Periodensystem: Vorkommen der Elemente

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
galx - Periodensystem: Vorkommen der Elemente

vere1k - Periodensystem: Vorkommen der Elemente

sun1 - Periodensystem: Vorkommen der Elemente
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):

 

erde4 - Periodensystem: Vorkommen der Elemente

 

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
%
Sauerstoff47Wasserstoff63
Silizium28Sauerstoff25.5
Aluminium7.9Kohlenstoff9.5
Eisen4.5Stickstoff1.4
Calcium3.5Calcium0.31
Natrium2.5Phosphor0.22
Kalium2.5Chlor0.03
Magnesium2.2Kalium0.06
Titan0.46Schwefel0.05
Wasserstoff0.22Natrium0.03
Kohlenstoff0.19Magnesium0.01
andere<0.1andere<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
vere2k - Periodensystem: Vorkommen der Elemente

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb.1.4.6

Verteilung
der Elemente in der Nahrung
pizza - Periodensystem: Vorkommen der Elemente

sprudel - Periodensystem: Vorkommen der Elemente

In Mineralwässern
sind die Inhaltsstoffe auf der Flasche angegeben, vornehmlich,
Na, Ca, K, Mg (als Ionen) und SO42-,
Cl, F-und HCO3– Ionen.

 


elekt1 - Periodensystem: Vorkommen der Elemente
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
elektr2 - Periodensystem: Vorkommen der Elemente
ep-ni - Periodensystem: Vorkommen der Elemente

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
cd3 - Periodensystem: Vorkommen der Elementemonit1 - Periodensystem: Vorkommen der Elemente
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 GalliumArsenid-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
hdd1 - Periodensystem: Vorkommen der Elementelautsp - Periodensystem: Vorkommen der Elemente
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.

schwef1 - Periodensystem: Vorkommen der Elemente

Schwefel
an einer vulkanischen Erdspalte auf Island

nugget1 - Periodensystem: Vorkommen der Elemente

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:


12
C (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

diamant - Periodensystem: Vorkommen der Elemente

 


Abb.1.4.11

Reinelement
Aluminium
al - Periodensystem: Vorkommen der Elemente
bauxit - Periodensystem: Vorkommen der Elemente

 

 


Abb.1.4.12

Mischelement
Kohlenstoff
col - Periodensystem: Vorkommen der Elemente
graf - Periodensystem: Vorkommen der Elemente

 

 

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

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