Chemische Elemente

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Einleitung

Chemische Elemente, im allgemeinen Sinn die Bezeichnung für Stoffe mit charakteristischen Eigenschaften, die sich nicht mit chemischen Mitteln in einfachere Stoffe mit anderen Eigenschaften zerlegen lassen.

Elemente hielt man früher für die Grundbausteine der Materie. Heute weiß man aber, dass ihre kleinsten Teilchen (die Atome) ihrerseits aus einer Anzahl verschiedener Elementarteilchen bestehen. Nach einer älteren Definition setzen sich die Atome eines Elements aus Elektronen, Protonen und Neutronen zusammen. Streng genommen ist diese Definition jedoch nicht korrekt, denn Protonen und Neutronen sind wiederum aus noch kleineren oder anderen Teilchen aufgebaut, zu denen u. a. auch die Quarks gehören. Nach längeren Kontroversen unter Fachleuten geht man derzeit davon aus, dass die Quarks und die Leptonen, zu denen auch die Elektronen zählen, die Grundbausteine der Materie und damit auch der Elemente sind.

Zurzeit sind die Elemente mit den Ordnungszahlen von 1 bis 116 bekannt. Das Element 118 wurde 2006 entdeckt, jedoch muss dieses Ergebnis noch bestätigt werden. Einige chemische Elemente, wie z. B. die Transurane (ab Ordnungszahl 92), kommen nicht natürlich vor (Ausnahme: Plutonium), sondern werden künstlich, u. a. durch den Beschuss von Atomkernen mit geladenen Teilchen, erzeugt. Diese Versuche führt man in einem Teilchenbeschleuniger durch. Auch bei kernchemischen Prozessen, die beispielsweise in Kernreaktoren (siehe Kernenergie) oder bei Explosionen von Nuklearwaffen ablaufen, können sich Transurane bilden.

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Einteilung im Periodensystem

Die chemischen Elemente kann man in Metalle und Nichtmetalle unterteilen. Die Atome der Metalle sind elektropositiv und können sich leicht mit den elektronegativen Atomen vieler Nichtmetalle verbinden. Die so genannten Halbmetalle stehen in ihren Eigenschaften zwischen den Metallen und den Nichtmetallen und werden zuweilen als eigene Elementklasse angesehen. Stellt man die Elemente in der Reihenfolge ihrer Ordnungszahlen zusammen (diese geben die Anzahl der Protonen im Atomkern des betreffenden Elements an), so kehren ähnliche physikalische und chemische Eigenschaften in bestimmten Abständen wieder (siehe Periodensystem). Es gibt also mehrere Gruppen von Elementen, die einander jeweils sehr ähnlich sind, wie z. B. die Alkalimetalle, die Seltenerdmetalle, die Halogene und die Edelgase.

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Atommasse und Isotope

Die Einheit der Atommasse bezeichnet man mit dem Buchstaben u. Sie entspricht einem Zwölftel der Atommasse des in der Natur am häufigsten vorkommenden Kohlenstoffisotops ¹²C (1u = 1,66 × 10^-27 Kilogramm). In der oben stehenden Tabelle sind Ordnungszahl, relative Atommasse und chemisches Symbol der bisher bekannten Elemente aufgeführt. Zu jedem Element kann hier ein eigener Artikel aufgerufen werden.

Wenn zwei Atome dieselbe Ordnungszahl, aber verschiedene Atommassen haben, so nennt man sie Isotope. Viele Elemente haben natürliche Isotope, während andere nur aus Atomen derselben Atommasse bestehen. Inzwischen konnten Hunderte von künstlichen Isotopen hergestellt werden. Einige natürliche und viele künstliche Isotope sind instabil, d. h., sie unterliegen dem radioaktiven Zerfall.

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Überschwere Elemente

Die künstlich hergestellten (schweren) Transurane und Transactinoide sind alle radioaktiv. Einige von ihnen zerfallen teilweise sehr schnell, haben also kurze Halbwertszeiten. Die überschweren Elemente 107 bis 112 sind in den Jahren von 1981 bis 1996 von Wissenschaftlern der Gesellschaft für Schwerionenforschung (abgekürzt: GSI) in Darmstadt erzeugt und nachgewiesen worden. Um die Namen der Elemente oberhalb der Ordnungszahl 103 hat es lange Zeit Streitigkeiten gegeben – z. B. für Element 104 um Kurtschatovium oder Rutherfordium. In vielen Fällen war die Frage, wer diese Elemente zuerst entdeckte, Auslöser für die Unstimmigkeiten. Im August 1997 legte die Kommission der IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) die internationalen Bezeichnungen für die Elemente 104 bis 109 endgültig fest: Demzufolge wird Element 104 Rutherfordium (abgekürzt: Rf), Element 105 Dubnium (abgekürzt: Db), Element 106 Seaborgium (abgekürzt: Sg), Element 107 Bohrium (abgekürzt: Bh), Element 108 Hassium (abgekürzt: Hs) und Element 109 Meitnerium (abgekürzt: Mt) genannt. Die Kommission empfahl des Weiteren für Element 101 den Namen Mendelevium (abgekürzt: Md) und für Element 102 den Namen Nobelium (abgekürzt: No). Bei den Elementen 110 (bis August 2003 Ununnilium), 111 (bis November 2004 Unununium) und 112 (Ununbium) gab man der Darmstädter Gruppe der GSI das Vorrecht, die Namen auszuwählen. Das Element 110 trägt seit dem 23. August 2003 den Namen Darmstadtium (chemisches Symbol Ds), und das Element 111 heißt seit dem 1. November 2004 Roentgenium (chemisches Symbol Rg).

Das Element 114 (Ununquadium) wurde 1999 von einem internationalen Team um Alexander Jeremin vom russischen Forschungszentrum Dubna entdeckt. Jeremins Gruppe konnte das Element mit einer Halbwertszeit von fünf Sekunden durch Beschuss von Plutoniumatomen mit Calciumionen erhalten. Die Elemente 113 und 115 (Ununtrium und Ununpentium) wurden im Sommer 2003 von einem russisch-amerikanischen Team bei Experimenten im Forschungszentrum Dubna entdeckt. Dem Team gelang es, Ununpentium durch Beschuss von Americiumatomen mit Calciumionen zu erzeugen. Das Ununpentium zerfiel in Sekundenbruchteilen zu Ununtrium. Die Transactinoide Ununhexium und Ununoctium wurden 2000 bzw. 2006 entdeckt. Dagegen konnten die Elemente 117 sowie 119 bis 121 bislang nicht nachgewiesen werden.