1.4 Periodensystem der Elemente (PSE) Teil II 1.4.2 Vorkommen der Elemente Der Wasserstoff ist auch das häufigste Element des Universums überhaupt. Sonnen, und unsere großen Planeten Jupiter und Saturn, bestehen überwiegend aus Wasserstoff. In Sternen werden aber auch, je nach Masse He, C, Fe und Ne gefunden. Für die genaue Verteilung der ersten 30 Elemente im Universum klicken Sie sie bitte das Bild in Mitte unten an:       Abb.1.4.6 Verteilung der Elemente im All Galaxie bitte Bild anklicken Sonne
In der Atmosphäre ist N das häufigste Element mit 78%, in der Erdkruste Sauerstoff, dann Silizium. Im Erdkern dominiert Eisen. Die genaue Verteilung der ersten 30 Elemente sehen siein Abb. 1.4.5 (bitte klicken): Die Verteilung von Elementen in der Erdatmosphäre, Lithosphäre und im Menschen ist nachfolgender Tabellen zu entnehmen: Zusammensetzung sauberer, trockener Luft an der Erdoberfläche Bestandteil Symbol Molmasse Volumen % Massen% Stickstoff Sauerstoff Argon Kohlenstoffdioxid Neon Helium Methan Krypton Stickoxide Wasserstoff Ozon N2 O2 Ar CO2 Ne He CH4 Kr N2O H2 O3 28 32 40 44 20 4 16 84 44 2 48 78.09 % 20.95 % 0.93 % 0,034 % 0,0018 % 0,00052 % 0,00029 % 0,00011 % 0,00005 % 0,00005 % 0,000001 % 75.5% 23.2 % 1.3 % 486 ppm 12 ppm 0.7 ppm 1.6 ppm 3.2 ppm 0.8 ppm 0.03 ppm 0.02 ppm Wasserdampf H2O 18 feuchte Luft: max. 4% - Quelle: Garrels, MacKenzie and Hunt: Chemical cycles. 1975; ppm = Teile pro Million Unsere Atmosphäre enthält im Gegensatz zu den Atmosphären der anderen Planeten unseres Sonnensystems hauptsächlich Stickstoff (78%), daneben 21% Sauerstoff. Die restlichen Komponenten sind nur zu 1% vorhanden, darunter das derzeit vielgescholtene CO2 mit 0,034%. Feuchte Luft kann maximal 4% Wasser aufnehmen. In vulkanischen Gasen findet man: 80 % H20, 10 % CO2, 7% H2S, 0,5 % H2, 0,5 % CO und CH4 + NH3 in Spuren. Beim Menschen und anderen Säugetieren machen die ersten 6 Elemente (H, O, C, N, Ca, P) fast 100% der Zusammensetzung aus. Dies ist ebenfalls bei Pflanzen so (siehe oben). Anteil Elemente in der Erdkruste und im Menschen Lithosphäre % Mensch % Sauerstoff 47 Wasserstoff 63 Silizium 28 Sauerstoff 25.5 Aluminium 7.9 Kohlenstoff 9.5 Eisen 4.5 Stickstoff 1.4 Calcium 3.5 Calcium 0.31 Natrium 2.5 Phosphor 0.22 Kalium 2.5 Chlor 0.03 Magnesium 2.2 Kalium 0.06 Titan 0.46 Schwefel 0.05 Wasserstoff 0.22 Natrium 0.03 Kohlenstoff 0.19 Magnesium 0.01 andere <0.1 andere <0.01 In der Erdkruste (= Lithosphäre) sind Sauerstoff und Silizium am meisten verbreitet. Das Silizium für die Computerchips wird also nicht ausgehen. Vergleicht man die unbelebte Welt, also Sonne, Sterne, Erde, Atmosphäre mit den Lebewesen, stellt man die Bedeutung des Kohlenstoffs in Organismen fest. Dieser liegt in Tieren, Pflanzen, Pilzen und Mikroorganismen vornehmlich in den organischen Stoffen Kohlenhydrate (Zucker), Fette und Proteine (= Eiweiße) vor. Dies gilt auch für die Nahrung (siehe Abb. 1.4.6). Der hauptsächliche Bestandteil der Organismen ist Wasser (H2O). Es ist interessant, auch mal die Zusammensetzung in wichtigen technischen Geräten anzuschauen, die die menschliche Zivilisation benutzt. In Glas z.B. sind folgende Komponenten je nach Glassorte vorhanden: SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, B2O3 und PbO in Bleikristall.		Abb.1.4.5 Verteilung der Elemente auf der Erde                                   Abb.1.4.6 Verteilung der Elemente in der Nahrung In Mineralwässern sind die Inhaltsstoffe auf der Flasche angegeben, vornehmlich, Na, Ca, K, Mg (als Ionen) und SO42-, Cl-, F-und HCO3- - Ionen.

In Computern, Monitoren und Platinen dominieren Aluminium, Eisen und Kupfer. Kunststoffe, die reich an C, H, 0 oder N sind werden für Gehäuse verwendet. Rechts unten ist eine Computerplatine abgebildet. Solche Bauelemente sind in jedem elektronischen Gerät zu finden wie z.B Handy, Hifi-Geräten, Mikrowelle, Herd, Waschmaschine, Telefon Fernseher usw. Die wichtigsten Elemente, die verwendet werden sind unten links zu sehen.		Abb.1.4.7 Verteilung der Elemente in PCs

Giftige Schwermetalle wie Blei (Pb), Cadmium (Cd) oder Quecksilber (Hg) werden in unterschiedlichen Mengen noch heute von der Industrie verwendet, z.B. Blei in Akkumulatoren und Lötzinn, Cd in Legierungen und Quecksilber in elektronischen Bauteilen und Zahnfüllungen. Demgegenüber sind Schwermetalle wie Eisen, Kupfer, Nickel oder Chrom meist als Spurenelemente essentiell (= lebensnotwendig) und alle Lebewesen hätten ohne sie Mangelerscheinungen. Zum Abschluß sollen noch vier moderne technische Geräte und ihre Zusammensetzung besprochen werden.

Abb.1.4.7 Elemente in CD-Laufwerken und Monitoren

CD-Rom-Laufwerke bestehen hauptsächlich Metallen und Kunststoffen. Das Gehäuse aus Fe-Blech, Frontblende und innere Teile des Wagens aus Kunststoff und dieTeile um die Laserdiode aus Aluminium. Als Laser wird ein Gallium-Arsenid-Laser verwendet (= GaAs). Ein moderner Monitor besteht aus der Bildröhre (Braunsche Röhre) aus Glas, der Elektronenkanone samt Cu-Ablenkspulen, dem Hochspannungsnetzteil aus Transformatorblech (Fe) und Kupferwicklungen und der Hauptplatine aus Kunststoffen samt der elektronischen Bauteile. Um das Ganze ist ein Gehäuse aus Kunststoff (C, H, O ).

Abb.1.4.8 Elemente in Festplatten und Lautsprechern

Moderne Festplatten bestehen im Wesentlichen aus Aluminium, sowohl das Gehäuse als auch die magnetisierbaren Platten. Der Actuator besteht aus Eisen, der Arm aus Aluminium, In den Datenkabeln sind Kupferleitungen, die Buchsen bestehen aus Kunststoff. Moderne Lautsprecher besitzen einen Dauermagneten, meist aus Ferrit ( 6Fe2O3. BO) oder ALNICO (Legierung von Aluminium, Nickel und Cobalt. Die neuesten Magnetmaterialien sind aus einer Neodymlegierung (NeFe B). Das Chassis ist aus Magnesium, die Schwingspule aus Kupfer oder Aluminium wie der Spulenträger, die Polplatten aus Eisen. Wie wir gesehen haben, spielt das Wissen um die Eigenschaften und Gewinnung der Elemente aus Rohstoffen in der Technik eine wichtige Rolle. In der Natur kommen die Elemente selten elementar vor: z.B. Stickstoff oder Sauerstoff in der Luft und Schwefel bei vulkanischen Eruptionen. Die meisten anderen kommen in Verbindungen vor. Schwefel an einer vulkanischen Erdspalte auf Island Gold Nuggets aus einer US-Mine Reinelemente oder anisotope Elemente sind solche, bei denen in der Natur nur eine einzige stabile Atomsorte vorkommt. Folgende Elemente kommen in der Natur isotopenrein vor: Beryllium, Fluor, Natrium, Aluminium, Phosphor, Scandium, Mangan, Cobalt, Arsen, Yttrium, Niob, Rhodium, Iod, Caesiums, Praseodym, Terbium, Holmium, Thulium, Gold, Wismut und die radioaktiven Elemente Radium, Thorium, Protactinium. Z. B. Aluminium (Al) mit der Elektronenkonfiguration 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1. Es wird aus Bauxit gewonnen (siehe links), das zu über 50% aus Al2O3 (Aluminiumoxid) besteht. In der Natur kommt nur das Al-Isotop 27Al vor. Elemente, die in der Natur als Gemisch aus zwei oder mehr Isotopen (isotope Nuklide) auftreten, die also aus Atomen mit unterschiedlicher Neutronenzahl bestehen, werden Mischelemente genannt. Die meisten Elemente sind Mischelemente. Von den vielen bekannten Kohlenstoffisotopen kommen mindestens 3 auch in der Natur vor: 12C (98,89%), 13C (1,11%) und 14C ( 0.00000000010%). (Abb. 1.4.12: Graphit.) Davon ist 14C instabil und strahlt mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren ß-Strahlen aus. Das 14C entsteht in der oberen Atmosphäre durch die Reaktion von Neutronen kosmischer Strahlung mit N2: 14N + n => 14C + p. Das 14C wird zu 14CO2 oxidiert. Das 14C-Isotop wird zur Altersbestimmung kohlenstoffhaltiger von Fossilien bis 75 000 Jahre benutzt. Pflanzen nehmen das 14CO2 auf, die Pflanzenfresser und Tierfresser dadurch ebenfalls. Das Verhältnis 14C/12C bei lebenden Organismen ist bekannt und konstant. Da bei einem toten Organismus keine Aufnahme mehr stattgefunden hat ist das 14C je nach Alter zerfallen. Diese Menge wird bestimmt und aus der Halbwertszeit das Alter berechnet (= Radiocarbonmethode). Das 13C als stabiles natürliches Isotop ist ebenfalls in bekanntem Verhältnis in den Organismen und dem CO2 der Atmosphäre enthalten. Es wird heute zur Analyse der Verteilung C-haltiger Materie in der Natur und in der Medizin zum Nachweis des Magenschleimhautentzündung hervorrufenden Magenbakteriums Helicobacter pylorii verwendet. Dabei wir dem Patienten 13C-Harnstoff verabreicht der vom Bakterium in 13CO2 und NH3 gespalten wird. 13CO2 diffundiert ins Blut, erreicht die Lunge und wird mit der Atemluft ausgeschieden. Ohne H. pylori-Aktivität wird der 13C-Harnstoff unverändert im Urin ausgeschieden.

Abb.1.4.9 Reinelemente Schwefel und Gold   Abb.1.4.10 Kohlenstoff als Diamant Abb.1.4.11 Reinelement Aluminium Abb.1.4.12 Mischelement Kohlenstoff

Weiterführende Quellen: Periodensystem: http://periodensystem.andyhoppe.com/ und http://www.trauner.at/service/DownloadsCh/perioden.pdf und http://www.mpcfaculty.net/ron_rinehart/periodic.htm Chemische Animationen: http://www.dartmouth.edu/~chemlab/info/resources/applets.html und http://www.edinformatics.com/il/il_chem.htm und http://lectureonline.cl.msu.edu/~mmp/applist/applets.htm und http://www.bpreid.com/samples.html Chemische Toolbox:http://www-sul.stanford.edu/depts/swain/colres/desk/toolbox.html und http://www.epcc.edu/Faculty/victors/tools.htm und http://www.ouc.bc.ca/chem/c_links/atomstr.html Iridium: http://hjs.geol.uib.no/marinegeology/chapter14-1.shtml C14-Methode: http://www.c14dating.com/int.html 13C in der Natur: http://www.aoe.fal.de/index.htm?page=/isotope.htm Aluminium: http://www.uniterra.de/rutherford/ele013.htm und http://www.mii.org/photoal.html und http://www.chemie-master.de/pdf/9-wpf4.html Test auf Helicobacter: http://www.viollier.ch/de/dienst/vigaro_32_95/32_95.htm Orbitale: http://www.orbitals.com/orb/orbtable.htm (Freeware: Orbital Viewer) und http://iff.physik.unibas.ch/~florian/HAtom/HAtom.html Atomarchiv: http://www.atomicarchive.com/main.shtml Interaktive Physik: http://www.lightlink.com/sergey/java/index.html