Die Elemente

Der Begriff „Element“ wurde erstmals um 360 v. Chr. von Plato verwendet; in seinem Dialog „Timaios“ nimmt Plato an, dass sich jeder Körper in unsere Umwelt aus vier Elementen zusammensetzen muss, die durch die vier platonischen Körper symbolisiert werden (Würfel – Erde, Tetraeder – Feuer, Oktaeder – Luft, Ikosaeder - Wasser). Als fünftes Element führte Aristoteles noch die Quintessenz, bzw. den Äther ein. Man ging davon aus, dass diese Elemente unveränderlich sind und in festen Mengen seit Anbeginn der Zeit existierten.

Im Laufe der Geschichte wandelte sich die Vorstellung von den Elementen immer wieder und 1661 zeigte Robert Boyle, dass es mehr als die vier klassischen Elmente geben musste. Antoine Lavoisier führte 1789 in seinen „Elemente der Chemie“ 33 Exemplare an, darunter auch Licht und Kalorie. Erst 1869 stellte Dmitri Mendeleev die Periodentabelle der Elemente vor, mit 66 Elementen.

Was sich seit den Griechen nicht geändert hat ist, dass Elemente chemisch nicht weiter zerlegt werden können, und seit der Einführung des Periodensystems wissen wir sehr genau, welche Elemente es geben muss, selbst dann, wenn sie vielleicht noch gar nicht entdeckt sind. Das liegt daran, dass das Periodensystem Aussagen über die Eigenschaften des Elements macht, die abhängig sind von seiner Zusammensetzung – der Anzahl der Protonen in seinem Kern (Ordnungszahl) und der Besetzung der Elektronenniveaus.

Im Periodensystem nimmt die Anzahl der Schalen, in denen sich Elektronen aufhalten können von oben nach unten zu, während die Besetzung der Schalen (zumindest im oberen Bereich) von links nach rechts anwächst – tiefer liegende Schalen sind in der Regel (es gibt Ausnahmen) vollständig mit Elektronen besetzt.

Schon aus dieser Anordnung kann man dann erkennen, wo ein Element fehlt, weil es in dieser Abfolge keine Lücken geben kann. Außerdem kann man mit dieser Anordnung Aussagen über die Eigenschaften der Elemente machen, wie sie z. B. untereinander reagieren. Ganz links finden sich die hoch reaktiven Elemente, ihre äußeren Elektronenniveaus sind unbesetzt und sie gehen Verbindungen ein, um diesen Mangel auszugleichen. Zu diesen Elementen gehören Wasserstoff, sowie die Alkali- und Erdalkalimetalle. Auf der anderen Seite des Spektrums befinden sich die Edelgase, wie Helium und Neon, die so gut wie keine Bindungen mit anderen Elementen eingehen, da ihre Elektronenniveaus vollständig besetzt sind.

Zwischen diesen beiden Extremen befinden sich alle anderen Elemente, wobei Bindungen zwischen ihnen bevorzugt eingegangen werden, wenn diese dazu führen, dass die Elektronenschalen in der Kombination vollständig besetzt sind. Das ist beispielsweise der Fall, wenn sich ein Sauerstoffatom mit zwei Wasserstoffatomen zusammentut, woraus sich ein Wassermolekül bildet. Der Sauerstoff hat zwei freie Plätze in seiner Elektronenschale (im Periodensystem findet man ihn an dritter Stelle von rechts) und der reaktionsfreudige Wasserstoff stellt diese Elektronen - jeweils eines pro Atom - gerne zur Verfügung.

Grundsätzlich unterscheidet man vier Bindungsarten, die zwischen Elementen eingegangen werden können. Die schwächste Bindung ist die Van-der-Waalsche Bindung, bei ihr ist die Elektronenhülle nicht symmetrisch um den positiv geladenen Kern des Atoms verteilt, so dass effektiv eine Seite des Atom mehr positiv und die andere, wo sich die Elektronen tendenziell häufiger aufhalten, elektrisch negativ geladen ist. Die Verteilung fluktuiert stark, so dass eine solche Bindung nur Bruchteile von Sekunden halten kann, aber weil die Elektronenhülle auch bei Edelgasen fluktuieren kann, ist dies ist die einzige Bindung, die auch neutral geladene Edelgasatome eingehen können. Die Van-der-Waalsche Bindung trifft man z. B. auch bei Wasserstoff- oder Sauerstoffgas (H2 bzw. O2).

Eine wesentlich stärkere Bindung ist die ionische, hier tun sich zwei Atome zusammen, von denen das eine positiv geladen ist, weil ein Elektron in der Hülle fehlt und der Kern so elektrisch nicht ausgeglichen wird, und das andere negativ, weil es sich ein zusätzliches Elektron angelacht hat. Diese Bindung treffen wir beim Natriumchlorid (Kochsalz) an.

Des Weiteren unterscheidet man die kovalente und die metallische Bindung, bei denen sich die Atome Elektronen teilen, um ihre äußeren Schalen vollständig zu besetzen (obwohl sie dabei durchaus elektrisch neutral sein können). Der Unterschied zwischen kovalenter und metallischer Bindung besteht darin, dass die Elektronen sich bei der metallischen Bindung relativ frei zwischen den Atomen des Verbundes bewegen können und so für die elektrische Leitfähigkeit der Metalle verantwortlich sind.

Die Stärke der Bindung ist dann auch verantwortlich dafür, in welchem Aggregatzustand wir das Element bei Zimmertemperatur vorfinden. Bei einer starken Bindung wird es am ehesten als Festkörper anzutreffen sein, während schwache Bindungen mit dem flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand in Verbindung gebracht werden können. Man kann sich das klarmachen, wenn man sich vor Augen hält, dass die Temperatur eines Körpers eine Aussage über den Bewegungszustand der Atome in dem Körper macht. Übersteigt der Bewegungsdrang der Atome oder Moleküle in einem Festkörper die Bindungskraft zwischen den einzelnen Teilen, so wechselt der Körper in den flüssigen Aggregatzustand.

Das gleiche gilt für den Übergang von flüssig zu gasförmig. Geht man noch einen Schritt weiter und erhöht die Temperatur noch mehr, kann man schließlich auch die Bindung zwischen Elektronen und Atomkernen aufbrechen und erhält ein Plasma aus Elektronen und positiv geladenen Atomkernen. Mit weiterer Energie-/Temperaturzufuhr kann man schließlich auch die Bindung innerhalb der Atomkerne aufbrechen, und genau hier verlassen wir das klassische Bild des Elements als unveränderlichen Bestandteil der Natur.

Wie man heute weiß, sind die Elemente nicht von Anbeginn der Zeit in festen Mengenverhältnissen vorgegeben, sondern werden ständig neu geschaffen. Die ersten Elemente, Wasserstoff und Helium, entstanden in den ersten Minuten nach dem Urknall und diese wurden dann in Sternen zu schwereren Elementen, bis hin zu Nickel verschmolzen. Noch schwerere Elemente benötigen zu ihrer Bildung die Energie einer Supernova, da aus ihrer Fusion keine Energie mehr für den Unterhalt des Sternenfeuers gewonnen werden kann und sie nur durch das gewaltsame Ende eines Sterns entstehen können.


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