Chemisches Element

Ein chemisches Element ist die Sammelbezeichnung für alle Atomarten mit derselben Anzahl an Protonen im Atomkern. Somit haben alle Atome eines chemischen Elements dieselbe Kernladungszahl (auch Ordnungszahl). Sie werden im Periodensystem der Elemente angeordnet.

Als chemische Elemente werden auch chemische Stoffe bezeichnet, die ausschließlich aus Atomen mit gleicher Anzahl an Protonen im Atomkern bestehen. So spricht man beispielsweise beim N₂-Molekül, das sich aus zwei Stickstoffatomen zusammensetzt, von elementarem Stickstoff.

Die Bezeichnung als „Element“ wird parallel für beide Konzepte verwendet.

Robert Boyle definierte 1661 ein chemisches Element als einen Reinstoff, der mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegt werden kann (Boyle, The Sceptical Chymist) und konnte erstmals zeigen, dass es nicht nur vier Elemente gab, wie aufgrund der Vier-Elemente-Lehre bis dahin angenommen wurde.

Der heutige Element-Begriff nimmt für die Stoffe eine Einteilung nach ihren Bestandteilen, den Atomen, vor. Er geht auf John Dalton und seine Atomhypothese zurück, ist abstrakter, dafür aber auch 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. Die Entstehung der einzelnen Atomsorten (Nuklide) durch Kernreaktionen, die zumeist im Inneren der Fixsterne ablaufen, wird ausführlicher im Artikel Nukleosynthese beschrieben. Die Stoffeigenschaften und Stoffumwandlungen (auch als chemische Reaktion bezeichnet) der chemischen Elemente sind Gegenstand der Chemie.

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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.  

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. In dieser Zeit wurden auch viele hypothetische Elemente postuliert, die später wieder verworfen wurden. 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 (Pb von plumbum, Fe von ferrum usw.) abgeleitet.

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

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.

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.

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).

Die Entstehung von Elementen

Die Entstehung der chemischen Elemente wird im Artikel Nukleosynthese beschrieben. Bereits beim Urknall entstanden die leichten Elemente Wasserstoff (ca. 75 %) und Helium (ca. 25 %), zusammen mit geringen Mengen Lithium und Beryllium.   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.

Häufigkeit der chemischen Elemente

Die Häufigkeit von chemischen Elementen unterscheidet sich je nach Bereich, den man betrachtet.

Im Universum ist sie eng verknüpft mit den Entstehungsprozessen im kosmologischen Zeitrahmen (Nukleosynthese). Das weitaus häufigste Element ist Wasserstoff, gefolgt von seinem einfachsten Fusionsprodukt Helium, die sich schon bald nach dem Urknall synthetisiert haben. Die nächst häufigen Elemente sind Kohlenstoff und Sauerstoff.

Alle anderen Atomsorten (bis auf Lithium, Beryllium und Bor) entstanden durch Kernfusion in Sternen oder andere astrophysikalische Vorgänge. Dabei wurden eher Atome mit gerader Protonenzahl gebildet, z. B. Sauerstoff, Neon, Eisen oder Schwefel, welche im Vergleich zu anderen Elementen mit ungerader Protonenzahl demzufolge häufiger sind (Harkinssche Regel). Markant ist die besondere Häufigkeit des Eisens als Endpunkt der möglichen Kernfusion in Sternen.

Die Verteilung auf der Erde unterscheidet sich von derjenigen, die im gesamtem Universum vorherrscht. Insbesondere sind auf der Erde im Vergleich geringe Mengen Wasserstoff und Helium vorhanden. Dies beruht darauf, dass diese Gase sich im Sonnensystem vor allem in den Gasplaneten wie Jupiter und Neptun befinden. Auf Gesteinsplaneten wie der Erde überwiegen die schwereren Elemente, vor allem Sauerstoff, Silicium, Aluminium und Eisen.

Organismen bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff.

Liste der chemischen Elemente

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

2) Sublimationspunkt

3) Daten für P₄, siehe Abschnitt Modifikationen und Eigenschaften des Artikels

Siehe auch

• Periodensystem der Elemente
• Liste der Isotope
• Elektronegativitäten der Elemente,
• Elementnamensgebungskontroverse,
• Systematische Elementnamen,
• Verdampfungswärme der chemischen Elemente
• Nebulium
• Kalzium ist ein Computerprogramm für das Betriebssystem Linux, das sehr viele Informationen zum Periodensystem und den Elementen bietet.
• Phlogiston
• Nukleosynthese und Kosmochemie
• Etymologische Liste der chemischen Elemente
• Mengenelemente

Literatur

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