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Über dieses Buch

Dieses Referenzwerk beschreibt umfassend, kompakt und präzise die Geschichte, Eigenschaften, Herstellung und Anwendung aller Elemente des Periodensystems. Besonderes Augenmerk liegt auf den chemischen Verbindungen der Elemente, die ebenfalls umfangreich dargestellt werden. Dieses Buch enthält 20 Kapitel, die in Form von Unterkapiteln jeweils die Elemente

der acht Hauptgruppen,der ersten und zweiten sowie der vierten bis zehnten Nebengruppe,der Seltenerdmetalle und der dritten Nebengruppe, sowieder Actinoide

enthalten. Abschließend folgt ein Ausblick auf die noch nicht entdeckten Elemente der achten und neunten Periode.

Wenn immer möglich, hielt ich in diesem Buch bei der Darstellung der chemischen Verbindungen der Elemente stets die Reihenfolge von Chalkogeniden, Halogeniden, Pnictogeniden und sonstigen Verbindungen aufrecht.

Der einführende, die Historie des jeweiligen Elements beleuchtende Teil enthält in vielen Fällen Biografien bekannter Forscher, deren Schaffensperioden im von der nahen Vergangenheit bis ins Mittelalter reichenden Zeitraum liegen. Nicht nur Portraits von Chemikern werden Sie finden, sondern auch von Kernphysikern, Astronomen und Medizinern.

Ich wünsche diesem Standardwerk eine breite Leserschaft, die daraus den größtmöglichen Nutzen zu ziehen vermag. Es freut mich, dass Sie dabei sind, die so faszinierende Anorganische Chemie neu zu entdecken.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Wasserstoff und Alkalimetalle: Elemente der ersten Hauptgruppe

Zusammenfassung
Hier sind alle Elemente der ersten Hauptgruppe vereint, also Wasserstoff und sämtliche Alkalimetalle. Wasserstoff wurde vor 250 Jahren, die Metalle Lithium, Natrium und Kalium vor 200 Jahren entdeckt. Rubidium und Cäsium folgten 50 Jahre später, und Francium, dessen Isotope alle extrem kurzlebig sind, wurde 1939 erstmals beschrieben. Obwohl diese Elemente in vielen Publikationen genannt werden und daher ziemlich bekannt sind, haben wir auch hier eine interessante Elementenfamilie vor uns.
Die Alkalimetalle sind chemisch sehr reaktiv und zeigen regelmäßige Abstufungen ihrer Eigenschaften. So nehmen vom Lithium zum Cäsium Dichte und Reaktivität zu, Schmelz- und Siedepunkte sowie Elektronegativitäten dagegen ab. Ebenso erfolgt heftige bis explosionsartige Reaktion mit Wasser und Mineralsäuren. In ihren Verbindungen sind sie fast durchweg immer der elektropositivere Partner.
Hermann Sicius

2. Erdalkalimetalle: Elemente der zweiten Hauptgruppe

Zusammenfassung
Alle Elemente dieser Gruppe, von Beryllium bis Barium, wurden vor rund 200 Jahren entdeckt, und Radium auch bereits Ende des 19. Jahrhunderts. Magnesium, Calcium und auch Barium kommen sehr häufig in der Erdkruste vor; dagegen sind Beryllium und Strontium wesentlich seltener. Radium ist eines der Zerfallsprodukte natürlich vorkommenden Urans und in Uranerzen daher immer, wenn auch nur in geringsten Spuren, enthalten.
Die Elemente dieser Gruppe sind zwar sämtlich Metalle, zeigen aber deutliche Abstufungen ihrer Eigenschaften. Die „echten“ Erdalkalimetalle Calcium, Strontium, Barium und Radium zeigen die typische hohe Reaktionsfähigkeit gegenüber Wasser, Säuren und Nichtmetallen, wogegen diese bei Magnesium nur noch abgeschwächt und bei Beryllium in wesentlich geringerem Ausmaß zu sehen sind.
Hermann Sicius

3. Erdmetalle: Elemente der dritten Hauptgruppe

Zusammenfassung
Alle Elemente der dritten Hauptgruppe (Borgruppe oder Erdmetalle), mit Ausnahme des vor etwa zehn Jahren erstmals erzeugten Nihoniuims, wurden erst im 19. Jahrhundert entdeckt. Obwohl Aluminium das am häufigsten vorkommende Metall ist, blieb es in elementarer Form lange verborgen. Gallium, Indium und Thallium sind dagegen sehr selten.
Die Elemente dieser Gruppe ändern ihren Charakter teils stark von Halbmetall (Bor) über das allgegenwärtige, metallische Aluminium hin zu tiefschmelzenden Schwermetallen (Gallium, Indium und Thallium) und zu einem möglicherweise leichtflüchtigen und gelegentlich anionisch auftretenden Metall (Nihonium).
Hermann Sicius

4. Kohlenstoffgruppe: Elemente der vierten Hauptgruppe

Zusammenfassung
Die Elemente der Kohlenstoffgruppe, also die der vierten Hauptgruppe, haben stark voneinander abweichende Eigenschaften. Die Atome dieser Elemente nehmen entweder vier Elektronen auf oder geben meist zwei oder vier ab, um eine stabile Elektronenkonfiguration zu erreichen.
Kohle und damit Graphit ist seit vorgeschichtlicher Zeit bekannt, und Diamant als zweite wichtige Modifikation des Kohlenstoffs ist bereits in chinesischen Quellen aus dem 3. Jahrtausend vor Christus erwähnt. Seit der Bronzezeit kennen die Menschen Blei, Zinn auch schon seit 6000 Jahren. Dass Sand Silicium zugrunde liegt, wissen wir aber erst seit etwa 200 Jahren, und Germanium wurde ebenfalls erst 1886 beschrieben. Atome des Fleroviums konnten 1999, also noch im letzten Jahrtausend, dargestellt werden. Wir haben also eine lange bekannte Familie von Elementen vor uns.
Das Nichtmetall Kohlenstoff ist in seiner Modifikation Graphit ein hochschmelzender Feststoff, ebenso die Halbmetalle Silicium und -mit Abstrichen- Germanium. Zinn und Blei, die metallischen Vertreter dieser Gruppe, weisen dagegen tiefe Schmelzpunkte auf. Flerovium ist möglicherweise sogar ein leicht flüchtiges Halbedelmetall.
Hermann Sicius

5. Pnictogene: Elemente der fünften Hauptgruppe

Zusammenfassung
Dieses Kapitel präsentiert Ihnen eine kompakte, umfassende Übersicht über die Pnictogene. Diese in chemischer Hinsicht vielseitigen Elemente können in zahlreichen Oxidationsstufen auftreten. Ihr Charakter reicht von nichtmetallisch (Stickstoff, teils auch Phosphor) über halbmetallisch (Arsen, Antimon) bis metallisch (Bismut und Moscovium). Antimon ist schon seit einigen tausend Jahren bekannt, Arsen seit etwa 800, Phosphor seit 350 und Stickstoff sowie Bismut auch schon seit 250 Jahren. Selbst Moscovium ist in seinen Grundzügen seit 15 Jahren beschrieben. Eine offenbar „alte“ Elementenfamilie also? Keineswegs! Ständig erhalten Forscher und Anwender neue Ergebnisse, es gibt derart viele Anwendungen, so dass wir hier nur das Wichtigste berichten können.
Hermann Sicius

6. Chalkogene: Elemente der sechsten Hauptgruppe

Zusammenfassung
Die Chalkogene sind vielseitige Elemente, die in zahlreichen Oxidationsstufen auftreten können. Ihr Charakter reicht von nichtmetallisch (Sauerstoff) bis metallisch (Polonium und Livermorium). Schwefel ist schon seit einigen tausend Jahren bekannt, Sauerstoff, Selen und Tellur seit etwa 200, Polonium seit gut 100 und Livermorium auch schon seit 15 Jahren. Eine ziemlich „alte“ Elementenfamilie also? Mitnichten. Die Chemie dieser Stoffe ist derart umfangreich, an Anwendungen gibt es dermaßen viele, dass hier nur das Wichtigste wiedergegeben werden kann.
Hermann Sicius

7. Halogene: Elemente der siebten Hauptgruppe

Zusammenfassung
Die Halogene sind eine der chemisch reaktivsten Gruppen von Elementen. Sie sind teils schon lange bekannt, werden in sehr vielen Anwendungen eingesetzt und zeigen eine vor allem hinsichtlich ihrer Verbindungen mit anderen Nichtmetallen interessante Chemie. Fluor und Chlor sind bei Raumtemperatur Gase, Brom ist neben Quecksilber das einzige unter diesen Bedingungen flüssige Element, wogegen Iod, Astat und möglicherweise auch Tenness unter diesen Bedingungen Feststoffe sind. Lassen Sie sich überraschen: Halogene sind weit mehr als nur Kochsalz und Iodoform.
Hermann Sicius

8. Edelgase: Elemente der achten Hauptgruppe

Zusammenfassung
Neonreklame, Helium als Füllgas in Ballons, Xenonscheinwerfer: diese Begriffe sind Ihnen wahrscheinlich bekannt, doch was steckt dahinter? Damit nicht genug: Radon in unterirdischen Heilstollen, mit Argon gefüllte Glühbirnen, KrF+ und Perxenate als stärkste bisher bekannte Oxidationsmittel?
Dieses Kapitel gibt Ihnen kurzen, aber umfassenden Einblick in die Welt der Edelgase. Sie haben richtig gelesen: man hat die Vertreter dieser Gruppe so genannt, weil sie kaum oder gar nicht mit anderen Elementen oder Verbindungen reagieren. Trotzdem bieten sie hochinteressante Einblicke und sind aus vielen technischen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Wir spannen hier den Bogen von der Zeit ihrer Entdeckung vor rund hundert Jahren bis heute, und die Erforschung dieser Elemente ist noch lange nicht abgeschlossen.
Hermann Sicius

9. Titangruppe: Elemente der vierten Nebengruppe

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Elemente der vierten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente mit ihren wichtigsten Verbindungen beschrieben. Vor allem ist Titan Bestandteil vieler Gebrauchsgegenstände des täglichen Bedarfs und in technologischer Hinsicht für die Zukunft unverzichtbar, aber auch Zirconium und Hafnium gehen in viele Anwendungen. Es werden ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften, ihr Vorkommen, bedeutsame Herstellverfahren, Anwendungen und Patente aufgeführt.
Hermann Sicius

10. Vanadiumgruppe: Elemente der fünften Nebengruppe

Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt die chemischen und physikalischen Eigenschaften, Vorkommen, Herstellverfahren, Anwendungen und Patente der Elemente der fünften Nebengruppe des Periodensystems der Elemente mit ihren wichtigsten Verbindungen. Vanadium ist Bestandteil einer Reihe widerstandsfähiger und harter Stähle, wogegen man aus den harten und chemisch relativ inerten Metallen Niob und Tantal hochschmelzende Legierungen für besondere Anwendungen herstellt. Isotope des Dubniums kommen in der Natur nicht vor und können ausschließlich auf künstlichem Weg erzeugt werden.
Hermann Sicius

11. Chromgruppe: Elemente der sechsten Nebengruppe

Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt die chemischen und physikalischen Eigenschaften, Vorkommen, Herstellverfahren, Anwendungen und Patente der Elemente der sechsten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente mit ihren wichtigsten Verbindungen. Chrom findet man als Legierungsbestandteil in harten und widerstandsfähigen Stählen, Verbindungen des Chrom-VI jedoch in der galvanischen und lederverarbeitenden Industrie. Molybdän und Wolfram gehen in harte und hochschmelzende Legierungen, ihre Nitride und Carbide sind aber vor allem für die Elektronikindustrie wichtig. Isotope des Seaborgiums kommen in der Natur nicht vor und können ausschließlich auf künstlichem Weg erzeugt werden.
Hermann Sicius

12. Mangangruppe: Elemente der siebten Nebengruppe

Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt die chemischen und physikalischen Eigenschaften, Vorkommen, Herstellverfahren, Anwendungen und Patente der Elemente der siebten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente mit ihren wichtigsten Verbindungen. Reines Mangan nutzt man technisch zwar kaum, aber sehr große Mengen werden mit Stahl zu Ferromangan legiert, das wesentlich härter und korrosionsbeständiger als Stahl ist. Mangan-IV-oxid geht in großem Umfang in Alkali-Mangan-Batterien.
Technetium entsteht in Kernreaktoren in Mengen einiger t/a durch Spaltung des Uranisotops 23592U. Den größten Teil des gewonnenen Technetiums verwendet man als Radiotherapeutikum. Dessen wichtigstes Isotop ist 99m43Tc, dessen kurze Halbwertszeit, weiche γ-Strahlung und die Fähigkeit, sich an im menschlichen Körper vorhandene Moleküle anzulagern, es als Tracer für die Szintigrafie prädestinieren. Ammonium- oder Kaliumpertechnetat sind wirksame Rostschutzmittel für Stahl.
Rhenium ist oft in Legierungen mit Nickel zu finden, die gegen Ermüdungsbrüche widerstandsfähig sind. Außerdem ist es in Katalysatoren enthalten.
Bohrium kommt nicht in der Natur vor; alle seine Isotope sind radioaktiv und müssen künstlich erzeugt werden. Bei der offiziell erstmaligen Herstellung des Elements 1981 wurden fünf Atome des Isotops 262107Bh erhalten.
Hermann Sicius

13. Eisengruppe: Elemente der achten Nebengruppe

Zusammenfassung
Die Elemente der achten Nebengruppe (Eisen, Ruthenium, Osmium und Hassium) sind zueinander physikalisch und chemisch relativ ähnlich. Auch bei Ruthenium und Osmium wirkt sich die Lanthanoidenkontraktion noch aus. In ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden sich die Platinmetalle Ruthenium und Osmium schon relativ deutlich, aber nur wenig in Bezug auf ihre chemischen Eigenschaften. Eisen weicht dagegen hinsichtlich seines unedlen Charakters und seiner niedrigeren Dichten, Schmelz- und Siedepunkte von Ruthenium, Osmium und wohl auch Hassium deutlich ab. Die Elemente dieser Gruppe können maximal acht äußere Valenzelektronen (jeweils zwei s- und sechs d-Elektronen) abgeben, um eine stabile Elektronenkonfiguration zu erreichen. Bei Eisen ist die Oxidationsstufe +3 die stabilste, bei Ruthenium +4, bei Osmium sowie Hassium +8.
Die Entdeckung des Eisens erfolgte schon 3000 v. Chr. in Mesopotamien, wogegen Osmium und Ruthenium in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts entdeckt wurden. Die Erstdarstellung von Atomen des Hassiums gelang 1984.
Hermann Sicius

14. Cobaltgruppe: Elemente der neunten Nebengruppe

Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt die Eigenschaften, Vorkommen, Herstellverfahren und Anwendungen der Elemente der neunten Nebengruppe des Periodensystems (Cobalt, Rhodium, Iridium, Meitnerium) mit ihren wichtigsten Verbindungen. Cobalt wurde 1735 entdeckt, Rhodium und Iridium Anfang des 19. Jahrhunderts. 1982 konnten die ersten Atome des Meitneriums erzeugt werden.
Auch bei Rhodium und Iridium ist noch die Auswirkung der Lanthanoidenkontraktion zu beobachten. Die jeweiligen physikalischen Eigenschaften dieser zwei Elemente unterscheiden sich deutlich, kaum aber die chemischen. Die Eigenschaften des Cobalts dagegen weichen von denen der zwei „edlen“ Platinmetalle Rhodium und Iridium deutlich ab, so zeigt Cobalt ein negatives Normalpotenzial sowie niedrigere Dichten, Schmelz- und Siedepunkte. Bei Cobalt ist die Oxidationsstufe +2 die stabilste, bei Rhodium +3 und bei Iridium +4. Kürzlich gelang die Erzeugung von Iridium-VIII- und IX-Verbindungen.
Cobaltverbindungen finden schon lange Verwendung in hitzebeständigen Pigmenten sowie zur Bemalung von Porzellan und Keramik. Cobalt erhöht als Bestandteil von Stählen deren Verschleiß- und Hitzefestigkeit. Seine magnetischen Eigenschaften bedingen die Anwendung in Datenträgern.
Rhodium findet sich hauptsächlich in Katalysatoren und Schmuckgegenständen. Am Edelmetall Iridium stieg der weltweite Bedarf in den letzten Jahren deutlich, unter anderem bewirkt durch neue Produktionsverfahren der Elektronikindustrie. Es geht in Zündkerzen für in der Luft- und Raumfahrt verwendete Antriebsmotoren, außerdem in einige Katalysatoren für chemische Synthesen.
Meitnerium kommt nicht in der Natur vor und ist nur auf künstlichem Wege durch Kernfusion zugänglich.
Hermann Sicius

15. Nickelgruppe: Elemente der zehnten Nebengruppe

Zusammenfassung
Dieses Kapitel beschreibt die Vorkommen, Herstellverfahren, Eigenschaften und Anwendungen der Elemente der zehnten Nebengruppe des Periodensystems (Nickel, Palladium, Platin und Darmstadtium) und ihre wichtigen Verbindungen. Nickel wurde 1751 entdeckt, Palladium 1803, und Platin dagegen war zumindest in legierter Form schon in Altägypten bekannt. 1994 konnten die ersten Atome des Darmstadtiums erzeugt werden.
Auch beim Elementenpaar Palladium und Platin erkennt man noch die Auswirkung der Lanthanoidenkontraktion. Die jeweiligen physikalischen Eigenschaften dieser zwei Elemente unterscheiden sich schon deutlich, nicht aber die chemischen. Die Eigenschaften des Nickels weichen aber von denen der zwei „edlen“ Platinmetalle Palladium und Platin deutlich ab, so zeigt Nickel ein negatives Normalpotenzial sowie niedrigere Dichten, Schmelz- und Siedepunkte. Bei Nickel ist die Oxidationsstufe +2 die stabilste, Palladium und Platin treten jeweils mit der Oxidationsstufe +2 und +4 auf.
Palladium und Platin setzt man vielfach in Katalysatoren, auch in solchen zur Reinigung von Autoabgasen, ein. Nickel ist wesentlicher Bestandteil korrosionsfester Stähle.
Hermann Sicius

16. Kupfergruppe: Elemente der ersten Nebengruppe

Zusammenfassung
Dieses Kapitel stellt Vorkommen, Gewinnung, Eigenschaften, Anwendungen und Verbindungen der Elemente der ersten Nebengruppe (Kupfer, Silber, Gold, Roentgenium), deren physikalische und chemische Eigenschaften relativ ähnlich sind, ausführlich vor. Kupfer, Silber und Gold sind alle bereits seit Jahrtausenden bekannt. 1994 wurde das erste Atom des Roentgeniums erzeugt.
Beim Elementenpaar Silber und Gold ist die Lanthanoidenkontraktion nur noch schwach erkennbar. Die jeweiligen physikalischen Eigenschaften von Kupfer, Silber und Gold sind bis auf die vom Kupfer zum Gold zunehmende Dichte relativ ähnlich, dafür nimmt, wie bei den Elementen der vierten bis zehnten Nebengruppe, die Reaktivität vom Kopfelement (hier: Kupfer) zum schwersten Gruppenmitglied (hier: Gold) hin ab. Auch Kupfer ist aber schon ein Halbedelmetall. Bei Kupfer sind die Oxidationsstufen +1 und +2 am stabilsten, bei Silber +1 und bei Gold +1 und +3.
Hermann Sicius

17. Zinkgruppe: Elemente der zweiten Nebengruppe

Zusammenfassung
Die Eigenschaften der Elemente der zweiten Nebengruppe (Zink, Cadmium, Quecksilber, Copernicium) sind relativ ähnlich. Cadmium steht in seinen Eigenschaften zwischen Zink und Quecksilber. Zink und Cadmium haben negative Normalpotenziale und sind damit unedle Metalle, wogegen Quecksilber ein Halbedelmetall ist. Die Elemente dieser Gruppe geben meist ein oder zwei äußere Valenzelektronen ab, um eine stabile Elektronenkonfiguration zu erreichen. Bei Zink und Cadmium sind die Oxidationsstufen +2 am stabilsten, bei Quecksilber +1 und +2. Für das höchste Element dieser Nebengruppe, das Copernicium, konnten bisher kaum chemische Untersuchungen durchgeführt werden. Es ist zu erwarten, dass es sich chemisch ähnlich wie Quecksilber verhält.
Zink als Element kennt man seit dem 17. Jahrhundert, Cadmium seit 1817, wogegen Quecksilber schon in der Antike bekannt war. Die erstmalige Darstellung von Atomen des Coperniciums gelang 1996.
Hermann Sicius

18. Seltenerdmetalle: Lanthanoide und dritte Nebengruppe

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden ausführlich die Elemente der dritten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente sowie die der Lanthanoiden („Seltenerdmetalle“) mitsamt ihrer wichtigsten Verbindungen beschrieben. Diese insgesamt achtzehn Elemente sind Bestandteil vieler Gebrauchsgegenstände des täglichen Bedarfs und in technologischer Hinsicht für die Zukunft unverzichtbar. Wir führen ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften, ihr Vorkommen, bedeutsame Herstellverfahren, Anwendungen und Patente auf.
Hermann Sicius

19. Radioaktive Elemente: Actinoide

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden ausführlich die Actinoiden mit ihren wichtigsten Verbindungen beschrieben. Diese insgesamt vierzehn Elemente sind alle radioaktiv, und nur einige von ihnen wie Thorium oder Uran kommen in der Natur vor. Die meisten Actinoide sind nur auf künstlichem Weg darstellbar. Es werden ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften, ihr Vorkommen, bedeutsame Herstellverfahren, Anwendungen und Patente aufgeführt.
Hermann Sicius

20. Ausblick: Chemische Elemente der 8. und 9. Periode

Zusammenfassung
Nach der Entdeckung der letzten Elemente der 7. Periode kam die Wissenschaft beim Oganesson an, das die Kernladungszahl 118 besitzt. Aber wohin geht die Reise danach? Sind bereits Versuche unternommen worden, noch schwerere Atomkerne zu erzeugen? Was sagen theoretische Berechnungsmodelle über die Möglichkeiten, die überhaupt noch bestehen? Dieses Kapitel gibt Ihnen einige Antworten auf diese spannenden Fragen.
Hermann Sicius
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