Elemente und chemische Verbindungen

Die Elemente sind die Grundbausteine, aus denen sich die gesamte Materie zusammen – setzt. Von den heute bekannten 118 chemischen Elementen wurden 91 Elemente in der Natur (Erdrinde, Atmosphare) nachgewiesen. Die restlichen Elemente treten in geringen Spuren in der Natur auf (z. B. Neptunium, Plutonium) beziehungsweise konnen nur kiinst – lich im Labor dargestellt werden. Etwa 85% der Elemente sind Metalle oder Halbmetalle.

Jedes chemische Element hat einen Namen und wird durch ein Elementsymbol charakteri – siert. Die fur das Elementsymbol benutzten Abktirzungen bestehen aus einem oder zwei Buchstaben, die sich vom griechischen oder lateinischen, aber auch teilweise vom deut – schen Elementnamen ableiten. Bei den erst kiirzlich entdeckten kiinstlichen Elementen bestehen die Symbole aus drei Buchstaben. Die Elementsymbole werden international ein – heitlich angewendet. Einige ausgewahlte Beispiele sind:

Подпись:Natrium (Na) Sauerstoff (O von Oxygenium)

Eisen (Fe von Ferrum) Stickstoff (N von Nitrogenium) Calcium (Ca) Wasserstoff (H von Hydrogenium)

Aluminium (Al) Kohlenstoff (C von Carboneum)

In der Baustoff – bzw. Zementchemie wird mitunter aus Griinden der Vereinfachung eine spezifische Symbolik zur Charakterisierung von Oxiden, Klinkerphasen oder Hydratationsprodukten der Ze- mente verwendet. So kiirzt man beispielsweise die Verbindungen CaO mit “C“ und Si02 mit “S“ ab, C3S steht dann fiir 3 CaO • Si02. Diese Bezeichnungsweise kann bei unkritischer Anwendung zur Verwechslung mit den chemischen Elementsymbolen fiihren. Werden im Rahmen des vorliegenden Buches diese Symbole benutzt, wird dies durch einen anderen Schrifttyp kenntlich gemacht (Кар. 9.3).

Die kleinsten Teilchen der Elemente sind die Atome. Da alle Atome eines Elements die gleiche Kemladung und den gleichen Aufbau der Elektronenhulle aufweisen (Кар. 2.1) reagieren sie chemisch gleich.

Chemische Verbindungen bestehen aus Atomen verschiedener Elemente, die in einem definierten Mengenverhaltnis vorliegen. Manche Elemente sind in der Lage, mehrere ver – schieden aufgebaute Verbindungen miteinander zu bilden. Als Beispiel sollen die Stick- stoff-Sauerstoff-Verbindungen N20, NO, N02, N203 und N205 angeflihrt werden. Bei der Verbindungsbildung gehen die Eigenschaften des ursprunglichen Elements verloren. Ver­bindungen enthalten im Vergleich zu den ursprunglichen Elementteilchen, wie z. B. 02, N2, Cl2, Na-Gitter oder S8-Ringen, chemisch veranderte Teilchen. Die haufig anzutreffende Sprechweise, Kochsalz NaCl enthalt die Elemente Natrium und Chlor, muss dahingehend korrigiert werden, dass Kochsalz zwar aus diesen Elementen entstanden ist, in Wirklichkeit jedoch die Ionen beider Elemente (s. u.) enthalt.

Die durch die Verbindungsbildung veranderten Elementteilchen konnen ein Ionengitter (z. B. Kochsalz) oder Molekule (z. B. H20, CH3OH) bilden. Im ersten Fall spricht man von ionischen Verbindungen und im letzteren von Molekiilverbindungen. Molekulverbin- dungen liegen bei Raumtemperatur als isolierte Molekule (z. B. S02, C02) oder als Mole – kulgitter bzw. – kristalle (z. B. Zucker) vor.

Die Schreibweisen H20 und H3PO4 bezeichnet man als Summen – oder Bruttoformei der Verbindungen Wasser und Phosphorsaure. In der Summenformel werden die Symbole der beteiligten Elemente aneinandergereiht und die jeweilige Anzahl der Atomsorte durch ei – nen Index angegeben. Sie sagt nichts iiber die Verkniipfimg der Atome im Molekul aus. Diese Aufgabe ubemimmt die Strukturformel:

Подпись: HПодпись:Подпись: ОПодпись: FT0

II

H-O-P-O-H

1

о

H

Da Ionenverbindungen nicht aus einzelnen Molekiilen bestehen, sondem Ionengitter bil­den, kennzeichnen die (Summen)Formeln dieser Verbindungen immer die Verhaltnisse, in denen Anionen und Kationen im Gitter vorliegen. Die chemischen Formeln von Salzen sind somit immer Verhaltnisformeln. Im Magnesiumchlorid kommen beispielsweise auf jedes Magnesiumion zwei Chloridionen. Das fuhrt zur Formel MgCl2. Die kleinste Anzahl der Ionen, die die Zusammensetzung der Ionensubstanz wiedergibt, wird Formeleinheit genannt. Eine Formeleinheit MgCl2 besteht aus einem Mg2+- und zwei СГ-Ionen, eine Formeleinheit NaCl dagegen aus einem Na+- und einem СГ-Іоп. Prinzipiell ist die Formel­einheit NaCl mit der Formel NaCl identisch. Der Unterschied zwischen beiden Begriffen besteht jedoch darin, dass die Formeleinheit genau ein Na+-Ion und ein СГ-Іоп meint, wah- rend die Formel NaCl lediglich eine Aussage iiber das l:l-Verhaltnis zwischen Natrium – und Chloridionen im Ionengitter der Verbindung liefert.

Chemische Verbindungen lassen sich durch chemische Verfahren in die sie aufbauenden Elemente zerlegen. Den Unterschied zwischen einer homogenen Mischung und einer che­mischen Verbindung kann man sich ganz leicht am praktischen Vorgang des Kochens einer

Salzwasserlosung (NaCl in Wasser) klarmachen. Die Flussigkeit verdampft allmahlich und das Salz verbleibt als fester Ruckstand. Der Prozess des Kochens ist damit eine verein – fachte Variante der physikalischen Trennoperation Destination. Die Salzwasserlosung wird in die Verbindung Wasser und die Verbindung Kochsalz (NaCl) zerlegt. Beide Ver – bindungen sind durch physikalische Methoden nicht weiter auftrennbar. Eine Auftrennung in die Elemente kann elektrochemisch durch Elektrolyse erfolgen.

Elektrisch geladene atomare und molekulare Teilchen nennt man Ionen. Positiv geladene Ionen, wie z. B. Na+? Ca2+, Al3+, werden als Kationen und negativ geladene Teilchen, wie z. B. СГ, S042", HC03”, als Anionen bezeichnet. Ein Natriumion (Ration) ist damit ein Teilchen, das eines seiner Elektronen verloren hat, ein Chloridion (Anion) ein Teilchen, das ein zusatzliches Elektron aufgenommen hat. Die Namen Ration und Anion wurden urspriinglich im Zusammenhang mit der Elektrolyse (Rap. 7.5) definiert. Als Rationen bezeichnete Faraday Teilchen, die bei einer Elektrolyse zur Ratode (negative Elektrode) und als Anionen Teilchen, die bei einer Elektrolyse zur Anode (positive Elektrode) wan – dem. Die Anzahl der positiven oder negativen Ladungen eines Ions bezeichnet man als seine Wertigkeit (s. Rap. 2.2.2). Wenn beispielsweise das Calciumatom zwei Elektronen abgibt, wird es zum zweiwertigen Calciumion Ca2+. Bei Elementen, die verschieden gela­dene Rationen bilden konnen, wird das Ration haufig durch Angabe seiner Wertigkeit cha – rakterisiert. Man fligt sie als romische Zahl an den Elementnamen an. Diese Schreibweise dient vor allem der Angabe der Wertigkeit des Rations in Verbindungen, z. B. Blei(IV)- oxid, Eisen(III)-oxid.