Willkommen
Auf dieser Seite möchte ich dir die ersten zehn chemischen Elemente und aus diesen einige Molekül vorstellen.
Da die Elemente und zugehörigen Elektronen sehr klein sind und auch noch weit auseinander liegen, habe ich mir vorgestellt, dass die Elemente kleine Figuren sind und die zugehörigen Elektronen ein Bestandteil der Figur sind.
In den Bildern steht Gold für die Farbe der Elektronen. Elektronen sind für die Elemente ganz wichtig, etwa so, wie für uns die Sinne wichtig sind – kostbar und rar!
Was haben wir mit Elementen zu tun?
Alles, denn Alles auf der Erde besteht aus chemischen Elementen. Und alle Elemente reagieren miteinander über die Elektronen.
Die Elemente weisen je nach Größe eine unterschiedliche Anzahl von Elektronen auf. Die Elektronen sind dabei nicht zufällig irgendwo und irgendwie verteilt, sondern auf verschiedenen Energieschalen geordnet.
Der Platz der Elektronen auf einer Energie-Schalen bestimmt das Verhalten des chemischen Elementes. Deshalb werden die chemischen Elemente nach der Zahl und der Anordnung der Elektronen auf den Energie-Schalen im Periodensystem dargestellt.
Beim Urknall unseres Universums bildete sich die erste Energie-Schale mit den Elementen Wasserstoff und Helium aus. Diese erste Schale hat nur zwei Plätze für Elektronen. Alle anderen Elemente entstanden später auf der Basis von Wasserstoff.
Im Folgenden werden die ersten zehn Elemente vorgestellt. Anschließend folgen dann einige der für uns lebensnotwendigen Moleküle aus diesen Elementen.
Noch ein kleiner Hinweis: Man nennt ein chemisches Element ein Atom, wenn es in alleine in ungebundener Form vorkommt. Liegt es in einer Verbindung vor, so spricht man von einem Molekül. z.B. ein Wasserstoffatom [H] und ein Wasserstoffmolekül [H2]
Die ersten 10 Elemente im Periodensystem
1. Wasserstoff [H]
Mit dem Urknall entstanden die coolen Giganten der Leere, der Wasserstoff, der zumeist als Wasserstoff-Zwilling auftritt!
Wasserstoff ist das kleinste und leichteste Element in unserem Universum. Trotzdem braucht der Wasserstoff viel Platz für sich.
Alleine kann und will der Wasserstoff nicht sein!
Deshalb kommt Wasserstoff auf der Erde nur in gebundener Form vor.
2. Helium, das erste Edelgas [He]
Helium gab es schon beim Urknall.
Aber es bildet sich auch noch heute, wenn zwei Wasserstoffatome in einer Sonne verschmelzen.
Das Element Helium ist mit sich allein glücklich und zufrieden in seinem Sein und geht deshalb keine Bindung mit anderen Elementen ein.
Die erste Energieschale hat nur zwei Plätze für Elektronen, die mit dem Element Helium gefüllt sind.
3. Lithium [Li]
Das dritte Element, Lithium, eröffnet die zweite Energieschale.
Lithium ist „ängstlich in seinem Sein“ und möchte unbedingt so, wie das Element Helium sein!
Dafür gibt es gerne sein drittes Elektron in einer Verbindung oder einem Prozess ab.
4. Beryllium [Be]
Beryllium ist das vierte Element und hat damit auch vier Elektronen.
Beryllium wird gerne zu besonderen Legierungen zugegeben, da es sich durch seine große Härte, Zugfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit auszeichnet.
Beryllium ist nicht nur auf der Erde selten.
5. Bor [B]
Das fünfte Element ist Bor, das gerne zur Verstärkung von Eisen-Metallen aus eingesetzt wird.
Bor weist die höchste Zugfestigkeit aller bekannten Elemente sowie die zweithöchste Härte auf. Nur ein Diamant ist härter!
6. Kohlenstoff [C]
Das sechste Element ist der Kohlenstoff, der genau so viele Elektronen abgeben wie aufnehmen kann. Das macht das Element so variabel und interessant.
Der Kohlenstoff ist ein Basiselement des Lebens. Der Kohlenstoff liebt den Wasserstoff, aber er geht auch gerne mit anderen Elementen Verbindungen ein. Sind keine anderen Elemente vorhanden, dann ist der Kohlenstoff sich selbst genug im Sein.
7. Stickstoff [N]
Das siebte Element ist Stickstoff und der ist gar nicht gern allein.
Er lädt auch auch nur wenige andere Elemente zu einer lebensbejahenden Verbindung ein!
Zumeist geht der Stickstoff mit sich selbst eine dreifach stabile Verbindung ein.
8. Sauerstoff [O]
Das achte Element ist der Sauerstoff und der ist feurig und mächtig schön.
Wenn der Sauerstoff alleine ist (als Atom) , kann nichts unbeschadet an dem vorbei gehen.
9. Fluor [F]
Das neunte und damit das vorletzte Element auf der zweiten Energieschale ist der drängelnde Fluor!
In seinem Bestreben, auch das letzte fehlende Elektron für eine volle Energieschale zu bekommen, geht er sehr rabiat vor.
10. Neon [Ne], das zweite Edelgas
Das zehnte Element ist das Edelgas Neon!
Mit Neon sind alle Plätze auf der zweiten Energieschale mit Elektronen besetzt.
Damit ist Neon mit sich allein, glücklich in seinem Sein und geht, so Helium, keine Verbindung ein.
Bilder zum Periodensystem
Die erste und zweite volle Schale des Periodensystems. Das sind auch die kleinsten Schalen.
Die Lage des Elements Sauerstoff auf der zweiten Energieschale.
Das Periodensystem mit seinen stabilen Energieschalen sowie den zugehörigen Elektronen.
Die erste und zweite Energieschale sind klein in der Mitte zu sehen.
Das Periodensystem mit seinen bekannten Energieschalen ist hier als eine Figur dargestellt.
Die erste und zweite Schale sind ganz oben im blauen Bereich.
Moleküle
Alle chemischen Elemente sind bestrebt, in Verbindungen mit sich selbst oder mit anderen Elementen, die fehlenden Elektronen für eine volle Energieschale auszugleichen. Dadurch erreichen sie eine gewisse Stabilität. Dabei zeigen chemische Elemente eine große Vielfalt an Verbindungen und auch Vorlieben für bestimmte Elemente auf.
Unsere Atemluft
Wir atmen die Atmosphäre, die unseren Planten umhüllt. Sie besteht zu ca. 78% aus Stickstoffmolekülen (N2), ca. 21 % aus Sauerstoffmolekülen (O2) und noch weiteren Elementen, die zusammen circa 1% ausmachen.
Stickstoffmoleküle in der Luft sind ein Gas, das kaum mit anderen Elementen reagiert. Man bezeichnet das als „inert“, was bedeutet, dass er sich nicht freiwillig an chemischen Reaktionen beteiligt . Ganz anders dazu verhält sich das Sauerstoffmolekül, der die Grundlage für den Stoffwechsel nahezu aller Lebewesen ist.
Alle Lebewesen basieren auf der Verbindung von den häufigsten Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff.
Das Stickstoffmolekül in der Atmosphäre weist eine besonders stabile Dreifachbindung auf.
Das Sauerstoffmolekül in der Atmosphäre.
Impression zur Atmosphäre 1
Impression zur Atmosphäre 2
Die Geschichte vom Wasser (H2O)
Mit der Entstehung der Erde, vor ganz langer Zeit, als die Moleküle, Wasserstoff ( H2) und Sauerstoff (O2) in der jungen Atmosphäre der Erde unterwegs waren, mussten sie sich oft vergeblich einer Trennung erwehren.
In einer gemeinsamen Verbindung suchten Wasserstoff- und Sauerstoffatome nach mehr sicherer Nähe in ihrem Sein. Die eine so feurig wie eine Kugel, die anderen lang und schmal, wie am Spalt gebeugtes Licht. Es war Liebe auf den ersten Blick – und -Keiner blickte je zurück!
Wassermolekül H2O
Der Wasserstoff fest zu seinem Bruder steht und der eine wie der andere, die Sauerstoff-Dame umhegt. Sie leben zusammen und gleichen den Mangel an Elektronen aus. So bildete sich mit ihrer Liebe das lebensspendende Wasser aus – und – alles andere folgte dann daraus!
Doch wenn dem Wassermolekül Energie zugeführt wird, schwingen die Elemente in der Verbindung hin und her.
Ein Wasserdampfmolekül H2O in heißer Luft.
Für flüssiges Wasser müssen sich ganz viele Wassermoleküle zusammenfinden. Wenn das passiert, treten weitere Kräfte auf, wie z.B. das Verhalten von Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen. Ist es zu kalt gefriert es, ist es zu warm verdampft es und zwischen beiden Extremen liegt das Wasser flüssig vor.
Viele Wassermoleküle haben sich zusammengefunden und bilden flüssiges Wasser.
Wasser im Sonnenschein 1
Das flüssige Wasser passt sich jeder Form an, da es keine eigene hat.
Reines flüssiges Wasser kommt nur als Regen in der Natur vor. Das meiste Wasser auf der Erde ist mit Salzen versetzt, insbesondere mit Kochsalz, dessen Moleküle aus einem Natrium- (Na) und einem Chloratom (Cl) bestehen. Das Salz zerfällt im Wasser in seine Atome, die dann Ionen genannt werden, die von Atomen im Wassermolekül umhüllt werden.
Die Sauerstoffatome der Wassermoleküle umhüllen das Natrium-Ion.
Die Wasserstoffatome der Wassermoleküle umhüllen das Chlor-Ion.
Zusammen bilden Sie Hydrathüllen im salzigen Wasser
Impressionen zu den Hydrathüllen im Wasser
Stickstoff- Verbindungen
Ein Stickstoffmolekül kann durch hohe Temperaturen – z.B. Feuer – getrennt werden. Dann wird der atomare Stickstoff sehr reaktiv und es bilden sich verschiedene Stickstoff-Verbindungen. Diese speziellen Verbindungen wirken sich schädigend auf uns und unsere Umwelt aus; sie können zu Überdüngung, Versauerung und Verätzung führen.
Stickstoff- Sauerstoff-Verbindungen
Stickstoffmonoxid (NO) ist ein Reizgase aus der Verbrennung.
Hier hat sich ein Stickstoff- mit einem Sauerstoffatom verbunden. Das Stickstoffmonoxid -Molekül (NO) versucht noch ein weiteres Sauerstoffatom einzufangen, damit seine freien Elektronenplätze auf der zweiten Energieschale besetzt sind.
Lachgas N2O
Ein zweifach gebundenes Stickstoffmolekül bindet ein Sauerstoffatom an sich.
Lachgas wurde früher in der Medizin zur Betäubung verwendet.
Stickstoff- Wasserstoff-Verbindungen
Wasserstoff verbindet sich gar nicht gerne mit einem Stickstoff. Wenn doch, so bilden sich Reizstoffe wie z.B.: Ammoniak oder Hydrazin aus . Beide Stoffe sind ätzend bzw. giftig!
Bei Ammoniak (NH3) bindet ein Stickstoffatom drei Wasserstoffatome . Das Ammoniak-Gas wirkt ätzend auf die Schleimhäute der Atemwege.
Bei einem Hydrazin – Molekül (N2H4) binden zwei einfach gebundene Stickstoffelemente je zwei Wasserstoffatome.
Hydrazin ist giftig und tödlich für alle Wasserorganismen und ätzend für atmende Lebewesen.
Kohlenwasserstoffe
Im Universum kommt das chemisches Element Kohlenstoff relativ häufig vor. Kohlenstoff bindet sich gerne in zahllosen Verbindungen mit Wasserstoff und Sauerstoff und ist bei uns auf der Erde die Grundlage allen Lebens.
Methan, das kleinste Kohlenwasserstoffmolekül
Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas und ein wichtiger Energieträger, der sich im Erdinnern im Laufe von Jahrmillionen durch verschiedene Prozesse gebildet hat. Methan ist ein Produkt der Umwandlung abgestorbener Biostoffen, aus denen sich Kohle und Erdöl gebildet haben. Die Industrialisierung basiert auf der Nutzung von Kohle, Erdöl und Erdgas, die eine rasante und massive Freisetzung von Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid verursacht, was zu einer Veränderung des weltweiten Klimas führt.
Mit dem Sauerstoff der Luft verbrennt das Methan zu den Endstoffen Wasser und Kohlendioxid.
Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas, besteht aus einer Kohlenstoffatom, dass mit vier Wasserstoffatomen verbunden ist.
Start-Ion bei der Verbrennung ist ein OH Radikal
Damit Methan verbrennt, braucht es eine ausreichend hohe Temperatur, bei der sich Wasserstoff und Sauerstoff zu einen reaktiven Molekül verbinden.
Ohne ein kurzlebiges OH-Radikal reagiert der Kohlenstoff nicht so einfach mit Sauerstoff!
Kohlenmonoxid und Kohlendioxid
Gibt es zu wendig Sauerstoff, so bildet sich tödliches Kohlenmonoxid aus, ein geruchsloses und unsichtbares Gas, das die Sauerstoffaufnahme bei Atmen blockiert.
Kurzlebiges, aber trotzdem tödliches Kohlenmonoxid (CO)
Kohlendioxid CO2 ist ein Klima-beeinflussendes Gas – bei dem Kohlenstoff und Sauerstoff eine sehr stabile Verbindung eingehen. Aufgrund ihrer Molekülstruktur können Sie Wärme speichern, die dann nicht mehr von der Erde ins All abgestrahlt werden kann.
Bei einem Kohlendioxid- Molekül bindet sich an einem Kohlenstoffatom ein Sauerstoffmolekül.
Kohlendioxid ist das Endprodukt einer Verbrennung und hat dann keine Energie mehr in der Verbindung gespeichert.
Bildung von Kohlenwasserstoffen
Aber ohne Kohlendioxid ( CO2) gäbe es keinen Prozess der Photosynthese, das die Grundlage jeglicher Nahrung für alle Lebewesen ist.
Mit Hilfe von Sonnenlicht werden in den Blättern von Pflanzen aus dem gespeicherten Wasser in der Pflanze und dem Kohlendioxid aus der Luft essbare Kohlenhydrate gebildet, die uns alle ernähren.
Die Elemente Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff reagieren mit Hilfe des Sonnenlichtes in einer Pflanze.
Impression zu einem Zuckermolekül
In einem Pflanzenblatt verbinden sich mit Hilfe des Sonnenlichtes, Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatome zu einem energiereichen Zuckermolekül.
Tanz der Kohlenhydrate bei der Photosynthese im Blatt.