Unsere Erde, die Wiege des Lebens oder besser gesagt, wie sie zu dieser wurde.
Fangen wir mit ein paar Grundlagen an. Das Periodensystem der Elemente (PSE) enthÀlt 118 bestÀtigte Elemente (Stand 2026).
Und nein, es gibt kein Bier Atom wie in einem bekannten Film erwÀhnt und nein, es gibt auch keinen Muskel der aus einer bekannten Bier Marke von selbst wÀchst. Und, da der amtierende US PrÀsident so gar nichts von Wissenschaft und Fakten hÀlt, lÀsst er sich vermutlich auch nicht als extrem instabiles und unberechenbares Element eintragen.
Ein Atom ist der kleinste Baustein aus dem Elemente bestehen. Ein Atom besteht im Kern aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen. In der HĂŒlle befinden sich negativ geladene Elektronen. Das PSE listet neutrale Elemente auf, die gleich viel positiv geladener Protonen und negativ geladener Elektronen enthalten. Ein Atom ist unvorstellbar klein und mit dem bloĂen Auge nicht sichtbar. Es wĂ€re, als wĂŒrde man auf einem Berg stehen und versuchen die Menschen im Tal mit dem bloĂen Auge zu identifizieren. Es gibt unterschiedliche Atommodelle auf die ich hier nicht im Detail eingehe, da man sie momentan zum grundlegenden VerstĂ€ndnis nicht braucht. Nur so viel vorweg, die Elektronen sind in Orbitalen angeordnet und befinden sich an keinem fixen Platz Aufgrund des Welle-Teichen-Dualismus ist es uns nicht möglich den Exakten Aufenthaltsort korrekt zu messen.
Ich habe in den Kapiteln âUrknallâ und âSonne, Erde und Mondâ und deren Entstehung auf leichte, schwerere und schwere Elemente hingewiesen ohne nĂ€her darauf ein zu gehen.
Wie unterscheiden sich nun Atome von Elementen?
Ganz einfach, durch die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern. Das PSE ist von links oben nach rechts unten aufgebaut und durch die Ordnungszahl, die gleichzeitig die Anzahl der Protonen im Kern reprĂ€sentiert im jeweiligen Elementsymbol durchnummeriert. Diese Nummerierung basiert auch auf den relativen Atommasse angegeben in U (Unit). 1 U entspricht einem Zwölftel eines Kohlenstoff 12 Atoms. Die Kommazahlen im PSE kommen daher, weil fĂŒr die Berechnung alle auf der Erde vorhandenen Elemente und Isotope herangezogen werden. Von links nach rechts erfolgt die Einteilung in die 8 Hauptgruppen die wir spĂ€ter noch brauchen.
Da Elemente elektrisch ungeladen sind, entspricht die Ordnungszahl der Anzahl an positiven Protonen im Kern sowie der Anzahl negativer Elektronen in den Orbitalen.
Wenn wir nun von der relativen Atommasse U (kaufmÀnnisch auf die nÀchste ganze Zahl gerundet) die Anzahl der Protonen (also die Ordnungszahl) abziehen, erhalten wir die Anzahl der Neutronen im Kern.
Aber, wir könnten doch statt der Protonen auch die Elektronen verwenden, da diese gleich sein mĂŒssen?
Nein, die Anzahl der Protonen verÀndert sich nicht und, wenn sie sich verÀndert haben wir ein anderes Element. Die Anzahl der Elektronen kann sich durch Ionenbindung (wichtig in der Chemie und Biologie) jederzeit Àndern.
Kationen und Anionen.
Kommt einem Element ein Elektron abhanden ist es positiv geladen und wird Kation genannt. In dem Fall sind mehr positiv geladene Protonen im Kern. Findet ein Element ein Elektron ist es negativ geladen und wird Anion genannt, weil die negativ geladenen Elektronen ĂŒberwiegen.
Als Orientierung, ich hatte vorhin die 8 Hauptgruppen erwĂ€hnt. Diese reprĂ€sentieren die in der Chemie und Biologie relevanten Valenzelektronen im Ă€uĂersten Orbital. Dadurch sind Bindungen zwischen unterschiedlichen Elementen und die Entstehung von Verbindungen möglich.
Als weitere Orientierung, die Elemente der Hauptgruppe 1, 2, 3 sind bereit deren Elektronen abzugeben, die Elemente der Hauptgruppe 4, 5, 6 benötigen da schon mehr Motivation. Die Elemente der Hauptgruppe 7 sind extrem reaktiv und unberechenbar. Die Elemente der Hauptgruppe 8 haben da so wirklich keine Lust darauf etwas abzugeben. Das Verhalten basiert nicht auf deren Launen sondern darauf, wie viel Energie aufgewendet werden muss um den Optimalzustand eines vollen Ă€uĂersten Orbitals zu erreichen. WĂŒrde man mich fragen, ich wĂŒrde das so beschreiben. Die Hauptgruppen 1, 2, 3 entsprechen der Generation Woodstock mit freier Liebe und so, Veganern, Klimaaktivisten und Haustierbesitzern, sich zu verĂ€ndern und Dinge abzugeben. Die Hauptgruppen 4, 5, 6 entsprechen der christlich-sozialdemokratischen Mitte, Gott oder die Andern wird das schon machen bzw. komm, mach du das du kannst das viel besser als ich. Die Hauptgruppe 7 sind die zur Seite Treter, die die im Hinterzimmer unter Freunden verhandeln und SMS löschen. Die Hauptgruppe 8 entspricht den Bauern, den Nutztierhaltern, dem Tourismus, mit voller Fahrt auf den Abgrund zu und bloĂ nichts Ă€ndern. Nur, warum fragt mich niemand...
Isotope.
Sie gleichen den Elementen haben aber unterschiedlich viele Neutronen im Kern. Beispielsweise Kohlenstoff C6. Ordnungszahl 6, Atommasse 12 also ein stabiles Element. Es gibt aber auch Kohlenstoff mit einer relativen Atommasse von 14. Dieser ist instabil, radioaktiv und wird fĂŒr die Radio-Karbon Datierung verwendet.
RadioaktivitÀt.
Entsteht wenn der Atomkern zu groĂ ist oder, das VerhĂ€ltnis zwischen Protonen und Neutronen zu groĂ ist. Dabei zerfĂ€llt der Kern und wandelt sich in ein anderes Element um oder, ein Neutron verwandelt sich in ein Proton. Das Resultat ist immer, dass das Element zerfĂ€llt und Alpha, Beta oder Gamma Strahlung als Energie abgibt. Als Orientierung und, da es keine fixen Werte gibt, bei den Elementen 1-20 ist das VerhĂ€ltnis fast immer 1:1, bei Element 21-82 ist das VerhĂ€ltnis 1:1,5. Alles ab Element 83 ist generell radioaktiv weil der Kern so groĂ ist, dass die AbstoĂung der Protonen zu groĂ ist. Die Neutronen, die als Puffer fĂŒr den Ausgleich benötigt werden fehlen.
In der Nuklearmedizin (PET-Scan oder Szintigraphie) werden leicht radioaktive Isotope (Technetium oder Fluor-18) verwendet um Organfunktonen zu ĂŒberprĂŒfen oder um mit Fludeoxyglucose (FDG) nach metastasierten Krebszellen zu suchen. Dies ist fĂŒr gesunde Menschen ungefĂ€hrlich.
In der Atomkraft wird Uran U238 gesiebt um an das seltene in der Natur vorhandene U235 zu kommen (Stichwort Zentrifugen und StuxNet). Uran oder Plutonium wird in Atomreaktoren durch Neutronenbeschuss gespalten, dadurch wird Energie frei. Diese erhitzt das Wasser im Becken mit den BrennstÀben und treibt am Ende eine Dampfturbine an. Um die Reaktion kontrollieren zu können, befinden sich zwischen den BrennstÀben KontrollstÀbe aus Bor. Wer einmal durch einen echten ungefÀhrlichen Kernreaktor spazieren möchte, in Zwentendorf in Niederösterreich steht ein Atomkraftwerk, dass fertig gebaut wurde aber nie in Betrieb ging.
Das Problem, auch wenn die EU Taxanomie Atomkraft als grĂŒn einstuft, benötigen Atomkraftwerke fĂŒr den 2 unabhĂ€ngigen KĂŒhlkreislauf Wasser das oft aus FlĂŒssen stammt die aufgrund des Klimawandels mittlerweile schlicht zu warm sind. Und, wenn die BrennstĂ€be ausgedient haben, mĂŒssen sie in geologisch sicheren LagerstĂ€tten mehrere Zehntausend Jahre (da kann man durchaus 200 000 Jahre annehmen bis ein natĂŒrlicher Strahlungswert erreicht ist) aufbewahrt werden um ungefĂ€hrlicher zu werden.
Wasser.
Wer schon einmal einen Blick in das PSE geworfen hat, wird merken, dass es kein Element Wasser gibt. Wer kein PSE zur Hand hat: Unter Linux gibt es das Open-Source-Programm Kalzium, das ein interaktives PSE zur VerfĂŒgung stellt.
Wasser, auch bekannt als H2O, besteht aus Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O). Die kleine 2 hinter dem H bedeutet, dass es zwei H-Elemente (in der Chemie sagt man Atome) sind, die an einem Sauerstoff-Atom hÀngen.
Und schon sind wir in der tiefsten Chemie angekommen. Wir erinnern uns (oder auch nicht): H hat die Ordnungszahl 1 und O hat die Ordnungszahl 8. H steht in der 1. Hauptgruppe und hat 1 Valenzelektron. O steht in der 6. Hauptgruppe und hat daher 6 Valenzelektronen.
Kurzer Exkurs: Ja, Sauerstoff hat insgesamt 8 Elektronen, da es auch 8 Protonen hat. Da ich hier aber keine Elektronenkonfiguration herleiten, sondern nur die Bindung beschreiben will, beschrÀnke ich mich auf die Hauptgruppen und somit auf die Valenzelektronen. Wer es dennoch gerne genau sehen möchte, bitte sehr: [He] 2s2 2p4
Jedes Element strebt die sogenannte Edelgaskonfiguration â also ein volles Ă€uĂeres Orbital â an. Dem Sauerstoff fehlen dazu genau 2 Elektronen. Die zwei Atome Wasserstoff haben je eines im Angebot. Aber aufgepasst: Hier werden keine Elektronen dauerhaft verschenkt wie bei den Ionen (Kationen/Anionen). Alle Elemente behalten ihre Teilchen, sie borgen sie sich quasi nur gegenseitig aus. Man nennt das eine Elektronenpaarbindung.
| •• | ||
| H •• | O | •• H |
| •• |
Auch wenn Wasser in LehrbĂŒchern oft in einer geraden Linie dargestellt wird, ist es in Wirklichkeit gewinkelt. Sauerstoff sitzt immer in der Mitte, und der Bindungswinkel zu den beiden Wasserstoff-Atomen betrĂ€gt exakt 104,5 Grad. Wie diese Geometrie zustande kommt, erfordert tiefes orbitales Chemiewissen, das an dieser Stelle zu weit fĂŒhren wĂŒrde. AuĂerdem stöĂt reines HTML fĂŒr die rĂ€umliche Darstellung hier an seine Grenzen. Was uns aber die perfekte Ăberleitung zu modernen Programmiersprachen wie Julia und interaktiven Notebooks wie Pluto.jl liefert, mit denen man solche MolekĂŒle wunderbar dreidimensional rotieren lassen kann.
Warum reite ich so auf diesem Winkel von 104,5 Grad herum? Weil dieser Knick die Welt rettet â und uns gleichzeitig zum VerhĂ€ngnis wird. Der Sauerstoff ist ein gieriger Elektronenzieher (er hat eine hohe ElektronegativitĂ€t). Er zieht die geliehenen Elektronen der beiden Wasserstoff-Atome stark zu sich heran. Weil das MolekĂŒl geknickt ist, entsteht eine ungleiche Ladungsverteilung: Der Sauerstoff wird leicht negativ, die Wasserstoff-Ohren werden leicht positiv. Wasser ist ein Dipol â ein winziger, magnetischer Baustein.
Weil sich Plus und Minus anziehen, verketten sich die WassermolekĂŒle untereinander (WasserstoffbrĂŒckenbindung). Das ist der Grund, warum Wasser bei Zimmertemperatur flĂŒssig ist und nicht als Gas ins All verpufft. Und weil Wasser ein Dipol ist, ist es das absolut genialste Lösungsmittel der Natur. Es löst Salze, NĂ€hrstoffe und Mineralien und transportiert sie in unsere Zellen. Es ist die wortwörtliche Quelle des Lebens.
Doch genau hier schlieĂt sich der Kreis zu unserer kosmischen Uhr â und zwar von hinten aufgerollt:
Die Kehrseite der Medaille: Weil Wasser durch seine molekulare Struktur fast alles gierig auflöst und anzieht, ist es extrem leicht zu verschmutzen. Alles, was wir in die Umwelt kippen â von industriellen Schwermetallen ĂŒber Mikroplastik bis hin zu landwirtschaftlichen Nitraten â, verbindet sich wunderbar mit diesem Dipol-MolekĂŒl. Wenn wir auf unserer kosmischen Uhr das Jahr 2100 betrachten, in dem das nutzbare SĂŒĂwasser dramatisch knapp wird, liegt das nicht daran, dass das H2O magisch aus der AtmosphĂ€re verschwindet. Die Atome sind alle noch da. Aber sie sind durch den steigenden Meeresspiegel mit Salz (NaCl) versetzt oder durch menschliche Ignoranz so grĂŒndlich mit Schadstoffen âgesĂ€ttigtâ, dass der biologische Filter kollabiert. Wir verdursten vor vollen Bechern, weil wir die physikalischen ReinigungskrĂ€fte des Wassers ĂŒberfordert haben.