Reinstoffe, die sich auch chemisch nicht weiter zerlegen, bezeichnet man als chemische Elemente. Demokritmuenze.jpg Sie bestehen ausschließlich aus Atomen mit gleicher Anzahl an Protonen im Kern (Kernladungszahl) und treten 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.

Früher war die Definition dieses Begriffs intuitiver, aber unpräziser: Robert Boyle definierte ein chemisches Element 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. im Labor 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 präzise. 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 die Atome eines Elements sich in der Masse unterscheiden (Isotope) und bei nuklearen Reaktionen unterschiedlich verhalten.

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.

Kernladungszahl und Masse

Die Erklärungen dafür, dass die Massenzahl nicht genau dem Vielfachen der Masse des Wasserstoffatoms entspricht, 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 (Ausnahme Chlor Cl mit der 35,5-fachen Masse)
• Das natürliche Mischverhältnis ist bei einem Element meist gleich (Ausnahme ist Blei, das unterschiedliche durchschnittliche Atommassen zeigt, wenn man es aus verschiedenen Lagerstätten gewinnt)
• 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 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).

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

Grundsätzlich gib 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

Bereits beim Urknall entstanden die leichten Elemente Wasserstoff (ca. 75%) und Helium (ca. 25%), zusammen mit geringen Mengen Lithium und Beryllium. OrionnebelWÄCHTER.jpg im Wintersternbild Orion (Foto von M.Wächter,1983): 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 Dalton (ein Proton). In Hauptreihen-Sternen, wie auch unserer Sonne, verschmilzt unter hoher Temperatur (mehrere Millionen Grad Celsius) und hohem Druck Wasserstoff zu Helium. (relative Atommasse ca. 4,0 u). Dabei verschmelzen vier Wasserstoffatomkerne über mehrere Zwischenstufen zu einem Heliumatomkern. Dieser ist ein wenig leichter als die vier Protonen zusammen, die Massendifferenz wird als Energie in Form von (Gamma-)Strahlung 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. Sterne sind auf Energiegewinnung aus Kernfusion angewiesen, um ihren Gravitationskollaps aufzuhalten, daher können derartige Reaktionen nicht in nennenswertem Umfang stattfinden.

Elemente schwerer 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.

Alfabetische Liste chemischer Elemente

Literatur

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

Weblinks

• www.chemieseite.de enthält ausführliche Beschreibungen der Hauptelemente.
• Tom Lehrer's "The Elements" (1959) Lied der chemischen Elemente

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

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