Das Periodensystem der Elemente

Untertitel: Wir bestehen aus Sternenstaub!

Du musst dir einmal vorstellen: Es gibt Chemiebücher, in denen über 15 Millionen verschiedener Stoffe aufgelistet sind! Aber alle diese Stoffe bestehen letztlich bloß aus etwa 100 Elementen und diese wieder nur aus drei „Bausteinen“, nämlich Elektronen, Protonen und Neutronen. Es ist schon sehr erstaunlich, auf wie viele Arten man diese zusammensetzen kann!

Schon Anfang des 19. Jahrhunderts kannte man eine große Zahl an Elementen, aber erst 1869 fassten der Russe Dimitrij Mendelejew und der Deutsche Lothar Meyer unabhängig voneinander deren Eigenschaften zu einem Periodensystem zusammen. Dieses System hatte bereits große Ähnlichkeit mit dem, das wir heute verwenden

Die Elemente des Periodensystems. Alle Elemente ab dem Plutonium sind künstlich hergestellt. Momentan ist man bereits bei Z=118. Informationen zu den Elementen

Weil noch einige Elemente unbekannt waren, blieben Lücken. Mendelejew schloss daher auf die Existenz von noch fehlenden Elementen. Die wurden tatsächlich bald entdeckt (etwa das Germanium) und verhalfen dem Periodensystem zum Durchbruch.

Im Periodensystem sind die Elemente nach steigenden Atommassen geordnet: Je größer die Ordnungszahl, desto größer die Masse. Die Ordnungszahl gibt gleichzeitig an, wie viel Elektronen bzw. Protonen ein Element besitzt. Der Wasserstoff (H; Z=1) ist gleichzeitig das mit Abstand häufigste Element im Universum (92% aller Atome), und Helium (He; Z-2) ist das zweithäufigste (7,8%). Der mickrige Rest von nur etwa 0,2% sind schwerere Elemente. Wie wir aber gleich hören werden, machen gerade die das Universum erst so richtig spannend!

Die Elemente in einer Periode (Zeile) haben die gleiche Anzahl von Elektronenschalen. Also Natrium (Na) und Magnesium (Mg) haben z. B. drei Schalen. Die Elemente einer Gruppe (Spalte) haben gleich viele Elektronen auf der äußersten Schale. Wasserstoff und Lithium (Li) haben z. B. ein Elektron auf der äußersten Schale. Die chemischen Eigenschaften eines Elements werden nur von der Elektronenhülle bestimmt, der Kern spielt keine Rolle.

Das Gegenstück zum Wasserstoff ist Uran (U, Z = 92). Es ist nämlich das schwerste natürlich vorkommende Element im Universum. Alle höheren Elemente können nur künstlich durch Kernreaktionen hergestellt werden (siehe Kap. 3.5).

Aber nun zu dem, was das Universum so spannend macht: das Leben! Jene sechs Elemente, die das Entstehen des Lebens erst ermöglicht haben sind Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel.

Hier siehst du wichtige Elemente, aus denen der Mensch aufgebaut ist. Blau sind die 6 Grundelemente, aus denen alles Leben besteht, rot sind Mineralstoffe und grün Spurenelemente. In einem menschlichen Körper befinden sich also rund 1/4 aller Elemente, die es gibt.

DNA und Proteine lassen sich zum Beispiel vollkommen aus nur diesen Elementen aufbauen (wobei man für die DNA den Schwefel gar nicht benötigt). Auch einfachste Lebewesen und Viren enthalten genau diese Elemente. Der Kohlenstoff ist ganz besonders hervorzuheben. Er ist das einzige Element, das bei lebensfreundlichen Temperaturen (also unter 100 °C) lange Kettenmoleküle bilden kann, und die sind wiederum Voraussetzung für jedes Leben. Der Mensch als hoch entwickelte Lebensform braucht darüber hinaus noch weitere Elemente (Abb. 3.12; F10).

Woher kommen aber die restlichen 0,2% der Atome, die die Entstehung von Leben ermöglicht haben? Beim Urknall sind ja praktisch ausschließlich Wasserstoff und Helium entstanden (F9)! Und hier kommt der Ster-nenstaub ins Spiel! Im heutigen Universum kommen vor allem zwei Formen von Materie vor: Sterne und Sternenstaub. Diese beiden Zustände befinden sich im ständigen Kreislauf. Die gesamte Materie, aus der alles rund um uns und auch wir selbst bestehen, hat diesen Kreislauf schon mehrmals durchlaufen. Sternenstaub sind winzig kleine Partikel im Weltall, die vermutlich durch das Ausbrennen von Sternen entstanden sind. Man nennt den Sternenstaub auch interstellare Materie. Zu Beginn des Universums stammte dieser natürlich noch vom Urknall selbst. Sie ballte sich zusammen, und nach einigen 100 Millionen Jahren entstanden die ersten Sterne. Diese bestanden so gut wie nur aus Wasserstoff und Helium, und es konnten daher auch keine Planeten aus Stein und somit auch kein Leben entstehen. Wie langweilig!

Ein Stern erzeugt aber schwere Elemente und wenn er stirbt, dann werden diese wieder frei, manchmal durch eine sehr spektakuläre Explosion, die die Materie weit ins Weltall hinausschleudert. Dadurch werden die interstellaren Wolken mit schweren chemischen Elementen angereichert. Und aus diesem neuen Sternenstaub entstehen später auch wieder neue Sterne (Abb. 3.13). Das ist der Kreislauf des Universums!

Im Adler-Nebel in 6000 LJ Entfernung kann man Sternenstaub beobachten, der sich gerade zusammenballt und neue Sterne hervorbringt. Der linke Pfeiler hat eine Länge von einem Lichtjahr!