Elemente – seltsam und wunderbar

Die Vereinten Nationen haben das Jahr 2019 zum Internationalen Jahr des Periodensystems der chemischen Elemente ausgerufen. Damit soll an den 150. Jahrestag der Bemühungen von Dmitri Mendelejew erinnert werden, ein Periodensystem der Elemente zu erstellen.

Das Periodensystem der chemischen Elemente ist eine der bedeutendsten Errungenschaften der Wissenschaft, die nicht nur das Wesen der Chemie, sondern auch der Physik und Biologie widerspiegelt.

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Die Menschen kennen und verwenden reine Formen von Elementen wie Schwefel schon seit Tausenden von Jahren, aber die Wissenschaft der Isolierung und Identifizierung von Elementen kam erst um 1700 richtig in Gang. Als die Wissenschaftler mehr Informationen sammelten, erkannten sie Muster in den Eigenschaften der Elemente. Als Wissenschaftler machten sie sich daran, die Elemente zu kategorisieren und eine gewisse Ordnung zu schaffen – wie im Artikel Entwicklung des Periodensystems beschrieben.

Ein Element ist ein Element ist ein Element

Ein Element ist ein Stoff, der aus Atomen mit der gleichen Ordnungszahl besteht. Das Element Eisen besteht nur aus Eisenatomen, und Eisenatome sind überall gleich – Eisenatome auf der Erde sind die gleichen wie Eisenatome auf dem Mars.

Diese Informationen – und die Ordnung des Periodensystems – lassen die Elemente vielleicht etwas vorhersehbar und langweilig erscheinen, aber viele der Elemente haben einige ungewöhnliche Aspekte an sich. Nachfolgend ein paar seltsame und wunderbare Fakten über die Elemente:

Feste Elemente

Die meisten Elemente sind unter Standardbedingungen (Raumtemperatur und Druck) fest:

• Jod (I) ist ein Feststoff, aber wenn es erhitzt wird, sublimiert es leicht – es geht direkt in einen gasförmigen Zustand über – und gibt einen violetten Dampf ab.
• Gallium (Ga) kann sich von einem Feststoff in eine Flüssigkeit verwandeln, indem es einfach in der Hand liegt. Es hat einen Schmelzpunkt von 29,8℃. Die durchschnittliche Temperatur des menschlichen Körpers liegt bei 37℃. Sein Siedepunkt liegt jedoch recht hoch – 2.229 °C -, so dass Gallium in Hochtemperaturthermometern verwendet wird.
• Fast alle elementaren Metalle sind silberfarben. Gold (Au) und Kupfer (Cu) sind die einzigen beiden Ausnahmen.
• Das seltenste natürlich vorkommende Element ist Astat (At). In der Erdkruste gibt es etwa 28 g davon. Der Name Astat stammt von dem griechischen Wort astatos, was so viel wie instabil bedeutet.
• Kohlenstoff (C) reagiert mit anderen Elementen und bildet 10 Millionen verschiedene Verbindungen. Kohlenstoff macht 20 % der Masse der Lebewesen aus.
• Die Elemente Fermium (Fm) und Einsteinium (Es) wurden 1952 bei dem ersten Wasserstoffbombentest entdeckt. Drohnen trugen Filterpapier, um Proben aus der Atmosphäre zu sammeln, und die beiden Elemente wurden in Trümmern auf dem Papier gefunden. Beide Elemente sind synthetisch und radioaktiv und werden nur in sehr, sehr geringen Mengen produziert. Beide Elemente sind auch nach berühmten Wissenschaftlern benannt.
• Kalium (K) ist so reaktiv, dass es in der Natur nicht vorkommt. Reines Kalium muss in Öl oder Kerosin gelagert werden, damit es nicht mit der Luft reagiert.
• Caesium (Cs) ist ein weiteres reaktives Element. Es entzündet sich spontan an der Luft und reagiert explosiv mit Wasser. Es wird normalerweise in Mineralöl gelagert und transportiert.
• Magnesium (Mg) wird für mehr als 300 biochemische Reaktionen in unserem Körper benötigt. Magnesiumräder – besser bekannt als Magneträder – wurden in den 1960er Jahren verwendet. Sie waren leicht und damit ideal für den Rennsport. Der Nachteil war, dass sie anfällig für Korrosion waren und (fälschlicherweise) als entflammbar galten. Rennsportfelgen werden heute aus einer Magnesiumlegierung hergestellt.

Flüssige Elemente

Es gibt nur zwei Elemente, die unter Standardbedingungen in flüssiger Form existieren – Quecksilber und Brom:

• Quecksilber (Hg) löst und/oder korrodiert viele Metalle, weshalb es normalerweise nicht an Bord von Flugzeugen zugelassen ist.
• Brom (Br) ist schädlich für die Atmosphäre. Es ist für bis zur Hälfte des Ozonabbaus über der Antarktis verantwortlich. Der Mensch ist für etwa 30 % des Broms in der Atmosphäre verantwortlich.

Gasförmige Elemente

Es gibt 11 gasförmige Elemente unter Standardbedingungen:

• Helium (He) ist das zweithäufigste Element im Universum, aber auf der Erde ist es ziemlich selten. Die Schallgeschwindigkeit in Helium ist etwa dreimal so hoch wie die Schallgeschwindigkeit in der Luft. Dies führt dazu, dass die Stimmen der Menschen hoch und quietschend werden, wenn sie Helium einatmen.
• Wasserstoff (H) ist das leichteste Element und die häufigste chemische Substanz im Universum. Er ermöglichte die erste zuverlässige Form des Luftverkehrs. Er ist auch leicht entzündlich, so dass die meisten wasserstoffbetriebenen Flugdienste in den späten 1930er Jahren eingestellt wurden.
• Neon (Ne) assoziieren wir mit leuchtenden Zeichen. Neon ist für das rötlich-orange Licht verantwortlich, aber ein anderes Edelgas namens Krypton (Kr) könnte tatsächlich für die mehrfarbigen „Neon“-Schilder verantwortlich sein. Die Röhren werden mit der gewünschten Farbe gestrichen, und die weiße Entladung von Krypton erzeugt den Leuchteffekt.

Elemente mit unbekanntem Zustand

Die Elemente in der 7. Periode (Reihe) von Rutherfordium (Rf) bis Tennessin (Ts) sind so kurzlebig, dass Wissenschaftler sie nicht zuverlässig als fest, flüssig oder gasförmig klassifizieren können:

• Tennessin (Ts) wurde 2016 offiziell benannt. Es wird künstlich hergestellt, und sein stabilstes Isotop hat eine Halbwertszeit von etwa 80 Millisekunden.

Elementenknappheit

Erheblich ernster ist die Befürchtung, dass der Welt aufgrund begrenzter Vorräte und mangelndem Recycling einige Elemente ausgehen könnten. Die European Chemical Society stellt fest, dass in der Europäischen Union jeden Monat etwa 10 Millionen Smartphones ausrangiert oder ersetzt werden. Da für jedes Smartphone 30 Elemente benötigt werden, ist das ein beträchtlicher Anteil an elementaren Materialien, die wir recyceln sollten.