entstehung von Elementen

Bereits beim Urknall entstanden die leichten Elemente Wasserstoff (ca. 75 %) und Helium (ca. 25 %), zusammen mit geringen Mengen Lithium und Beryllium.

"Gürtelsterne" und Orionnebel im Wintersternbild Orion: Entstehen hier aus den im Weltall verstreuten chemischen Elementen neue Sterne?

Schwerere Elemente entstehen im Universum durch Kernreaktionen in den Sternen (meist durch Kernfusion). Am Anfang der Kosmochemie steht daher der Wasserstoff mit einer relativen Atommasse von ca. 1,0 u (ein Proton). In Hauptreihen-Sternen, wie unserer Sonne, verschmelzen unter hoher Temperatur (mehrere Millionen Grad Celsius) und hohem Druck z. B. vier Wasserstoffatomkerne über mehrere Zwischenstufen zu einem Heliumatomkern (relative Atommasse ca. 4,0 u). Dieser ist ein wenig leichter als die vier Protonen zusammen, die Massendifferenz wird als Energie frei.

Die Fusion geht auf diese Art (Atome mit geringerer Protonenzahl und relativer Atommasse verschmelzen zu höheren unter Abgabe von Energie) in den meisten Sternen bis zum Kohlenstoff, in massereichen bis zum Eisen weiter. Die Energieausbeute wird dabei immer geringer. Eisen ist der am dichtesten gepackte Atomkern, bei Fusionsreaktionen darüber hinaus wird Energie verbraucht anstatt freigesetzt.

Schwerere Elemente als Eisen entstehen in Sternen am Ende ihrer Lebensdauer. Dabei fangen Atomkerne Neutronen ein und werden so in Elemente höherer Ordnungszahl umgewandelt. Dies geschieht im sogenannten s-Prozess (bei massearmen Sternen) oder im r-Prozess (bei massereichen Sternen während einer Supernova).

Ein Stern verliert am Ende seiner Lebensdauer große Mengen Material (kontinuierlich durch Sonnenwind oder explosiv in einer Supernova), dadurch gelangen die entstandenen Elemente zurück in das interstellare Medium. Jüngere Sternensysteme enthalten daher bereits von Anfang an auch geringe Mengen schwererer Elemente, die z. B. Planeten wie in unserem Sonnensystem bilden können.

[Bearbeiten] Liste der chemischen Elemente

Die Liste ist spaltenweise sortierbar durch Klick auf das Symbol

Elementname nach IUPAC	Symbol	Ordnungs- zahl	atomare Masse (u)	Dichte (kg/m³) (20°C)	Schmelz- punkt (°C)	Siede- punkt (°C)	Entdeckt im Jahr	Entdecker¹⁾
Actinium	Ac	89	227,03	10070	1047	3197	1899	Debierne
Aluminium	Al	13	26,98	2700	660,5	2467	1825	Ørsted
Americium	Am	95	243,06	13670	994	2607	1944	Seaborg
Antimon (Stibium)	Sb	51	121,75	6690	630,7	1750	unbekannt	unbekannt
Argon	Ar	18	39,94	1,66	-189,4	-185,9	1894	Ramsay, Strutt
Arsen	As	33	74,92	5720	Sublimation bei 613		≈ 1250	Albertus Magnus
Astat	At	85	209,99		302	337	1940	Segrè
Barium	Ba	56	137,33	3650	725	1640	1808	Davy
Berkelium	Bk	97	247,07	13250	986		1949	Seaborg
Beryllium	Be	4	9,01	1850	1278	2970	1797	Vauquelin
Bismut auch: Wismut	Bi	83	208,98	9800	271,4	1560	1540	Agricola
Blei (Plumbum)	Pb	82	207,2	11340	327,5	1740	unbekannt	unbekannt
Bohrium	Bh	107	262,12				1976	Oganessian
Bor	B	5	10,81	2460	2300	2550	1808	Davy, Gay-Lussac
Brom	Br	35	79,90	3140	-7,3	58,8	1826	Balard
Cadmium	Cd	48	112,41	8640	321	765	1817	Stromeyer und Hermann
Caesium	Cs	55	132,91	1900	28,4	690	1860	Kirchhoff, Bunsen
Calcium	Ca	20	40,078	1540	839	1487	1808	Davy
Californium	Cf	98	251,08	15100	900		1950	Seaborg
Cer	Ce	58	140,11	6770	798	3257	1803	von Hisinger, Berzelius
Chlor	Cl	17	35,45	2,95	-101	-34,6	1774	Scheele
Chrom	Cr	24	52,00	7140	1857	2482	1797	Vauquelin
Cobalt	Co	27	58,933	8890	1495	2870	1735	Brandt
Curium	Cm	96	247,07	13510	1340	3110	1944	Seaborg
Darmstadtium	Ds	110	269				1994	GSI
Dubnium	Db	105	262,11				1967/70	Ghiorso
Dysprosium	Dy	66	162,5	8560	1409	2335	1886	Lecoq de Boisbaudran
Einsteinium	Es	99	252,08		860		1952	Seaborg
Eisen (Ferrum)	Fe	26	55,85	7870	1535	2750	unbekannt	unbekannt
Erbium	Er	68	167,26	9050	1522	2510	1842	Mosander
Europium	Eu	63	151,96	5250	822	1597	1901	Demarçay
Fermium	Fm	100	257,10				1952	Seaborg\|
Fluor	F	9	19,00	1,58	-219,6	-188,1	1886	Moissan
Francium	Fr	87	223,02		27	677	1939	Perey
Gadolinium	Gd	64	157,25	789 0	1311	3233	1880	de Marignac
Gallium	Ga	31	69,72	5910	29,8	2403	1875	Lecoq de Boisbaudran
Germanium	Ge	32	72,61	5320	937,4	2830	1886	Winkler
Gold (Aurum)	Au	79	196,97	19320	1064,4	2940	unbekannt	unbekannt
Hafnium	Hf	72	178,49	13310	2150	5400	1923	Coster, de Hevesy
Hassium	Hs	108	265,00				1984	GSI
Helium	He	2	4,00	0,170	-272,2	-268,9	1895	Ramsay, Crookes
Holmium	Ho	67	164,93	8780	1470	2720	1878	Soret
Indium	In	49	114,82	7310	156,2	2080	1863	Reich, Richter
Iod	I	53	126,90	4940	113,5	184,4	1811	Courtois
Iridium	Ir	77	192,22	22650	2410	4130	1803	Tennant
Kalium	K	19	39,098	860	63,7	774	1807	Davy
Kohlenstoff (Carbon)	C	6	12,011	3510	3550	4827	unbekannt	unbekannt
Krypton	Kr	36	83,80	3,48	-156,6	-152,3	1898	Ramsay, Travers
Kupfer (Cuprum)	Cu	29	63,55	8920	1083,5	2595	unbekannt	unbekannt
Lanthan	La	57	138,90	6160	920	3454	1839	Mosander
Lawrencium	Lr	103	260,10		1627		1961	Ghiorso
Lithium	Li	3	6,94	530	180,5	1317	1817	Arfwedson
Lutetium	Lu	71	175,00	9840	1656	3315	1907	von Welsbach, Urbain
Magnesium	Mg	12	24,30	1740	648,8	1107	1828	Bussy
Mangan	Mn	25	54,90	7440	1244	2097	1774	Gahn
Meitnerium	Mt	109	266				1982	GSI
Mendelevium	Md	101	258,1				1955	Seaborg
Molybdän	Mo	42	95,94	10280	2617	5560	1778	Scheele
Natrium	Na	11	22,99	970	97,8	892	1807	Davy
Neodym	Nd	60	144,24	7000	1010	3127	1895	von Welsbach
Neon	Ne	10	20,18	0,84	-248,7	-246,1	1898	Ramsay Travers
Neptunium	Np	93	237,05	20480	640	3902	1940	McMillan Abelson
Nickel	Ni	28	58,69	8910	1453	2732	1751	Cronstedt
Niob	Nb	41	92,91	8580	2468	4927	1801	Hatchet
Nobelium	No	102	259,10				1958	Seaborg
Osmium	Os	76	190,2	22610	3045	5027	1803	Tennant
Palladium	Pd	46	106,42	12020	1552	3140	1803	Wollaston
Phosphor (P4)	P	15	30,97	1820	44	280	1669	Brand
Platin	Pt	78	195,08	21450	1772	3827	1557	Scaliger
Plutonium	Pu	94	244,06	19740	641	3327	1940	Seaborg
Polonium	Po	84	208,98	9200	254	962	1898	Curie
Praseodym	Pr	59	140,91	6480	931	3212	1895	von Welsbach
Promethium	Pm	61	146,92	7220	1080	2730	1945	Marinsky
Protactinium	Pa	91	231,04	15370	1554	4030	1917	Fajans Hahn, Meitner
Quecksilber (Hydrargyrum)	Hg	80	200,59	13550	-38,9	356,6	unbekannt	unbekannt
Radium	Ra	88	226,03	5500	700	1140	1898	Marie und Pierre Curie
Radon	Rn	86	222,02	9,23	-71	-61,8	1900	Dorn
Rhenium	Re	75	186,21	21030	3180	5627	1925	Noddack, Tacke, Berg
Rhodium	Rh	45	102,91	12410	1966	3727	1803	Wollaston
Roentgenium	Rg	111	272				1994	GSI
Rubidium	Rb	37	85,45	1530	39	688	1861	Bunsen, Kirchhoff
Ruthenium	Ru	44	101,07	12450	2310	3900	1844	Claus
Rutherfordium	Rf	104	261,11				1964/69	Ghiorso
Samarium	Sm	62	150,36	7540	1072	1778	1879	Lecoq de Boisbaudran
Sauerstoff (Oxygenium)	O	8	16,00	1,33	-218,4	-182,9	1774	Priestley, Scheele
Scandium	Sc	21	44,96	2990	1539	2832	1879	Nilson
Schwefel (Theion)	S	16	32,07	2060	113	444,7	unbekannt	unbekannt
Seaborgium	Sg	106	263,12				1974	Oganessian
Selen	Se	34	78,96	4820	217	685	1817	Berzelius
Silber (Argentum)	Ag	47	107,87	10490	961,9	2212	unbekannt	unbekannt
Silicium	Si	14	28,09	2330	1410	2355	1824	Berzelius
Stickstoff (Nitrogenium)	N	7	14,01	1,170	-209,9	-195,8	1771	Scheele
Strontium	Sr	38	87,62	2630	769	1384	1798	Klaproth
Tantal	Ta	73	180,95	16680	2996	5425	1802	Ekeberg
Technetium	Tc	43	98,91	11490	2172	5030	1937	Segrè
Tellur	Te	52	127,6	6250	449,6	990	1782	von Reichenstein
Terbium	Tb	65	158,93	8250	1360	3041	1843	Mosander
Thallium	Tl	81	204,38	11850	303,6	1457	1861	Crookes
Thorium	Th	90	232,04	11720	1750	4787	1829	Berzelius
Thulium	Tm	69	168,93	9320	1545	1727	1879	Cleve
Titan	Ti	22	47,88	4510	1660	3260	1791	Gregor, Klaproth
Ununbium	Uub	112	277				1996	GSI
Ununhexium	Uuh	116	289				2000	JINR
Ununoctium	Uuo	118	293				2006	JINR
Ununpentium	Uup	115	288				2006	JINR
Ununquadium	Uuq	114	289				1999	JINR
Ununtrium	Uut	113	287				2006	JINR
Uran	U	92	238,03	18970	1132,4	3818	1789	Klaproth
Vanadium	V	23	50,94	6090	1890	3380	1801	del Río
Wasserstoff	H	1	1,01	0,084	-259,1	-252,9	1766	Cavendish
Wolfram	W	74	183,85	19260	3407	5927	1783	Fausto und Juan de Elhuyar
Xenon	Xe	54	131,29	4,49	-111,9	-107	1898	Ramsay, Travers
Ytterbium	Yb	70	173,04	6970	824	1193	1878	de Marignac
Yttrium	Y	39	88,91	4470	1523	3337	1794	Gadolin
Zink	Zn	30	65,39	7140	419,6	907	unbekannt	unbekannt
Zinn (Stannum)	Sn	50	118,71	7290	232	2270	unbekannt	unbekannt
Zirkonium	Zr	40	91,22	6510	1852	4377	1789	Klaproth

¹⁾ Hier sind aus Übersichtsgründen nicht immer alle Entdecker genannt. Näheres steht auf den Artikelseiten der Elemente.

[Bearbeiten] Periodensystem der Elemente

Im Periodensystem der Elemente (kurz Periodensystem oder PSE) sind alle chemischen Elemente mit steigender Kernladung (Ordnungszahl) und entsprechend ihrer chemischen Eigenschaften eingeteilt in Perioden sowie Haupt- und Nebengruppen:

Gruppe früher:	1 I A	2 II A	3 III B	4 IV B	5 V B	6 VI B	7 VII B	8 VIII B	9 VIII B	10 VIII B	11 I B	12 II B	13 III A	14 IV A	15 V A	16 VI A	17 VII A	18 VIII A
Periode																			Schale
1	1 H																	2 He	K
2	3 Li	4 Be											5 B	6 C	7 N	8 O	9 F	10 Ne	L
3	11 Na	12 Mg											13 Al	14 Si	15 P	16 S	17 Cl	18 Ar	M
4	19 K	20 Ca	21 Sc	22 Ti	23 V	24 Cr	25 Mn	26 Fe	27 Co	28 Ni	29 Cu	30 Zn	31 Ga	32 Ge	33 As	34 Se	35 Br	36 Kr	N
5	37 Rb	38 Sr	39 Y	40 Zr	41 Nb	42 Mo	43 Tc	44 Ru	45 Rh	46 Pd	47 Ag	48 Cd	49 In	50 Sn	51 Sb	52 Te	53 I	54 Xe	O
6	55 Cs	56 Ba	*	72 Hf	73 Ta	74 W	75 Re	76 Os	77 Ir	78 Pt	79 Au	80 Hg	81 Tl	82 Pb	83 Bi	84 Po	85 At	86 Rn	P
7	87 Fr	88 Ra	**	104 Rf	105 Db	106 Sg	107 Bh	108 Hs	109 Mt	110 Ds	111 Rg	112 Uub	113 Uut	114 Uuq	115 Uup	116 Uuh	117 Uus	118 Uuo	Q
			↓
* Lanthanoide			57 La	58 Ce	59 Pr	60 Nd	61 Pm	62 Sm	63 Eu	64 Gd	65 Tb	66 Dy	67 Ho	68 Er	69 Tm	70 Yb	71 Lu
Actinoide**			89 Ac	90 Th	91 Pa	92 U	93 Np	94 Pu	95 Am	96 Cm	97 Bk	98 Cf	99 Es	100 Fm	101 Md	102 No	103 Lr

Legende

Vorkommen:	natürliches Element	künstliches Element	fehlendes Element	radioaktives Element

Serie:	Alkalimetalle	Erdalkalimetalle	Lanthanoide	Actinoide
	Übergangsmetalle	Metalle	Halbmetalle	Nichtmetalle
	Halogene	Edelgase

Aggregatzustand: (unter Normalbedingungen)	gasförmig	flüssig	fest	unbekannt

[Bearbeiten] Literatur

Lucien F. Trueb: Die chemischen Elemente. Ein Streifzug durch das Periodensystem. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2005, ISBN 3-7776-1356-8

[Bearbeiten] Weblinks

www.chemieseite.de enthält ausführliche Beschreibungen der Hauptelemente.
www.pse-mendelejew.de enthält viele Fotographien von Reinelementen.
www.pse.merck.de enthält eine reiche Auswahl an atomaren Eigenschaften in einer interaktiven Tabelle.