Chemische Elemente der Erde und ihre Verteilung im Erdkörper und in der derzeitigen Erdatmosphäre

Inhaltsverzeichnis

1. Die Geschichte der chemischen Elemente

2. Chemische Elemente der Erde
2.1 Definition
2.2 Periodensystem

3. Die Verteilung im Erdkörper
3.1 Der innere Erdkern
3.2 Der äußere Erdkern
3.3 Der untere und obere Erdmantel
3.4 Die Erdkruste
3.4.1 Kontinentale Erdkruste
3.4.2 Ozeanische Erdkruste

4. Die chemischen Elemente in Biosphäre und Hydrosphäre

5. Die Verteilung in der derzeitigen Erdatmosphäre
5.1 Definition und Zusammensetzung der Erdatmosphäre
5.2 Die Verteilung der Elemente

6. Ausblick: künstliche Elemente

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Aufbau eines Sauerstoff-Atoms und Atomschreibweise

Abbildung 2: Aufbau des Periodensystems

Abbildung 3: Die Position der Edelgase und deren Entdeckung

Abbildung 4: Schnitt durch die Erde

Abbildung 5: Zusammensetzung der Erdkruste

Abbildung 6: Die Hauptelemente der Erdkruste

Abbildung 7: Häufigkeitsreihenfolge lebenswichtiger Elemente in versch. Reservoiren

Abbildung 8: Zusammensetzung der trockenen unverschmutzten Atmosphäre

Abbildung 9: Konzentrationsgrößenordnungen der Bestandteile der Luft

Abbildung 10: Verweilzeit atmosphärischer Spurenstoffe

Abbildung 11: Chemische Zusammensetzung von Niederschlägen

Abbildung 12: Aerosole aus dem Mittelmeerraum

Abbildung 13: Höhe, Masse und Volumen der Hauptschichten der Erdatmosphäre

Abbildung 14: Die Atmosphäre, ihre Zusammensetzung und Gliederung

1. Die Geschichte der chemischen Elemente

Die Geschichte der chemischen Elemente der Erde ist eine lange, deren Ursprünge bis in die Antike reichen. So benannte bereits DEMOKRIT (460–371 v.Chr.) als Urkomponenten der Welt den leeren Raum und Atome, aus deren Verbindungen alle Körper hervorgingen. THALES v. Milet (585–545 v. Chr.) nannte das Wasser, HERAKLID (540–480 v.Chr.) das Feuer das sogenannte „Elementare“. Für EMPEDOKLES (483–423 v. Chr.) waren es Wasser, Luft und Feuer und er fügte die Erde als viertes gleichberechtigtes Element dazu. Diese Lehre wurde von ARISTOTELES (384–322 v. Chr.) aufgenommen, und um die Qualitäten „warm“, „kalt“, „nass“ und „trocken“ erweitert, wodurch die damaligen Elemente damit voneinander abgegrenzt oder miteinander verbunden wurden. In seiner Aussage „alles ist entweder Element oder setzt sich aus Elementen zusammen“ kann man schon eine realitätsnahe Anschauung erkennen. (vgl. KAMPF 2002, S.31, BILOW 1999, S.14-15)

Bei Experimenten wurden im Laufe der Zeit enorme Erfahrungen gesammelt, die am Ende den Begriff des Elements ableiten lassen, so wie in dieser Arbeit im ersten Abschnitt definiert.

Anschließend sollen deren Verteilungen in der Erde und in der derzeitigen Erdatmosphäre dargestellt werden.

2. Chemische Elemente der Erde

2.1 Definition

Der Begriff „Element“ stammt vom Wort „elementos“ = Baustein, wobei die Elemente also die Grundstoffe bzw. Bausteine sind, aus denen die ganze Welt, alle Stoffe dieser Erde und des Weltalls (Gesteine, Metalle, Wasser, Farbstoffe, Luft, der menschliche Körper, Sterne, Sonne, Mond), besteht. Eine erste Definition des Begriffes „Element“, welche realitätsbezogen ist, lieferte ROBERT BOYLE (1627–1691), indem er von „ursprünglichen, einfachen und gänzlich ungemischten Körpern“ sprach. Er definierte damit ein chemisches Element als einen Reinstoff, der mit chemischen Methoden nicht weiter zerlegt werden kann. (vgl. KAMPF 2002, S.31)

Der heutige Element-Begriff lässt sich als eine Einteilung von Atomen definieren: Atome mit gleicher Anzahl an Protonen werden zu einer Sorte zusammengefasst, dem Element. Sie treten im Universum mit einer bestimmten Elementhäufigkeit auf. Damit werden Atome mit gleichem chemischen Verhalten (chemischen Reaktionen) zusammenfasst. Ihr physikalisches Verhalten kann geringfügig abweichen, z. B. können die Atome eines Elements sich in der Masse geringfügig unterscheiden (Isotope). Die Elemente unterscheiden sich in ihren Eigenschaften, da sie aus unterschiedlichen Atomen bestehen. Elemente sind also sozusagen „Atomsorten“, da jedes Element aus einer bestimmten Atomart besteht.

Die Atome wiederum leiten sich ab vom griechischen Wort „atomos“ = unteilbar und sind die Grundbausteine der Materie. Es handelt sich um die kleinsten Teilchen, die chemisch hergestellt werden können, weiter können Stoffe mit chemischen Mitteln nicht zerlegt werden.Sie bestehen aus einem Atomkern mit positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen sowie einer Atomhülle aus Elektronen. 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 Atomhülle kann man sich in Schalen unterteilt vorstellen. Der Grund für die unterschiedlichen Eigenschaften der Elemente liegt in der unterschiedlichen Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale der Atome. (vgl. BILOW 1999, S.23-27)

Abbildung 1 zeigt den Aufbau eines Sauerstoffatoms und rechts darunter die Atomschreibweise.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Aufbau eines Sauerstoff-Atoms und Atomschreibweise

(Quelle: www.members.aon.at)

Derzeit sind über 100 verschiedene chemische Elemente bekannt, deren Atome zwischen einem und 112 Elektronen sowie Protonen besitzen. Elemente bilden miteinander Verbindungen (Stoffe die aus mehreren Elementen bestehen), wobei derzeit einige Millionen Verbindungen bekannt sind. (vgl. BILOW 1999, S.30)

2.2 Periodensystem

Das Periodensystem ist eine geordnete Auflistung aller Elemente, wobei die Anordnung nach der Kernladungszahl erfolgt.

Der französische Gelehrte und Mitbegründer der modernen Chemie, ANTOINE-LAURENT de LAVOISIER (1743–1794), stellte als erster ein „Tableau des Substances simples“ auf, in dem er die ihm bekannten oder von ihm vermuteten chemischen Substanzen ordnete.

Der Engländer JOHN NEWLANDS (1837–1898) ordnete die Elemente mit ähnlichen Eigenschaften in Gruppen und führte eine Ordnungszahl für die chemischen Elemente ein.

Den entscheidenden Schritt bei der Ordnung der chemischen Elemente gingen jedoch unabhängig voneinander der deutsche Wissenschaftler JULIUS LOTHAR MEYER (1830–1895) und der russische Wissenschaftler DIMITRIJ IWANOWITSCH MENDELEJEW (1834–1907). MENDELEJEW ordnete 1869 die damals bekannten 61 chemischen Elemente nach aufsteigender Masse in sogenannte Perioden und nach ihren ähnlichen Eigenschaften in sogenannte Gruppen ein. Die Ordnungszahl, auch Kernladungszahl genannt, zeigt die Anzahl der Protonen im Kern (Protonenzahl) bzw. der Elektronen in der Hülle. Es fiel auf, dass die Elemente eine sich periodisch wiederholende Ähnlichkeit von Eigenschaften zeigen. MENDELEJEW musste einige Lücken lassen, die später mit Elementen gefüllt wurden, er konnte jedoch aufgrund dieser Erkenntnis die Existenz der damals noch nicht bekannten Elemente Gallium und Germanium vorhersagen. (vgl. KAMPF 2002, S.32)

In heutigen, modernen Periodensystemen sind alle bekannten chemischen Elemente, von denen über 80% Metalle darstellen, bis zur Ordnungszahl 114 in sieben Horizontalreihen (Perioden) und 18 Vertikalreihen (Haupt- und Nebengruppen) eingeordnet. Aufgrund der Stellung der Elemente im Periodensystem kann man Rückschlüsse auf deren Eigenschaften ziehen.

In einer Periode befinden sich daher Elemente mit gleich vielen mit Elektronen besetzten Schalen.

In einer Gruppe sind Elemente angeordnet, die gleich viele Elektronen in der äußersten Schale haben (Valenzelektronen) und damit Ähnlichkeiten in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften aufweisen. In einer Hauptgruppe stehen Elemente mit Elektronen in der äußersten Schale, in einer Nebengruppe solche mit Elektronen in der zweitäußersten Schale. Ausnahmen stellen die Lanthanoiden und Actinoiden dar, welche die drittäußerste Schale mit Elektronen füllen. (vgl. BILOW 1999, S.31-38)

Da in dieser Arbeit nur ein Überblick über das Periodensystem gegeben werden kann, werden im folgenden die Hauptgruppen genannt, auf die acht Nebengruppen wird nur hier hingewiesen.

Abbildung 2 zeigt jedoch zur Veranschaulichung den ganzen Aufbau des Periodensystems.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Aufbau des Periodensystems

(Quelle: www.chemie-master.de/

Die erste Hauptgruppe stellen die Alkalimetalle und der Wasserstoff dar: Wasserstoff (H), Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb), Cäsium (Cs) und Francium (Fr). Alle Elemente dieser Gruppe verfügen über ein Valenzelektron. Alkalimetalle sind weich und metallisch glänzende Elemente, die sich an der Luft sofort chemisch verändern. Die Schmelzpunkte sind tief, ihre Dichten gering. (vgl. COOPER 1972, S.33)

Die zweite Hauptgruppe ist die der Erdalkalimetalle mit den Elementen Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr) und Barium (Ba), die alle zwei Valenzelektronen besitzen. Es handelt sich dabei um leichte Metalle, welche sehr reaktionsfähig sind. (vgl. COOPER 1972, S.41)

Es folgen in der dritten Gruppe, der sogenannten Borgruppe, die Elemente Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga), Indium (In) und Thallium (Tl).

Die vierte Hauptgruppe ist die Kohlenstoffgruppe mit den Elementen Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Germanium (Ge), Zinn (Sn) und Blei (Pb). Hier befinden sich die Übergänge vom Nichtmetall zum Metall.

Es folgen in der fünften Hauptgruppe, der Stickstoffgruppe, die Elemente Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb) und Bismut (Bi).

Die sechste Hauptgruppe stellen die sogenannten Chalkogene dar, also Sauerstoff (O), Schwefel (S), Selen (Se), Tellur (Te) und Polonium (Po), welche eine große Reaktionsfähigkeit zeigen.

Die siebte Hauptgruppe sind die sogenannte Halogene. Dazu zählen Fluor (F), Chlor (Cl), Brom (Br), Jod (I) und Astatium (At). Halogene haben ebenso eine hohe Reaktionsfähigkeit. Ganz besonders Fluor ist das stärkste elementare Oxidationsmittel. Die Oxidationsfähigkeit nimmt von Fluor nach Jod ab. Umgekehrt nimmt aber die Säurestärke zu. (vgl. COOPER 1972, S.44)

Die achte Hauptgruppe stellen die Edelgase dar. Zu dieser Gruppe zählt man die Elemente Helium (He), Neon (Ne), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe) und Radon (Rn), wobei Argon das häufigste Edelgas ist, gefolgt von Neon. Radon tritt nur in Spuren als Produkt natürlicher, radioaktiver Zerfallsprozesse auf. Bei den Edelgasen handelt es sich um farb-, geschmack- und geruchlose Gase, die nur atomar vorkommen, d.h. sie zeigen kein Bestreben, sich mit anderen Atomen zu verbinden. Sie lösen sich relativ gut in Wasser. Die Schmelzpunkte der Edelgase liegen bei sehr niedrigen Temperaturen. So hat Helium den niedrigsten Schmelz- und Siedepunkt aller Elemente.

Abbildung 3 zeigt die Position der Edelgase im Periodensystem und deren Entdeckung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Die Position der Edelgase und deren Entdeckung

(Quelle: http://www.uniterra.de)

Die noch heute gültige chemische Formelsprache der Elemente, zum Beispiel H2O für Wasser, stammt von dem schwedischen Chemiker JÖNS JACOB BERZELIUS (1797–1848). Die Elementsymbole lassen sich aus den lateinischen Elementnamen ableiten.

Zusammenfassend gibt es 81 stabile Elemente in der Natur, die anderen sind radioaktiv und damit unstabil.

Im Folgenden wird die Verteilung der chemischen Elemente im Erdkörper als auch in der Erdatmosphäre dargestellt. Dabei werden einzelne, wichtige Elemente detailliert vorgestellt.

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