Chemisches Element

Der Begriff chemisches Element (von lateinisch elementum im Sinne eines aristotelischen Elements als „nicht weiter Teilbares“[1]) entstand ab dem 17. Jahrhundert, als zunehmend erkannt wurde, dass der Elementbegriff der Alchemie untauglich für eine wissenschaftliche Aufklärung der vielfältigen Eigenschaften von Stoffen und ihren Reaktionen miteinander ist.[2] Einen maßgeblichen Schritt tat Etienne de Clave, der 1641 die Definition gab, Elemente seien „einfache Stoffe, aus denen die gemischten Stoffe zusammengesetzt sind und in welche die gemischten Stoffe letztlich wieder zerlegt werden können“. Robert Boyle veröffentlichte 1661 unter dem Titel The Sceptical Chymist eine einflussreiche Kritik an den Unzulänglichkeiten der Alchemie. Darin führte er aus, dass man unter chemischen Elementen diejenigen primitiven Stoffe verstehen sollte, „die weder aus anderen Substanzen noch auseinander entstanden sind, sondern die Bestandteile bilden, aus denen gemischte Stoffe bestehen“.

Beide Forscher stellten sich damit einerseits in Gegensatz zur herrschenden Vier-Elemente-Lehre der Alchemisten, die alle Stoffe durch unterschiedliche Mischungen von Feuer, Wasser, Luft und Erde zu erklären suchte, und machten den Begriff Element überhaupt der näheren experimentellen Erforschung zugänglich. Andererseits blieben sie der Alchemie verhaftet, indem sie annahmen, einzeln könnten diese Elemente nicht in der Wirklichkeit vorkommen, vielmehr sei jeder reale Stoff eine Mischung sämtlicher Elemente gleichzeitig. Boyle bezweifelte, dass es solche Elemente überhaupt gibt. Ganz im Geist der damals aufkommenden Mechanik nahm er an, die einheitlich erscheinenden Stoffe bestünden aus einheitlichen kleinen Teilchen, die ihrerseits in jeweils wohlbestimmter Weise aus kleinsten Korpuskeln zusammengesetzt sind. Die Vielfalt der Stoffe und ihrer Reaktionen erklärte er durch die unzähligen möglichen Arten, in denen sich die Korpuskeln zu diesen, für jeden Stoff charakteristischen Teilchen verbinden können. Als Folge einer Umlagerung der Korpuskel sah er auch die in der Alchemie gesuchte Transmutation als möglich an, d. h. die Umwandlung eines Elements (z. B. Blei) in ein anderes (z. B. Gold).

Doch war Boyle damit der Wegbereiter für Antoine Laurent de Lavoisier, der zwar die Korpuskeln als metaphysische Spekulation abtat, aber 1789 die chemischen Elemente dadurch charakterisierte, dass sie nicht in andere Substanzen zerlegt werden konnten. Genauer: Alle Stoffe sollten als elementar, d. h. nicht zusammengesetzt, gelten, solange keine Methoden zur weiteren Abtrennung einzelner Bestandteile gefunden wären.[3]

Auf diese Definition gestützt, eröffneten Lavoisiers außerordentlich genaue Beobachtungen an chemischen und physikalischen Stoffumwandlungen den Weg zur modernen Chemie. Insbesondere entdeckte er die Erhaltung der Gesamtmasse bei allen Stoffumwandlungen und bestimmte die genauen Massenverhältnisse, in denen reine Elemente miteinander reagieren. So wurde John Dalton auf das Gesetz der multiplen Proportionen geführt, das er 1803 durch die Annahme der Existenz unveränderlicher und unzerstörbarer kleinster Materieteilchen, der Atome, wissenschaftlich begründen konnte. Nach Dalton wird ein Element durch eine Sorte einheitlicher Atome definiert, die sich nach festen Regeln mit anderen Atomen verbinden können. Das unterschiedliche Verhalten der Elemente wird dadurch erklärt, dass ihre Atomsorten sich in Masse, Größe und Bindungsmöglichkeiten zu anderen Atomen unterscheiden. Daraus entsteht u. a. die Möglichkeit, die relativen Atommassen der verschiedenen Elemente untereinander zu bestimmen, wodurch die Atome erstmals zum Gegenstand der experimentellen Naturwissenschaft wurden.

Daltons Ansatz erwies sich in der Interpretation der chemischen Reaktionen und Verbindungen als außerordentlich erfolgreich. Seine Definitionen von Element und Atom wurden daher beibehalten, auch als die Annahmen der Unveränderlichkeit der Atome (insbesondere ihrer Unteilbarkeit) und der Gleichheit aller Atome desselben Elements durch Beobachtungen an den 1896 entdeckten radioaktiven Elementen endgültig widerlegt wurden: 1902 erklärte Ernest Rutherford in seiner Transmutationstheorie die radioaktiven Zerfallsreihen als Folge von Teilungen der Atome und weiteren Elementumwandlungen. 1910 entdeckte Frederick Soddy, dass Atome desselben radioaktiven Elements in verschiedenen Zerfallsreihen mit verschiedener Masse auftreten können (Isotopie). Ab 1920 wurden diese Erscheinungen dann bei allen Elementen gefunden.

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde der Atombau dahingehend geklärt, dass das chemische Verhalten weitestgehend von der negativ geladenen Elektronenhülle des Atoms bestimmt wird, die ihrerseits durch die positive Ladung des Atomkerns bestimmt ist. Daher geht der heutige Begriff des chemischen Elements von der elektrischen Ladung des Atomkerns aus. Sie ist durch die Anzahl der im Kern vorhandenen Protonen gegeben, die daher als chemische Ordnungszahl des Atoms bzw. des Elements bezeichnet wird.

Rückblickend auf die ursprünglichen Definitionen für den Begriff Element von Clave, Boyle und Lavoisier (s. o.) und auch auf die Boyleschen Korpuskeln scheint es, dass die besten Realisierungen dieser seinerzeit hypothetischen Vorstellungen nicht durch die heutigen chemischen Elemente und Atome, sondern durch die Atombausteine Proton, Neutron, Elektron gegeben sind.

Schwefelkristall

Quecksilbertropfen

In der Antike und bis weit ins Mittelalter war man der Auffassung, dass die Welt aus den vier Elementen Erde, Wasser, Luft und Feuer aufgebaut ist.

Von den Elementen im heutigen Sinne waren in der Antike nur zehn Elemente in Reinform bekannt, die entweder natürlich (d. h. gediegen) vorkamen oder aus Erz geschmolzen werden konnten: Kohlenstoff, Schwefel, Eisen, Kupfer, Zink, Silber, Zinn, Gold, Quecksilber und Blei. Im Laufe der mittelalterlichen Bergbaugeschichte wurden dann, vor allem im Erzgebirge, in Erzen geringe Mengen an Beimengungen unbekannter Metalle entdeckt und nach Berggeistern benannt (Cobalt, Nickel). Die Entdeckung des Phosphors 1669 durch Hennig Brand läutete schließlich das Zeitalter der Entdeckung der meisten Elemente ein, einschließlich des Urans aus Pechblende durch Martin Heinrich Klaproth 1789.

Vor dem Jahre 1751 waren folgende 9 Nebengruppenelemente bekannt: Eisen, Cobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Silber, Platin, Gold sowie Quecksilber, ferner die 8 Hauptgruppenelemente Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel, Arsen, Zinn, Antimon, Blei und Bismut. Im Jahr 1751 waren also insgesamt 17 Elemente bekannt.

Vom Jahre 1751 bis zum Jahre 1800 kamen noch 13 weitere Elemente hinzu: Wasserstoff, Titan, Chrom, Mangan, Yttrium, Zirconium, Molybdän, Wolfram, Uran, Stickstoff, Sauerstoff, Chlor und Tellur.

In der Zeit vom Jahre 1800 bis zum Jahre 1830 wurden insgesamt 22 neue Elemente entdeckt: die Nebengruppenelemente Vanadium, Tantal, Rhodium, Palladium, Cadmium, Osmium, Iridium und die seltene Erde Thorium, ferner die Hauptgruppenelemente Lithium, Beryllium, Natrium, Magnesium, Kalium, Calcium, Strontium, Barium, Bor, Aluminium, Silicium, Selen, Iod und Brom.

Elf weitere Elemente traten zwischen dem Jahre 1830 bis 1869 hinzu. Sie waren auch ein Marker für den technisch-wissenschaftlichen Entwicklungszustand, denn es wurden auch schwer auffindbare und seltene Elemente entdeckt und beschrieben. Es waren Helium, Rubidium, Caesium, Indium, Thallium, Niob, Ruthenium, Lanthan, Cer, Terbium, Erbium. Somit waren bis zum Jahr 1869 63 Elemente entdeckt worden.

Im Laufe des 19. Jahrhunderts wurden die Metalle der Seltenen Erden entdeckt, womit fast alle natürlich vorkommenden Elemente bekannt waren. In dieser Zeit wurden auch viele hypothetische Elemente postuliert, die später wieder verworfen wurden, so etwa das Nebulium. Im 20. und dem begonnenen 21. Jahrhundert wurden viele in der Natur nicht vorkommende Elemente – die Transurane – künstlich erzeugt, teils in Kernreaktoren, teils in Teilchenbeschleunigern. Allen diesen Elementen ist gemeinsam, dass sie instabil sind, d. h., dass sie sich unterschiedlich schnell in andere Elemente umwandeln. Mit der Entdeckung weiterer solcher kurzlebiger Elemente ist zu rechnen; sie entstehen jeweils in nur äußerst geringen Mengen. Ihren Namen erhielten die Elemente jeweils von ihrem Entdecker, was im 20. Jahrhundert zu einer Elementnamensgebungskontroverse führte. Elemente, die noch nicht erzeugt oder benannt wurden, tragen Systematische Elementnamen.

Die Elemente ordnet man nach ihrer Kernladungszahl (Ordnungszahl) und der Elektronenkonfiguration ihrer Atome im Periodensystem der Elemente (PSE) in Gruppen und Perioden an. Dieses System wurde vom russischen Gelehrten Dmitri Iwanowitsch Mendelejew zeitgleich mit dem deutschen Arzt und Chemiker Lothar Meyer 1869 begründet.

Alle Atome desselben Elements haben dieselbe Anzahl Protonen, sie können aber verschieden viele Neutronen enthalten. Diese nur in ihrer Neutronenzahl verschiedenen Arten sind die Isotope des betreffenden Elements. Die allgemeine Bezeichnung für eine durch Protonenzahl und Neutronenzahl festgelegte Atomart ist Nuklid.

Vom Wasserstoff existieren in natürlichen Vorkommen beispielsweise drei Isotope: Protium (keine Neutronen), Deuterium (1 Neutron), Tritium (2 Neutronen). Der Kern des häufigsten Wasserstoffisotops ${\displaystyle ^{1}\mathrm {H} }$ (Protium, 99,9851 %) besteht aus einem einzelnen Proton. Deuterium tritt in natürlichem Wasserstoff nur mit einem Anteil von 0,0149 % auf, Tritium mit < 10⁻¹⁰ %.

Der häufigste Heliumatomkern ${\displaystyle ^{4}\mathrm {He} }$ besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Es gibt in natürlichen Vorkommen mit einem Anteil von nur 0,000137 % aber auch das Isotop ${\displaystyle ^{3}\mathrm {He} }$, Helium-3, dessen Kern nur ein Neutron enthält.

Natürliches Chlor (17 Protonen) besteht aus einer Mischung aus Isotopen mit 18 Neutronen (75,8 %) und 20 Neutronen (24,2 %).

Relative Häufigkeit der Elemente in der Erdkruste

Polykristallines Silicium

Kristalle aus 99,999 % Gallium

Lithium-Stücke in Paraffinöl zum Schutz vor Oxidation

Die Häufigkeit der chemischen Elemente unterscheidet sich je nach dem betrachteten Bereich.

Im Universum ist sie eng verknüpft mit den Entstehungsprozessen im kosmologischen Zeitrahmen (Nukleosynthese). Dort ist das weitaus häufigste Element der Wasserstoff, gefolgt von seinem einfachsten Fusionsprodukt Helium, die beide schon bald nach dem Urknall entstanden. Die nächsthäufigsten Elemente sind Kohlenstoff und Sauerstoff. Lithium, Beryllium und Bor entstanden ebenfalls beim Urknall, jedoch in wesentlich geringeren Mengen.

Helium, Kohlenstoff und Sauerstoff sowie alle anderen Atomsorten wurden durch Kernfusion in Sternen oder durch andere astrophysikalische Vorgänge gebildet. Dabei entstanden häufiger Atome mit gerader Protonenzahl, wie Sauerstoff, Neon, Eisen oder Schwefel, während Elemente mit ungerader Protonenzahl seltener sind. Diese Regel wird nach dem US-amerikanischen Chemiker William Draper Harkins (1873–1951) Harkinssche Regel genannt. Markant ist die besondere Häufigkeit des Eisens als Endpunkt der möglichen Kernfusion in Sternen.

Die Verteilung auf der Erde unterscheidet sich von derjenigen, die im gesamten Universum vorherrscht. Insbesondere sind auf der Erde vergleichsweise geringe Mengen Wasserstoff und Helium vorhanden, weil diese Gase vom Schwerefeld der Erde nicht festgehalten werden können; im Sonnensystem befinden sie sich vor allem in den Gasplaneten wie Jupiter und Neptun. Auf Gesteinsplaneten wie der Erde überwiegen die schwereren Elemente, vor allem Sauerstoff, Silicium, Aluminium und Eisen.

Organismen bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff.

In dem jeweils betrachteten Bereich sehr häufig vorkommende Elemente bezeichnet man als Mengenelemente, sehr seltene als Spurenelemente.