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Chemisches Element

Sammelbezeichnung für alle Nuklide mit derselben Ordnungszahl
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Reinstoffe, die sich auch chemisch nicht weiter zerlegen lassen, bezeichnet man als chemische Elemente.

Datei:Demokritmuenze.jpg
Griechische Münze mit Demokrit und Atomdarstellung

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.

 
"Gürtelsterne" und Orionnebel 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 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.

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.

Alphabetische Liste chemischer Elemente

Name (Elementname nach IUPAC) Chemisches Symbol Ordnungszahl molare Masse in g/mol Dichte bei 20 Grad Celsius Schmelzpunkt in °C Siedepunkt in °C Entdeckungsjahr Entdecker
Actinium Ac 89 227,0278 10,07 kg/l 1047 3197 1899 Debierne
Aluminium Al 13 26,981539 2,70 kg/l 660,5 2467 1825 Ørsted
Americium Am 95 243,0614 13,67 kg/l 994 2607 1944 Seaborg
Antimon (Stibium) Sb 51 121,75 6,69 kg/l 630,7 1750 prähistorisch unbekannt
Argon Ar 18 39,948 1,66 g/l -189,4 -185,9 1894 Ramsay und Rayleigh
Arsen As 33 74,92159 5,72 kg/l 613 (Sublimation) ca. 1250 Albertus Magnus
Astat At 85 209,9871 302 337 1940 Corson, MacKenzie und Segrè
Barium Ba 56 137,327 3,65 kg/l 725 1640 1808 Davy
Berkelium Bk 97 247,0703 13,25 kg/l 986 1949 Seaborg
Beryllium Be 4 9,012182 1,85 kg/l 1278 2970 1797 Vauquelin
Bismut
auch: Wismut		 Bi 83 208,98037 9,80 kg/l 271,4 1560 1540 Agricola
Blei (Plumbum) Pb 82 207,2 11,34 kg/l 327,5 1740 prähistorisch unbekannt
Bohrium Bh 107 262,1229 1976 Oganessian
Bor B 5 10,811 2,46 kg/l 2300 2550 1808 Davy und Gay-Lussac
Brom Br 35 79,904 3,14 kg/l -7,3 58,8 1826 Balard
Cadmium Cd 48 112,411 8,64 kg/l 321 765 1817 Stromeyer und Hermann
Caesium Cs 55 132,90543 1,90 kg/l 28,4 690 1860 Kirchhoff und Bunsen
Calcium Ca 20 40,078 1,54 kg/l 839 1487 1808 Davy
Californium Cf 98 251,0796 15,1 kg/l 900 1950 Seaborg
Cer Ce 58 140,115 6,77 kg/l 798 3257 1803 von Hisinger, Berzelius und Klaproth
Chlor Cl 17 35,4527 2,95 g/l -101 -34,6 1774 Scheele
Chrom Cr 24 51,9961 7,14 kg/l 1857 2482 1797 Vauquelin
Curium Cm 96 247,0703 13,51 kg/l 1340 3110 1944 Seaborg
Darmstadtium Ds 110 269 1994 GSI
Dubnium Db 105 262,1138 1967/70 Flerow oder Ghiorso
Dysprosium Dy 66 162,5 8,56 kg/l 1409 2335 1886 Lecoq de Boisbaudran
Einsteinium Es 99 252,0829 860 1952 Seaborg
Eisen
(Ferrum)		 Fe 26 55,847 7,87 kg/l 1535 2750 prähistorisch unbekannt
Erbium Er 68 167,26 9,05 kg/l 1522 2510 1842 Mosander
Europium Eu 63 151,965 5,25 kg/l 822 1597 1901 Demaçay
Fermium Fm 100 257,0951 1952 Seaborg
Fluor F 9 18,9984032 1,58 g/l -219,6 -188,1 1886 Moissan
Francium Fr 87 223,0197 27 677 1939 Perey
Gadolinium Gd 64 157,25 7,89 kg/l 1311 3233 1880 de Marignac
Gallium Ga 31 69,723 5,91 kg/l 29,8 2403 1875 Lecoq de Boiskaudran
Germanium Ge 32 72,61 5,32 kg/l 937,4 2830 1886 Winkler
Gold
(Aurum)		 Au 79 196,96654 19,32 kg/l 1064,4 2940 prähistorisch unbekannt
Hafnium Hf 72 178,49 13,31 kg/l 2150 5400 1923 Coster und de Hevesy
Hassium Hs 108 265 1984 GSI
Helium He 2 4,002602 0,17 -272,2 -268,9 1895 Ramsay, Crookes, Cleve und Langlet
Holmium Ho 67 164,93032 8,78 kg/l 1470 2720 1878 Delafontaine und Soret
Indium In 49 114,82 7,31 kg/l 156,2 2080 1863 Reich und Richter
Iod I 53 126,90447 4,94 kg/l 113,5 184,4 1811 Courtois
Iridium Ir 77 192,22 22,65 kg/l 2410 4130 1803 Tennant
Kalium K 19 39,0983 0,86 kg/l 63,7 774 1807 Davy
Kobalt Co 27 58,9332 8,89 kg/l 1495 2870 1735 Brandt
Kohlenstoff (Carbon) C 6 12,011 3,51 kg/l 3550 4827 prähistorisch unbekannt
Krypton Kr 36 83,8 3,48 g/l -156,6 -152,3 1898 Ramsay und Travers
Kupfer
(Cuprum)		 Cu 29 63,546 8,92 kg/l 1083,5 2595 prähistorisch unbekannt
Lanthan La 57 138,9055 6,16 kg/l 920 3454 1839 Mosander
Lawrencium Lr 103 260,1053 1627 1961 Ghiorso
Lithium Li 3 6,941 0,53 kg/l 180,5 1317 1817 Arfwedson
Lutetium Lu 71 174,967 9,84 kg/l 1656 3315 1907 von Welsbach, James und Urbain
Magnesium Mg 12 24,305 1,74 kg/l 648,8 1107 1828 Bussy
Mangan Mn 25 54,93805 7,44 kg/l 1244 2097 1774 Gahn
Meitnerium Mt 109 266 1982 GSI
Mendelevium Md 101 258,0986 1955 Seaborg
Molybdän Mo 42 95,94 10,28 kg/l 2617 5560 1778 Scheele
Natrium Na 11 22,989768 0,97 kg/l 97,8 892 1807 Davy
Neodym Nd 60 144,24 7,00 kg/l 1010 3127 1895 von Welsbach
Neon Ne 10 20,1797 0,84 g/l -248,7 -246,1 1898 Ramsay und Travers
Neptunium Np 93 237,0482 20,48 kg/l 640 3902 1940 McMillan und Abelson
Nickel Ni 28 58,69 8,91 kg/l 1453 2732 1751 Cronstedt
Niob Nb 41 92,90638 8,58 kg/l 2468 4927 1801 Hatchet
Nobelium No 102 259,1009 1958 Seaborg
Osmium Os 76 190,2 22,61 kg/l 3045 5027 1803 Tennant
Palladium Pd 46 106,42 12,02 kg/l 1552 3140 1803 Wollaston
Phosphor P 15 30,973762 1,82 kg/l 44 (P4) 280 (P4) 1669 Brandt
Platin Pt 78 195,08 21,45 kg/l 1772 3827 1557 Scaliger
Plutonium Pu 94 244,0642 19,74 kg/l 641 3327 1940 Seaborg
Polonium Po 84 208,9824 9,20 kg/l 254 962 1898 Curie
Praseodym Pr 59 140,90765 6,48 kg/l 931 3212 1895 von Welsbach
Promethium Pm 61 146,9151 7,22 kg/l 1080 2730 1945 Marinsky, Glendenin und Coryell
Protactinium Pa 91 231,0359 15,37 kg/l 1554 4030 1917 Fajans, Göring,Hahn und Meitner
Quecksilber (Hydrogyrum) Hg 80 200,59 13,55 kg/l -38,9 356,6 prähistorisch unbekannt
Radium Ra 88 226,0254 5,50 kg/l 700 1140 1898 Marie und Pierre Curie
Radon Rn 86 222,0176 9,23 g/l -71 -61,8 1900 Dorn
Rhenium Re 75 186,207 21,03 kg/l 3180 5627 1925 Noddack, Tacke und Berg
Rhodium Rh 45 102,9055 12,41 kg/l 1966 3727 1803 Wollaston
Roentgenium Rg 111 272 1994 GSI
Rubidium Rb 37 85,4678 1,53 kg/l 39 688 1861 Bunsen und Kirchhoff
Ruthenium Ru 44 101,07 12,45 kg/l 2310 3900 1844 Claus
Rutherfordium Rf 104 261,1087 1964/69 Flerow oder Ghiorso
Samarium Sm 62 150,36 7,54 kg/l 1072 1778 1879 Lecoq de Boisbaudran
Sauerstoff O 8 15,9994 1,33 g/l -218,4 -182,9 1774 Priestley und Scheele
Scandium Sc 21 44,95591 2,99 kg/l 1539 2832 1879 Nilson
Schwefel (Theion) S 16 32,066 2,06 kg/l 113 444,7 prähistorisch unbekannt
Seaborgium Sg 106 263,1182 1974 Flerow und Oganessian
Selen Se 34 78,96 4,82 kg/l 217 685 1817 Berzelius
Silber (Argentum) Ag 47 107,8682 10,49 kg/l 961,9 2212 prähistorisch unbekannt
Silicium Si 14 28,0855 2,33 kg/l 1410 2355 1824 Berzelius
Stickstoff (Nitrogen) N 7 14,00674 1,17 g/l -209,9 -195,8 1771 Scheele
Strontium Sr 38 87,62 2,63 kg/l 769 1384 1798 Klaproth
Tantal Ta 73 180,9479 16,68 kg/l 2996 5425 1802 Ekeberg
Technetium Tc 43 98,9063 11,49 kg/l 2172 5030 1937 Perrier und Segrè
Tellur Te 52 127,6 6,25 kg/l 449,6 990 1782 von Reichenstein
Terbium Tb 65 158,92534 8,25 kg/l 1360 3041 1843 Mosander
Thallium Tl 81 204,3833 11,85 kg/l 303,6 1457 1861 Crookes
Thorium Th 90 232,0381 11,72 kg/l 1750 4787 1829 Berzelius
Thulium Tm 69 168,93421 9,32 kg/l 1545 1727 1879 Cleve
Titan Ti 22 47,88 4,51 kg/l 1660 3260 1791 Gregor und Klaproth
Ununbium Uub 112 277 1996 GSI
Ununhexium Uuh 116 289 2000
Ununoctium Uuo 118
Ununpentium Uup 115 288 2006
Ununquadium Uuq 114 289 1999
Ununseptium Uus 117
Ununtrium Uut 113 287 2006
Uran U 92 238,0289 18,97 kg/l 1132,4 3818 1789 Klaproth
Vanadium V 23 50,9415 6,09 kg/l 1890 3380 1801 del Río
Wasserstoff H 1 1,00794 0,084 g/l -259,1 -252,9 1766 Cavendish
Wolfram W 74 183,85 g/mol 19,26 kg/l 3407 5927 1783 Fausto und Juan de Elhuyar
Xenon Xe 54 131,29 4,49 g/l -111,9 -107 1898 Ramsay und Travers
Ytterbium Yb 70 173,04 6,97 kg/l 824 1193 1878 de Marignac
Yttrium Y 39 88,90585 4,47 kg/l 1523 3337 1794 Gadolin
Zink Zn 30 65,39 7,14 kg/l 419,6 907 prähistorisch unbekannt
Zinn Sn 50 118,71 7,29 kg/l 232 2270 prähistorisch unbekannt
Zirkonium Zr 40 91,224 6,51 kg/l 1852 4377 1789 Klaproth

Periodensystem der Elemente

Im Periodensystem der Elemente (kurz Periodensystem oder PSE) sind alle chemischen Elemente mit steigender Kernladung (Ordnungszahl) und entsprechend ihrer chemischen Eigenschaften eingeteilt in Perioden sowie Haupt- und Nebengruppen:

Gruppe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
CAS-​Gruppe I A II A III B IV B V B VI B VII B VIII B VIII B VIII B I B II B III A IV A V A VI A VII A VIII A
Periode Schale
1 1
H 		2
He 		K
2 3
Li 		4
Be 		5
B 		6
C 		7
N 		8
O 		9
F 		10
Ne 		L
3 11
Na 		12
Mg 		13
Al 		14
Si 		15
P 		16
S 		17
Cl 		18
Ar 		M
4 19
K 		20
Ca 		21
Sc 		22
Ti 		23
V 		24
Cr 		25
Mn 		26
Fe 		27
Co 		28
Ni 		29
Cu 		30
Zn 		31
Ga 		32
Ge 		33
As 		34
Se 		35
Br 		36
Kr 		N
5 37
Rb 		38
Sr 		39
Y 		40
Zr 		41
Nb 		42
Mo 		43
Tc 		44
Ru 		45
Rh 		46
Pd 		47
Ag 		48
Cd 		49
In 		50
Sn 		51
Sb 		52
Te 		53
I 		54
Xe 		O
6 55
Cs 		56
Ba 		* 72
Hf 		73
Ta 		74
W 		75
Re 		76
Os 		77
Ir 		78
Pt 		79
Au 		80
Hg 		81
Tl 		82
Pb 		83
Bi 		84
Po 		85
At 		86
Rn 		P
7 87
Fr 		88
Ra 		** 104
Rf 		105
Db 		106
Sg 		107
Bh 		108
Hs 		109
Mt 		110
Ds 		111
Rg 		112
Cn 		113
Nh 		114
Fl 		115
Mc 		116
Lv 		117
Ts 		118
Og 		Q
↓
* Lanthanoide 57
La 		58
Ce 		59
Pr 		60
Nd 		61
Pm 		62
Sm 		63
Eu 		64
Gd 		65
Tb 		66
Dy 		67
Ho 		68
Er 		69
Tm 		70
Yb 		71
Lu
** Actinoide 89
Ac 		90
Th 		91
Pa 		92
U 		93
Np 		94
Pu 		95
Am 		96
Cm 		97
Bk 		98
Cf 		99
Es 		100
Fm 		101
Md 		102
No 		103
Lr


Literatur

  • Lucien F. Trueb: Die chemischen Elemente. Ein Streifzug durch das Periodensystem. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 2005, ISBN 3-7776-1356-8
Commons: Chemisches Element – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Siehe auch

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