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Chemisches Element: Definition, Isotope und PSE
Ein chemisches Element wird durch die Protonenzahl seiner Atome bestimmt. Alle Atome eines Elements haben gleich viele Protonen. Ein elementarer Reinstoff lässt sich durch chemische Verfahren nicht in andere Stoffe zerlegen.
Auf dieser Seite lernst du, Elemente an Atombau und Schreibweise zu erkennen, von Verbindungen zu unterscheiden und Isotope richtig einzuordnen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was macht ein Element aus?
Stell dir einen Eisennagel und einen Tropfen Wasser vor. Eisen ist ein Element. Wasser ist dagegen eine Verbindung aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff.
Chemisches Element
Ein chemisches Element umfasst alle Atome mit derselben Protonenzahl. Ein Reinstoff, der nur aus Atomen eines Elements besteht, lässt sich chemisch nicht in andere Stoffe zerlegen.
Die kleinste Einheit, die noch zu einem bestimmten Element gehört, ist ein Atom. In seinem Kern befinden sich positiv geladene Protonen. Ihre Anzahl legt eindeutig fest, um welches Element es sich handelt.
Jedes Sauerstoffatom besitzt acht Protonen. Deshalb gehören alle Atome mit acht Protonen zum Element Sauerstoff – unabhängig davon, wie viele Neutronen sie enthalten.
Die Protonenzahl ist der unverwechselbare „Ausweis“ eines Elements. Ändert sich die Protonenzahl, handelt es sich um ein anderes Element.
Wie liest du Ordnungszahl und Elementsymbol?
Jedes Element besitzt eine Ordnungszahl und ein Elementsymbol. Die Ordnungszahl ist gleich der Protonenzahl.
Ordnungszahl
Die Ordnungszahl gibt an, wie viele Protonen ein Atom des Elements im Kern besitzt. Sie bestimmt den Platz des Elements im Periodensystem.
Sauerstoff hat die Ordnungszahl 8 und das Symbol $\text{O}$. Ein Sauerstoffatom besitzt daher acht Protonen. Uran hat die Ordnungszahl 92 und das Symbol $\text{U}$; ein Uranatom besitzt 92 Protonen.
Ein Elementsymbol beginnt immer mit einem Großbuchstaben. Falls es einen zweiten Buchstaben gibt, wird dieser kleingeschrieben:
- $\text{H}$ steht für Wasserstoff.
- $\text{He}$ steht für Helium.
- $\text{C}$ steht für Kohlenstoff.
- $\text{Co}$ steht für Cobalt.
- $\text{Fe}$ steht für Eisen; das Symbol geht auf den historischen Namen Ferrum zurück.
Groß- und Kleinschreibung sind bedeutsam: $\text{C}$ bezeichnet Kohlenstoff, $\text{Co}$ dagegen Cobalt.
Wann ist ein Stoff ein Element oder eine Verbindung?
Ein Stoff kann aus einzelnen Atomen oder aus miteinander verbundenen Atomen bestehen. Entscheidend für die Einordnung ist, wie viele verschiedene Elemente beteiligt sind.
- Ein elementarer Stoff enthält nur Atome eines Elements.
- Eine chemische Verbindung enthält Atome aus mindestens zwei verschiedenen Elementen.
Die tiefgestellte Zahl in einer Formel zählt Atome. In $\text{O}_2$ bedeutet die 2: Ein Teilchen enthält zwei Sauerstoffatome. Beide Atome gehören zum selben Element. Sauerstoff ist deshalb trotz der Zweiergruppe keine Verbindung aus verschiedenen Elementen.
Vergleiche drei Formeln:
- $\text{O}_2$: zwei Sauerstoffatome, aber nur ein Element – elementarer Stoff.
- $\text{H}_2\text{O}$: zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom – Verbindung aus zwei Elementen.
- $\text{CO}_2$: ein Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatome – Verbindung aus zwei Elementen.
Die Anzahl der Atome und die Anzahl der beteiligten Elemente sind also nicht dasselbe.
Bei $\text{NaCl}$ stehen die Symbole für Natrium und Chlor. Die Formel beschreibt ein Zahlenverhältnis von 1 zu 1. Auch hier sind zwei Elemente beteiligt, also handelt es sich um eine Verbindung.
Eine tiefgestellte Zahl macht aus einem elementaren Stoff nicht automatisch eine Verbindung. Prüfe zuerst, wie viele verschiedene Elementsymbole in der Formel vorkommen.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
$\text{Cl}_2$ enthält zwei Atome des Elements. $\text{H}_2\text{O}$ enthält verschiedene Elemente. Das Elementsymbol für Eisen lautet .
Wie unterscheiden sich Isotope?
Atome desselben Elements müssen dieselbe Protonenzahl besitzen. Ihre Neutronenzahl kann jedoch unterschiedlich sein.
Isotop
Isotope sind Atome desselben Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl.
Eine durch ihre Protonen- und Neutronenzahl eindeutig bestimmte Atomart heißt Nuklid. Ein Nuklid lässt sich in der Form
$${}^{A}_{Z}\mathrm{X}$$
schreiben. Dabei gilt:
- $\text{X}$ ist das Elementsymbol.
- $Z$ ist die Ordnungszahl und damit die Protonenzahl.
- $A$ ist die Massenzahl, also Protonenzahl plus Neutronenzahl.
- Die Neutronenzahl berechnest du mit $A-Z$.
Für Kohlenstoff-12 gilt:
$${}^{12}_{6}\mathrm{C}$$
Die untere Zahl 6 nennt die Protonenzahl. Die Neutronenzahl beträgt $12-6=6$. Kohlenstoff-12 besitzt also sechs Protonen und sechs Neutronen.
Bei Wasserstoff-2 gilt entsprechend $2-1=1$: Das Atom besitzt ein Proton und ein Neutron.
Aufgabe zu einem Uranisotop
Bestimme Protonen- und Neutronenzahl von ${}^{238}_{92}\mathrm{U}$.
Lösung zum Uranisotop
Die Ordnungszahl 92 gibt direkt die Protonenzahl an. Für die Neutronen ziehst du die Protonenzahl von der Massenzahl ab:
$$238-92=146$$
Das Uranisotop besitzt daher 92 Protonen und 146 Neutronen. Die Probe stimmt: $92+146=238$.
Warum ist die Atommasse oft keine ganze Zahl?
Viele natürlich vorkommende Elemente enthalten mehrere Isotope. Ein solches Element heißt Mischelement. Kommt ein Element natürlich nur mit einem Isotop vor, nennt man es Reinelement.
Im Periodensystem steht bei einem Mischelement eine mittlere Atommasse. Sie berücksichtigt sowohl die Massen der Isotope als auch ihre jeweiligen Anteile. Deshalb ist der Wert häufig nicht ganzzahlig.
Ein vereinfachtes Bormodell enthält zu 80 % Atome mit der Masse $11\,\mathrm{u}$ und zu 20 % Atome mit der Masse $10\,\mathrm{u}$. Die atomare Masseneinheit heißt $\text{u}$.
Zuerst werden die Prozentangaben als Anteile geschrieben: 80 % sind 0,8 und 20 % sind 0,2.
$$0{,}8\cdot 11\,\mathrm{u}+0{,}2\cdot 10\,\mathrm{u}=10{,}8\,\mathrm{u}$$
Der größere Anteil des schwereren Isotops zieht den Mittelwert näher an $11\,\mathrm{u}$ als an $10\,\mathrm{u}$. Das Ergebnis $10{,}8\,\mathrm{u}$ ist deshalb plausibel.
Bei einem Isotop ist die Massenzahl eine ganze Anzahl von Protonen und Neutronen. Die im Periodensystem angegebene mittlere Atommasse eines Isotopengemischs kann dagegen eine Dezimalzahl sein.
Wie ordnet das Periodensystem die Elemente?
Im Periodensystem der Elemente, kurz PSE, sind die 118 nachgewiesenen Elemente nach steigender Ordnungszahl angeordnet.
- Die waagerechten Zeilen heißen Perioden.
- Die senkrechten Spalten heißen Gruppen.
- Elemente derselben Gruppe besitzen häufig ähnliche chemische Eigenschaften.
- Grob lassen sich Metalle, Nichtmetalle und Halbmetalle unterscheiden.
Wasserstoff steht mit Ordnungszahl 1 am Anfang. Danach folgen Helium mit 2, Lithium mit 3 und Beryllium mit 4. Die Reihenfolge richtet sich nach der Protonenzahl, nicht nach Namen oder Atommasse.
Die Ordnungszahl verbindet damit zwei Ebenen: Sie beschreibt den Atomkern und legt zugleich den Platz des Elements im PSE fest. Gruppen und Perioden helfen anschließend dabei, Elemente zu vergleichen. Detaillierte Vorhersagen zu Außenelektronen, Ionenladungen und Reaktivität benötigen zusätzliche Regeln.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Chemisches Element
- Identität: Protonenzahl und Ordnungszahl
- Schreibweise: Elementsymbol
- Stoffebene: elementarer Stoff oder Verbindung
- Kernvarianten: Isotope mit verschiedener Neutronenzahl
- Masse: gewichteter Mittelwert bei Isotopengemischen
- Ordnung: Perioden und Gruppen im PSE
Abschluss-Check
Wenn du die Protonenzahl als Ausgangspunkt nutzt, kannst du Elementidentität, Ordnungszahl, Isotope und PSE-Platz sicher miteinander verbinden.