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Chemisches Element
Ein chemisches Element ist ein Reinstoff, der mit chemischen Methoden nicht mehr in andere Stoffe zerlegt werden kann. Die Elemente sind die Grundstoffe der …
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Definition und Ordnung
Ein chemisches Element ist ein Reinstoff, der sich mit chemischen Methoden nicht weiter in andere Stoffe zerlegen lässt. Elemente sind die Grundstoffe chemischer Reaktionen. Ihre kleinste mögliche Menge ist ein Atom. Alle Atome desselben Elements besitzen im Atomkern gleich viele Protonen. Diese Protonenzahl heißt Ordnungszahl oder Kernladungszahl. Sie bestimmt den Aufbau der Elektronenhülle und damit weitgehend das chemische Verhalten.
Jedes Element wird durch ein Elementsymbol abgekürzt, das häufig vom lateinischen Namen stammt, etwa Fe von ferrum oder Pb von plumbum. Im Periodensystem der Elemente (PSE) stehen die Elemente nach steigender Ordnungszahl. Zusätzlich werden sie anhand ihrer Elektronenkonfiguration, also der Verteilung ihrer Elektronen, in Gruppen und Perioden eingeordnet. Dadurch treten bestimmte Eigenschaften regelmäßig wieder auf. Das Periodensystem wurde 1869 von Dmitri Iwanowitsch Mendelejew und unabhängig davon von Lothar Meyer begründet.
Insgesamt sind 118 Elemente nachgewiesen. Die Elemente mit den Ordnungszahlen 1 bis 94 kommen auf der Erde natürlich vor, teilweise nur in äußerst geringen Spuren oder als kurzlebige Zwischenprodukte radioaktiver Zerfälle. 80 der 118 bekannten Elemente besitzen mindestens ein stabiles Nuklid. Üblich ist außerdem die Einteilung in Metalle, Nichtmetalle und die Zwischenstufe der Halbmetalle. Metalle bilden den Großteil aller Elemente; nur 17 Elemente gehören zu den Nichtmetallen.
Atombau, Isotope und Masse
Ein elektrisch neutrales Atom enthält ebenso viele negativ geladene Elektronen in seiner Hülle wie positiv geladene Protonen in seinem Kern. Die Elektronen lassen sich durch vier Quantenzahlen beschreiben: Hauptquantenzahl, Nebenquantenzahl, Magnetquantenzahl und Spinquantenzahl. Bei chemischen Reaktionen werden nur die Elektronen der Außenschalen neu angeordnet; der Atomkern bleibt unverändert. Viele Atome erreichen dabei eine Edelgaskonfiguration, also eine abgeschlossene und besonders stabile Außenschale. Die Elektronegativität beschreibt das Bestreben eines Atoms, in einer Bindung Elektronen anzuziehen. Edelgase besitzen bereits eine abgeschlossene Außenschale und sind deshalb reaktionsarm; Verbindungen bilden sie nur unter drastischen Bedingungen.
Atome eines Elements können trotz gleicher Protonenzahl verschieden viele Neutronen besitzen. Solche Varianten heißen Isotope. Ein Nuklid ist allgemeiner eine durch ihre Protonen- und Neutronenzahl eindeutig festgelegte Atomart. Natürlicher Wasserstoff enthält drei Isotope: Protium ohne Neutron, Deuterium mit einem Neutron und Tritium mit zwei Neutronen. Der Kern von Protium, ^1H, besteht nur aus einem Proton; sein Anteil beträgt 99,9851 %. Deuterium hat einen Anteil von 0,0149 %, Tritium von weniger als 10^−10 %. Beim Helium besteht der häufigste Kern ^4He aus zwei Protonen und zwei Neutronen. ^3He mit nur einem Neutron hat einen natürlichen Anteil von 0,000137 %. Natürliches Chlor mit 17 Protonen enthält Isotope mit 18 Neutronen zu 75,8 % und mit 20 Neutronen zu 24,2 %.
Die Isotopenmassen sind annähernd, aber nicht genau ganzzahlige Vielfache der Masse eines Wasserstoffatoms. Die Abweichungen liegen unter 0,9 %. Ein Grund ist der Massendefekt: Aufgrund der Bindungsenergie ist ein Atomkern leichter als die Summe seiner einzelnen Bestandteile. Dieser Effekt erreicht bei Eisen- und Nickelkernen mit 0,945 % sein Maximum. Außerdem sind Neutronen 0,138 % schwerer als Protonen, während ein Elektron 0,055 % der Protonenmasse besitzt; diese beiden Effekte gleichen sich nur teilweise aus.
Rein- und Mischelemente sowie Zustände
Ein Reinelement weist in seinen natürlichen Vorkommen nur eine Atomsorte beziehungsweise ein Isotop auf. Ein Mischelement besteht dagegen aus mindestens zwei Isotopen. Diese Begriffe dürfen nicht mit Reinstoff und Stoffgemisch verwechselt werden: Auch ein aus mehreren Isotopen bestehendes Mischelement ist chemisch ein Reinstoff.
Die meisten Elemente sind Mischelemente. Es gibt 19 stabile und drei langlebige instabile Reinelemente, nämlich unter den instabilen Bismut, Thorium und Plutonium; insgesamt sind es 22 Reinelemente. Bei Mischelementen gibt das Periodensystem die aus den relativen Isotopenhäufigkeiten berechnete durchschnittliche Atommasse an. Das natürliche Mischungsverhältnis ist meist konstant, kann aber örtlich schwanken. So besitzt Blei je nach Lagerstätte unterschiedliche durchschnittliche Atommassen. Die IUPAC beschloss 2010, die Masse von Wasserstoff, Bor, Lithium, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Silicium, Schwefel, Chlor und Thallium künftig als Massenbereich anzugeben.
Die meisten Elemente sind unter Standardbedingungen fest und dichter als Wasser. Lithium, Natrium und Kalium bilden Ausnahmen bei der Dichte. Viele Elemente sind sogar Schwermetalle, haben also eine Dichte von mehr als 5000 kg/m³. Gasförmig sind die beiden leichtesten Elemente Wasserstoff und Helium, außerdem Stickstoff, Sauerstoff, Fluor und Chlor sowie die Edelgase Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon; Oganesson ist ausgenommen. Flüssig sind nur Brom und Quecksilber. Die Dichte hängt häufig mit der Atommasse zusammen, bei Gasen besonders genau mit der Molekülmasse. Lithium besitzt ungefähr die halbe Dichte von Wasser, während Gold, Osmium und Wolfram etwa 20-mal so dicht wie Wasser sind.
Chemische Bindungen und Verbindungen
Bis auf einige Edelgase können Elemente chemische Bindungen eingehen. Dabei schließen sich Atome zu Molekülen, Ionenkristallen, Komplexen oder metallischen Verbindungen zusammen. Verbinden sich Atome desselben Elements miteinander, bleibt der Stoff ein Element. Chlor und Fluor bilden beispielsweise zweiatomige Moleküle, Cl₂ und F₂. Sauerstoff kommt als O₂ und als weniger stabiles dreiatomiges Ozon O₃ vor. Schwefel bildet ringförmige Moleküle aus sechs bis acht Atomen.
Verbinden sich Atome verschiedener Elemente, entsteht eine chemische Verbindung. Wasser mit der Summenformel H₂O besteht pro Molekül aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Der Artikel unterscheidet vier grundlegende Arten solcher Verbindungen:
• Molekulare Verbindungen entstehen gewöhnlich zwischen Nichtmetallen. Sie leiten elektrischen Strom nicht und besitzen meist vergleichsweise niedrige Siedepunkte; diamantartige oder kunststoffartige Riesenmoleküle sind Ausnahmen. Beispiele sind Wasser, Methan und Zucker.
• Ionische Verbindungen oder Salze entstehen häufig aus einem positiv geladenen Metallion, dem Kation, und einem negativ geladenen Nichtmetallion, dem Anion. Sie sind spröde, haben oft hohe Schmelzpunkte und leiten in einer Schmelze oder Lösung elektrischen Strom. Beispiele sind Eisen(II)-oxid und Natriumchlorid, also Kochsalz.
• Komplexe bestehen aus einem Zentralteilchen, das von Liganden umgeben ist. Chlorophylle sind Beispiele für Komplexverbindungen.
• Metallische Verbindungen bestehen aus mindestens zwei Metallen. Ihre Atome sind durch metallische Bindungen verbunden, häufig ergänzt durch ionische oder kovalente Bindungsanteile. Metallische Verbindungen sind von Legierungen zu unterscheiden, denn Legierungen zählen zu den Gemischen.
Entstehung und Häufigkeit
Beim Urknall entstanden vor allem Wasserstoff mit etwa 75 % und Helium mit etwa 25 %, außerdem geringe Mengen Lithium und Beryllium. Schwerere Elemente bildeten sich später durch Kernreaktionen in Sternen. In Hauptreihensternen wie der Sonne verschmelzen bei Temperaturen von mehreren Millionen Grad Celsius und hohem Druck über mehrere Zwischenstufen vier Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern. Dessen relative Atommasse beträgt etwa 4,0 u, während Wasserstoff etwa 1,0 u besitzt. Der Heliumkern ist etwas leichter als die vier Protonen zusammen; die Massendifferenz wird als Energie frei.
Diese Kernfusion reicht in den meisten Sternen bis zum Kohlenstoff und in massereichen Sternen bis zum Eisen, dem am dichtesten gepackten Atomkern. Bis zum Eisen wird Energie frei, wobei die Energieausbeute mit steigender Ordnungszahl abnimmt. Die Fusion zu noch schwereren Kernen würde dagegen Energie benötigen. Elemente schwerer als Eisen entstehen deshalb durch Neutroneneinfang: bei massearmen Sternen im s-Prozess und bei massereichen Sternen am Ende ihrer Lebenszeit während einer Supernova im r-Prozess. Sonnenwind oder Supernovaexplosionen bringen die erzeugten Elemente in das interstellare Medium. Dort stehen sie für neue Sterne und andere astronomische Objekte zur Verfügung. Jüngere Sternensysteme enthalten daher von Anfang an geringe Mengen schwererer Elemente, aus denen sich unter anderem Planeten bilden können.
Die Elementhäufigkeit hängt vom betrachteten Bereich ab. Im Universum ist Wasserstoff am häufigsten, gefolgt von Helium; danach folgen Kohlenstoff und Sauerstoff. Atome mit gerader Protonenzahl, etwa Sauerstoff, Neon, Eisen und Schwefel, sind häufiger als benachbarte Elemente mit ungerader Protonenzahl. Diese Beobachtung heißt Harkinssche Regel. Eisen ist als Endpunkt der energieliefernden Sternfusion besonders häufig.
Auf der Erde sind Wasserstoff und Helium vergleichsweise selten, weil das Schwerefeld diese Gase nicht festhalten kann. Im Sonnensystem befinden sie sich vor allem in Gasplaneten wie Jupiter und Neptun. Auf Gesteinsplaneten wie der Erde überwiegen schwerere Elemente, besonders Sauerstoff, Silicium, Aluminium und Eisen. Organismen bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff. In einem betrachteten Bereich häufige Elemente heißen Mengenelemente, sehr seltene Spurenelemente.
Entdeckung und heutiger Bestand
In der Antike waren zehn Elemente in Reinform bekannt, weil sie gediegen vorkamen oder aus Erzen gewonnen werden konnten: Kohlenstoff, Schwefel, Eisen, Kupfer, Zink, Silber, Zinn, Gold, Quecksilber und Blei. Die Entdeckung des Phosphors durch Hennig Brand im Jahr 1669 leitete eine Phase ein, in der viele weitere Elemente gefunden wurden. Martin Heinrich Klaproth entdeckte 1789 Uran in Pechblende. 1751 waren insgesamt 17 Elemente bekannt, bis 1800 kamen 13 weitere hinzu, von 1800 bis 1830 weitere 22 und zwischen 1830 und 1869 noch elf. Damit waren 1869 insgesamt 63 Elemente entdeckt.
Im 19. Jahrhundert wurden die Metalle der Seltenen Erden entdeckt, sodass fast alle natürlich vorkommenden Elemente bekannt waren. Im 20. und beginnenden 21. Jahrhundert erzeugte man zahlreiche nicht natürlich vorkommende Transurane künstlich in Kernreaktoren oder Teilchenbeschleunigern. Sie sind instabil und wandeln sich durch radioaktiven Zerfall in andere Elemente um; viele existieren nur sehr kurz und werden nur in äußerst kleinen Mengen hergestellt.
Die moderne Definition entwickelte sich mit dem Verständnis des Atombaus. Antoine Laurent de Lavoisier kennzeichnete 1789 Stoffe als elementar, solange sie nicht weiter zerlegt werden konnten. John Dalton erklärte 1803 Elemente als Sorten einheitlicher Atome. Nach der Entdeckung der Radioaktivität zeigte Ernest Rutherford 1902, dass bei radioaktiven Zerfällen Atome geteilt und Elemente umgewandelt werden können. Frederick Soddy erkannte 1910 die Isotopie, also unterschiedliche Atommassen innerhalb desselben Elements. Seit der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wird ein Element eindeutig durch die positive Kernladung und damit durch seine Protonenzahl bestimmt.
