Chemische Elemente bezeichnen reine Stoffe, die nur aus Atomen mit derselben Protonenanzahl bestehen. Dazu zählen alle Atome, ihre Isotope (Atome, die sich nur in der Anzahl der Neutronen unterscheiden), sowie Moleküle, die aus mehreren Atomen mit derselben Ordnungszahl (= Protonenanzahl) zusammengesetzt sind. Chemische Elemente können mithilfe von herkömmlichen chemischen Trennungsmethoden nicht mehr weiter in andere Stoffe zerlegt werden.
Chemische Elemente genauer erklärt
Damit du verstehst, welche Stoffe genau unter den Begriff der chemischen Elemente fallen, kannst du dir das Periodensystem der Elemente anschauen. Hier siehst du ein einzelnes Feld des Periodensystems mit dem jeweiligen Element.
An dem Beispiel des Elements Wasserstoff (H) sieht Du in Rot die Ordnungszahl, die die Anzahl an Protonen im Atomkern des Atoms angibt. Das Element Wasserstoff, besitzt also ein Proton im Atomkern. Rechts oben findest du noch die Atommasse (1,0080). Unten links ist die Elektronegativität (2,2) des Elements festgehalten, unten rechts seine Dichte (0,09).
Die Ordnungszahl eines Atoms bestimmt die Anordnung des Elements im Periodensystem. So besitzt Wasserstoff die Ordnungszahl 1, Helium die Ordnungszahl 2, Lithium die Ordnungszahl 3 und so weiter.
So wird die Definition der chemischen Elemente auch klarer. Nimmt man bspw. ein Wassermolekül H2O und überlegt, aus welchen Atomen das Molekül aufgebaut ist (H = Wasserstoff und O = Sauerstoff) wird klar, dass die beiden Atome nicht dieselbe Ordnungszahl besitzen. Wasserstoff besitzt, wie Du weißt, die Ordnungszahl 1 (= 1 Proton) und Sauerstoff die Ordnungszahl 8 (= 8 Protonen), sie stehen also an unterschiedlichen Stellen im Periodensystem. Aufgrund dessen sind Wasserstoff und Sauerstoff unterschiedliche chemische Elemente.
Chemische Elemente – Arten
In den folgenden Abschnitten werden die verschiedenen Arten von chemischen Elementen deutlicher veranschaulicht.
Atome
Die kleinstmögliche Einheit der chemischen Elemente ist das Atom. Alle im Periodensystem der Elemente aufgelisteten Atome gehören zu den chemischen Elementen. Wie der Name schon sagt, dient das Periodensystem der Elemente dazu, die chemischen Elemente (in Perioden (Zeilen)) zu sortieren. Hier kann man die Ordnungszahl (Anzahl an Protonen) einer Atomart, sowie das Gewicht des natürlich vorkommenden Elements ablesen.
Isotope
Isotope sind Varianten eines Elements, deren Atome sich nur in Ihrer Neutronenanzahl unterscheiden. Sie werden auch als Nuklide bezeichnet.
Wasserstoff hat mehrere Isotope, drei davon kommen natürlich vor.
Diese unterscheiden sich lediglich in ihrer Neutronenanzahl. So besitzt das im Periodensystem enthaltene Protium (dort als Wasserstoffatom bezeichnet) kein Neutron, während Deuterium ein Neutron besitzt und Tritium sogar zwei Neutronen besitzt.
Da Neutronen eine Masse haben, nennt man Protium (0 Neutronen) auch leichten Wasserstoff, während Deuterium (1 Neutron) als schwerer Wasserstoff und Tritium (2 Neutronen) als überschwerer Wasserstoff bezeichnet wird.
Protium kommt mit einer Häufigkeit von annähernd 100 % vor, sodass die anderen beiden Isotope nur einen wirklich sehr geringen Teil an Wasserstoffvorkommen abdecken.
Die bekanntesten Isotope sind radioaktive Stoffe, wie Uran. Durch ihre radioaktive Eigenschaft spaltet sich der Atomkern, wodurch sich auch die Anzahl an Neutronen ändert.
Isotope werden in sogenannten Nuklidkarten abgebildet und geordnet, hier kannst Du wichtige Eigenschaften der Isotope, wie die Halbwertszeit nachlesen. Eine der bekanntesten Nuklidkarten ist die Karlsruher Nuklidkarte. Sie enthält alle 118 Elemente, sowie einige tausende Nuklide (= Isotope).
Die Nuklidkarten sind für die Nuklearforschung, die sich viel mit Isotopen beschäftigt, das Äquivalent zum Periodensystems der Elemente für Chemiker.
Zweiatomige / mehratomige Elemente
Neben einatomigen chemischen Elementen, wie Helium, gibt es auch Elemente, die in Verbindung mit sich selbst chemisch stabiler sind, als das atomare Element. Sie bilden somit zweiatomige oder mehratomige Moleküle, wobei alle chemischen Elemente der Verbindung dieselben sind.
Diese mehratomigen Verbindungen bezeichnet man auch als Elementmoleküle, zweiatomige Elemente nennt man speziell auch diatomare Elemente. Einige gasförmige Elemente liegen in Form solcher mehratomigen Elemente vor.
Die atomare Form des Elements ist meist instabiler, wodurch diese Atome reaktiver sind. Sie verbinden sich also schnell mit anderen Elementen oder Molekülen und existieren so nur für sehr kurze Zeit als atomares Element.
Folgende Atome können als Elementmoleküle vorkommen:
- = Wasserstoff
- , = Sauerstoff
- = Fluor
- = Brom
- = Iod
- = Stickstoff
- = Chlor
- = Kohlenstoff
Es gibt noch einige weitere Atome, die als mehratomige Elemente vorkommen können.
Achtung! Das gilt nicht in Verbindungen mit anderen Elementen!
Chemische Elemente – Eigenschaften
Chemische Elemente können mithilfe von herkömmlichen chemischen Trennungsmethoden nicht mehr weiter in andere Stoffe zerlegt werden. Dadurch sind sie die Grundbausteine für chemische Reaktionen. Sie können sich also mit anderen Elementen zu chemischen Verbindungen zusammenschließen. Diese chemischen Verbindungen können wiederum durch chemische Methoden in ihre Grundbausteine (Elemente) zerlegt werden.
Aggregatzustände
Chemische Elemente können in allen drei Aggregatzuständen vorkommen:
Doch die meisten Elemente liegen fest oder gasförmig vor, seltener gibt es Elemente, die flüssig vorkommen.
Chemische Elemente – Aufbau
Um zu verstehen, worin genau der Unterschied der drei Gruppen von chemischen Elementen besteht, ist es wichtig den Aufbau von Atomen zu kennen.
Chemische Elemente sind alle ähnlich aufgebaut. Jedes Element besteht aus:
- positiv geladenen Protonen
- neutralen Neutronen
- negativ geladenen Elektronen
Neben den Protonen befinden sich auch die Neutronen im Atomkern. Zusammen werden die beiden Nukleonen (lat. "nucleus" = Kern) genannt. Außerhalb dieses Atomkerns befinden sich die Elektronen. Diese befinden sich im bohrschen Atommodell in den Schalen um den Atomkern herum. Haben Atome die gleiche Anzahl an Elektronen in der äußersten Schale, so verhalten sie sich chemisch ähnlich. Sie stehen im Periodensystem in der selben Spalte, der sogenannten Hauptgruppe.
Im Bohrschen Atommodell werden die Elektronen in Schalen um den Atomkern angeordnet. In der innersten Schale liegen zwei Elektronen und in jeder weiteren acht. Die Elektronen werden von innen nach außen angeordnet, das heißt: hat man z. B. ein Sauerstoffatom mit acht Elektronen, so befinden sich in der innersten Schale zwei Elektronen und in der zweiten Schale sechs Elektronen.
Schaut man sich den Atomaufbau des Wasserstoffatoms (Protium) an, erkennt man sofort, dass Wasserstoff das einfachste Element ist. Es besteht nur aus einem Proton und einem Elektron. Beide sind für ein Atom unersetzlich, sodass man kein Element findet, das nur aus einem Elektron, oder nur einem Proton besteht. Die zweite Besonderheit des Wasserstoffatoms ist, dass es kein Neutron besitzt.
Chemische Elemente – Masse und Größe
Masse von Atomen
Der größte Teil der Atommasse befindet sich im Atomkern. Da hier Protonen und Neutronen vorkommen, die für die Masse ausschlaggebend sind. Die Masse der Elektronen ist so gering, dass man diese vernachlässigen kann.
Sowohl ein Proton, als auch ein Neutron besitzt etwa die Masse von 1 u (= atomare Masseneinheit).
Die Masse eines Neutrons beträgt 1,008 665 u, während ein Proton die Masse 1,007 276 … u besitzt. Wie du siehst, ist das Neutron etwas schwerer als das Proton.
Zur Berechnung der Atommasse eines Atoms kannst Du also einfach die Anzahl an Protonen zu der Anzahl an Neutronen addieren, da jedes Neutron und Proton 1 u wiegt.
Atommasse = Anzahl an Protonen + Anzahl an Neutronen
Berechnet man die Atommasse eines Wasserstoffatoms, muss man wissen, wie viele Protonen und Neutronen ein Wasserstoffatom besitzt. Da die Ordnungszahl angibt, wie viele Protonen dieses Atom besitzt, fehlt dir zur Berechnung der Atommasse nur noch die Neutronenanzahl.
Das im Periodensystem abgebildete Wasserstoffatom besitzt, wie Du oben auf dem Schaubild erkennen kannst, kein Neutron.
Dadurch ergibt sich für das Wasserstoffatom eine Atommasse von 1 u.
Masse von Isotopen
Die Berechnung der Masse von Isotopen ist äquivalent zu der Berechnung der Atommasse. Isotope unterscheiden sich nur durch ihre Anzahl an Neutronen von Atomen.
Da Deuterium ein Neutron mehr besitzt als das Wasserstoffatom, erhält man folgende Gleichung zur Berechnung der Masse:
Masse = 1 u + 1 u = 2 u
Deuterium ist also doppelt so schwer wie das Wasserstoffatom.
Masse von elementaren Molekülen
Da mehratomige Elemente aus Atomen mit derselben Ordnungszahl bestehen, muss man zur Berechnung der Masse, nur die Masse des Atoms berechnen und diese dann mit der Anzahl an Atomen multiplizieren.
Der Großteil des Volumens eines Atoms oder eines Isotops liegt in der Elektronenhülle.Außerhalb des Atomkerns sind die Elektronen im Bohrschen Atommodell in sogenannten Schalen angeordnet. Je mehr Elektronen ein Atom besitzt, desto größer ist das Volumen des Atoms, da mehr Schalen mit Elektronen gefüllt sind.
Wie Du am Beispiel des Wasserstoffatoms gesehen hast, hat Wasserstoff, laut dem Bohrschen Atommodell, ein Elektron in der ersten Elektronenschale.
Sauerstoff hingegen besitzt achtmal so viele Elektronen wie Wasserstoff, wodurch das Volumen des Atoms größer ist.
Für Isotope gilt dasselbe Prinzip, da sich Isotope im Vergleich zu Atomen ja nur in der Anzahl ihrer Neutronen unterscheiden. Diese haben keine Auswirkungen auf das Volumen.
Berechnet man die Masse des elementaren Wasserstoffmoleküls, braucht man die Atommasse des Wasserstoffs. Da du diese schon im obigen Beispiel gesehen hast, kannst du sie in die Gleichung einsetzen.
Auch das Wasserstoffmolekül ist doppelt so schwer wie das Wasserstoffatom.
Chemische Elemente – Unteilbarkeit
Chemische Elemente kann man, wenn sie nicht schon als solche vorliegen, auch aus chemischen Verbindungen trennen.
Dies geht zum Beispiel durch
- Energiezufuhr in Form von Wärme,
- Verbrennung,
- elektrischen Strom,
- Versetzung mit Säuren,
- UV-Strahlen,
- Röntgenstrahlen.
Nicht jede chemische Verbindung lässt sich durch diese Methoden gleich in die Elemente zerlegen. Manche Verbindungen werden wiederum in andere chemische Verbindungen zerlegt.
Die chemische Bindung wird hier durch elektrischen Strom getrennt.
Die chemische Bindung wird hier durch Wärme (Thermische Energie) getrennt.
Lösungen kann man auch durch folgende Methoden trennen:
- Sieben
- Filtrieren
- Lösen
- Verdampfen
Die chemischen Elemente kann man durch die oben genannten Methoden nicht mehr weiter zerlegen. Doch seit der Entdeckung der Kernspaltung kann man auch chemische Elemente weiter spalten.
Chemische Elemente – Herkunft
Wie alles, haben auch die chemischen Elemente eine geschichtliche Herkunft. In folgendem Abschnitt erfährst du, wie diese entstand.
Chemische Elemente – Geschichtliche Herkunft
Nach dem Urknall kamen hauptsächlich Wasserstoff und Helium vor. Auch heute, Jahrtausende später, ist Wasserstoff noch das am weitesten verbreitete Element im Universum. So sind etwa 93 % aller Atome des Universums Wasserstoffatome. Helium steht heute noch an zweiter Stelle.
Andere chemische Elemente entstanden zum Beispiel
- durch Kernfusion,
- in sterbenden Sternen,
- durch Einfluss kosmischer Strahlung (selten),
- künstlich (vom Menschen erzeugt).
Chemische Elemente – Namensherkunft
Die Namen der Elemente kommen alle aus dem Lateinischen und Griechischen. Auch das Elementsymbol, das aus einem oder zwei Buchstaben besteht, entstand aus dem individuellen Elementnamen (Bsp.: H = Hydrogenium). Daher kommt auch das Elementsymbol, dass im Deutschen teilweise unpassend erscheint (Wasserstoff könnte man im Deutschen ja auch mit W abkürzen).
Einige der folgenden Beispiele kennst du bestimmt:
- H = Wasserstoff (lat. Hydrogenium)
- C = Kohlenstoff (lat. Carbo)
- Hg = Quecksilber (lat. Hydrargyrum)
Das Wort Atom kommt von dem griechischen Wort "Àtomos", was soviel wie "was unteilbar ist" heißt.
Natürliche und künstliche chemische Elemente
Es sind 118 chemische Elemente im Periodensystem abgebildet.
Natürliche Elemente
Die 94 ersten Atome, die im Periodensystem der Elemente abgebildet sind (Ordnungszahl 1 bis 94) kommen natürlich vor.
Künstliche Elemente
Unter künstlichen Elementen versteht man chemische Elemente, die auf natürliche Weise nicht existieren, sondern vom Menschen künstlich erzeugt worden sind. Dies sind die Atome im Periodensystem mit der Ordnungszahl 95 bis 118.
Chemische Elemente – Das Wichtigste
- Chemische Elemente = Stoffe, die die gleiche Anzahl an Protonen im Atomkern haben
- Es gibt drei Arten von chemischen Elementen: Atome, Isotope und mehratomige Moleküle.
- Chemische Elemente sind die Grundbausteine für chemische Reaktionen.
- Chemische Elemente kann man mit üblichen chemischen oder physikalischen Methoden nicht in weitere Bestandteile zerlegen, sie sind unteilbar (Ausnahme Kernspaltung).
- Es gibt sowohl natürliche Elemente (94 Elemente), als auch künstliche Elemente (24 Elemente), die vom Menschen erzeugt worden sind.
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