Das Periodensystem der Elemente Spektakuläres ABC der Chemie

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1 Das Periodensystem der Elemente Spektakuläres ABC der Chemie Prof. Dr. Roger Alberto, Dr. René Oetterli, Phil Frei März 2019 Zum UNESCO Jahr des 150. Geburtstages des Periodensystems von Dmitri Iwanowitsch Mendelejew

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3 Das Periodensystem der Elemente wurde in seiner jetzigen Form vor 150 Jahren durch Dmitri Iwanowitsch Mendelejew in St. Petersburg vorgeschlagen. Es haben ihm damals wohl noch viele Elemente gefehlt, die Form und das Prinzip ist aber bis heute gleichgeblieben. Dieses Periodensystem etwas genauer anzuschauen, passt somit auch sehr gut zum 15 jährigen Jubiläum der Kinder Universität Zürich. Das Periodensystem: Wie lese ich das Periodensystem, was zeigt es mir? Wenn ihr das Periodensystem auf der ersten Seite anschaut, seht ihr viele farbige Quadrate mit jeweils einem oder zwei Buchstaben drin. Diese Buchstaben sind Abkürzungen für den vollen Namen des entsprechenden Elementes; also zum Beispiel Fe für Eisen, K für Kalium oder für so exotische Elemente wie Dy für Dysprosium oder Eu für Europium. Die Namen können von Ortschaften (Lutetium = Paris), von Planeten (Neptunium), von Göttern (Vanadium) oder von Eigenschaften (Molybdän) abgeleitet sein und wurden den Elementen von denjenigen Forschern gegeben, welche das Element zuerst entdeckt haben. Heute ist man beim Element 118 angelangt, wobei nur die ersten 92 auf der Erde natürlicherweise vorkommen. Die Elemente hinter dem Uran sind künstlich und zum Teil auf sehr aufwendige Art hergestellt worden. Auch sind sie radioaktiv und zerfallen relativ schnell. Von Elementen zu Verbindungen, das ABC der Chemie: Für Chemiker und Chemikerinnen sind die Elemente so etwas, wie es das ABC für den Elemente Schriftsteller ist. Wir können zwei, drei oder mehr Elemente auswählen und sie auf sinnvolle Art Chlor Natrium zusammensetzen. Dabei entstehen neue Verbindungen, die nichts mehr mit den ursprünglichen Elementen zu tun haben. Wir nehmen zum Beispiel metallisches Natrium (Na), ein weiches Metall, und Chlor (Cl 2 ), ein gelbes, giftiges Gas. Wenn wir die beiden miteinander verbinden, entsteht Kochsalz (NaCl), eine lebenswichtige Verbindung, die weder mit Natrium noch mit Chlor etwas gemeinsam hat (Bild 1). Genauso könnt ihr aus dem ABC Buchstaben nehmen und sie zu einem sinnvollen (oder sinnlosen) Wort zusammensetzen, C H E M I E zum Beispiel. Damit können wir aus den Elementen unendlich viele Verbindungen machen, das ist die chemische Kunst. Verbindung Kochsalz, Natriumchlorid Bild 1. Von Elementen zu Verbindungen Schriftsteller können aus den nur ca. 30 Buchstaben alle Bibliotheken der Welt füllen, ohne dass ein Buch den gleichen Inhalt hat wie ein anderes. Zucker zum Beispiel besteht aus Sauerstoff (O), Wasserstoff (H) und

4 Kohlenstoff (C), Supermagnete aus Neodym (Nd), Bor (B) und Eisen (Fe) oder die photovoltaischen Zellen auf den Hausdächern aus reinem, elementarem Silizium (Si). Mit einem selben Bild 2. Aus sechs Kohlestoffatomen und zwölf Wasserstoffatomen kann ich sehr viele Verbindungen zusammensetzen. Satz an Buchstaben kann ich Hier seht ihr drei davon. verschiedene Worte zusammensetzen, so wird aus der GRETA ein GREAT, wenn nur zwei Buchstaben vertauscht werden. Wenn die Elemente in einer chemischen Verbindung unterschiedlich angeordnet werden, entstehen auch zwei (oder mehrere) unterschiedliche Verbindungen, die keine Beziehung zueinander haben. (Bild 2) Von Verbindungen zu Elementen: Verbindungen, wie ihr sie im Bild 2 seht, setzen sich damit aus den Elementen des Periodensystems zusammen. Umgekehrt kann ich diese Verbindungen chemisch auch wieder in ihre Elemente zerlegen, aus dem C 6 H 12 wird dann wieder Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H). Holzkohle ist der Kohlenstoff der übrigbleibt, wenn aus dem Holz der Wasserstoff und der Sauerstoff in der Hitze "verschwunden" sind. Ebenso kann ich die Buchstaben eines Wortes auseinandernehmen und erkenne dann seine frühere Bedeutung nicht mehr. Elemente: Doch was sind nun Elemente? Kann ich sie mit einfachen Mitteln unterscheiden? Wenn wir eine Verbindung nehmen, wie sie im Bild 3 gezeigt ist, und sie mit speziellen Instrumenten (aus der Physik) vergrössere, sehe ich einzelne Atome von Wasserstoff und Kohlenstoff. Wenn ich sie noch weiter vergrössere und mir ein Wasserstoffatom anschaue, Bild 3. Ein Natriumchlorid Kristall wird vergrössert und wir sehen Natrium (weiss) und Chloratome (grün). Wenn wir ein Wasserstoffatom unter die Lupe nehmen sehen wir, dass es ein Proton (rot) und ein Elektron hat. Deshalb hat Wasserstoff die Nummer 1 im Periodensystem. Beim Natrium sähen wir 11 und beim Chlor 17 Protonen.

5 dann sehe ich den Atomkern und ein Elektron, so wie das in Bild 2 dargestellt ist. Der Atomkern besteht aus einem einzigen Teilchen. Dieses Teilchen hat eine positive Ladung und wird Proton genannt. Um das Proton kreist ein einzelnes negatives Teilchen, das Elektron genannt wird. Beide zusammen machen das Wasserstoffatom aus. Weil nur ein Proton vorhanden ist, hat das Element Wasserstoff die Nummer 1 im Periodensystem bekommen. Man bezeichnet diese Nummer als Ordnungszahl. Damit ist klar, dass die anderen Elemente einfach mehr Protonen im Kern haben, Helium zum Beispiel hat 2, Aluminium 13, Technetium 43 und Uran schliesslich 92. Diese Zahl erkennt ihr bei den einzelnen Elementsymbolen im Periodensystem. Da alle Ordnungszahlen gebraucht sind, wird auch klar, dass es keine neuen Elemente zwischen 1 und 118 mehr geben wird. Die Physiker sind aber am Suchen von Elementen mit 119 oder mehr Protonen. Der Kern hat neben den Protonen auch noch Neutronen, aber diese sind, um das Periodensystem zu verstehen, nicht so wichtig. Gleichzeitig haben diese Elemente auch die gleiche Anzahl Elektronen wie Protonen. Ein Element besteht damit ausschliesslich aus einer Sorte Atome, die alle gleichviele Protonen und Elektronen haben. Elemente sind mit chemischen Mitteln nicht mehr veränderbar oder teilbar. Die Physiker können aber Atome doch teilen, man nennt das Kernspaltung. Wenn zum Beispiel ein Atom Kohlenstoff (6 Protonen) geteilt wird, entstehen daraus zwei Atome Lithium mit je 3 Protonen. Farben der Elemente: Kann ich jetzt diese Atome mit chemischen Mitteln unterscheiden? Ihr kennt Feuerwerk mit all seinen Farben. Diese Farben entstehen, wenn Atome stark erhitzt werden, wie in der Explosion einer Feuerwerksrakete. Man nimmt je nach gewünschter Farbe ein anderes Element, und diese geben in grosser Hitze eine bestimmte Farbe ab, Kupfer grün oder blau, Strontium rot oder Natrium orange. In der Hitze springen die Elektronen im Atom aus der Hülle heraus, fallen aber gleich wieder in diese zurück. Dabei senden sie Licht aus. Da Atome der Elemente unterschiedlich sind, entstehen dabei auch unterschiedliche Farben. Die verschiedenfarbigen LEDs beruhen auf dem gleichen Prinzip nur, dass das Herausspringen der Elektronen nicht mit Hitze, sondern mit Elektrizität bewirkt wird. Die Entstehung der Elemente: Woher kommen die Elemente? Wieso gibt es so wenig Gold aber so viel Eisen oder Aluminium? Waren sie schon "immer" vorhanden? Zu Bild 4. Die Elementsynthese: bei sehr hohen Temperauren verschmelzen 2 Elemente Helium zu einem Element Beryllium Beginn des Universums, im Urknall, sind nur ganz wenige Elemente entstanden, hauptsächlich Wasserstoff (Nummer 1) und Helium (Nummer 2), dazu ein wenig Lithium (Li, Nummer 3). Alle Elemente

6 mit höheren Ordnungszahlen (4 92) entstehen laufend in den Sternen, gleich wie in der Sonne. Wie ihr oben gesehen habt, kann man Atome teilen, man nennt das auch Atomspaltung. Ebenfalls kann man die Atome von Elementen auch verschmelzen, das nennt man dann Kernfusion. Dazu braucht es aber Temperaturen von vielen Millionen Grad (Bild 4). Solche Temperaturen kommen nur in den Sternen vor. Bei der Spaltung haben wir aus einem Kohlenstoffatom mit 6 Protonen 2 Lithiumatome mit je 3 Protonen gemacht. Umgekehrt entsteht zum Beispiel aus zwei Kohlenstoffatomen mit 6 Protonen ein Magnesiumatom mit 12 Protonen, oder aus einem Kohlenstoffatom und einem Wasserstoffatom ein Stickstoffatom mit 7 Protonen. Der ganze Prozess wird Element oder Nukleosynthese genannt. Wir können das nur in ganz kleinen Experimenten machen, da das Erreichen so hoher Temperaturen sehr schwierig ist. Ganz fulminant geht es in einer Supernova zu. Da werden sämtliche Elemente des Periodensystems in riesigen Mengen in Sekundenschnelle synthetisiert und in den Weltraum gestossen. Es ist also sehr wahrscheinlich, dass das Gold, Silber oder Platin, das ihr vielleicht in einem Ring tragt, in einer Sternexplosion entstanden ist. Was ist wichtig? Das Periodensystem beschreibt die 92 Bausteine aus denen alles, was im Universum existiert, zusammengesetzt ist. Die Nummer (Ordnungszahl) ist gleich der Anzahl Protonen, die ein Atom dieses Elements in seinem Kern hat. Das Element hat auch die diese Anzahl Elektronen, die um seinen Kern kreisen. Mit dem ABC könnt ihr jedes Buch zusammensetzen, mit dem Periodensystem jede Substanz. Werden die Atome erhitzt, senden sie verschiedene Farben aus. Das ist im Feuerwerk besonders gut zu sehen. Entstanden sind die Elemente in superheissen Sonnen mit Temperaturen von mehreren Millionen Grad durch Kernverschmelzung, Bedingungen, die wir auf der Erde kaum erreichen können. Hier könnt ihr Notizen machen