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Der Elementbegriff in der Chemie

Goldmünze
 

Elementare Stoffe oder elementare Atome

Beim Arbeiten mit einem "Periodensystem der Elemente" wird der Elementbegriff in verschiedenen Bedeutungsformen verwendet. Gold wird allgemein als "Element" bezeichnet. Für diesen Begriff existieren aber mehrere Bedeutungen. Betrachtet man im Periodensystem eine Element-Darstellung mit den physikalischen Größen (im Bild oben beim Gold rechts unten) wie Dichte, Schmelzpunkt oder Siedepunkt, dann meint man eigentlich die Eigenschaften beim "elementaren Stoff" (nach Robert Boyle). Mit der Ordnungszahl 79 meint man aber die Protonenzahl bei einem "elementaren Atom" (nach IUPAC).
Die Atommasse links oben ist ein Durchschnittswert, berechnet aus den natürlich vorkommenden Isotopen nach ihrer Häufigkeit. In einem gebräuchlichen Periodensystem verwendet man die Angaben also, je nach Betrachtung, entweder für einen Stoff oder für Atome.
 

Die vier Elemente im Altertum und in der Alchemie

Der Begriff Element wurde schon im Altertum verwendet. Der griechische Philosoph Empedokles unterschied vier "Prinzipien": Feuer, Erde, Wasser, Luft und Feuer. Aristoteles ordnete diesen vier Elementen Eigenschaften zu. Das Feuer ist nach Aristoteles warm und trocken, die Erde trocken und kalt, das Wasser kalt und feucht, die Luft feucht und warm. Die Alchemie übernahm den Elementbegriff von Aristoteles. Die Alchemisten sahen auch bestimmte Prinzipien in den vier Elementen. Sie glaubten, dass die Metalle wie die vier Elemente ineinander umwandelbar sind.

 

Elementarer Stoff nach Boyle

Im Jahr 1661 hinterfragte Robert Boyle (1627-1691) in seinem berühmten Buch Der skeptische Chemiker die Theorie von den vier Elementen und erörterte experimentelle Ergebnisse. Mit Hilfe zahlreicher Experimente bewies er die Unzerlegbarkeit der Stoffe Gold, Quecksilber oder Kupfer. Nach Boyle ist ein Element ein elementarer Stoff, der nicht weiter in zwei oder mehr andere Stoffe zerlegt werden kann. Alle anderen Stoffe sind chemische Verbindungen.

Ein elementarer Stoff ist ohne ein Reaktionspartner nicht mehr umwandlungsfähig, es sei denn, man zerstört seine innere Organisationsstruktur mit Hilfe der modernen Kernphysik.
Aus den elementaren Stoffen Wasserstoff und Sauerstoff lässt sich die Verbindung Wasser herstellen. Eine Herstellung oder Synthese von Wasser findet statt, wenn man Wasserstoff an der Luft verbrennt. Bei der Analyse, der Zerlegung von Wasser in seine elementaren Stoffe mit elektrischem Strom mit Hilfe der Elektrolyse, erhält man aus der Verbindung Wasserstoffoxid wieder Wasserstoff und Sauerstoff:

Wasserstoff  +  Sauerstoff  →  Wasserstoffoxid (Wasser)
Wasserstoffoxid  →  Wasserstoff  +  Sauerstoff
 

Prinzipien nach Lavoisier

Antoine Lavoisier (1793-1794) untermauerte die Ergebnisse von Boyle experimentell, so dass die Theorie von den vier Elementen des Altertums endgültig widerlegt war. Allerdings glaubte er wie die Alchemisten, dass in den Stoffen chemische "Prinzipien" enthalten sind. Anders als bei Boyle sind die Elemente bei Lavoisier also keine chemischen Stoffe wie im heutigen Sprachgebrauch.
 

Elementare Atome nach IUPAC

Bei diesem Sprachgebrauch sind mit dem "Element Gold" oder mit dem "Element Kohlenstoff" die elementaren Atome gemeint. Ein Gold-Atom hat beispielsweise immer 79 Protonen und 79 Elektronen und besitzt die Elektronenkonfiguration [Xe] 4f145d106s1. Streng genommen müsste man also vom "Periodischen System der elementaren Stoffe (Boyle) und der elementaren Atome (IUPAC)" sprechen. Der Begriff "Element" wäre damit eigentlich überflüssig, aber im Sprachgebrauch ist er so verbreitet, dass man das nicht einfach ignorieren kann. Man sollte sich nur der Unterscheidung bewusst sein, wenn man vom "Periodensystem der Elemente" spricht.


Weitere Erläuterungen: Geschichte des Periodensystems von Peter Buck


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