kurzlehrbuch chemie

Auf einen Blick

1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung

2 Chemische Reaktionen und chemisches Gleichgewicht 35

1

853 Grundlagen der organischen Chemie

4 Stoffklassen der organischen Chemie 123

5 Chemie wichtiger Naturstoffklassen 163

6 Anhang 197

Aus Boeck, G..: Kurzlehrbuch Chemie (ISBN 9783131355225) Georg Thieme Verlag KG 2008 Dieses Dokument ist nur fr den persnlichen Gebrauch bestimmt und darf in keiner Form an Dritte weitergegeben werden!

Kurzlehrbuch

Chemie

Gisela Boeck

2., berarbeitete Auflage

146 Abbildungen 67 Tabellen

Georg Thieme Verlag Stuttgart New York


putterStempel

Dr. rer. nat Gisela Boeck Institut fr Chemie an der

Wie jede Wissenschaft ist die Medizin :Wichtiger Hinweis stndigen Entwicklungen unterworfen. Forschung und klini-

Universitt Rostock sche Erfahrung erweitern unsere Erkenntnisse, insbesondere Albert-Einstein-Str. 3a was Behandlung und medikamentse Therapie anbelangt. 18059 Rostock Soweit in diesem Werk eine Dosierung oder eine Applikation

erwhnt wird, darf der Leser zwar darauf vertrauen, dass Grafiken: Ruth Hammelehle, Kirchheim; Autoren, Herausgeber und Verlag groe Sorgfalt darauf ver-Wolfgang Zettlmeier, Barbing wandt haben, dass diese Angabe dem Wissensstand bei

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31. Auflage 200

2003, 2008 Georg Thieme Verlag KG 4e 1adigerstrR

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V

Vorwort zur 2. Auflage Viele angehende Medizinerinnen und Mediziner ha-ben sich erfolgreich mit dem Kurzlehrbuch durch die Chemie hindurchgearbeitet und die Hrde des ersten Abschnitts der rztlichen Prfung genommen. In-zwischen ist die Zeit reif fr eine neue Auflage. Da sich seit der ersten Auflage keine nderungen im Hinblick auf den Gegenstandskatalog Chemie/Bio-chemie ergeben haben, wurden in dieser Auflage die inhaltliche Struktur und die didaktische Gestal-tung beibehalten. Hingegen wurden einige Stolper-steine und Fehler ausgemerzt. Fr entsprechende konstruktive Hinweise bin ich insbesondere meinen Studentinnen und Studenten, aber auch Kolleginnen und Kollegen zu Dank verpflichtet. Frau PD Dr. B.

Tiefenbach (Institut fr Toxikologie und Pharmako-logie der Universitt Rostock) hat mir zahlreiche In-formationen zu berarbeitung der klinischen Bezge zur Verfgung gestellt, auch dafr mein herzlicher Dank. Mge diese zweite Auflage, die in bewhrter Zusam-menarbeit mit dem Georg Thieme Verlag entstand, die Chemie verstndlich und begreifbar machen, denn zur Medizin gehrt heute ein gutes naturwis-senschaftliches Fundament.

Gisela Boeck

Rostock, im Juli 2008


http:dieZeitreiffreineneueAuflage.Dahttp:genommen.In

VI

Vorwort zur 1. Auflage Der Mensch das ist komplexe, angewandte Chemie. Chemische Vorgnge laufen in jeder Zelle ab. Es gibt keinen Bereich unseres Lebens, der ohne Chemie funktioniert, auch wenn Ihnen das gar nicht bewusst ist. Selbst zum Lernen brauchen Sie Chemie: So ber-trgt z. B. Stickstoffmonoxid in den Spalten zwischen den Nervenzellen Signale, die wir fr Lernprozesse bentigen. Mit der Umsetzung der neuen Approbationsordnung fr rzte wird sich der Stundenanteil der Chemie-ausbildung im vorklinischen Abschnitt deutlich re-duzieren. Das bedeutet aber nicht, dass das Niveau der Chemiefragen in der rztlichen Vorprfung sin-ken wird. Auch die zu bestehenden Klausuren und Testate werden nicht leichter werden. Andererseits ist das aus der Schule mitgebrachte naturwissen-schaftliche Fundament angehender Medizinerinnen und Mediziner oft nicht ausreichend gefestigt. Etwa 40% von Ihnen hatten in der 10. bzw. 11. Klasse letzt-malig Chemieunterricht. Dadurch sind zwar meist noch Kenntnisse in der Allgemeinen Chemie vorhan-den, in der organischen Chemie ist das Vorwissen jedoch oft deutlich geringer. Wir wissen aber auch, dass die Mehrheit von Ihnen der Ansicht ist, dass chemische Kenntnisse fr das Medizinstudium ntz-lich sind und diese in der rztlichen Praxis bentigt werden. Das bedeutet fr Sie als Studierende, sich in krzester Zeit in ein naturwissenschaftliches Fach hineinzudenken, sich umfangreiches chemisches Wissen anzueignen, das man nicht auswendig lernen kann, sondern verstehen und sich im Chemischen Praktikum auch experimentell erschlieen muss. Das vorliegende Buch kann und soll das exponenziell gewachsene Wissen zur Chemie nicht vollstndig wiedergeben. Der Inhalt orientiert sich an der 4. Auf-

lage des Gegenstandskatalogs fr den schriftlichen Teil der rztlichen Vorprfung (2001). Mit dem vorliegenden Buch wollen wir Ihnen eine Hilfe in die Hand geben, das in der Vorlesung Gehrte nachzulesen, zu festigen und anzuwenden. An eini-gen Stellen wurden didaktische Vereinfachungen vorgenommen, um Sachverhalte verstndlich darzu-stellen. Die Lerncoaches und Check-ups am Anfang und Ende der Kapitel sollen Ihnen als roter Faden durch die Stoffflle dienen. In den Kapiteln zur orga-nischen Chemie stellenwir Ihnen viele Verbindungen vor. Vielleicht wird Sie die groe Anzahl von Formeln zu Beginn verunsichern, aber wir hoffen, dass kon-krete Beispiele Ihnen das Verstndnis der zweifels-ohne komplizierten Zusammenhnge erleichtern. Schlielich sollen Ihnen die klinischen Bezge zei-gen, dass wir die Chemie nicht zum Selbstzweck be-treiben, sondern Grundlagen fr die Biochemie, Phy-siologie, Pharmakologie und die Klinische Chemie schaffen. Viele haben bei der Entstehung dieses Buches mitge-wirkt, ihnen allen sei fr ihr Verstndnis, fr die hilfreichen Diskussionen und Anregungen gedankt. Besonders mchte ich mich bei Herrn Prof. Dr. Chris-tian Vogel bedanken, der mir nicht nur ein sehr hilf-reicher Kritiker war, sondern mir auch die Mglich-keit schuf, selbst umfangreiche Erfahrungen in der Lehre zu sammeln. Weiterhin bedanke ich mich bei Frau Dr. Eva-Cathrin Schulz und Frau Dr. Christina Schneborn vom Georg Thieme Verlag fr die gute Zusammenarbeit, sie ha-ben mir stets mit Rat und Tat zur Seite gestanden.

Gisela Boeck

Rostock, Juni 2003


VII

Inhalt

1 Allgemeine Grundlagen und 2 Chemische Reaktionen und chemische Bindung

1.1 Die Einteilung der Materie1.1.1 Elemente, Verbindungen und Stoffe 3 Reaktionen 37

3

3 2.1 Die Stchiometrie chemischer

chemisches Gleichgewicht 37

2.1.1 Der berblick 73 1.2 Der Atombau 7 2.1.2 Die grundlegenden Gesetze fr 1.2.1 Die atomaren Dimensionen 7 chemische Reaktionen 37 1.2.2 Die Avogadro-Zahl und die Stoffmenge 7 2.1.3 Die chemische Gleichung 37 1.2.3 Die Atombausteine 7 2.1.4 Die Gehalts- und Konzentrationsgren 39 1.2.4 Die moderne Elementdefinition 8 1.2.5 Die Radioisotope 9 2.2 Die Thermodynamik chemischer

Reaktionen 40 1.3 Die Elektronenhlle 11 2.2.1 Der berblick 04 1.3.1 Vorbemerkung 21 2.2.2 Abgeschlossene, geschlossene und 1.3.2 Das Bohr'sche Atommodell 12 offene Systeme 14 1.3.3 Das wellenmechanische Atommodell 12 2.2.3 Die innere Energie und die Enthalpie 41

2.2.4 Der freiwillige Ablauf von Reaktionen 43 1.4 Das Periodensystem der Elemente 2.2.5 Das thermodynamische Gleichgewicht 44

(PSE) 16 1.4.1 Die Einteilung im Periodensystem 61 2.3 Die Kinetik chemischer Reaktionen 48 1.4.2 Die Periodizitt der Eigenschaften 16 2.3.1 Der berblick 84 1.4.3 Kurzinformationen zu wichtigen Gruppen 2.3.2 Die Reaktionsgeschwindigkeit 84

mit ihren Elementen 71 2.3.3 Die Katalyse 15

1.5 Die chemische Bindung 23 2.4 Die Lsungen und Elektrolyte 54 1.5.1 Der berblick 32 2.4.1 Der berblick 45 1.5.2 Die Oktettregel 23 2.4.2 Die Einteilung der Elektrolyte 54 1.5.3 Die metallische Bindung 23 2.4.3 Die Lslichkeit und das 1.5.4 Die Ionenbindung 23 Lslichkeitsprodukt 55 1.5.51.5.6 Die koordinative Bindung 13 2.5 Die Suren und Basen 57

6Die kovalente Bindung (= Atombindung) 2

1.5.7 Die Wasserstoffbrckenbindungen 13 2.5.1 Der berblick 75 75 75 85

1.5.8 Die Van-der-Waals-Wechselwirkungen 32 2.5.2 Die Einfhrung1.5.9 Die hydrophoben Wechselwirkungen 32 2.5.3 Der pH-Wert1.5.10 Zusammenfassung 32 2.5.4 Die Sure-Base-Theorie von Brnsted

2.5.5 Die Sure-Base-Theorie von Lewis 59 2.5.6 Die Autoprotolyse des Wassers 95 2.5.7 Die Suren- und Basenstrke 95 2.5.8 Die Neutralisation 61 2.5.9 Die Messung des pH-Wertes 62 2.5.10 Die Sure-Base-Titrationen 62 2.5.11 Die Puffer 46


VIII Inhalt

2.6 Die Komplexbildung 66 3.3.3 Die Konstitutionsisomerie 010 2.6.1 Der berblick 66 3.3.4 Die Stereoisomerie 110 2.6.2 Die Nomenklatur 67 2.6.3 Die Gleichgewichtskonstante von 3.4 Die Strukturaufklrung organischer

Komplexbildungsreaktionen 76 Verbindungen3.4.1 Die Reindarstellung einer Substanz

211 211

2.7 Die Oxidation und die Reduktion 69 3.4.2 Die Charakterisierung der reinen 2.7.1 Der berblick 96 Substanz 411 2.7.2 Die Theorie von Oxidation und Reduktion 69 2.7.3 Die quantitative Beschreibung von 3.5 Die Reaktionstypen organischer

Redoxvorgngen 27 Verbindungen 611 3.5.1 -Die Systematisierung organisch

2.8 Die heterogenen Gleichgewichte 77 chemischer Reaktionen 116 2.8.1 Der berblick 77 3.5.2 Die Reaktionstypen 811 2.8.2 Die Einteilung 77 2.8.3 Die Lslichkeit eines Feststoffes 87 2.8.4 Die Verteilung einer Substanz zwischen 4 Stoffklassen der

zwei Flssigkeiten2.8.5 Die Lslichkeit eines Gases in einer

87 organischen Chemie 512

Flssigkeit 97 4.1 Die Kohlenwasserstoffe 512 2.8.6 Die Adsorption 79 4.1.1 Der berblick 125 2.8.7 Gleichgewichte an Membranen 08 4.1.2 Die gesttigten Kohlenwasserstoffe 125

4.1.3 Die ungesttigten Kohlenwasser-stoffe

3 Grundlagen der 4.1.4 Die aromatischen Kohlenwasserstoffe 712

organischen Chemie 87 (Arene) 130 4.1.5 Die Halogenkohlenwasserstoffe 131

3.1 Die Bindungsverhltnisse am Kohlenstoffatom 87 4.2 Die Alkohole, die Phenole und

3.1.1 Der berblick 78 die Ether 213 3.1.2 Die Eigenschaften des Elements 4.2.1 Der berblick 132

Kohlenstoff 78 4.2.2 Die Alkohole 213 3.1.3 Das Hybridisierungsmodell 87 4.2.3 Die Phenole 136

88-Bindung r s- und der3.1.4 Das Modell de 4.2.4 Die Ether 137 3.1.5 Die konjugierten Doppelbindungen 09

4.3 Die Thiole und die Thioether 813 3.2 Die Einteilung und die Nomenklatur 4.3.1 Der berblick 138

organischer Verbindungen 92 4.3.2 Die Thiole 813 3.2.1 Der berblick 29 4.3.3 Die Thioether 140 3.2.2 Die Klassifizierung organischer

Verbindungen 93 4.4 Die Amine 114 3.2.3 Die Strukturdarstellung 93 4.4.1 Die Einteilung 114 3.2.4 Die Nomenklatur 79 4.4.2 Die physikalischen Eigenschaften 141

4.4.3 Die chemischen Reaktionen3.3 Die Stereochemie organischer

114

Verbindungen 010 4.5 Die Aldehyde und die Ketone 414 3.3.1 Der berblick 100 4.5.1 Der berblick 144 3.3.2 Die Isomerie 100 4.5.2 Die Einteilung 414


Inhalt IX

4.5.3 Die physikalischen Eigenschaften 414 5.3 Die Lipide 518 5.3.1 Der berblick 4.5.4 Die chemischen Reaktionen 414 185 5.3.2 Die Klassifizierung

4.6 Die Carbonsuren und deren 5.3.3 Die Fettsuren und Fette618 618

Derivate 015 5.3.4 Die Wachse 818 4.6.1 Der berblick 150 5.3.5 8Die Phospholipide und die Sphingolipide18 4.6.2 Die Eigenschaften der Carbonsuren4.6.3 Die Carbonsurederivate

015 415

5.3.6 Die Isoprenoide 190

5.4 Die Nukleinsuren 219 4.7 Die Heterocyclen 815 5.4.1 Der berblick 192 4.7.1 Der berblick 158 5.4.2 Der Aufbau der Nukleinsuren 192 4.7.2 Die Einteilung 815 5.4.3 DNA und RNA 419 4.7.3 Die 5-Ring-Heterocyclen 158 4.7.4 Die 6-Ring-Heterocyclen 159

6 Anhang 1994.7.5 Die mehrkernigen Heterocyclen 016

6.1 Lsungen5 Chemie wichtiger

Naturstoffklassen 165 6.2 Wichtige Zahlen und Formeln6.2.1 Angabe von Zahlenwerten als

5.1 Die Aminosuren, die Peptide und Zehnerpotenzen

919

320

320 die Proteine 516 6.2.2 Einheiten und ihre Vielfachen

5.1.1 Der berblick 165 6.2.3 Naturkonstanten und Basisgren320 420

5.1.2 Die Aminosuren 516 6.2.4 Beispiele fr abgeleitete SI-Einheiten 204 5.1.3 Die Peptide 169 6.2.5 Rechnen mit Potenzen und 5.1.4 Die Proteine 017 Logarithmen

6.2.6 Sure- und Basenkonstanten520 620

5.2 Die Kohlenhydrate 417 5.2.1 Der berblick 174 6.3 Geschichte im berblick 720 5.2.2 Die Klassifizierung 417 5.2.3 Die Monosaccharide 174 Quellenverzeichnis5.2.4 Die Disaccharide 181 5.2.5 Die Oligosaccharide 182 Sachverzeichnis5.2.6 Die Polysaccharide 183

721

821


Kapitel 1

Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung

1.1 Die Einteilung der Materie 3

1.2 Der Atombau 7

1.3 Die Elektronenhlle 11

1.4 Das Periodensystem der Elemente (PSE ) 16

1.5 Die chemische Bindung 23


Freibad statt Radtour

2 Klinischer Fall

Sauerstoff ist vielleicht das wichtigste Element. Die

Elemente sind im Periodensystem zusammengestellt,

schwerden kommen knnten: Mglicherweise ist sie be-

sonders ozonempfindlich. Bei schnem Wetter ist die

Ozonkonzentration besonders hoch: Die UV-Strahlung

wandelt das hauptschlich aus Autoabgasen stammende

ber das Sie im nchsten Kapitel mehr erfahren wer- 2NO (Stickstoffdioxid) in NO (Stickstoffmonoxid) und

den. Ohne Sauerstoff htten sich die heutigen Lebens- 1 Sauerstoffatom um. Letzteres verbindet sich dann mit

formen auf der Erde nicht entwickeln knnen. Die t, dem Ozon. So kann die Ozonbelastung der Luf3Ozu 2O

meisten Elemente des Periodensystems sind fr den

Organismus wichtig oder sogar unersetzlich, bei-

spielsweise Phosphor gebunden als Phosphat als Be-

standteil der Knochen oder Iod als Baustein der

Schilddrsenhormone. Doch viele Elemente, die in

niedriger Konzentration vom Krper bentigt wer-

den, sind in greren Mengen giftig, beispielsweise

, Ozon, kann in hoher Kon-3Arsen oder Quecksilber. O

auf bis zu 80 ppb (ppb = parts pro billion) ansteigen.

Normalerweise liegt sie bei etwa 20 ppb. In der Nacht

wird das Ozon wieder abgebaut.

Obstruktion durch Ozon Manche Menschen sind gegenber Ozon besonders

empfindlich und leiden an Thoraxschmerzen, Kurzatmig-

keit und Hustenreiz. Die Ursache der erhhten Ozon-

zentration die Atemwege schdigen. Die 16-jhrige

Petra gehrt zu den Menschen, die im Sommer unter

ozonbedingten Atemwegsproblemen leiden.

Brustschmerzen, Husten und Kurzatmigkeit Petra kann nicht mehr. Sie hat Schmerzen in der Brust

und bekommt kaum noch Luft. Stndig muss sie husten.

Die 16-Jhrige flucht innerlich darber, dass sie mit ihren

beiden Brdern diese Radtour macht. Bei dem tollen

Wetter htte sie auch prima im Freibad faulenzen kn-

nen. Stattdessen tritt sie hier auf dem Feldweg in die

Pedale. Bei der nchsten Rast bemerken ihre Brder, dass

es Petra nicht gut geht. Obwohl sie nun im Gras liegt, ist

sie kurzatmig. Wenn sie versucht, tiefer einzuatmen, tut

ihr der ganze Brustkorb weh. Erst am Abend geht es

Petra besser.

Viel Sonnenschein, viel Ozon Zwei Wochen spter hilft Petra ihren Groeltern bei der

Gartenarbeit. Als sie wieder Atemprobleme bekommt,

bringt ihre Oma sie zum Arzt. Dieser untersucht das

Mdchen grndlich. Er kann nichts Aufflliges finden.

Dennoch hat er eine Vermutung, woher Petras Be-

empfindlichkeit ist nicht geklrt. Sicher ist jedoch, dass

es beim Einatmen von Ozon zu einer Entzndung der

Atemwege kommt. Dadurch steigt der Atemwegswider-

stand, d. h., die Betroffenen haben hnlich wie Asth-

matiker Probleme, die eingeatmete Luft wieder aus-

zuatmen. Diese sog. Bronchialobstruktion kann man

auch in einer Lungenfunktionsprfung ermitteln: Die Pa-

tienten mssen tief einatmen und dann die Luft so

schnell wiemglich in ein Messgert ausatmen. Je strker

die Obstruktion, desto weniger Luft kann in einer Se-

kunde ausgeatmet werden. Bei manchen Menschen ist

diese sog. Einsekundenkapazitt bei hohen Ozonwerten

verringert. Lsst die Ozonbelastung jedoch nach, sind die

Atemwege wieder voll funktionsfhig.

Welche Konsequenzen hat dies fr Petra? An Tagen mit

hoher Ozonkonzentration sollte sie krperliche Anstren-

gung meiden. Denn die Menge des aufgenommenen

Ozons hngt nicht nur von der Konzentration in der

Luft, sondern auch vom Atemminutenvolumen ab, dem

Luftvolumen, das in einer Minute eingeatmet wird. Und

das ist bei Belastung natrlich hher. Petra hat also allen

Grund, im Freibad zu faulenzen, wenn ihre Brder an-

strengende Fahrradtouren unternehmen.


1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung Die Einteilung der Materie 3

1 Allgemeine Grundlagen und 1.1 Die Einteilung der Materie chemische Bindung

Lerncoach Was ist Chemie? Dieses erste Kapitel ist vielleicht etwas mh-Die Chemie ist eine Naturwissenschaft und befasst sich mit der Zusammensetzung, der Charakterisie-rung und der Umwandlung von stofflicher Materie. Der Ursprung desWortes Chemie ist bis heute nicht zweifelsfrei geklrt. Es kann sowohl vom gyptischen Wort chmi fr schwarz als auch vom arabischen Begriff chemi abgeleitet sein, der den schwarzen, fruchtbaren Humusboden des Nildeltas beschreibt. Auch ein Zusammenhang mit dem griechischen chyma fr Metallguss ist mglich. Diese verschiedenen Deutungen zeigen sehr an-schaulich den Einfluss der Chemie auf das Leben des Menschen: Alles, was uns umgibt, jegliche Mate-rie, die unser Auge sehen oder die mithilfe von Ge-rten sichtbar gemacht werden kann, ist Chemie. Jeden Tag fhrenwir grtenteils unbewusst che-mische Reaktionen durch. Chemische Verbindungen sind in Benzin ebenso vorhanden wie in Milch, Waschmittel oder Zahnpasta. Trotzdem ist die Che-mie eine eher unbeliebte Naturwissenschaft, ber die in der Bevlkerung relativ wenig bekannt ist. Dies mag mit der ungeheuren Komplexitt chemischer Prozesse zusammenhngen: Chemische Reaktionen wie Milch Suern, Bier Brauen oder die Herstellung vonMetall aus Erz sind schon seit der Urzeit bekannt, konnten aber nicht erklrt werden, da das entspre-chende Instrumentarium fehlte. Auch Heilpflanzen werden seit der Antike eingesetzt, die Inhaltsstoffe und deren Wirkungen konnten jedoch erst in der

sam zu lernen, denn es enthlt viele Defini-tionen, die Sie verstehen und richtig anwen-den knnen sollten. Im Laufe des Lernens werden Sie hufiger auf diese Definitionen zurckgreifen mssen verschaffen Sie sich also hier zumindest einen berblick ber den Inhalt, damit Sie spter wissen, wo Sie nach-lesen knnen.

1.1.1 Elemente, Verbindungen und Stoffe 1.1.1.1 Die Elemente Die griechischen Naturphilosophen vermuteten schon im 6. Jh. v. Chr., dass die Materie aus unver-nderlichen, einfachsten Grundstoffen besteht. Diese Grundstoffe bezeichneten sie als Elemente. Nach Lavoisier ist ein Element ganz pragmatisch und an-wendungsorientiert ein Stoff, der durch chemische Mittel nicht weiter zerlegt werden kann. Dalton konkretisierte den Elementbegriff und bezog ihn auf den atomaren Aufbau: Chemische Elemente bestehen aus kleinen, elektrisch neutralen, mit che-mischen Mitteln nicht weiter zerlegbaren Teilchen, den Atomen (atomos griech. unteilbar). Alle Atome eines Elementes sind einander gleich, besitzen also gleiche Masse und gleiche Gestalt. Atome verschie-dener Elemente haben unterschiedliche Eigenschaf-ten. Heute sind mehr als 115 Elemente bekannt, 88 kommen in fassbarer Menge in der Natur vor.

1

heutigen Zeit analysiert werden. 1Tab. 1. zeigt einige fr den menschlichen Krper Erst Ende des 18. Jahrhunderts gelang es, ein wissen-schaftliches Fundament fr die Chemie aufzubauen und so deren auerordentliche Entwicklung zu er-mglichen. Das Verstndnis fr Chemie hat sich je-doch nicht im erwnschten Ma entwickelt, was sicher auch damit zusammenhngt, dass die Erkl-rungen fr chemische Vorgnge auf atomarer Ebene erfolgen und dadurch sehr abstrakt sind.

wichtige Elemente. Sowohl die Definition von Lavoisier als auch die von Dalton werden heute noch verwendet, obwohl mit besseren Kenntnissen des Atombaus eine moderne Elementdefinition eingefhrt wurde. Dabei wird der Begriff Element synonym mit der durch die Proto-nenzahl gekennzeichneten Atomart benutzt (s. S. 3). Stoffe, die aus nur einer Atomart bestehen, nennt

).8, S2H(z. B. nElementsubstanze hman auc

Die Symbole Die Elemente erhielten schon immer Symbole, die heute gebruchlichen gehen auf Berzelius zurck,


Ei

weiteremente (Zink)

4 Die nteilung der Materie 1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung

Die kleinste Baueinheit der Molekl-verbindungen ist das Molekl, ein Teilchen, in dem zwei oder mehrere Atome fest verknpft

5H2CO,2Hsind (z. B. OH).

Wichtige Elemente im menschlichen Krper

Element Symbol Massenanteil in %

Sauerstoff O 63

Kohlenstoff C 20

Wasserstoff H 10

Stickstoff N 3

Calcium Ca 1,5

Phosphor P 1,0

Schwefel S 0,2

Kalium K 0,25

Natrium Na 0,15

Chlor Cl 0,15

Magnesium Mg 0,04

Spurenele-z. B. Mangan,

0,71

Beispiele fr Elementsymbole

deutscher Name des Elements

lateinischer Name des Elements

Symbol

Eisen Ferrum Fe

Schwefel Sulfur S

Kohlenstoff Carbon C

Kupfer Cuprum Cu

Zinn Stannum Sn

Antimon Stibium Sb

Tabelle 1.1

Tabelle 1.2

1 Ionenverbindungen bestehen aus Ionen (ion griech. wandernd) (z. B. NaCl, KBr). Ionen entste-hen durch Elektronenaufnahme oder Elektronen-abgabe aus den Atomen. Positiv geladene Ionen sind Kationen, weil sie zur Kathode () wandern (kathodos griech. Hinabweg, nach derVorstellung, dass Elektronen am Minuspol der Stromquelle austreten). Negativ geladene Ionen werden als Anionen bezeichnet, weil sie zur Anode (+) (ano-dos griech. Eingang) wandern.

MERKE

Der Begriff Element wird sowohl auf makroskopi-scher als auch atomarer Ebene verwendet. Der Be-griff Stoff bezieht sich immer auf die makroskopi-sche Ebene.

1.1.1.3 Die Stoffe Der Aggregatzustand Man unterscheidet zwischen dem festen, dem flssi-gen und dem gasfrmigen Zustand der Materie.

Im festen Aggregatzustand (f = fest oder s = solid) hat die Materie den hchsten Ordnungszustand.

der den Anfangsbuchstaben des lateinischen Ele-mentnamens verwendete. Bei gleichen Anfangs-buchstaben der Elementenamen fgte er bei einem der beiden Elemente den zweiten Buchstaben hinzu. Waren diese ebenfalls gleich, wurde der erste nicht

). Oft gehen 2Tab. 1. (gtfgemeinsame Konsonant ange

Feste Stoffe zeichnen sich durch eine stabile u-ere Form und ein definiertes Volumen aus. Flssigkeiten besitzen keine stabile Form, aber ein definiertes Volumen. Der flssige Aggregatzu-stand von Stoffen wird hufig durch fl (flssig) oder l (liquid) als Funote an der Formel ver-

die Bezeichnungen auf mythologische Ausdrcke oder das Heimatland des Entdeckers zurck. Heute haben diese Symbole eine dreifache Bedeu-tung: Sie bezeichnen das einzelne Atom, eine defi-nierte Anzahl dieser Atome und den Stoff. So steht z. B. Fe nicht nur fr das fassbare Metallstck Eisen (= Stoff), sondern auch fr ein Atom Eisen und fr 6 1023 Eisenatome (s. S. 7).

1.1.1.2 Die Verbindungen Chemische Verbindungen sind aus verschiedenen Atomarten aufgebaut und lassen sich chemisch in Elementsubstanzen zerlegen. Man unterscheidet Molekl- und Ionenverbindungen.

merkt. Gase (g) fllen den zur Verfgung stehenden Raum immer vollstndig aus, sie haben also kein stabiles Volumen und keine stabile Form. Fr die Ableitung vieler Gesetzmigkeiten ist die An-nahme eines Idealzustandes wichtig. Unter ei-nem idealen Gas versteht man Gasmolekle oder Atome, die sich vllig regellos bewegen und keine Wechselwirkung aufeinander ausben. Die Ste der Teilchen sind vllig elastisch und das Eigen-volumen der Gasteilchen ist vernachlssigbar klein. Unter physiologischen Bedingungen han-delt es sich tatschlich jedoch immer um reale Gase, bei denen zwischen den Teilchen eine


b.

5 1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung Die Einteilung der Materie

Wechselwirkung auftritt. Bei realen Gasen muss auch das Eigenvolumen bercksichtigt werden. Durch Einfgen von Korrekturgliedern knnen die Gesetzmigkeiten idealer Gase jedoch auch auf reale angewendet werden.

1 Zwischen den einzelnen Aggregatzustnden sind bergnge (Phasenumwandlungen) in Abhngigkeit von Temperatur und Druck mglich (Abb. 1.1). Wich-tige Charakteristika der Stoffe sind ihre Schmelz- und Siedepunkte. Neben den klassischen Aggregatzustnden gibt es weitere, die nur unter extremen Bedingungen auf-treten. So spielt Plasma, hufig als der vierte Aggre-gatzustand bezeichnet, in dem freie Elektronen und ionisierte Atome vorkommen, bei Energiesparlam-pen eine Rolle. In der Biosphre gibt es aber kein natrliches Plasma, es muss z. B. durch Gasentla-dungen erzeugt werden. Niedertemperaturplas-men fhren zu geringen thermischen Belastungen und sind deshalb auch auch fr medizinische und biotechnologische Anwendungen interessant: Be-schichtung von Knochenimplantaten zur Biologisie-rung und Verschleiminderung, zur Dekontaminie-rung oder Funktionalisierung von Oberflchen.

Die reinen Stoffe und die Stoffgemische Sowohl Elemente (Elementsubstanzen) als auch Mo-lekl- und Ionenverbindungen sind reine Stoffe, d. h. sie besitzen eine definierte Zusammensetzung und konstante physikalische Eigenschaften. Reine Stoffe knnen durch chemische Methoden in Element-

Ab 11. Die nderungen des Aggregatzustands

Tab. 1.3

Einteilung der heterogenen Systeme

Aggregatzustnde Name Beispiele

fest-fest Gemenge ,Konglomerat

Terrazzo-Platten , Ostseesand 1

fest-flssig Aufschlmmung, Suspension

Penicillin-Suspensionen

flssig-flssig Emulsion Cremes

fest-gasfrmig Aerosol Rauch, Inhalations -prparate

flssig-gasfrmig Aerosol Nebel, Inhalations-prparate

1Ostseesand enth lt neben Siliciumdioxid noch andere anor-ganische und organische Bestandteile.

substanzen berfhrt werden, aus Stoffgemischen kann man sie durch physikalische Methoden erhal-ten (zur quantitativen Angabe s. S. 37, zu Trennver-fahren s. S.112). Alle anderen Stoffe sind sog. Gemische, die aus meh-reren reinen Stoffen in unterschiedlichen Verhltnis-sen bestehen. Gemische werden unterteilt in

homogene Systeme (homogene Gemische) (ho-mos griech. gleichartig): Sie erscheinen einheit-lich. Homogene Systeme sind Stoffe in nur einem Aggregatzustand, Gasmischungen, Lsungen und Legierungen. So ist die uns umgebende Luft ho-mogen, da wir die unterschiedlichen Luftbestand-teile nicht wahrnehmen. Bei Anwesenheit eines Rauchers wird das uns umgebende System jedoch

heterogene Systeme (heterogene Gemische) (he-teros griech. verschiedenartig, genea griech. Ab-stammung): Sie bestehen erkennbar aus unter-schiedlichen Teilen. Heterogene Systeme sind entweder reine Stoffe, die in verschiedenen Ag-gregatzustnden nebeneinander bestehen oder mehrere reine Stoffe, die sich nicht ineinander lsen. Es handelt sich also bei stillem Wasser, das durch ein Stck Eis gekhlt wird, um ein heterogenes System.

Eine Phase ist ein Stoffsystem, das nach auen ein-heitlich aussieht und in genau einem Aggregatzu-stand vorliegt. Ein homogenes System besteht aus einer, ein heterogenes System aus mehreren Phasen. Fr einige heterogene Systeme haben sich spezielle

heterogen, da wir die Rauchschwaden sehen. ).3Tab. 1.rgert ( bBezeichnungen einge


6 Die Einteilung der Materie 1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung

1

Einteilung der stofflichen Materie

MERKE

Ob ein System als homogen oder heterogen zu charakterisieren ist, hngt auch davon ab, ob man es mit dem bloen Auge, dem Licht- oder dem Elektronenmikroskop betrachtet.

System vor (dispergere lat. zerstreuen, ausbreiten).

2Abb. 1.

Klinischer Bezug

Aerosole werden zur Inhalationstherapie verwendet,

Am hufigsten sind flssige Lsungen. Die im ber-schuss vorhandene Komponente bezeichnet man als Lsungsmittel, die andere/n Komponente/n gelste/r Stoff/e. Makromolekle in der Grenordnung 3200nm bilden kolloidale Lsungen (kollao griech. leim-artig), deren Zuordnung zum Begriff homogen oder heterogen umstritten ist. Das System wird auch als kolloidal-dispers bezeichnet. Wenn die in einer Flssigkeit verteilten Teilchen mit dem Lichtmikroskop zu erkennen sind, handelt es sich um ein grobdisperses System, das selbstver-stndlich als heterogenes System eingestuft werden muss.

z. B. bei Asthma bronchiale oder Angina pectoris. Unter anderem kommen Dosieraerosole (Medikament in Treibgas gelst) oder Trockenaerosole (Medikament in Pulverform) zur Anwendung. Diese besondere The-rapieform bezweckt eine direkte Deposition von Me-dikamenten am Zielorgan, d. h. in den tiefen Atem- ichen Materie flfasst die Einteilung der stof 2Abb. 1. wegen. Sie eignet sich daher in erster Linie zur Behandlung von Erkrankungen im Oropharynx, bei Bronchialerkrankungen und von Erkrankungen der Al-veolen. Der Vorteil der Inhalation eines Medikamentes anstelle seiner Verabreichung als Tablette oder mittels einer Spritze besteht darin, dass die Substanz rasch den Wirkungsort erreicht und an anderen Organen keine nennenswerte Wirkung bzw. Nebenwirkung entfaltet.

Eine Lsung ist ein homogenes Gemisch ausmindes-tens zwei Komponenten gleichen oder ursprnglich verschiedenen Aggregatzustandes Man spricht auch von echten Lsungen, wenn der gelste Stoff nieder-molekular ist (d. h. Teilchengre < 3nm). In diesem Fall liegt ein sogenanntes molekular-disperses

zusammen.

Check-up 4 Verdeutlichen Sie sich noch einmal, was unter

dem Begriff Aggregatzustand zu verstehen ist und welche Aggregatzustnde vorliegen knnen.

4 Wiederholen Sie Beispiele fr Molekl- und Ionenverbindungen sowie Elementsubstan-zen.

4 Machen Sie sich die Charakteristika fr homo-gene und heterogene Stoffe bzw. Stoffgemi-sche und Reinstoffe nochmals klar! Sie knnen auch nach weiteren Beispielen aus Ihrem tg-lichen Umfeld suchen; die Entscheidung wird aber nicht immer leicht sein.


7 1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung Der Atombau

1.2 Der Atombau 1.2.2 Die Avogadro-Zahl und die Stoffmenge C enthalten gerade 612

6,02 1023 Atome. Diese Zahl wird auch als Avo-12 g des Kohlenstoff-Isotops

Lerncoach hher wurde sie auc ; bezeichnet. Fr0Nlgadro-Zah Die Kenntnis der nachfolgenden Fakten ber die atomaren Dimensionen, die Stoffmenge und die Bausteine der Atome sind wichtige Voraussetzungen fr das Verstndnis aller weiteren Kapitel. So wird Ihnen z. B. die Avo-gadro-Zahl immer wieder bei verschiedenen Berechnungen begegnen.

1.2.1 Die atomaren Dimensionen Bestimmte Gerte erlauben Einblicke in die atoma-ren Dimensionen (z. B. Elektronenmikroskope in manchen Fllen), eine Veranschaulichung ist jedoch auerordentlich schwer mglich, da die Grenan-gaben fr uns nicht fassbar sind. So ist z. B. die Anzahl der Atome in einem Stecknadel-kopf nicht vorstellbar tatschlich handelt es sich um etwa 1020 Atome! Vielleicht hilft Ihnen bei der Vorstellung atomarer Dimensionen auch der folgende Vergleich: Sie feiern

oft Loschmidt-Zahl genannt. Um den Umgang mit diesen groen Teilchenanzahlen zu vereinfachen, wurde eine Einheit eingefhrt: Man fasst diese 6,02 1023 Teilchen zu einer Zhleinheit zusammen und bezeichnet sie als Stoffmenge Mol mit der SI-Einheit mol (SI = Systme International d'Units). Als Teilchen kommen infrage: Atome, Ionen, Molekle oder sog. Formeleinheiten, die bei Ionenverbindun-gen verwendet werden und die kleinste, aber che-misch sinnvolle Kombinationsmglichkeit von Ionen beschreiben. Die Avogadro-Konstante NA ermglicht die Berech-nung von absoluten Atommassen Ma. Mr ist die mo-lare Masse, also die Masse, die 6,02 1023 der be-trachteten Teilchen haben.

1

-1lmo 0= NAN

Ihren 20. Geburtstag. Bis zu diesem Tag haben Sie 1.2.3 Die Atombausteine 630720 000 Sekunden (Schaltjahre nicht berck- Die Existenz von Atomen ist heute gesichert. Ende sichtigt) gelebt. Fr jede Sekunde wnschen Sie des 19. und zu Beginn des 20. Jahrhunderts erkannte sich ein Goldatom. Das sind aber nur 2 3-110 g, man, dass eine weitere, wenn auch physikalische was kein Juwelier abwiegen kann. Und selbst wenn Aufspaltung der Atome in Elementarteilchen mglich Sie eine Milliarde Goldatome fr jede Sekunde er- ist. Heute sind einige Hundert Elementarteilchen be-halten, haben Sie nur ein Stckchen Blattgold kannt, von denen uns aber nur die drei wichtigsten (0,2mg) in der Hand, aber vielleicht ein Gefhl dafr Bestandteile des annhernd kugelfrmigen Atoms bekommen, in welchen Dimensionen wir uns bewe- ):4Tab. 1. (interessieren gen, wenn wir uns um das atomare Verstndnis be- Protonen und Neutronen als Kernbausteine mhen. Elektronen in der Atomhlle.

Das Neutron ist ein ungeladenes, also elektrisch neutrales Teilchen, das Proton trgt die positive (+e), das Elektron die negative Elementarladung (e).

Tabell e 1.4

Eigenschaften von Elementarteilchen

Elementarteilchen Elektron Proton Neutron

Symbol e p n

Ort Atomhlle Atomkern Atomkern 27 kgMasse (in kg) 0,91095 1030 kg 1,67265 1027 kg 1,67495 10

(in u) 5,48577 10-4 u 1,00727 u 1,00866 u

e keine Ladung +e


8 Der Atombau 1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung

d. h. die Nukleonen- oder Massenzahl ist die Summe aus der Anzahl der Protonen und Neutronen. Die

3Abb. 1. Eindeutig charakterisiertes Atom (= Nuklid) Nukleonenzahl und die Ordnungszahl werden hufig vor dem Elementsymbol mit angegeben, denn ein Atom ist erst durch diese vollstndig charakterisiert

1 Diese bislang kleinste bekannte elektrische Ladung m). Ein so eindeutig charakterisiertes Ato 3Abb. 1. ( betrgt: wird auch als Nuklid bezeichnet.

As 9-110e =1,6022 1.2.4 Die moderne Elementdefinition Da sich Atome trotz gleicher Ordnungs- und Proto-

Protonen und Neutronen besitzen annhernd die gleiche Masse, das Elektron nur ca.1/1800 davon. Im atomaren Bereich gibt man Massen in atomaren Masseneinheiten an. Eine atomare Masseneinheit ist als 1/12 der Masse eines Atoms des Kohlenstoff-

nenzahl in ihrer Neutronenzahl unterscheiden kn-nen, hat man die Definition des Elements noch ein-mal konkretisiert: Ein chemisches Element besteht aus Atomen mit gleicher Protonenzahl, die Neutro-nenzahl kann aber unterschiedlich sein.

C definiert (zum Begriff Nuklid s. u.) und 6 nuklids 12

betrgt: nicht mehr auf stofflicher Ebene definiert. Es wird aber wie gesagt nicht streng zwischen diesen Auf-

Damit ist der Begriff Element auf atomarer und

kg 7-2101u =1,66057 fassungen unterschieden. Nuklide des gleichen che-mischen Elements mit gleicher Kernladungszahl und unterschiedlicher Neutronenzahl bezeichnet man als !C muss also 12u betragen 612

Das Atom hat einen ungefhren Durchmesser von Isotope (isos griech. gleich, topos griech. Ort, Die Masse eines Atoms

nm. Wenn also ei 5-10m, der Atomkern von 1 0-110 Stelle). H (Deuterium)12H,11 und dH (Tritium) sin13

Stecknadelkopf (1 mm Durchmesser) dem Atomkern entspricht, msste er sich in einem dem Atom ent-sprechenden Ball von etwa 100m Durchmesser be-finden. Bedenken Sie dabei, dass die Masse des Atoms aber fast vollstndig durch die Masse des Kerns bestimmt wird. Die Summe der Protonen im Atomkern ergibt die Kernladungszahl (KLZ). Im Periodensystem der Ele-

z. B. Isotope des Elements Wasserstoff. Die Isotope eines Elements besitzen gleiche chemische Eigen-schaften. Die meisten Elemente sind Mischelemente, die aus mehreren Isotopen bestehen. Diese kommen in un-terschiedlicher Hufigkeit vor. Reinelemente beste-hen dagegen in ihrem natrlichen Vorkommen nur

).5Tab. 1.aus einer Nuklidsorte ( mente sind die Elemente nach dieser KLZ geordnet. Die Atommasse eines Elements ergibt sich aus den Sie entspricht dort der Ordnungszahl (OZ) der Ele- Atommassen der Isotope unter Bercksichtigung der mente (s. S.16). natrlichen Isotopenhufigkeit. Da es sich um sehr Da Atome nach auen hin neutral sind, muss die kleine Zahlen handelt, bezieht man sich wiederum Ladung des Atomkerns durch die Ladung der Elektro-nen in der Atomhlle ausgeglichen werden, die Zahl der Protonen muss folglich mit der Zahl der Elektro-nen bereinstimmen. Wenn die Elektronenzahl von der Protonenzahl abweicht, liegen Ionen vor.

MERKE

Fr ein Atom gilt: Kernladungszahl = Ordnungszahl = Zahl der Protonen im Atomkern = Zahl der Elekt-ronen in der Atomhlle.

-C und spricht des 612auf 1/12 der Masse des Nuklids halb von der relativen Atommasse. Die Zahlenwerte sind folglich identisch mit den in atomaren Massen-einheiten angegeben Massen. Fr die Anzahl auftretender Isotope gibt es keine Gesetzmigkeit. Jedoch wchst mit steigender Ord-nungszahl die Anzahl der Isotope und bei Elementen mit gerader Ordnungszahl treten mehr Isotope auf. Das Verhltnis Neutronenzahl zu Protonenzahl wchst mit steigender Ordnungszahl von 1 auf etwa 1,5 an.

Protonen und Neutronen zusammen werden als Isotope sind nicht nur natrlichen Ursprungs, sie Nukleonen (nucleus lat. Kern) bezeichnet. Die Masse knnen auch knstlich hergestellt werden. Sie sind des Atoms ergibt sich aus der Masse der Nukleonen, entweder stabil oder instabil.


http:mente(s.S.16

9 1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung Der Atombau

Tabell e 1.5

Nuklide der ersten 5 Elemente

OZ1 = KLZ 2 Element Nuklidsymbol Protonen -zahl

Neutro -nenzahl

Nukleo -nenzahl

Nuklidmasse in u

natrliche Hufigkeit in %

mittlere Atommasse in u

1 Wasserstoff 11 H 21 H 31 H

1 1 1

0 1 2

1 2 3

1,007825 2,01410

99,985 0,015 Spuren

1,008 0

2 Helium 32 He 42 He

2 2

1 2

3 4

3,01603 4,00260

0,00013 99,99987

4,002 6

3 Lithium 63 Li 73 Li

3 3

3 4

6 7

6,01512 7,016 0

7,42 92,5 8

6,941

4 Beryllium 94 Be 4 5 9 9,01218 100 9,01218

5 Bor 10 5 B 11 5 B

5 5

5 6

10 11

10,01294 11,00931

19,7 880,2 2

10,8 1

1

KLZ = Kernladungszahl 2 ;OZ = Ordnungszahl 1

1.2.5 Die Radioisotope Instabile Atomkerne versuchen, sich durch die Ab-gabe von Strahlung zu stabilisieren. Sie werden als Radioisotope oder Radionuklide bezeichnet. 1896 be-obachtete Becquerel, dass Uranverbindungen spon-tan Strahlung aussenden, Marie Curie untersuchte

Z. B. knnen -Strahlen durch eine 0,05mm dicke Aluminiumfolie oder durch ein Blatt Papier zurck-gehalten werden. Zum Schutz vor -Strahlen ist eine 0,5 mm dicke Aluminiumfolie ntig. Vor -Strahlen schtzen nur dicke Bleiplatten.

--Strahlen werden von Luft absor -d-Strahlen un dieses Phnomen bei Uranverbindungen. Die Eigen- biert. Deshalb betrgt ihre Reichweite auch nur 2,5 schaft der Eigenstrahlung wurde als Radio- --Strahlen). -(8,5m -Strahlen) bzw.bis 9 cm ( aktivitt (radiare lat. strahlen) bezeichnet. Strahlen werden hingegen von Luft nicht absorbiert.

Kernprozesse knnen mithilfe von Kernreaktions-1.2.5.1 Die Strahlungsarten gleichungen formuliert werden: Der Atomkern von natrlichen radioaktiven Nukli-den kann drei Strahlungsarten emittieren:

-Strahlen: positiv geladene He-Kerne 24622-Zerfall: 88 Ra

40-Zerfall: 40 19 K 20 Ca

222 He24+86 Rn + 0e1

-Strahlen: Elektronen, die im Atomkern durch den Zerfall eines Neutrons in ein Proton und ein Die Summe der Nukleonenzahlen und die Summe

-Strahlen) -Elektron entstehen (auch der Kernladungszahlen mssen auf beiden Seiten ei--Strahlen: energiereiche elektromagnetische Strahlung mit kurzer Wellenlnge.

Inzwischen gewinnt auch der Einsatz von Positro-nenstrahlern in der Nuklearmedizin an Bedeutung (z. B. Positronenemissionstomographie [PET] zum Nachweis von Stoffwechselstrungen des Gehirns). Positronen sind Teilchen mit der Masse eines Elekt-rons, die jedoch eine positive Elementarladung besit-

ner Kernreaktionsgleichung gleich sein.

Kontrollieren Sie, ob Sie die exakte Kenn-zeichnung von Nukliden verstanden haben und machen Sie sich klar, was die Zahlen vor den Ele-mentsymbolen bedeuten.

n-Zerfall emittierten Elektronen stamme -Die beim ).+zen (

MERKE

Reichweite und Durchdringungsfhigkeit der Strah-lungen nehmen in der Reihenfolge , , stark zu.

nicht aus der Elektronenhlle, sondern aus dem Kern. Im Kern wird ein Neutron in ein Proton und ein Elektron umgewandelt, das Elektron wird aus dem Kern herausgeschleudert, whrend das Proton im Kern verbleibt. Dadurch erhht sich die Kernla-dungszahl um 1.


At10 Der ombau 1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung

Tabell e 1.6

Beispiele fr medizinisch relevante Isotope

Isotop Halbwertszeit Strahlung Anwendung 146C 5730 a Altersbestim-

mung 32 15P 14,4 d Strahlentherapie

(metabolisch) 60 27Co 6,2 a , Strahlentherapie

(extern) 99 m

43Tc 6 h Szintigraphie 123 53I 13 h Szintigraphie

131 53I 8,4 d , Diagnostik und

Therapie der Schilddrse (metabolisch)

153 62Sm 1,9 d , Strahlentherapie

(metabolisch) 192 77Ir 74 d Strahlentherapie

222 86Rn 3,8 d Bade- und Trink-

kuren 226 88Ra 1660 a Strahlentherapie

1

von Gammakameras. Weitere Messgerte sind die Wilson'sche Nebelkammer und das Geiger-Mller-Zhlrohr, die Sie in der Physik kennen lernen. Fr quantitative Angaben wird die Aktivitt A oder die Zerfallsrate, die die Zahl der Kernumwandlungen pro Sekunde in s-1 oder Becquerel (Bq) angibt, ver-wendet. Um die biologische Wirksamkeit, also das Ionisationsvermgen zu beschreiben, benutzt man die Ionendosis I. Das ist der Quotient aus Ionenladung und Masse der Luft in einem festgelegten Messvolu-men, die Angabe erfolgt in C kg-1. In der Strahlen-biologie wird die einwirkende Energiedosis in Gray (Gy) gemessen. Darunter versteht man die Energie-menge, die pro Masseneinheit des Krpers absorbiert wird. Im Strahlenschutz ist die quivalentdosis D q gebruchlich, ein Faktor aus der Energiedosis D (Quo-tient aus Energie W und Masse m mit der Einheit J kg-1) und einem dimensionslosen Bewertungsfak-tor, als Einheit ergibt sich ebenfalls J kg-1, hier wird aber meist Sievert (Sv) benutzt. Natrliche und knstliche Isotope spielen in der bio-

1.2.5.2 Die Halbwertszeit chemischen und medizinischen Forschung eine Radioaktive Elemente haben eine begrenzte Lebens- ). In der Tumordiagnostik wird6Tab. 1. (e Rolle gro dauer. Man definiert die Halbwertszeit (t1/2) als die- das kurzlebige 18F (Halbwertszeit 100min.) als Posit-9 jenige Zeit, in der gerade die Hlfte einer bestimmten ronstrahler verwendet. Zahl radioaktiver Isotope zerfallen ist. Das in der

222rliche Isotop tBalneologie eingesetzte na 86Rn hat beispielsweise eine Halbwertszeit von 3,8 Tagen. Von 1000 Atomen dieses Elements wren also nach 3,8 Tagen noch 500, nach weiteren 3,8 Tagen noch wendet, um den Abbau von Moleklen im Stoffwechsel 250 Atome vorhanden. Die andere Hlfte zerfllt verfolgen zu knnen. Bei diesen so genannten Tracer-unter Abgabe von Strahlung letztlich in das stabile Methoden (tracer engl. Spur) ersetzt man in den zu

Klinischer Bezug

In der Forschung werden Radionuklide vor allem ver-

222 620 82Pb. 86Rn wird ebenso wiedurch den Zerfall des langlebigen

=1622 a) 21/Ra (t 62288 238 =21/tU (92

untersuchenden Moleklen stabile Isotope durch ra-dioaktive und kann so den Weg der Molekle in den

4,5 a) nachgebildet. 910

1.2.5.3 Die Messung der Radioaktivitt Menschliche Sinnesorgane knnen radioaktive Strahlung nicht registrieren. Zum Feststellen oder Messen werden fotografische Techniken (Film-schwrzung) verwendet, die aber nicht sehr genau sind und vor allem fr die strahlenhygienische Do-kumentation (Dosimeter) eingesetzt werden. Szintil-

Organen durch Messung der Radioaktivitt verfolgen. In der medizinischen Diagnostik wird die Tatsache ausgenutzt, dass sich radioaktiv markierte Wirkstoffe in bestimmten Organen und Geweben anreichern. Aus der von auen gemessenen Strahlung knnen so Rck-schlsse auf Strungen der Morphologie und der Funk-tion von Organen gezogen werden. So knnen z. B. Stoffwechselstrungen der Schilddrse festgestellt

sezeigt ein Szintigramm der Schilddr 4Abb. 1. werden. lationszhler (scintilla lat. Funke) enthalten Stoffe wie Zinksulfid oder Natriumiodid/Thallium, die die radioaktive Strahlung in sichtbare Strahlung (Licht-blitze) umwandeln. Diese werden dann photoelekt-risch registriert, z. B. in der Nuklearmedizin mithilfe

nach Injektion von 80 MBq 99 m 43 Tc. Im linken Schild-drsenlappen ist ein autonomes Adenom (knotige, gutartige Geschwulst der Schilddrse, die autonom Iod speichert und Schilddrsenhormone synthetisiert und sezerniert) zu erkennen. In der Diagnostik wird das


1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung Die Elektronenhlle 11

Durch unkontrollierte Reaktionen in Atomreaktoren oder durch eine Atombombe knnen groe Energie-mengen freigesetzt werden. Dadurch entstehen Ra-dioisotope, die wichtige Elemente im Krper ersetzen. So ersetzt 137 38 Sr Calcium (beide Ra-55 Cs Kalium und

90

dioisotope haben eine sehr lange Halbwertszeit). Diese Isotope haben sich 1986 nach dem Unglck in Tscher-nobyl z. B. sehr stark in Maronen (Pilzsorte) angerei-chert, weshalb man auch heute noch von einem ber-migen Genuss absehen sollte.

Check-up 4 Machen Sie sich nochmals klar, aus welchen

Szintigrammder Schilddrse nach Injektion von 9943mTc Elementarteilchen ein Atom besteht.

1

4Abb. 1. (Adenom linksseitig)

metastabile Technetium 99 m 43 Tc am hufigsten einge-setzt. Es geht in relativ kurzer Zeit durch -Strahlung in 99 43 Tc ber, das als weicher -Strahler nicht mehr gefhrlich ist und eine lngere Halbwertszeit hat. Strahlentherapie: Die Strahlentherapie wird haupt-schlich zur Behandlung maligner Erkrankungen ein-gesetzt. Mit der externen Strahlentherapie wird von auen versucht, eine maximale Schdigung des Tu-morgewebes zu erreichen. Um jedoch das gesunde Gewebe zu erhalten, mssen dabei Einstrahlwinkel und Eindringtiefe optimiert werden. Bei der interstitiellen Radiotherapie werden Radio-nuklide direkt in das Tumorgewebe eingebracht. Bei der metabolischen Strahlentherapie werden Ra-

131dionuklide wie z. B. 53 I meistens intravens verab-reicht und so in den Metabolismus eingebracht. Sie konzentrieren sich dann im Tumorgewebe (also z. B. in der Schilddrse, wo der Iod-Stoffwechsel stattfin-det). Strahlenbelastung: Der Mensch ist stndig einer ge-ringen natrlichen Radioaktivitt durch kosmische und terrestrische Strahlung ausgesetzt. Auch der mensch-liche Krper selbst besitzt eine Eigenstrahlung. Durch den Einsatz von Radionukliden in der Medizin, kern-technische Anlagen, PC, TV, Flugverkehr und Tabak-rauch tritt eine radioaktive Belastung auf, an die sich der menschliche Organismus jedoch gewhnt hat. Erst strkere Belastung wird kritisch.

4 Wiederholen Sie, welche wichtigen Eigen-schaften die Elementarteilchen besitzen. Ler-nen Sie hierfr keine Zahlen auswendig, aber denken Sie an die Verhltnisse von Masse und Ausdehnung.

4 Rekapitulieren Sie nochmals die Definitionen der Begriffe Kernladungszahl und Nukleo-nenzahl sowie die Symbolschreibweise.

4 Wiederholen Sie die natrlichen radioaktiven Strahlungsarten und deren Charakteristika.

1.3 Die Elektronenhlle

Lerncoach Im folgenden Kapitel lernen Sie Vorstellungen vom Bau der Elektronenhlle kennen. Um z. B. das wellenmechanische Atommodell im Detail zu verstehen, muss man sich mit den mathe-matischen und physikalischen Zusammen-hngen beschftigen. Fr Sie ist es aus-reichend, wenn Sie sich die grundlegenden Begriffe wie Orbital und Quantenzahlen und deren Aussagen merken (s. u.). Fr das Verstndnis der nachfolgenden Kapitel (z. B. die Anordnung der Elemente im Periodensystem) ist es wichtig, dass Sie die Elektronenkonfiguration angeben knnen.


12 Die Elektronenhlle 1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung

1.3.1 Vorbemerkung kurzwelligen Rntgenstrahlung kann durch dieses Fr das Verstndnis chemischer Reaktionen interes- Modell als Folge von Elektronenbergngen in inne-sieren uns weniger die Vorgnge im Kern als viel- ren Bahnen verstanden werden. mehr die Vernderungen in der Elektronenhlle. Die Wie jedes Modell hat auch dieses seine Grenzen. Es Elektronen, die sich in der Atomhlle befinden, sind versagte bei der Interpretation von Spektren der

1 fr chemische Bindungen, chemische Reaktionen und Strahlungsabsorption magebend.

1.3.2 Das Bohr'sche Atommodell Mit der Erkenntnis, dass Atome Elektronen enthal-ten, mussten Vorstellungen entwickelt werden, wie diese Elektronen angeordnet sind. Whrend Thom-son noch annahm, dass die Atome Masseteilchen darstellen, bei denen negativ geladene Elektronen in eine positiv geladene Grundmaterie eingebettet sind, schloss Rutherford aus seinen Versuchen zur Streuung von -Teilchen an einer dnnen Goldfolie, dass ein Atom ein positives Massezentrum und eine negativ geladene Atomhlle besitzenmuss, in der die Elektronen auf Bahnen hnlich den Planeten den Kern umkreisen. Vom Standpunkt der klassischen Physik aus ist diese Anordnung instabil, denn auf gekrmmten Bahnen kreisende Teilchen geben ihre Energie als elektromagnetische Strahlung ab. Schlielich mssten sie in den Kern fallen. Dieses Modell wurde 1913 durch Bohr anhand von Ergebnissen aus der Analyse von Spektrallinien wei-terentwickelt. Er verwendete ebenfalls die Vorstel-lung von Kreisbahnen, vertrat aber dieMeinung, dass sich die Elektronen nicht auf beliebigen, sondern nur

Atome, die mehr als ein Elektron haben.

1.3.3 Das wellenmechanische Atommodell 1.3.3.1 Der Welle-Teilchen-Dualismus Elektronen weisen zum einen Welleneigenschaften auf und zum anderen verhalten sie sich wie kleine Partikel. Damit erreichen wir die Grenze unseres an die Gesetze der klassischen Physik gewhnten Vor-stellungsvermgens. Wenn nicht zwangslufig erfor-derlich, werden wir daher auf der Vorstellung vom Elektron als Teilchen, das sich auf einer Bahn bewegt, aufbauen. Aber an dieser Stelle mssen wir auch ber das Elektron als Welle sprechen: Das Elektron ist dann stabil, wenn sich die Elektronenwelle nicht ver-ndert, d. h. wenn es sich also um eine stehende Welle handelt. Solche stehenden Wellen kennen Sie aus der Musik. Wenn eine Saite auf beiden Seiten fest eingespannt ist, knnen Sie fr kurze Zeit stabile Schwingungen mit einer ortsfesten Schwingungsphase erzeugen. Sie stellen nichts anderes dar als reine Tne. Stellen wir uns den Umlauf eines Elektrons auf einer ebenen Bahn vor, muss der Wellenzug am Anfang wieder richtig anschlieen, da sonst keine zeitliche Stabilitt

).5Abb. 1. (erreicht wird ganz bestimmten, diskreten (discretus lat. abgeson-dert, getrennt) Bahnen strahlungsfrei bewegen. Der Energieunterschied E zwischen zwei solchen Bah-nen betrgt:

In der Quantentheorie verwendet man zur Beschrei-bung der Elektronenbewegungen daher auf Vor-schlag von Schrdinger bestimmte Differenzialglei-chungen und sucht als erlaubte Elektronenzustnde diejenigen Lsungen heraus, die zu zeitlich unver-

.E = h= 1E 2E nderlichen Schwingungen fhren, den so genann-(h ist das Planck'sche Wirkungsquantum, die Fre-quenz).

Durch die Festlegung auf konkrete Bahnen, die man auch als Quantelung bezeichnet, konnte das Auf-treten diskreter Atomspektren erklrt werden. Sie entstehen durch Anregung von Valenzelektronen, die dadurch auf hhere Bahnen gelangen. Unter Energieabgabe erfolgt der bergang in die ursprng-lichen Bahnen. Mithilfe des Bohr'schen Modells wurde die Linienfolge des Wasserstoffspektrums

-Die Eigenschwingungen einer Saite (a) und die sche 5Abb. 1.matisierte Eigenschwingung einer Elektronenwelle auf einer

physikalisch interpretiert. Auch die Entstehung der )Kreisbahn (b


http:seineGrenzen.Es


ten Eigenwerten. Hierzu zhlen ganz bestimmte Funktionen, die als Eigenfunktionen bezeichnet wer-den. Natrlich sind die tatschlichen Verhltnisse und deren mathematische Beschreibung sehr viel komplizierter, denn die Elektronen schwingen nicht

1 lngs einer eindimensionalen Bahn, sondern in den drei Dimensionen des Raumes.

1.3.3.2 Die Unbestimmtheitsbeziehung Nach Heisenberg ist es berdies unmglich, den Im-puls p = m v (m = Masse, v = Geschwindigkeit) und den Ort eines Elektrons gleichzeitig zu bestimmen. Um ein Elektron zu orten, bentigt man sehr kurz-welliges Licht. Dieses hat jedoch eine hohe Frequenz und ist sehr energiereich. Wenn es das Elektron trifft, wird seine Geschwindigkeit verndert, und das wirkt sich wegen der kleinen Masse atomarer Objekte so-fort auf den Impuls aus. Fr gewhnliche Objekte gilt diese Unbestimmtheitsbeziehung zwar auch, aber wegen der vergleichsweise groen Masse hat die Einwirkung von energiereichem Licht auf den Impuls dieser Objekte keine Bedeutung.

MERKE

Fr Elektronen knnen wir folglich nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit einen bestimmten Ort angeben, an dem es im Atom anzutreffen ist.

6Abb. 1. Verschiedene Darstellungen des Elektrons eines Was-serstoffatoms im Grundzustand

spricht, das mit groer Belichtungsdauer aufgenom-men wurde. Diese rumliche Ladungsverteilung kann natrlich

1.3.3.3 Die Orbitale Die wellenmechanische Beschreibung des Elektrons entspricht der Vorstellung einer ber das Atom ver-teilten Elektronenwolke. Die Gestalt der Elektronen-wolke gibt den Raum an, in dem sich das Elektron mit

zeigt die 6Abb. 1. lt.ter Wahrscheinlichkeit aufh gr

auch rechnerisch ermittelt werden, es ist aber aus-reichend sich zu merken, dass das Elektron durch eine mathematische Funktion, die Wellenfunktion, beschrieben werden kann. Das Quadrat der Wellenfunktion ist einMa der oben besprochenen Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines

Elektronenwolke des Wasserstoffatoms im Grundzu-stand: Sie ist kugelsymmetrisch. An den Stellen mit groer Aufenthaltswahrscheinlichkeit hat die La-dungswolke eine grere Dichte, die Sie anhand der greren Punktdichte erkennen knnen. Die La-dungswolke hat nach auen keine scharfen Grenzen. Man whlt willkrliche Grenzflchen (z. B. eine Ku-gel, die mit 90 %iger Wahrscheinlichkeit die Ladung des Elektrons enthlt). Mit einer gewissen, wenn auch geringen Wahrscheinlichkeit, kann sich das Elektron auch auerhalb der Kugel aufhalten.

Elektrons in einem bestimmten Volumenelement. Anstelle von Wellenfunktion ist auch der Begriff Or-bital (orbis lat. Kreislinie, Kugel) blich, der rein sprachlich die Verbindung zu den Bahnen der vor-hergehenden Modelle aufrechterhlt.

MERKE

Orbitale sind Wellenfunktionen. Das Quadrat dieser Wellenfunktionen gibt die Rume an, in denen sich das Elektron mit grter Wahrscheinlichkeit aufhlt.

Stellen Sie sich einfach vor, dass die Verteilungswolke Bei der oben dargestellten kugelsymmetrischen La-einer Fotografie des sich bewegenden Elekrons ent- dungsverteilung spricht man von s-Orbitalen (s =


14 Die Elektronenhlle 1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung

7Abb. 1. Die rumliche Darstel-lung der p-Orbitale

Tabell e 1.7

Die Beziehung zwischen den Quantenzahlen

Hauptquanten -zahl n (Schale)

Neben-quantenzahl l

Magnet-quantenzahl m

Elektronen -konfiguration

Spin-quantenzahl

Elektronen pro Orbital

Elektronen pro Schale (2n2)

1 (K) 0 (s) 0 1 s 1/2 2 2

2 (L) 0 (s) 0 2 s 1/2 2 8

1 (p) +1 2px 1/2 2

0 2 py 1/2 2

-1 2pz 1/2 2

3 (M) 0 (s) 0 3 s 1/2 2 18

1 (p) +1 3px 1/2 2

0 3 py 1/2 2

-1 3pz 1/2 2

2 (d) +2 3dxy 1/2 2

+1 3dxz 1/2 2

0 3 dyz 1/2 2

-1 3dx2-y2 1/2 2

-2 3dz2 1/2 2

1

sharp). Es gibt auch andere Zustnde des Elektrons im Wasserstoffatom, p-, d- und f-Orbitale (p = prin-cipal, d = diffus, f = fundamental; die Bezeichnungen s, p, d, f stammen aus der Spektroskopie). Die rum-liche Darstellung der p-Orbitale, genauer gesagt, die Bereiche, in denen die Aufenthaltswahrscheinlich-keit grer als 90 % ist, sehen Sie in Abb. 1.7.

1.3.3.4 Die Quantenzahlen Es sind also immer nur bestimmte Elektronenzu-stnde erlaubt. Diese Quantelung ist an bestimmte Zahlen gebunden, die Quantenzahlen.

Hauptquantenzahl: Die Hauptquantenzahl n be-stimmt die mglichen Energieniveaus. Dafr ver-wendet man auch den Begriff Schale, die mit den groen Buchstaben K, L, M, N bezeichnet werden. Die Energiewerte nehmen in dieser Rei-henfolge zu. Durch die Hauptquantenzahl knnen

Nebenquantenzahl: Die Nebenquantenzahl l nimmt Werte zwischen (n1) und 0 an, sie be-schreibt die Gestalt der Orbitale. Wenn l = 0 ist, handelt es sich um ein kugelsymmetrisches s-Or-bital. p-Orbitale sind durch l = 1 charakterisiert. Man bezeichnet gelegentlich die energetisch quivalenten Stze der s-, p- und d-Orbitale als Unterschalen. Magnetquantenzahl: Auch die rumliche Orien-tierung der Orbitale ist gequantelt. Sie wird durch die Magnetquantenzahl m beschrieben, die die ganzzahligen Werte von l ber 0 bis +l anneh-men kann. Spinquantenzahl: Die Spinquantenzahl (spin engl. drehen) kann die Werte +1/2 und 1/2 anneh-men, sie beschreibt die Eigenrotation des Elekt-rons.

Zu den Beziehungen zwischen den Quantenzahlen s. .7Tab. 1. .Elektronen beschrieben werden 2immer 2n



1

8Abb. 1. Die verschiedenen Energieniveaus -Energieniveauschema fr ein System mit 6 Elektro 9Abb. 1.nen

1.3.3.5 Die Elektronenkonfiguration Die Elektronenkonfiguration ist also: Wir wollen nun versuchen, diesen Orbitalen Elektro-nen zuzuordnen. Dabei muss das Pauli-Prinzip be- 2py12px22 s 2oder genauer 1 s 22p 22 s 21 s 1 . achtet werden, nach dem Elektronen niemals in allen vier Quantenzahlen bereinstimmen drfen. Ver- Vergleichen Sie dies mit der schematischen Darstel-stndlicherweise beginnt man immer mit Zustnden . Die Pfeile symbolisieren Elektronen9Abb. 1. nlung i niedrigster Energie. Diese Aufteilung gelingt leichter mit unterschiedlichem Spin. bei Verwendung einer schematischen Darstellung

).8Abb. 1. (ndetder erlaubten Elektronenzus Fr ein Atom mit 5 Elektronen (= Boratom) ergibt sich folgende Verteilung: Durch das 1 s-Orbital kn-nen zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin beschrieben werden, so auch durch das 2 s-Orbital. Fr das fnfte Elektron mssen wir ein 2p-Orbital zur Beschreibung heranziehen. Vereinfachend wird oft gesagt, 2 Elektronen besetzen das 1 s-Orbital, 2 Elektronen das 2 s- und 1 Elektron besetzt das 2p x -Orbital. Kurz knnen wir diese Verteilung oder Elektronen-konfiguration so darstellen:

Wie Sie sehen, ist es nicht so schwierig, Elektronenkonfigurationen bei gegebener Elektro-nenanzahl aufzuschreiben. Da solche Konfiguratio-nen weniger im Physikum, sondern eher in Klau-suren abgefragt werden, formulieren Sie am besten gleich noch die Elektronenverteilung fr 16 und fr 20 Elektronen (Lsung s. S. 199). Seien Sie auf-merksam und schauen Sie die Darstellung der Energieniveaus genau an. Sie werden feststellen, dass das 4 s-Orbital energetisch gnstiger ist als die 3d-Orbitale. Vergleichen Sie Ihr Ergebnis.

x2p 22 s 2oder genauer 1 s 12p 22 s 21 s 1 Die Elektronenkonfiguration lautet also fr 20 Elekt-. ronen (Calciumatom):

Die hochgestellten Zahlen geben an, wie viele Elekt-ronen jeweils das angegebene Orbital besetzen, wo- 24 s 63p 23 s 62p 22 s 21 s . bei sie sich in ihrer Spinquantenzahl unterscheiden mssen. Erst bei 21 Elektronen (Scandiumatom) werden die Wenn wir nun die 6 Elektronen des Kohlenstoffatoms 3d-Orbitale bentigt: verteilen mchten, zeigt Abb. 1.9, dass nicht klar ist, wo das 6. Elektron eingeordnet wird. Der Hund'schen 23 s 62p 22 s 2 oder 1 s 13d 24 s 63p 23 s 62p 22 s 21 sRegel folgend mssen bei energetisch gleichen Orbi- 24 s 13d 63p . talen diese zuerst mit je einem Elektron besetzt wer-den. Erst dann erfolgt die Auffllung mit einem zwei- Die erste Darstellung beschreibt die Auffllungsfolge, ten Elektron. die zweite den nach dem Auffllen erreichten Zu-


16 Das Periodensystem der Elemente (PSE) 1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung

1

stand, bei dem dann das 4 s-Orbital sozusagen nach auen rutscht. Als Auenelektronen werden in sol-chen Systemen, bei denen d-Orbitale aufgefllt wer-den, gewhnlich die ueren s-Elektronen angese-hen.

Check-up 4 Erklren Sie nochmals die Begriffe Orbital und

Quantenzahl und machen Sie sich die rum-liche Darstellung der Orbitale klar.

4 Wenn noch nicht geschehen, ben Sie die An-gabe der Elektronenkonfiguration anhand ei-niger Beispiele (s. o.).

1.4 Das Periodensystem der Elemente (PSE)

Lerncoach Die Kenntnis der Gesetzmigkeiten im Pe-riodensystem ist eine wichtige Vorausset-zung, um die Eigenschaften und Reaktionen von Elementen bzw. Stoffen zu verstehen. Diese Gesetzmigkeiten erschlieen sich Ih-nen am besten, wenn Sie die Elektronenkon-figuration gut beherrschen.

1.4.1 Die Einteilung im Periodensystem (Eine Abbildung des heute verwendeten Perioden-systems finden Sie auf der Umschlagseite.) Elemente, deren Atome analoge Elektronenkonfigu-rationen besitzen, haben auch hnliche Eigenschaf-ten. Sie werden zu Gruppen zusammengefasst und bilden die senkrechten Spalten des PSE. Wegen der vergleichbaren Eigenschaften hat man den Gruppen auch Namen gegeben (Chalkogene, Halogene etc.). Die waagerechten Reihen nennt man Perioden, sie entsprechen den auf S.14 besprochenen Schalen. Zur Nummerierung der Gruppen sind mehrere Be-zeichnungen im Gebrauch. Die Durchnummerierung von 1 bis 18 wird von der IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) empfohlen, dabei geht der Zusammenhang zwischen der mit rmi-scher Ziffer gekennzeichneten Gruppennummer in der alten Kennzeichnung und der Anzahl der Valenz-elektronen allerdings verloren. Die alte Kennzeich-nung nummerierte von I bis VIII und trennte durch

die Buchstaben A und B die Haupt- von den Nebengruppenelementen.

Die Nebengruppenelemente knnen wir aber an-hand der Elektronenkonfiguration gut einordnen. Wenn Sie nmlich beim Verteilen der Elektronen zu-letzt d-Orbitale bentigen, handelt es sich um ein Nebengruppen- oder bergangselement (z. B. Scan-dium). Bei hheren Ordnungszahlen treten f-Orbitale auf. Wenn diese zuletzt besetzt werden, spricht man ebenfalls von Nebengruppenelementen. Zu ihnen ge-hren die Lanthanoide und Actinoide. Da diese je-doch medizinisch von untergeordneter Bedeutung sind, sollen sie hier nicht weiter besprochen werden.

Bei den Hauptgruppenelementen werden die s- und p-Orbitale besetzt. Die brigen Orbitale sind leer oder vollstndig gefllt. Bei den Atomen von Nebengruppenelementen er-folgt die Auffllung von d- und f-Orbitalen.

MERKE

Die chemische hnlichkeit der Elemente einer Hauptgruppe ist eine Folge der identischen Valenz-elektronenkonfiguration, d. h., die Anzahl der Elekt-ronen auf der uersten Schale ist gleich.

1.4.2 Die Periodizitt der Eigenschaften Der Atomradius innerhalb einer Periode (= waage-rechte Reihen) nimmt ab. Das hngt mit der Zu-nahme der positiven und negativen Ladungen zu-sammen, die zu einer strkeren elektrostatischen Wechselwirkung zwischen Elektronen und Protonen fhrt. Innerhalb einer Gruppe (= senkrechte Spalten) nimmt der Atomradius zu, denn mit jeder neuen Periode muss eine neue Schale bercksichtigt wer-den. Die Elektronenaffinitt ist die Energie, die frei wird, wenn ein Elektron aus dem Unendlichen in das tiefs-te freie Orbital eingebaut wird. Dabei entsteht ein Anion. Diese Energie ist bei Atomen auf der rechten Seite des Periodensystems am grten. Deshalb nimmt die Elektronenaffinitt von links nach rechts zu. Innerhalb einer Gruppe sinkt mit der Zunahme der Gre der Atome die Elektronenaffinitt. Die Elektronenaffinitt darf nicht mit der Elektro-negativitt verwechselt werden, die im Zusam-menhang mit Verschiebungen der Elektronendichte


1 Allgemeine Grundlagen und chemische Bindung Das Periodensystem der Elemente (PSE) 17

1

Abb. 1.10 Der Aufbau und die Gesetzmigkeiten im PSE

(s. S. 29) in kovalenten Bindungen (s. S. 26) definiert wird. Diese Gre ist nicht elementspezifisch. Sie hngt vom Bindungszustand und vom Bindungspart-ner ab. Die im PSE angegebenen Elektronegativitts-werte beziehen sich auch auf bestimmte kovalente Bindungen. Auch fr diese Werte gilt, dass sie inner-halb einer Periode von links nach rechts zunehmen und innerhalb einer Gruppe abnehmen. Die Ionisierungsenergie ist die Energie, die man be-ntigt, um ein Elektron aus dem hchsten besetzten Orbital eines Atoms zu entreien. Dabei bildet sich ein Kation. Die Ionisierungsenergie ist in der 1. und 2. Hauptgruppe sehr klein und nimmt innerhalb einer Periode zu. Dies kann man sich anhand der Elektro-nenkonfiguration gut verdeutlichen: Atome der 1. und 2. Gruppe erreichen durch die Abgabe von einem Elektron oder zwei Elektronen die Konfiguration des vorhergehenden Edelgases. Edelgase haben eine vollstndig besetzte uere Schale, was energetisch

sehr gnstig ist (s. S. 23). Analoge berlegungen gel-ten fr die Elektronenaffinitt. Innerhalb einer Gruppe nimmt die Ionisierungsenergie ab, da durch den zunehmenden Atomradius die Valenzelektronen immer weiter vom Kern entfernt und damit weniger stark gebunden sind. Aus diesen Zusammenhngen leitet man Aussagen zur hchstmglichen Oxidationszahl (s. S. 69) und zum Metall- und Nichtmetallcharakter ab (Abb. 1.10).

1.4.3 Kurzinformationen zu wichtigen Gruppen mit ihren Elementen

Nachfolgend sind in tabellarischer Form einige Infor-mationen zu den Hauptgruppenelementen, zu aus-gewhlten Nebengruppenelementen und deren Verbindungen aufgefhrt. Elemente, die in lebens-wichtigen Naturstoffen vorhanden sind und/oder von biochemischen, pharmakologischen oder toxiko-logischem Interesse sind, wurden hervorgehoben.



Bitte lernen Sie die folgenden Tabellen nicht Beachten Sie bitte, dass sich die Angaben zum Vor-auswendig. Sie sollen Ihnen lediglich die Bedeutung kommen immer auf die Atomart beziehen. Wenn der der Chemie fr die Medizin verdeutlichen. Bei me- menschliche Organismus also 1,4 g Silicium enthlt, dizinisch bedeutsamen Elementen merken Sie sich bedeutet das nicht etwa den reinen Stoff Silicium,

1bitte das entsprechende Symbol (= fett hervorge-hoben).

sondern nur die Atomart Si, die in Verbindungen mit anderen Elementen vorliegt.

1.4.3.1 Die Alkalimetalle

Name Symbol Vorkommen Bedeutung

Lithium Li kommt in Verbindungen zu 0,006 % in der oberen Einige Verbindungen besitzen antidepressive Wirkung Erdkruste vor

Natrium Na kommt in gebundener Form zu 2,63 % in der oberen Erdkruste vor

Natriumionen sind die wichtigsten Kationen des Extrazellularraums. Sie sind wichtig fr den Aufbau des osmotischen Drucks, die Aktivierung von Enzy-men, Nervenleitung und Muskelerregung

Kalium K kommt in gebundener Form zu 2,41% in der Erdkruste vor

Kaliumionen sind die wichtigsten Ionen des Intra -zellularraumes und die Antagonisten der Natriumio-nen Besondere Bedeutung haben Kaliumverbindungen als Dnger

Rubidium Rb kommt in gebundener Form zu 0,03% in der Erdkruste vor

Der menschliche Organismus enth lt ca. 0,32 g Ru-bidium, dessen physiologische Funktion nicht aus-reichend geklrt ist

Csium Cs kommt in gebundener Form zu 0,0007 % in der Erdkruste vor

13755Cs spielt in der Strahlentherapie eine Rolle

Francium Fr Vorkommen nur als radioaktive Isotope mit kurzer Halbwertszeit

1.4.3.2 Die Erdalkalimetalle


Beryllium Be nur in Verbindungen zu etwa 0,006 % in der Beryllium und seine Verbindungen sind stark toxisch. Bei Erdkruste der Berylliose kommt es durch chronische Inhalation von

Beryllium und seinen Verbindungen zu einer Lungenfibrose

Magnesium Mg nur in Verbindungen zu etwa 1,95% in der Erdkruste, ein erwachsener Mensch hat etwa 30 g chemisch gebundenes Magnesium

Magnesium ist das zweitwichtigste intrazellulre Kation und ein wichtiger Katalysator vieler Reaktionen. Es ist auerdem Bestandteil des Chlorophylls Magnesiumverbindungen kommen u. a. bei bestimmten Herzrhythmusst rungen, zur Wehenhemmung, bei Sod-brennen und Obstipation zum Einsatz

Calcium Ca nur in Verbindungen zu etwa 3,63% in der Erdkruste

Calcium ist fr die Pflanzen- und Tierwelt von groer Bedeutung. Es wird fr Knochen, Gehuse und Schalen genauso bentigt wie fr die Zellwandbildung, die Zelltei-lung, die Muskelkontraktion und die Blutgerinnung

Strontium Sr nur in Verbindungen zu etwa 0,03% in der Erdkruste

Strontiumverbindungen sind ungiftig, sie reichern sich aber in Knochen und Zhnen an. Das radioaktive Isotop 90 38Sr fhrt zu Knochensarkomen

Barium Ba nur in Verbindungen zu 0,04% in der Erdkruste

Bariumsulfat dient als Rntgen-Kontrastmittel, da es sehr schwer lslich ist. Leichtlsliche Verbindungen sind sehr giftig

Radium Ra Vorkommen nur als radioaktive Isotope, Ra wird in der Strahlentherapie eingesetzt %2-110 7 Anteil in der Erdkruste nur



1.4.3.3 Die Borgruppe (Erdmetalle)


-B nur in Sauerstoffverbindungen zu 0,001% in der Bor ist fr Pflanzen ein wichtiges Spurenele )Bor (Halbmetall Erdkruste ment, fr Tiere und Mikroorganismen scheint es

entbehrlich zu sein

Aluminium (Metall) Al nur in Verbindungen zu 8,13% in der Erdkruste ,der menschliche Krper enthlt 50150 mg gebundenes Aluminium

Wichtiges Gebrauchsmetall, hohe Aluminium-gehalte in der Nahrung knnen Arteriosklerose frdern und den Phosphatstoffwechsel stren. Eine Lsung von essigsaurer Tonerde (Alumi-numacetat) spielte frher eine Rolle fr ad-stringierende, khlende Umschlge, fr Splungen und zum Gurgeln

Gallium (Metall) Ga nur in Verbindungen zu 0,0015 % in der Erdkruste

Gallium spielt in der Technik eine Rolle als Halb -und Supraleiter

Indium (Metall) In nur in Verbindungen zu etwa 0,00001 % in der Erdkruste

Indium wird fr Dentallegierungen verwendet

Thallium (Metall) Tl nur in Verbindungen zu etwa 0,00001 % in der Tl und Tl-Verbindungen sind stark toxisch ) Erdkruste (frher in Enthaarungspr paraten enthalten

1.4.3.4 Die Kohlenstoffgruppe


Kohlenstoff C ungebunden Vorkommen als Graphit, Kohlenstoff und seine Verbindungen sind die Diamant oder Kohle, Trger aller Lebenserscheinungen auf der Erde zu 0,087 % in der Erdkruste enthalten, die Atmosphre enthlt in gebundener Form

t, die lebende pflanzliche Biomasse 910 072 t Kohlenstoff 910 083

Silicium (Halbmetall) Si zu 25,8 % in der Erdkruste enthalten, ist das zweithufigste Element, der menschliche Organismus ent hlt ca. 1,4 g Silicium (Er-wachsener)

Silicium spielt wahrscheinlich als Spuren-element fr die Bildung von Knochen und Bindegewebe eine groe Rolle. Siliciumorgani-sche Verbindungen werden als Pharmaka ein-gesetzt. In der Halbleitertechnik und fr Solarzellen ist es von groer Bedeutung

Germanium (Metall) Ge zu 0,00056 % in der Erdkruste enthalten Germanium wird fr die Produktion von Leuchtdioden und Solarzellen bentigt

Zinn (Metall ) Sn zu 0,0035 % in der Erdkruste enthalten Metallisches Zinn gilt als ungiftig. Es scheint ein essenzielles Spurenelement zu sein, denn bei einem Mangel werden u. a. Appetitlosigkeit , Haarausfall und Akne beobachtet. Einige zinn -organische Verbindungen werden als Fungizide und Desinfektions-mittel verwendet

Blei (Metall) Pb zu 0,0018 % in der Erdkruste enthalten Blei und seine Verbindungen sind giftig. Eine Bleivergiftung uert sich u. a. durch Mdigkeit, Appetitlosigkeit, Koliken, Ablagerungen von Bleisulfid am Zahnrand

1



1.4.3.5 Die Stickstoffgruppe

1

Name

Stickstoff

Phosphor

Symbol

N

P

Vorkommen Bedeutung

Stickstoff ist zu 0,03 % in der Erdkruste, der weitaus grte Teil jedoch in der Lufthlle

.enthalten 3% des Krpergewichts des Menschen sind gebundener Stickstoff.

Elementarer Stickstoff hat keine physiologische Wirkung. Das Ersticken in einer Stickstoffat-

-re beruht auf Sauerstoffmangel. Aufhmosp grund seiner geringen Reaktivitt wird es als Inert- und Schutzgas und als Treibmittel fr Sprays eingesetzt. Es ist Bestandteil von Eiweien, Nukleinsuren und Coenzymen. Stickstoffverbindungen sind wichtige Dnge-mittel

zu 0,1 % in der Erdkruste enthalten, der menschliche Organismus enthlt ca. 700 g P (Erwachsener), wobei 600g davon in der Knochensubstanz gebunden sind

Phosphor ist als Phosphat in Knochen, als Ester -in der DNA und in den Phospholipiden ge

bunden. Weier Phosphor fhrt aufgrund seiner hohen Reaktivitt bei oraler Einnahme zu schweren Vergiftungserscheinungen. Er ent-zndet sich an der Luft selbst und kann zu schweren Verbrennungen fhren

Arsen (Halbmetall) As 5zu 5, 10-4 % gediegen und gebunden in der Erdkruste enthalten

-Arsen ist in allen organischen Geweben ent halten, wobei seine Rolle als Spurenelement nicht bis ins letzte Detail geklrt ist. Viele Arsenverbindungen sind giftig und spielten bei Mordfllen eine groe Rolle

Antimon (Metall) Sb zu 0,0001 % in der Erdkruste enthalten, gele-gentlich gediegen

Antimonverbindungen sind giftig, rufen aber oft einen Brechreiz hervor. Zu diesem Zweck

-her Brechweinstein, eine Antimon rwurde f verbindung der Weinsure, verwendet. Gele-gentlich werden Antimonprparate zur

-Therapie von Protozoen-Erkrankungen einge setzt, Nebenwirkungen begrenzen jedoch den Einsatz

Bismut (Metall) Bi zu 0,00002 % in der Erdkruste gediegen und gebunden enthalten

Bismutverbindungen haben eine adstringie-rende, antiseptische und diuretische Wirkung, die seit dem Altertum bekannt ist. Nebenwir-kungen haben die Verwendung aber stark eingeschrnkt

1.4.3.6 Die Chalkogene


Sauerstoff O Sauerstoff ist fr die Mehrzahl der Organismen ,zu 49,5% in der Erdkruste gebunden enthalten auerdem in der Erdatmosphre und in der zur Aufrechterhaltung energieliefernder Um-Wasserhlle stze wie der Atmung lebensnotwendig. Der

% Mensch kann sauerstoffarme Gemische mit 8 Sauerstoff gerade noch verwerten, bei nur 7% tritt Bewusstlosigkeit ein, bei 3 % Ersticken. Reiner Sauerstoff kann nur bei Unterdruck ohne

.Schaden aufgenommen werden ,Ozon, eine dreiatomige Sauerstoffverbindung

hat desinfizierende Wirkung, bei zu hohen Konzentrationen schdigt es die Atemwege

Schwefel S zu 0,05 % in der Erdkruste elementar und in gebundener Form enthalten, der menschliche Organismus enthlt ca. 175 g gebundenen Schwefel .

Schwefel ist ein wichtiges in Aminosuren, Coenzymen und Vitaminen enthaltenes Ele-ment. Schwefelpulver und -salbe haben des-infizierende Wirkung

Selen Se zu 9 10-6 % in der Erdkruste enthalten Selen ist ein essenzielles Spurenelement, es schtzt Proteine vor Oxidation. Mit Selenman -gel knnten Rheumatismus und grauer Star in Verbindung stehen

Tellur (Halbmetall) Te zu 10-7 % in der Erdkruste enthalten Tellur wird f r Legierungen als Glas-Keramik -Farbstoff bentigt. Tellurprparate spielen in der Homopathie eine Rolle.

Polonium (Metall) Po kommt nur in Form radioaktiver Isotope vor



1.4.3.7 Die Halogene


Fluor F zu 0,065 % nur gebunden in der Erdkruste ent- Die kontrollierte Fluorzufuhr ist ein wirksamer halten, im menschlichen Organismus etwa 800 mg Schutz vor Karies. Die Knochenverfestigung durch in Zahnschmelz und Dentin, in Knochen, Blut, Fluor nutzt man in der Therapie von Osteoporose Magensaft, Schwei aus, berdosierungen fhren aber zu Verdickung

und Versteifung der Gelenke. Fluororganische transportieren 2und CO 2nnen OVerbindungen k

und spielen deshalb eine Rolle als Blutersatzmittel

Chlor Cl zu 0,03 % chemisch gebunden in der Erdkruste enthalten

Chlorgas zerstrt tierisches und pflanzliches Ge-webe durch Oxidation, Substitut ion von Was-serstoff oder Chloraddition an Doppelbindungen . Darauf beruht auch die desinfizierende Wirkung von Chlorwasser. Chloridionen sind lebensnot-wendig fr die im Organismus bestehenden Sure-/Base-Gleichgewichte, den Wasserhaushalt und die Nieren- und Magensekretion. Salzsure (die wssrige HCl-Lsung) ist zu 0,3 bis 0,5 % im Magensekret enthalten

Brom Br zu 0,0003 % chemisch gebunden in der Erdkruste enthalten

Elementares Brom ist extre m tzend. Brompr-parate spielen als Sedativa eine Rolle. Silberbromid findet als lichtempfindliche Substanz auf Filmen und Fotopapier Verwendung

Iod I kommt in der Natur nur in Spuren vor Iodtinktur ist eine alkoholisch-wssrige Lsung von I 2 und KI (Kaliumiodid) und wird als Desin-fektionsmittel eingesetzt. Das mit der Nahrung aufgenommene Iod wird in der Schilddrse gespeichert und dort zur Synthese des Schilddr -senhormons Thyroxin benutzt. Bei Iodmangel kommt es zu Strungen der Schilddrsenfunktion (evtl. mit Kropfbildung)

Astat At kommt nur in Form radioaktiver Isotope vor Astatisotope werden zur lokalen Bestrahlung und in Form markierter Prparate als Radiopharmaka benutzt

1.4.3.8 Die Edelgase Edelgase sind auerordentlich reaktionstrge. Edelgasverbindungen sind erst seit den 60-er Jahren des 20. Jahrhunderts bekannt.

Name Symbol Vorkommen1

Helium He kommt am hufigsten in Erdgasen vor

Neon Ne zu 0,0012% in der Luft

Bedeutung

Helium wird als Fllung fr Luftschiffe und Ballons, aber auch als Taucherluft verwendet

Fllgas fr Leuchtstoffrhren

Argon Ar zu 1,286 % in der Luft ,hlampen, Schutzgas bei Reaktionen lr Gfllgas F die unter Sauerstoffausschluss ablaufen

Krypton Kr % in der Luft -410 zu 3 Fllgas fr Glhlampen

Xenon Xe 4 zu % in der Luft -510 wichtiges Narkosegas, Fllgas fr Glhlampen

Radon Rn eines der seltensten Elemente der Erdrinde -Bade- und Trinkkuren mit radonhaltigem Heil wasser gegen Schmerzen und Entzndungen

.Die Prozentangaben sind Masseprozent 1

1



1.4.3.9 Ausgewhlte Nebengruppenelemente

1

Name

Chrom

Mangan

Symbol

Cr

Mn

Vorkommen Bedeutung

zu 0,02 % in der Erdkruste gebunden enthalten Chrom ist ein wichtiges Spurenelement fr den Glucosestoffwechsel. Chrom in Verbindungen mit der Oxidationsstufe 6 ist ein starkes Oxidations-mittel und sehr giftig

zu 0,1 % in der Erdkruste gebunden enthalten, im menschlichen Organismus etwa 20 mg in den Mitochondrien, im Zellkern und in den Knochen

Mangan ist ein Spurenelement, das die Biosynthese von Cholesterin stimuliert sowie fr Blutgerinnung und Atmungskette von Bedeutung ist. Besonders manganreich sind z. B. Vollkornprodukte

Eisen Fe zu 5% in der Erdkruste enthalten, im gesamten Erdball wahrscheinlich zu 37%, damit wre es das hufigste Element des Erdballs

Eisen ist nicht nur das wichtigste Gebrauchsmetall, es ist auch ein wichtiges Spurenelement. Es ist im roten Blut- und Muskelfarbstoff und in den Redoxsystemen der Enzymkomplexe der At-mungskette enthalten

Cobalt Co zu 0,002 % in der Erdkruste enthalten Cobalt ist ein wichtiges Spurenelement. Es ist z. B. im Vitamin B12 gebunden, das fr die Bildung der roten Blutkrperchen von groer Bedeutung ist

Nickel Ni zu 0,015 % in der Erdkruste enthalten Nickel hat wahrscheinlich als Spurenelement fr den Kohlenhydratstoffwechsel Bedeutung. Fr

,zahlreiche Nickelverbindungen ist ein toxisches allergenes und/oder mutagenes Potenzial nachge-wiesen worden

Kupfer Cu zu 0,007 % in der Erdkruste enthalten, gelegentlich auch gediegen

Kupfer ist ein Spurenelement. Lsliche Kupfersalze sind starke Emetika, die aber wegen des vermu-teten mutagenen und karzinogenen Potenzials nicht mehr benutzt werden.

Zink Zn -zu 0,012 % in der Erdkruste nur gebunden ent halten

Zink ist ein Spurenelement und spielt beim Alkoholabbau und bei der Genregulation eine

.Rolle

Silber Ag zu 10-6 % in der Erdkrust

kurzlehrbuch chemie

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