Natur und Technik für den Pflichtschulabschluss: Die Elemente

Aus Wikibooks
Zur Navigation springen Zur Suche springen


zum Anfang
zum vorherigen Kapitel
zum nächsten Kapitel
zum Inhaltsverzeichnis

Einführung[Bearbeiten]

Das Atom besteht aus einem Kern mit Protonen und Neutronen und aus Elektronen, die um den Kern kreisen. Protonen sind positiv geladen, Elektronen negativ und Neutronen haben keine Ladung. In der Regel hat ein Atom so viele Protonen wie Elektronen. Dann ist es elektrisch neutral.

Oft wird über verschiedene Elemente gesprochen, wie beispielsweise über den Sauerstoff, den Wasserstoff, den Kohlenstoff usw.. Was macht aber den Unterschied zwischen den verschiedenen Elementen aus?

Der unterschied liegt an die Anzahl der Protonen im Kern. Gibt es ein Proton im Kern, dann ist das Atom ein Wasserstoffatom (H). Das Element Helium (He), das in der Sonne in großen Mengen vorkommt, hat zwei Protonen im Kern. Mit drei Protonen haben wir das Element Lithium (Li). Das Element Kohlenstoff (C) hat 6 Protonen im Kern, Stickstoff (N) 7, Sauerstoff (O) 8, das Edelgas Neon (Ne) 10 (wird in Neon-Lampen benutzt), Natrium (Na) (Teil des Kochsalzkristalls) 11 Protonen, Calcium (Ca) 20, Eisen (Fe) 26, Gold (Au) 79, Quecksilber (Hg) 80, Radium (Ra) 88, Uran (U) 92 usw.. Elemente mit einer größeren Anzahl von Protonen im Kern sind instabil. Die größte bisher (allerdings im Labor) beobachtete Anzahl ist 118 Protonen.

Hier wird die Einteilung der Elektronen bei neutralen Atomen nach dem bohrschen Modell dargestellt. Im Kern gibt es in diesem Fall genau so viele Protonen (im Bild nicht dargestellt) wie Elektronen

Was ist mit der Anzahl der Elektronen? In der Regel sind Atome neutral, sie haben daher so viele Elektronen, wie die Protonen im Kern. Es kann aber sein, dass ein Atom bis 4 Elektronen mehr oder weniger als die Protonen im Kern hat (manchmal sogar mehr). In diesem Fall spricht man von Ionen, allerdings des gleichen Elements. Gibt es mehr Elektronen, dann ist das Atom negativ geladen (Anion), wenn die Elektronen weniger als die Protonen sind, dann ist das Atom positiv geladen (Kation).

Vergleichen wir jeweils das rechte mit dem linken Atombild von jedem Paar.
Beim ersten Paar (Wasserstoff) gibt es rechts ein Elektron weniger als links. Das Atom rechts ist positiv geladen.
Beim zweiten Paar (Helium) fehlen die zwei Elektronen. Das Atom rechts ist positiv geladen (Heliumkern).
Bei drittem Paar (Sauerstoff) hat das Atom rechts zwei Atome mehr als das neutrale Atom links, daher ist es negativ geladen. In allen Fällen steht oben rechts vom Symbol des Atoms die Ladung.

Und was ist mit der Anzahl der Neutronen? Ein Element hat immer die gleiche Anzahl von Protonen, die Anzahl der Neutronen kann dennoch variieren. Ein Element kann also Varianten mit unterschiedlicher Anzahl von Neutronen haben. Diese Varianten nennt man Isotopen. In der Regel ist nur ein Isotop stabil und die anderen nicht.

Was bedeutet aber Stabil? Wenn ein Kern instabil ist, dann kann er sich spalten. Wenn ein Kern sich spaltet, dann entstehen zwei (oder mehrere) neue Kerne, die eine andere Anzahl von Protonen haben. Die Protonen der neuen Kerne sind zusammen so viele, wie die Anzahl der Protonen im ursprünglichen Kern. Wenn die neue Kerne eine andere Anzahl von Protonen haben, dann bedeutet das, dass die neue Kerne andere Elemente sind, weil ein Element muss immer die gleichen Protonen haben. Bei der Kernspaltung also entstehen aus einem Atom zwei (oder mehrere) andere Atome, die nicht mehr das gleiche Element sind. Durch die Kernspaltung von größeren Kernen entsteht das, was man Atomenergie nennt. In diesem Fall wird Masse zur Energie umgewandelt, nach der berühmten Formel von Einstein: E=mc2.

Es gibt gewisse Vereinbarungen für die Symbole der verschiedenen Elemente. Wenn Elektronen fehlen oder im Überfluss sind, haben wir Ionen des Elements. Die Anzahl der fehlenden bzw. überzähligen Elektronen wird oben Rechts des Symbols des Elements als eine positive bzw. negative Zahl geschrieben (von 4− bis 4+). Die Anzahl der Protonen wird unten links geschrieben, die Anzahl der Kernteilchen (Protonen und Neutronen zusammen) oben links. Ein Beispiel:

C ist das Symbol für das Element Kohlenstoff. 6 unten links bedeutet, dass Kohlenstoff 6 Protonen im Kern hat. 12 oben links bedeutet, dass dieses Kohlenstoffatom 12 Teilchen im Kern hat. Da die Protonen 6 bedeutet dies, dass die Neutronen 12−6 also auch 6 sind. 2+ oben rechts bedeutet, dass dieses Atom positiv geladen ist, also da fehlen 2 Elektronen.

ist ein Isotop von Kohlenstoff. Es gibt ein Elektron mehr, also das Atom ist negativ geladen. Die Protonen sind wie erwartet wieder 6 (da Kohlenstoff immer 6 Protonen hat), die Neutronen aber 14−6 also 8. Dieses Isotop ist radioaktiv und wird in der Archäologie und der Paläontologie für die Berechnung des Alters von den verschiedenen Relikten benutzt.

kann es nicht geben. Kohlenstoff hat 6 Protonen und nicht 7. Das Element mit 7 Protonen ist der Stickstoff (Symbol N): . Das Symbolbedeutet dann, dass es eine negative Ladung mehr als die positiven gibt, also 7+1=8 Elektronen.

Die Entdeckung der Elemente[Bearbeiten]

4 Elemente Lehre

Schon im Altertum ist die Idee entstanden, dass die Natur aus Grundelementen besteht. Mit dem Wort „Grundelemente“ waren Substanzen gemeint, die sich miteinander vermischen. Dadurch sollten die verschiedenen Gegenstände entstehen.

In der antiken griechischen Theorie gab es vier "Grundelemente": Wasser, Erde, Luft und Feuer. Diese Elemente entsprechen den heutigen Aggregatzuständen: Wasser → Flüssigkeit, Erde → Feststoffe, Luft → Gas, Feuer → Plasma[1]. Zu jedem Element waren entsprechende Eigenschaften zugeordnet. Aristoteles hat zu jedem Element einen platonischen Körper zugeordnet. Da die platonische Körper fünf sind, hat er dann ein fünftes Element ausgedacht, den Äther (Quintessenz).

5 Elemente Lehre
Nährungs-Kontrollzyklus

Die Chinesen hatten (und haben immer noch) eine andere, fünf-Elemente Theorie mit den "Grundelementen" Wasser, Holz, Feuer, Erde und Metall. In dieser Theorie gibt es einen Nahrungs- und einen Schwächungszyklus. Der Schwächungszyklus ist: Holz absorbiert Wasser, Feuer verbrennt Holz, Erde erstickt Feuer, Metall zieht Mineralien aus der Erde, Wasser korrodiert Metall.

Antoine lavoisier
John Dalton

Die Alchemie hat sich nach der Antike Zeit mit der vier-Elemente-Theorie befasst. Alchemie war etwas zwischen Wissenschaft und Magie. Ab dem 17. Jahrhundert n. Chr. wurde es zunehmend anerkannt, dass Alchemie keine ausreichende Theorie für die Vorgängen in der Natur war. Antoine de Lavoisier und John Dalton haben genaue Beobachtungen gemacht, die die Basis der modernen Chemie bildeten. Nach ihren Beobachtungen gibt es in der Natur bestimmte Grundelemente, die nicht mehr teilbar sind. Diese reagieren miteinander in bestimmten Verhältnissen, beispielsweise reagieren 9 g eines Stoffes mit 17 g eines anderen. Hat man doppelt so viel vom ersten Stoff (18 g), reagiert es mit doppelt so viel vom anderen Stoff (34 g) usw.. Das hat langsam dazu geführt, dass die Grundelemente der Chemie erkannt wurden. Mitte des 17. Jahrhunderts waren nur 17 Elemente bekannt: Eisen (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Silber (Ag), Platin (Pt), Gold (Au), Quecksilber (Hg), Kohlenstoff (C), Phosphor (f), Schwefel (S), Arsen (As), Zinn (Sn), Antimon (Sb), Blei (Pb) und Bismut (Bi). Die Tatsache, dass diese als Grundelemente erkannt wurden, hat dazu geführt, die anderen Elemente relativ schnell zu entdecken. Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N) und weitere Elemente wurden schon in der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts entdeckt. Das am neuesten entdeckte Element, das allerdings im Labor erzeugt wurde, wurde im Jahr 2010 entdeckt und es ist nicht auszuschließen, dass weitere Elemente künstlich erzeugt werden. Es ist allerdings ziemlich unwahrscheinlich, dass andere Elemente in der Natur entdeckt werden.

Das Periodensystem[Bearbeiten]

Das Periodensystem

Die Entdeckung der Elemente hat mit ihren Eigenschaften zu tun. Es wurde beobachtet, dass gewisse Mengen von einem Stoff mit gewissen Mengen von einem anderen reagieren. Die Verhältnisse bleiben gleich. Bald hat sich herausgestellt, dass diese Tatsache mit der Anzahl der Teilchen von jedem Stoff zu tun hat. Ein kg Wasserstoff hat ungefähr so viele Atome wie 12 kg Kohlenstoff, 16 kg Sauerstoff, 4 kg Helium usw.. Dazu hat man weitere Eigenschaften entdeckt. 12 kg Kohlenstoff reagieren nicht mit 1 kg Wasserstoff, sondern mit 4 kg Wasserstoff oder mit 32 kg Sauerstoff. Jedes Kohlenstoffatom braucht 4 Wasserstoffatome oder 2 Sauerstoffatome. Jedes Sauerstoffatom braucht daher 2 Wasserstoffatome. Diese Art von Beziehungen haben zu eine Klassifikation der Elementen geführt. Grob gesagt gibt es acht Kategorien, je nachdem wie die Atome des Elements sich mit anderen Atomen verbinden. Zwei Wissenschaftler haben diese Einteilung fast gleichzeitig (und in Zusammenarbeit) entdeckt, der Russe Dmitri Iwanowitsch Mendelejew und der Deutsche Lothar Meyer. Das Ergebnis ihrer Arbeit wird immer noch heute benutzt: das Periodensystem der chemischen Elemente.

Quecksilber, das einzige flüssige Metall. Seine Dichte ist größer als die der Münze, daher sinkt sie im flüssigen Quecksilber nicht
Halbmetalle, ältere Definition

Die Elemente werden in zwei großen Kategorien unterteilt: Metalle und Nichtmetalle. Metalle weisen vier Eigenschaften auf: Sie sind gute Leiter der Elektrizität und der Wärme, sind leicht verformbar (beispielsweise zu Kabeln) und haben eine Glanz. Bei Nichtmetallen fehlen diese Eigenschaften. Beispiele von Metallen sind Eisen, Kupfer, Quecksilber, Natrium, von Nichtmetallen Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff. Es gibt allerdings Elemente, die gemischte Eigenschaften aufweisen. Sie gehören in einer Zwischenkategorie, die Halbmetalle oder Halbleiter genannt wird. Die Definition der Halbmetalle ist nicht eindeutig, daher ist es für manche Elemente nicht ganz klar, zu welcher Kategorie sie gehören. Typische Halbleiter sind Silizium (Si), Bor (B), Germanium (Ge) und Tellur (Te).

Die Elemente, die fast eindeutig Halbmetalle sind, stehen im Periodensystem auf einer Diagonale: Bor, Silizium, Arsen, Tellur, Astat (At). Die Elemente, die unterhalb dieser Diagonale stehen, sind Metalle (Wasserstoff H ist ein Nichtmetall). Metalle sind feste Körper (Ausnahme: Quecksilber Hg). Die Elemente, die oberhalb dieser Diagonale stehen (samt Wasserstoff), sind Nichtmetalle. Elemente an der Grenze der Diagonale können Zwischeneigenschaften aufweisen (z. B. Germanium Ge, gerade unterhalb der Diagonale, ist ein Halbmetall mit Metalleigenschaften, Kohlenstoff C, gerade oberhalb der Diagonale, ist ein Nichtmetall mit Halbmetalleigenschaften).

Eine wichtige Teilkategorie unter den Nichtmetallen sind die Edelgase. Das sind die Elemente an der ganz rechten Spalte im Periodensystem: Helium (He), Neon (Ne), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe), Radon (Rn) (und das künstlich erzeugte Element Oganesson Og).


Bemerkung

Alle Elemente weisen alle Aggregatzustände auf. Unter bestimmten Bedingungen können sie fest, flüssig oder gasförmig sein. Das hängt von der Temperatur und dem Druck ab. Wenn gesagt wird, dass ein Element fest ist, ist damit gemeint, dass das Element auf der Erdoberfläche (1 Atm Druck) und mit 20°C fest ist. Schmelzpunkt ist die Temperatur des Übergangs zwischen feste und flüssige Phase[2], Siedepunkt zwischen flüssige und gasförmige Phase. Allerdings wird in der Regel die Temperatur bei 1 Atm Druck angegeben. Fürs Wasser ist beispielsweise bei 1 Atm der Schmelzpunkt 0°C und der Siedepunkt 100°C. Der Druck der Erdatmosphäre nimmt mit der Höhe ab. Dadurch nimmt auch der Siedepunkt ab. Auf 7000 m Höhe kann man das Eigelb nicht mehr mit Wasser kochen, da das Wasser schon mit geringerer als die notwendige Temperatur kocht.

  1. Plasma ist eine besonderer Aggregatzustand, der bei extreme Energien vorkommen (z. B. bei extrem hoher Temperatur)
  2. Phase ist ein anderer Name für Aggregatzustand