Chemische Elemente, eine Einführung

	Alle Stoffe die auf der Erde zu finden sind, auch die aus denen das Leben besteht, setzen sich aus Grundstoffen, den chemischen Elementen zusammen. Natürlich kommen 89 verschiedene Elemente auf der Erde vor, weitere wurden von Menschen in Laboratorien oder bei Atombombenexplosionen erzeugt. Die natürlichen chemischen Elemente stammen aus einer Zeit, die vor der Entstehung der Erde und ihrer Sonne liegt. Sie wurden in den Tiefen einer Vorgängersonne, durch einen Vorgang den man Kernfusionen nennt, ausgebrütet. Diese Sonne explodierte in Form einer Supernova, als ihr Vorrat von fusionierbarem Material aufgebraucht war, und verteilte die entstandenen chemischen Elemente im Weltraum. Die Wolken aus diesem Staub vermischten sich mit dem im Weltall vorhandenen Wasserstoff und wurden bei der Bildung einer nächsten Sonne und ihrer Planeten neu verwendet. Vorgänge dieser Art sind noch immer im Weltall zu finden. Von ihnen wird auf den Seiten Astro.GoBlack.de berichtet. Das häufigste Element des Weltraums ist das Element Wasserstoff (abgekürzt H, von Hydrogenium). Wasserstoff ist ein Gas, das den einfachsten atomaren Aufbau aller Elemente besitzt. Es besteht aus einem positiv geladenen Proton und einem elektrisch negativ geladenen Elektron. Der galaktische Wasserstoff bildet Wolken im Weltraum, die mit Teleskopen sichtbar sind. Die Dichte solcher Wasserstoffwolken ist geringer, als jedes Hochvakuum das Menschen herstellen können. Wegen der Massenanziehungskräfte die jeder Stoff besitzt und den ungeheueren Turbulenzen die im Weltall herrschen, entstehen hier und da Gasverdichtungen, die zu riesigen Gasballons anwachsen können. Das dauert zwar wegen der geringen Dichte der Wolke mehrere Millionen Jahre, aber irgendwann hat sich ein solcher Gasballon gebildet. Besteht dieser Ballon aus genügend Masse, so wird der Wasserstoff in seiner Mitte so heftig zusammengedrückt, dass ein Prozess anspringt, den man Kernfusion oder Kernverschmelzung nennt. Bei diesem Prozess entstehen aus vier Wasserstoffatomen zunächst zwei Protonen, die zusammen mit den beiden anderen Wasserstoffatomen zu einem Heliumatom zusammengepresst werden. Es ist aus dem Wasserstoffatom ein neues chemisches Element, eben das Helium (abgekürzt He), entstanden. Bei diesem Prozess wird eine riesige Menge an Wärmeenergie frei. Diese bringt den Gasballon mit einigen Millionen Grad zum Glühen, so dass wir ihn Sonne nennen. Der eben beschriebene Prozess in der Mitte der Sonne, setzt sich auch mit den Heliumatomen fort, wenn der Druck und die Temperatur im Inneren genügen gross sind. So entstehen in dem Stern nach und nach alle die Elemente bis hin zum Eisen. Die Kernverschmelzung von Eisen ist die letzte Fusion, aus welcher der Stern Wärmeenergie gewinnen kann. Alle weiteren chemischen Elemente, die wir auf der Erde in natürlicher Form finden, entstehen, wenn der Stern explodiert. Zu ihrer Bildung muss der Stern Energie aufwenden, was Menschen bei der Kernspaltung von Uran, zur Gewinnung dieser Energie, nutzen. Dies ist auch der Grund warum schwerere Elemente als Eisen relativ selten sind. Am Ende des Lebens einer jeden Sonne steht ihre Zerstörung. Irgendwann ist der Brennvorrat an Wasserstoff in ihrem Kern aufgebraucht. Je nach Anfangsmasse spielt sich ihr Ende in unterschiedlicher Weise und Geschwindigkeit ab. In jedem Fall aber werden grosse Mengen, des die sterbende Sonne umgebenden Materials, in den Weltraum hinausgeschleudert. Aus diesen Gasen, in denen sich nun neben Resten von Wasserstoff auch viele der erbrüteten Elemente befinden, können wieder Sonnen entstehen, aber auch so kalte und feste Körper wie die Erde und die anderen Planeten in unserem Sonnensystem. Welche Grundstoffe in der Vorgängersonne entstanden sind, zeigt die Tabelle der chemischen Elemente. Sie zeigt auch Elemente, die nachträglich in menschlichen Laboratorien hergestellt wurden. 118 solcher Elemente sollen im Jahr 2006 bekannt sein. Aus ihnen bauen sich alle weiteren Stoffe auf, die auf der Erde gefunden werden ... vom Stein bis hin zu den Lebewesen, den Pflanzen, und den Tieren, zu denen auch der Mensch gehört. Es gibt keinen Stoff, der nicht zumindest aus zwei oder mehreren der genannten Elemente zusammengesetzt wäre. Es sei denn, der Stoff ist ein Element, so wie rechts im Bild das Element Schwefel, das sich in Form gelber Kristalle auf Calzit abgelagert hat. Chemische Verbindungen Wie bereits angedeutet, können aus den Elementen neue Stoffe gebildet werden, die ganz andere Eigenschaften besitzen wie die Ausgangsstoffe. Dies geschieht durch chemische Verbindungen der Elemente. Ein Beispiel ist das Wasser. Es besteht aus zwei Atomen Wasserstoff und einem Atom Sauerstoff. Beide Elemente sind Gase, der entstandene Stoff ist im Bereich zwischen 0°C und 100°C eine Flüssigkeit mit der chemischen Formel H2O. In dieser Formel kennzeichnet das H den Wasserstoff und das O den Sauerstoff (von Oxygenium). Die kleine Zahl sagt an, dass zwei Atome Wasserstoff an dieser Verbindung beteiligt sind. Den entstandenen Baustein nennt man ein Molekül. Viele dieser Moleküle bilden das, was wir Wasser nennen. Dass auf diese Weise ungeheuer viele verschiedene Stoffe entstehen können ist unmittelbar zu begreifen. Organische Verbindungen Organische Verbindungen sind ebenfalls chemische Verbindungen, nur dass bei ihnen das Element Kohlenstoff eine besondere Rolle spielt. Der Kohlenstoff, der rechts in zwei seiner elementaren Formen gezeigt wird, kann sich zu Ketten und Ringen mit sich selber verbinden. Es entstehen Riesen- oder Makromoleküle, an die sich noch andere Elemente anhängen können. Die Stoffe die hieraus entstehen, sind die Kunststoffe, die Plaste, aber auch Alkohol, Öl, Harnstoff usw.. Das eigentlich 'Irrsinnige' an den Verbindungen des Kohlenstoffs aber ist, dass auch die gesamte belebte Natur aus seinen Makromolekülen besteht. Zusammen mit Wasser und wenigen anderen Elementen wie Sauerstoff, Wasserstoff, Phosphor usw. bilden sich aus den Ketten und Ringen des Kohlenstoffs Gebilde wie Blätter, Gräser, Viren, Bakterien, Menschen und all die anderen Formen des Lebens. Chemiker können die Formeln der einzelnen organischen Stoffe wohl aufstellen und wissen viel über die zugrundeliegenden Strikturen, die einzige Erklärungslücke besteht dort, wo es niemandem gelingt zu begründen, warum eine Floh seine Füsschen bewegt und ein HighTech- Plastikeimer nicht. So bleibt das was man Leben nennt, wohl noch für lange Zeit ein Geheimnis. Aufbau der Elemente Es klang schon an, die Atome der Elemente bestehen aus weiteren Bausteinen. Obwohl Atom, in der griechischen Sprache »kleinstes unteilbares Teilchen« heisst, fand die Wissenschaft heraus, dass auch die Atome aus Einzelbausteinen bestehen. Diese Bausteine werden Protonen, Neutronen und Elektronen genannt. Die Protonen und Neutronen befinden sich, eng zusammengerückt, im Atomkern. Die Elektronen fliegen in weiten Bahnen um den Atomkern herum. Sie haben dabei eine Geschwindigkeit von etwa 2190km pro Sekunde und sind pro Stück etwa um das 2000fache leichter als die Protonen. Zwischen dem Atomkern und den Elektronen ist nichts ... und da ist viel nichts ... Könnte man den Atomkern eines Wasserstoffatoms von 0,000 000 000 006cm Durchmesser auf 6cm vergrössern, dann würden das Elektronen in einem Abstand von 100m um diesen winzigen Ball herumkreisen. Dass die elektrisch negativen Elektronen, die elektrisch positiven Protonen und die elektrisch neutralen Neutronen in einem Atom zusammenhalten, liegt an mehreren Kräften die auf sie einwirken. Gleiche elektrische Ladungen stossen sich ab. So müsste der Atomkern mit den Protonen auseinenderfliegen, denn die Protonen stossen sich wegen der gleichen elektrischen Ladung gegeneinander ab. Tut er aber nicht, da die elektrisch neutralen Protonen durch Massenanziehungskräfte den Kern zusammenhalten. Sie stellen gewissermassen den Kitt für den Atomkern dar. Bei den Elektronen und den Protonen verhält es sich umgekehrt. Ungleiche elektrische Ladungen ziehen sich an. Demnach müssten die Elektronen mit den Protonen zusammenkleben. Das passiert aber auch nicht, da die Elektronen mit hoher Geschwindigkeit um den Atomkern herumfliegen. Dies führt zu einer Fliehkraft die eigentlich die Elektronen von Atomkern wegreissen müsste. Jedoch wirken ihr die bereits genannte Anziehungskraft zwischen den elektrischen Ladungen und zweitens die Massenanziehungskräfte zwischen Atomkern und Elektron entgegen. Diese Kräfte stehen im Gleichgewicht, so dass die Elektronen auf ihren Bahnen bleiben. Warum das so sein muss weiss kein Mensch .. die Natur hat es in dieser Weise vorgegeben ... und wir können es nur genau so zur Kenntnis nehmen. Systematik Die Chemie hat alle Grundstoffe sortiert. Vom grundsätzlichen Aufbau her werden die Elemente nach der Anzahl der Protonen in ihrem Atomkern unterschieden und in der Tabelle der Elemente aufgelistet. Ordnungszahl = Anzahl der Protonen Die Ordnungszahl gibt an, wie viele Protonen sich im Atomkern befinden und da Protonen positiv geladen sind müssen genau soviele negative Ladungen vorhanden sein. Diese befinden sich in den Elektronen und so gibt die Ordnungszahl auch an, wie viele Elektronen um den Atomkern herumschwirren müssen, wenn das Element elektrisch neutral ist. Die Ordnungszahl ist bestimmend für ein Element. So hat Sauerstoff genau 8 Protonen und 8 Elektronen und damit die Ordnungszahl 8. Kein anderes Element kann damit die Ordnungszahl 8 besitzen, denn dann müsste man es Sauerstoff nennen. Massezahl = Anzahl der Protonen + Neutronen Die Massezahl der Elemente gibt an, wie schwer das Element ist. Dabei spielen die Elektronen eine untergeordnete Rolle, denn ihr Gewicht beträgt nur 1/2000 des Gewichts eines Protons. Aber im Atomkern befinden sich noch die elektrisch neutralen Neutronen, und diese besitzen ziemlich genau das gleiche Gewicht wie die Protonen. Protonen und Neutronen zusammen bestimmen also das Gewicht des Atoms. Da die Anzahl der Neutronen in ein und dem gleichen Stoff veränderlich sein kann, ein Element also verschiedene Isotope besitzen kann, wird die Massezahl als Mittelwert angegeben. Die Massezahl gibt nur indirekt die Masse an. Eigentlich wurde nur die Anzahl der Protonen und Neutronen zusammengezählt. Würde man die wirkliche Masse eines Protons kennen, dann müsste man die Massezahl damit malnehmen, um die absolute, also die echte Masse des Atoms zu erhalten. Andererseits kann man aus der Massezahl ohne Rechnung, die Summe von Protonen und Neutronen ablesen. Beim Sauerstoff mit der Massezahl 16, wird der Atomkern aus 16 Protonen und Neutronen gebildet und da 8 Protonen vorhanden sind (s.Ordnungszahl) müssen noch 8 Neutronen vorhanden sein .. oder kurz,                                            Anzahl der Neutronen = Massezahl - Ordnungszahl Elektronen Schalen Die Elektronen befinden sich auf Bahnen um den Atomkern herum. In der Tabelle der chemischen Elemente kann abgelesen werden, wie viele Elektronen sich auf einer der Schalen befinden. Das hat für das chemische Bindungsverhalten der Elemente Konsequenzen. So unterscheiden Chemiker die Elemente in Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle. Natürliches Vorkommen der Elemente Auf der Erde kommen nur 89 Elemente in natürlicher Form vor. Dabei ist Uran mit 92 Protonen das schwerste der natürlichen Elemente. Alle restlichen Elemente wurden in Laboratorien oder durch Atombombenexplosionen erzeugt. Die dabei erzeugten Mengen waren teilweise so gering oder zerfiel so schnell, dass sie nur indirekt nachgewiesen werden konnten. In den 4 Milliarden Jahren der Existenz dieser Erde wurden die natürlichen Elemente vielfach vermischt und wieder getrennt. Sie gingen chemische Verbindungen ein, die sich zu anderen Verbindungen auflösten. Dennoch oder gerade deswegen sind viele der Elemente in reiner Form zu finden. Gold, Platin, Kupfer, Schwefel, Kohlenstoff sind einige Beispiele. Andere Elemente wie Aluminium, Eisen, Silizium, Kalzium usw. sind chemisch so bindungsaktiv mit dem allgegenwärtigen Sauerstoff, dass sie in elementarer Form nur selten, oder sogar nie aufgefunden werden. Dafür treten diese Elemente aber um so häufiger in einfachen chemischen Verbindungen auf, wie das Kalziumcarbonat (der gewöhnliche Kalkstein) aus dem sich ganze Gebirge auftürmen. Er hat sich zu CaCO3 verbunden und besteht aus je einem Atom Kalzium und Kohlenstoff sowie 3 Atomen Sauerstoff. Ein anderes Beispiel ist das Quarzgestein, das chemisch SiO2 genannt wird und aus Silizium und Sauerstoff besteht. Einen besonderen Reiz erhalten diese Verbindungen häufig dann, wenn sie sich langsam entstehend, in ihrer kristallinen Form sammeln konnten. Quarz z.B nennt man dann einen edlen Stein wenn er als Bergkristall, Achat, Jaspis, Amethyst, Tiegerauge oder Opal auftritt. Auch organische Verbindungen der Elemente können in diesem Sinn wirken. So bilden 10 Atome Kohlenstoff, 16 Atome Wasserstoff und ein Atom Sauerstoff das Molekül C10H16O. Die Vielzahl der Moleküle wird zu dem Stoff Bernstein, der im Bild zu sehen ist und der aus dem Harz von Nadelbäumen in grauer Vorzeit entstand. Radioaktive Elemente Irgendwann, wenn die Atomkerne zu gross geworden sind und sich zu viele Protonen im Kern befinden, ist das Klebstoffverhalten der Neutronen überfordert. Die Atome fallen auseinander. Da dieser Zerfall früher über Radioverstärker hörbar gemacht werden konnte, nannte man die Elemente bei denen etwas zu hören war, radioaktiv. Tatsächlich aber fliegen nur zwei Protonen mit zwei Neutronen, also Heliumkerne und die dazugehörigen Elektronen vom Atomkern weg und zudem eine energiereiche elektromagnetische Strahlung, die Gamma-Strahlung. Beim radioaktiven Zerfall entstehen damit Elemente einer niedrigen Ordnung. Die Zeit, in der sich durch den Zerfall die Stoffmenge eines radioaktiven Stoffes halbiert hat, nennt man seine Halbwertzeit. Sie kann im Bereich von Sekunden, bis hin zu mehreren Billiarden Jahren liegen. Radioaktivität ist für Lebewesen gefährlich. Bei zu grosser Bestrahlung werden die Atome des Körpergewebes 'zerschossen' so dass das Gewebe zerfällt und das Lebewesen qualvoll stirbt. Über örtlich begrenzte Zerstörung von Körpergewebe mit radioaktivem Material versucht man andererseits Krebsgeschwüre zu entfernen. Werden Zellen der Erbsubstanz durch Radioaktivität verändert so spricht man von Mutation. Je nachdem welche Information der Erbsubstanz zerstört oder verändert werden, können neue Eigenschaften des Lebewesens entstehen. Die Regel sind jedoch Missbildungen. Bei radioaktivem Zerfall unterscheidet man Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlung. Zerlegt sich das radioaktive Material durch Abgabe eines Heliumkerns, also zwei Protonen und zwei Neutronen wird die entstehende Strahlung Alpha-Strahlung genannt. Sie wirkt nur einige Zentimeter weit. Fliegen Elektronen weg, so sagt man es trete Beta-Strahlung auf. Diese Strahlung wirkt einige Meter. Die energiereiche elektromagnetische Strahlung wird Gammastrahlung genannt. Sie wirkt mehrere 10m weit. Natürliche Radioaktivität herrscht bei 28 Atomkernen und bei allen Elementen und deren Isotopen, die eine Ordnungszahl über 82 besitzen. Oben im Bild ist Uranpecherz zu sehen, das wichtigste Uranerz. Es ist radioaktiv. Auch einige leichte Elemente besitzen natürliche radioaktive Isotope (sogenannte Nuklide) ohne in besonders gefährlicher Weise radioaktiv zu sein. In Laboratorien, bei Kernreaktoren und Atombomben werden neue Elemente künstlich erzeugt oder von natürlichen Elementen neue Isotope gebildet. Von diesen künstlichen Atomen sind alle (rund 1000) radioaktiv.

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