Chemische Elemente

Daseinsformen chemischer Elemente

Chemische Elemente kommen selten isoliert vor. In der Natur können sie in drei Hauptformen existieren:

• Als Bestandteil komplexer Verbindungen. Die meisten Elemente neigen dazu, vielfältige Verbindungen zu bilden. Sauerstoff ist beispielsweise ein struktureller Bestandteil von Wasser, Kohlendioxid, Sand, Schwefelsäure, Zuckern und sogar komplexen Arzneimitteln (wie Aspirin).
• In Form von Elementen (Reinstoffen). Einige Elemente können in freier Form vorkommen und Moleküle aus gleichen Atomen bilden. Ein klares Beispiel hierfür sind gasförmiger Sauerstoff ($O_2$) und Ozon ($O_3$).
• Edelgase. Eine einzigartige Gruppe von Elementen: Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon. In der Natur kommen sie ausschließlich in Form einzelner, isolierter Atome vor. Sie sind als Spurenelemente in der Luft, gelöst im Wasser sowie in den Hohlräumen von Kristallgittern verschiedener Minerale zu finden.

Isotope und Symbole

Jedes chemische Element besitzt ein Symbol, das aus dem ersten oder den ersten beiden Buchstaben seines lateinischen Namens besteht. Interessanterweise stimmt dieses Symbol in einigen Fällen phonetisch überhaupt nicht mit dem gewohnten deutschen Namen überein. So wird Eisen beispielsweise als Fe (Ferrum) und Quecksilber als Hg (Hydrargyrum) bezeichnet.

Chemische Elemente besitzen oft Atomvarianten — Isotope. Isotope sind Atomvarianten desselben Elements, die sich nur in ihrer Atommasse voneinander unterscheiden, aber in ihren übrigen chemischen Eigenschaften nahezu vollständig übereinstimmen. Ein klassisches Beispiel ist gewöhnlicher (leichter) und schwerer Wasserstoff. Wasser, das schweren Wasserstoff enthält («schweres Wasser»), unterscheidet sich in seinen physikalischen Eigenschaften von natürlichem Wasser, bleibt aber chemisch gesehen dieselbe Substanz.

Häufigkeit in der Erdkruste

Die Elemente sind in der Natur extrem ungleichmäßig verteilt. Nachfolgend sind die Gehalte einiger Schlüsselelemente in der Erdkruste aufgeführt (Massenanteil in %):

Periodengesetz und Tabellenvarianten

Heutzutage gibt es in der Chemie mehrere Darstellungsformen des Periodensystems:

1. Langperiodische Form. Alle Elemente einer Periode sind in einer Zeile angeordnet, während Hauptgruppen (A) und Nebengruppen (B) separate Spalten bilden.
2. Kurzperiodische Form. Die vierte, fünfte und sechste Periode sind in zwei Reihen unterteilt, und A- sowie B-Gruppen mit denselben Nummern sind zu gemeinsamen Spalten zusammengefasst.
3. IUPAC-Variante (IUPAC). Von der Internationalen Union für reine und angewandte Chemie empfohlen. Dabei werden die Gruppen einfach von 1 bis 18 durchnrumert, und der Name von D. I. Mendelejew wird im Titel meist weggelassen.

In jeder Periode des Systems befinden sich genau 10 Übergangsmetalle. Nach Mendelejews klassischer Konzeption enthält die Tabelle 8 Gruppen, wobei zur Gruppe VIIIB jeweils drei Übergangsmetalle aus jeder Periode gehören.

Prognosefunktion und Analoniemethode

Seit über 100 Jahren dient das Periodengesetz als wichtigster Leitfaden in der chemischen Forschung. Es reduziert den Lernaufwand drastisch und besitzt eine Prognosefunktion — sie erlaubt es, die Eigenschaften noch nicht erforschter Substanzen auf der Basis ihrer bekannten Analoga vorherzusagen.

Betrachten wir die Analogiemethode in der Praxis. Angenommen, wir müssen die Reaktion zwischen Rubidiumhydroxid ($RbOH$) und Selenwasserstoff ($H_2Se$) aufstellen. Die Verbindungen dieser Elemente sind uns möglicherweise unbekannt, weshalb wir nach Analoga in der Gruppe suchen:

• Rubidium ($Rb$) ist ein Analog von Natrium ($Na$) und Kalium ($K$), folglich ist $RbOH$ eine typische Base (Lauge).
• Selenwasserstoff ($H_2Se$) ist ein Analog von Schwefelwasserstoff ($H_2S$) und weist daher ausgeprägte saure Eigenschaften auf.
• Das Ergebnis ist die Reaktionsgleichung: $2RbOH + H_2Se = Rb_2Se + 2H_2O$.

Wichtig ist zu bedenken, dass Elemente derselben Gruppe zwar Analoga, aber keine exakten Kopien sind. Beim Gang durch eine Gruppe von oben nach unten verändern sich die Eigenschaften quantitativ, und der metallische Charakter nimmt zu. So wird in der IV. Gruppe der Nichtmetall Kohlenstoff ($C$) durch das Metall Blei ($Pb$) abgelöst, und in der V. Gruppe wird Stickstoff ($N$) durch Wismut abgelöst. Es gibt auch eine interessante Analogie: Verbindungen von Übergangsmetallen und Nichtmetallen in höheren Oxidationsstufen zeigen eine bemerkenswerte Ähnlichkeit (z. B. Kaliumpermanganat $KMnO_4$ ähnelt Kaliumperchlorat $KClO_4$).

Manchmal treten unerwartete Anomalien auf. Bis 1962 galten Edelgase mit einer Wertigkeit von Null als absolut inert. Dann wurde jedoch die erste chemische Xenon-Verbindung synthetisiert: Xenonhexafluoroplatinat ($XePtF_6$). Heute sind Dutzende von Xenon- und Kryptonverbindungen bekannt. Anomale, uncharakteristisch hohe Oxidationsstufen (+5 und +7) wurden auch für Schwermetalle entdeckt — es wurden entsprechende Goldfluoride gewonnen.

Kurz gefasst: Antworten auf Fragen zum Thema

Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen

Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt

• Bestimmung von Element und Isotop auf der Grundlage des Atomkernbaus
• Vergleichende Charakterisierung und chemische Verwandtschaft von Elementen innerhalb derselben Gruppe
• Berechnung chemischer Äquivalente einfacher Stoffe
• Ursachen für die Verstärkung metallischer Eigenschaften in Untergruppen von oben nach vollständigem

Weitere Themen des Kapitels „Kapitel 1. Stoffe. Eigenschaften und Struktur“

Das Material wurde von Dozenten von WhiteCoat Pro nach dem Lehrplan medizinischer Hochschulen erstellt. Es hat Bildungscharakter.