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Chemisches Element

Sammelbezeichnung für alle Nuklide mit derselben Ordnungszahl
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Stoffe, die ausschließlich aus Atomen mit gleicher Anzahl an Protonen im Kern (Kernladungszahl) bestehen, bezeichnet man als chemische Elemente. Sie treten im Universum mit einer bestimmten Elementhäufigkeit auf. Im Gegensatz zu den Elementen stehen die Verbindungen und die Stoffgemische.

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. Hätte man es z. B. im Labor nicht geschafft, Wasser 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 (auch Ordnungszahl) ihrer Atome ordnet man die Elemente im Periodensystem der Elemente (PSE) an. Dieses System wurde vom russischen Gelehrten Dmitri Iwanowitsch Mendelejew zeitgleich mit dem deutschen Lothar Meyer 1869 begründet.

Kernladungszahl und Masse

Die Erklärungen dafür, dass die Massezahl 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 wenige Ausnahmen, chemische Verbindungen eingehen. Dabei sind mehrere der elementaren Atome zu Molekülen zusammengeschlossen. Natürliche oder künstliche Stoffe sind entweder Elemente oder Verbindungen. Gewöhnliches Wasser H2O ist 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.

Elemente können auch eine Verbindung mit sich selbst eingehen. Bei vielen Gasen wie Chlor Cl oder Fluor F verbinden sich zwei Atome desselben Elements zu einem Molekül, also Cl2 bzw. F2.

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.

Schwerere Elemente entstehen im Universum durch Kernreaktionen in den Sternen (meist durch Kernfusion). Am Anfang steht der Wasserstoff mit einem Atomgewicht von ca. 1,0 (ein Proton). In Hauptreihen-Sternen, wie auch unserer Sonne, verschmilzt unter hoher Temperatur (mehrere Millionen C°) und hohem Druck Wasserstoff zu Helium. (Atomgewicht ca. 4,0) Dabei verschmelzen 4 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 Atomgewicht 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.

Liste chemischer Elemente

Ordnungszahl Name Chemisches Symbol Atomgewicht Dichte bei 20 Grad Celsius Schmelzpunkt Siedepunkt Entdeckungsjahr Endecker
Actinium 89 Ac 227,0278 g/mol 10,07 g/cm3 1047 °C 3197 °C 1899 Debierne
Aluminium 13 Al 26,981539 g/mol 2,70 g/cm3 660,5 °C 2467 °C 1825 Oersted
Americium 95 Am 243,0614 g/mol 13,67 g/cm3 994 °C 2607 °C 1944 Seaborg
Antimon 51 Sb 121,75 g/mol 6,69 g/cm3 630,7 °C 1750 °C prähistorisch unbekannt
Argon 18 Ar 39,948 g/mol 1,66 g/l -189,4 °C -185,9 °C 1894 Ramsay und Rayleigh
Arsen 33 As 74,92159 g/mol 5,72 g/cm3 613 °C 613 (sublimiert) °C ca. 1250 Albertus Magnus
Astat 85 At 209,9871 g/mol 302 °C 337 °C 1940 Corson und MacKenzie
Barium Ba 56 137,327 g/mol 3,65 g/cm3 725 °C 1640 °C 1808 Davy
Berkelium Bk 97 247,0703 g/mol 13,25 g/cm3 986 °C 1949 Seaborg
Beryllium Be 4 9,012182 g/mol 1,85 g/cm3 1278 °C 2970 °C 1797 Vauquelin
Blei Pb 82 207,2 g/mol 11,34 g/cm3 327,5 °C 1740 °C prähistorisch unbekannt
Bohrium Bh 107 262,1229 g/mol 1976 Oganessian
Bor B 5 10,811 g/mol 2,46 g/cm3 2300 °C 2550 °C 1808 Davy u. Gay-Lussac
Brom Br 35 79,904 g/mol 3,14 g/cm3 -7,3 °C 58,8 °C 1826 Balard
Cadmium Cd 48 112,411 g/mol 8,64 g/cm3 321 °C 765 °C 1817 Stromeyer und Hermann
Cäsium Cs 55 132,90543 g/mol 1,90 g/cm3 28,4 °C 690 °C 1860 Kirchhoff und Bunsen
Calcium Ca 20 40,078 g/mol 1,54 g/cm3 839 °C 1487 °C 1808 Davy
Californium Cf 98 251,0796 g/mol 15,1 g/cm3 900 °C 1950 Seaborg
Cer Ce 58 140,115 g/mol 6,77 g/cm3 798 °C 3257 °C 1803 von Hisinger und Berzelius
Chlor Cl 17 35,4527 g/mol 2,95 g/l -34,6 °C -101 °C 1774 Scheele
Chrom Cr 24 51,9961 g/mol 7,14 g/cm3 1857 °C 2482 °C 1797 Vauquelin
Curium Cm 96 247,0703 g/mol 13,51 g/cm3 1340 °C 1944 Seaborg
Darmstadtium Ds 110 269 g/mol 1994 Gesellschaft für Schwerionenforschung
Dubnium Db 105 262,1138 g/mol 1967/70 Flerow oder Ghiorso
Dysprosium Dy 66 162,5 g/mol 8,56 g/cm3 1409 °C 2335 °C 1886 Lecoq de Boisbaudran
Einsteinium Es 99 252,0829 g/mol 860 °C 1952 Seaborg
Eisen Fe 26 55,847 g/mol 7,87 g/cm3 1535 °C 2750 °C prähistorisch unbekannt
Erbium Er 68 167,26 g/mol 9,05 g/cm3 1522 °C 2510 °C 1842 Mosander
Europium Eu 63 151,965 g/mol 5,25 g/cm3 822 °C 1597 °C 1901 Demaçay
Fermium Fm 100 257,0951 g/mol 1952 Seaborg
Fluor F 9 18,9984032 g/mol 1,58 g/l -219,6 °C -188,1 °C 1886 Moissan
Francium Fr 87 223,0197 g/mol 27 °C 677 °C 1939 Perey
Gadolinium Gd 64 157,25 g/mol 7,89 g/cm3 1311 °C 3233 °C 1880 de Marignac
Gallium Ga 31 69,723 g/mol 5,91 g/cm3 29,8 °C 2403 °C 1875 Lecoq de Boiskaudran
Germanium Ge 32 72,61 g/mol 5,32 g/cm3 937,4 °C 2830 °C 1886 Winkler
Gold Au 79 196,96654 g/mol 19,32 g/cm3 1064,4 °C 2940 °C prähistorisch unbekannt
Hafnium Hf 72 178,49 g/mol 13,31 g/cm3 2150 °C 5400 °C 1923 Coster und vón Hevesy
Hassium Hs 108 265 g/mol 1984 Gesellschaft für Schwerionenforschung
Helium He 2 4,002602 g/mol 0,17 g/l -272,2 °C -268,9 °C 1895 Ramsay und Cleve
Holmium Ho 67 164,93032 g/mol 8,78 g/cm3 1470 °C 2720 °C 1878 Soret
Indium In 49 114,82 g/mol 7,31 g/cm3 156,2 °C 2080 °C 1863 Reich und Richter
Iod I 53 126,90447 g/mol 4,94 g/cm3 113,5 °C 184,4 °C 1811 Courtois
Iridium Ir 77 192,22 g/mol 22,65 g/cm3 2410 °C 4130 °C 1803 Tenant und andere
Kalium K 19 39,0983 g/mol 0,86 g/cm3 63,7 °C 774 °C 1807 Davy
Kobalt Co 27 58,9332 g/mol 8,89 g/cm3 1495 °C 2870 °C 1735 Brandt
Kohlenstoff C 6 12,011 g/mol 3,51 g/cm3 3550 °C 4827 °C prähistorisch unbekannt
Krypton Kr 36 83,8 g/mol 3,48 g/l -156,6 °C -152,3 °C 1898 Ramsay und Travers
Kupfer Cu 29 63,546 g/mol 8,92 g/cm3 1083,5 °C 2595 °C prähistorisch unbekannt
Lanthan La 57 138,9055 g/mol 6,16 g/cm3 920 °C 3454 °C 1839 Mosander
Lawrencium Lr 103 260,1053 g/mol 1961 Ghiorso
Lithium Li 3 6,941 g/mol 0,53 g/cm3 180,5 °C 1317 °C 1817 Arfvedson
Lutetium Lu 71 174,967 g/mol 9,84 g/cm3 1656 °C 3315 °C 1907 Urbain
Magnesium Mg 12 24,305 g/mol 1,74 g/cm3 648,8 °C 1107 °C 1755 Black
Mangan Mn 25 54,93805 g/mol 7,44 g/cm3 1244 °C 2097 °C 1774 Gahn
Meitnerium Mt 109 266 g/mol 1982 Gesellschaft für Schwerionenforschung
Mendelevium Md 101 258,0986 g/mol 1955 Seaborg
Molybdän Mo 42 95,94 g/mol 10,28 g/cm3 2617 °C 5560 °C 1778 Scheele
Natrium Na 11 22,989768 g/mol 0,97 g/cm3 97,8 °C 892 °C 1807 Davy
Neodym Nd 60 144,24 g/mol 7,00 g/cm3 1010 °C 3127 °C 1895 von Welsbach
Neon Ne 10 20,1797 g/mol 0,84 g/l -248,7 °C -246,1 °C 1898 Ramsay u. Travers
Neptunium Np 93 237,0482 g/mol 20,48 g/cm3 640 °C 3902 °C 1940 McMillan und Abelson
Nickel Ni 28 58,69 g/mol 8,91 g/cm3 1453 °C 2732 °C 1751 Cronstedt
Niob Nb 41 92,90638 g/mol 8,58 g/cm3 2468 °C 4927 °C 1801 Hatchet
Nobelium No 102 259,1009 g/mol 1958 Seaborg
Osmium Os 76 190,2 g/mol 22,61 g/cm3 3045 °C 5027 °C 1803 Tenant
Palladium Pd 46 106,42 g/mol 12,02 g/cm3 1552 °C 3140 °C 1803 Wollaston
Phosphor P 15 30,973762 g/mol 1,82 g/cm3 44 (P4) °C 280 (P4) °C 1669 Brandt
Platin Pt 78 195,08 g/mol 21,45 g/cm3 1772 °C 3827 °C 1557 Scaliger
Plutonium Pu 94 244,0642 g/mol 19,74 g/cm3 641 °C 3327 °C 1940 Seaborg
Polonium Po 84 208,9824 g/mol 9,20 g/cm3 254 °C 962 °C 1898 Marie und Pierre Curie
Praseodym Pr 59 140,90765 g/mol 6,48 g/cm3 931 °C 3212 °C 1895 von Welsbach
Promethium Pm 61 146,9151 g/mol 7,22 g/cm3 1080 °C 2730 °C 1945 Marinsky und Glendenin
Protactinium Pa 91 231,0359 g/mol 15,37 g/cm3 1554 °C 4030 °C 1917 Soddy, Cranston und Hahn
Quecksilber Hg 80 200,59 g/mol 13,55 g/cm3 -38,9 °C 356,6 °C prähistorisch unbekannt
Radium Ra 88 226,0254 g/mol 5,50 g/cm3 700 °C 1140 °C 1898 Marie und Pierre Curie
Radon Rn 86 222,0176 g/mol 9,23 g/l -71 °C -61,8 °C 1900 Dorn
Rhenium Re 75 186,207 g/mol 21,03 g/cm3 3180 °C 5627 °C 1925 Noddack, Tacke und Berg
Rhodium Rh 45 102,9055 g/mol 12,41 g/cm3 1966 °C 3727 °C 1803 Wollaston
Roentgenium Rg 111 272 g/mol 1994 Gesellschaft für Schwerionenforschung
Rubidium Rb 37 85,4678 g/mol 1,53 g/cm3 39 °C 688 °C 1861 Bunsen und Kirchhoff
Ruthenium Ru 44 101,07 g/mol 12,45 g/cm3 2310 °C 3900 °C 1844 Claus
Rutherfordium Rf 104 261,1087 g/mol 1964/69 Flerow oder Ghiorso
Samarium Sm 62 150,36 g/mol 7,54 g/cm3 1072 °C 1778 °C 1879 Lecoq de Boisbaudran
Sauerstoff O 8 15,9994 g/mol 1,33 g/l -218,4 °C -182,9 °C 1774 Priestley und Scheele
Scandium Sc 21 44,95591 g/mol 2,99 g/cm3 1539 °C 2832 °C 1879 Nilson
Schwefel S 16 32,066 g/mol 2,06 g/cm3 113 °C 444,7 °C prähistorisch unbekannt
Seaborgium Sg 106 263,1182 g/mol 1974 Oganessian
Selen Se 34 78,96 g/mol 4,82 g/cm3 217 °C 685 °C 1817 Berzelius
Silber Ag 47 107,8682 g/mol 10,49 g/cm3 961,9 °C 2212 °C prähistorisch unbekannt
Silizium Si 14 28,0855 g/mol 2,33 g/cm3 1410 °C 2355 °C 1824 Berzelius
Stickstoff N 7 14,00674 g/mol 1,17 g/l -209,9 °C -195,8 °C 1772 Rutherford
Strontium Sr 38 87,62 g/mol 2,63 g/cm3 769 °C 1384 °C 1790 Crawford
Tantal Ta 73 180,9479 g/mol 16,68 g/cm3 2996 °C 5425 °C 1802 Ekeberg
Technetium Tc 43 98,9063 g/mol 11,49 g/cm3 2172 °C 5030 °C 1937 Perrier und Segrè
Tellur Te 52 127,6 g/mol 6,25 g/cm3 449,6 °C 990 °C 1782 von Reichenstein
Terbium Tb 65 158,92534 g/mol 8,25 g/cm3 1360 °C 3041 °C 1843 Mosander
Thallium Tl 81 204,3833 g/mol 11,85 g/cm3 303,6 °C 1457 °C 1861 Crookes
Thorium Th 90 232,0381 g/mol 11,72 g/cm3 1750 °C 4787 °C 1829 Berzelius
Thulium Tm 69 168,93421 g/mol 9,32 g/cm3 1545 °C 1727 °C 1879 Cleve
Titan Ti 22 47,88 g/mol 4,51 g/cm3 1660 °C 3260 °C 1791 Gregor und Klaproth
Ununbium Uub 112 277 g/mol 1996 Gesellschaft für Schwerionenforschung
Ununhexium Uuh 116
Ununoctium Uuo 118
Ununpentium Uup 115
Ununquadium Uuq 114
Ununseptium Uus 117
Ununtrium Uut 113
Uran U 92 238,0289 g/mol 18,97 g/cm3 1132,4 °C 3818 °C 1789 Klaproth
Vanadium V 23 50,9415 g/mol 6,09 g/cm3 1890 °C 3380 °C 1801 del Rio
Wasserstoff H 1 1,00794 g/mol 0,084 g/l -259,1 °C -252,9 °C 1766 Cavendish
Wismut Bi 83 208,98037 g/mol 9,80 g/cm3 271,4 °C 1560 °C 1540 Agricola
Wolfram W 74 183,85 g/mol 19,26 g/cm3 3407 °C 5927 °C 1783 Gebrüder de Elhuyar
Xenon Xe 54 131,29 g/mol 4,49 g/l -111,9 °C -107 °C 1898 Ramsay und Travers
Ytterbium Yb 70 173,04 g/mol 6,97 g/cm3 824 °C 1193 °C 1878 de Marignac
Yttrium Y 39 88,90585 g/mol 4,47 g/cm3 1523 °C 3337 °C 1794 Gadolin
Zink Zn 30 65,39 g/mol 7,14 g/cm3 419,6 °C 907 °C prähistorisch unbekannt
Zinn Sn 50 118,71 g/mol 7,29 g/cm3 232 °C 2270 °C prähistorisch unbekannt
Zirkonium Zr 40 91,224 g/mol 6,51 g/cm3 1852 °C 4377 °C 1789 Klaproth

weitere Darstellungsformen



Literatur

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

Vorlage:Commons2

  • www.chemieseite.de enthält ausführliche Beschreibungen der Hauptelemente.
  • [1] Lied der chemischen Elemente


Siehe auch

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