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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.

Inhaltsverzeichnis

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

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 613 2) 613 2) 11. Jhd. 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 3) 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 Marie 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 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)
Zirconium 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 einzelnen Elemente.
2) Sublimationspunkt
3) Daten für P4, siehe Abschnitt Modifikationen und Eigenschaften des Artikels

Siehe auch

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
 
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