Chemisches Element

Ein chemisches Element ist ein Grundstoff, der mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegt werden kann. Chemische Elemente sind Grundbausteine der Materie.

Elemente bestehen aus Atomen, die aus einem Atomkern aus geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen und einer Atomhülle aus Elektronen aufgebaut sind. Atome gleicher Kernladungszahl gehören zu demselben Element. Die Kernladungszahl ist die Anzahl der Protonen im Kern und - bei neutralen Atomen - gleich der Anzahl der Elektronen in der Hülle.

Die physikalischen Eigenschaften der Atomhülle bestimmen das chemische Verhalten eines Atoms. Atome gleicher Kernladungszahl besitzen dieselbe Atomhülle und sind damit chemisch nicht unterscheidbar. Aus der Kernladungszahl der Atome folgt daher ihre Einordnung in das Periodensystem der Elemente (PSE). Dieses wurde vom russischen Gelehrten Dmitri Iwanowitsch Mendelejew 1869 begründet. Die Kernladungszahl wird auch als Ordnungszahl bezeichnet.

Kernladungszahl und Masse

Die Masse eines Elements ist bei fast allen Elemente ungefähr - jedoch nicht genau - ein ganzzahliges Vielfaches der Masse des leichtesten Elements Wasserstoff H mit Odnungszahl 1. Daher spricht man auch von der Massenzahl eines Elements. Das nächstschwerere Element Helium He mit Ordnungszahl 2 hat bereits ungefähr die vierfache Masse. Die Massenzahl beträgt also 4, die genaue Masse ist jedoch nur etwa das 3,98-fache.

Die Erklärungen für diese Merkwürdigkeit sind

Protonen und Neutronen, die den Hauptanteil der Masse bilden, sind fast, jedoch nicht genau, gleich schwer.
Natürliche Elemente bestehen aus einer Mischung von Atomen mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Eine Atomart überwiegt meist bei weitem, diese bestimmt dann die Massenzahl (Ausnahme Chlor Cl mit der 35,5-fachen Masse)
Das natürliche Mischverhältnis ist bei einem Element meist gleich (Ausnahme ist Blei, das unterschiedliche durchschnittliche Atommassen zeigt, wenn man es aus verschiedenen Lagerstätten gewinnt)
Bei sehr genauen Messungen zeigt sich die Bindungsenergie als Massendefekt, so dass die Kernmasse stets minimal kleiner ist als die Summe der Massen der Protonen und Neutronen.

Rein- und Mischelemente

Der Kern des Wasserstoffs besteht fast immer aus nur einem Proton. Wasserstoff mit einem Proton und einem Neutron im Kern (Deuterium) tritt in natürlichem Wasserstoff mit einem Anteil von 0,015% auf.

Der Heliumkern besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Es existieren aber auch Helium-Atome, die zwei Protonen, aber nur ein Neutron, enthalten. Diese treten in natürlichem Helium jedoch nur mit einem Anteil von 0,000137% auf.

Chlor (17 Protonen) besteht aus einer Mischung aus Atomen mit 18 Neutronen (etwa 75%) und 20 Neutronen (etwa 25%).

Chemische Elemente, die nur aus einer Atomart bestehen, heißen Reinelemente, wenn sie dagegen aus zwei oder mehr Atomarten bestehen, heißen sie Mischelemente. Atome des gleichen Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotope.

Chemische Verbindungen

Chemische Elemente können chemische Verbindungen eingehen. Dabei sind mehrere der elementaren Atome zu Molekülen zusammengeschlossen. Natürliche oder künstliche Stoffe sind entweder Elemente oder Verbindungen. Gewöhnliches Wasser H₂O ist eine Verbindung aus den Elementen Wasserstoff H (2 Atome pro Molekül) und Sauerstoff (1 Atom pro Molekül). Metalle wie Eisen Fe oder Kupfer Cu sind dagegen stets Elemente.

Elemente können auch eine Verbindung mit sich selbst eingehen. Bei vielen Gasen wie Chlor Cl oder Fluor F verbinden sich zwei Atome desselben Elements zu einem Molekül, also Cl₂ bzw. F₂.