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Alle Elemente vereint

51 Beiträge, Schlüsselwörter: Elemente Reaktion Chemie

Alle Elemente vereint

24.06.2020 um 18:46
T.Rick
schrieb:
Und es geht in der Ursprungsfrage darum, was würde passieren. Und wie sieht das mögliche Endergebnis aus. Nicht um das Warum.
Warum sollte man das tun? Wenn deine Fragestellung auf was hinausführen soll, dann solltest du auch eine Hypothese hinzufügen, weshalb man sowas prüfen sollte. Sonst frag ich dich: Misch mal Seife und Honig. Oder Benzin mit Zement. Oder ein Hotdog mit Kürbiswasser. Nach 4 Milliarden Jahren der Mischerei frag ich dann nochmal nach.


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Alle Elemente vereint

24.06.2020 um 19:03
Frag den TE nach dem Sinn. Das war nicht ich!

So einen Sack oder ein Einweckglas voller Elemente müßte man sich vorstellen wie eine hoffnungslos überfüllte Party mit allen möglichen Sorten von Typen. Da nicht jeder überall gleichzeitig sein kann, wäre es eine reine Zufallsentscheidung, ob zwei nebeneinander landen, die sich so mögen, daß sie sich sofort die Kleider vom Leib reißen und die Ehe vollziehen, oder ob jemand umgeben ist von Typen, die er mit der A*backe nicht anschauen will. Eine reine Zufallsentwicklung, wo am Ende immer eine Sorte Chaos stehen wird, nur jedesmal vermutlich mit etwas anderem Aussehen, je nachdem wer wann mit wem kopuliert hat. Bei der Menge an Teilnehmern gibt es eine riesige Menge an möglichen Endergebnissen.


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Alle Elemente vereint

24.06.2020 um 19:24
T.Rick
schrieb:
Bei der Menge an Teilnehmern gibt es eine riesige Menge an möglichen Endergebnissen.
Nö. Da gibt es von vornherein wenige. Die Unmenge an möglichen chemischen Kombinationen ergibt sich erst danach.


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24.06.2020 um 19:39
Celladoor
schrieb:
Was ist denn das Ziel?
Na die Beantwortung der Threadfrage, denke ich ;)

@all

Ist also nicht mal machbar, muss man feststellen.


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Alle Elemente vereint

24.06.2020 um 20:06
Abiona001
schrieb:
Was würde eigentlich passieren wenn man alle bekanntlichen chem. Elemente, zeitgleich vereint in einem Gefäß?
Nehmen wir an, wir würden pro Element 1 Mol zusammenfügen, also etwa 1 g Wasserstoff, 4 g Helium, 7g Lithium usw. bis zum letzten natürlich vorkommenden Element Plutonium, was 242 g pro Mol wiegt, wenn man das langlebigste Isotop heranzieht. Mit Ausnahme einiger weniger sehr seltener Elemente (Astat, Francium sowie der in der Natur nicht vorkommenden Elemente Technetium und Promethium) hätten wir rund 90 Elemente, die wir miteinander reagieren lassen können.

Ein Blick ins Periodensystem der Elemente hilft uns, abzuschätzen, was passieren wird.

Das Periodensystem gliedert sich in acht Hauptgruppen und acht Nebengruppen. Die acht Nebengruppen enthalten durchweg Metalle mit meist einem oder zwei Elektronen am äußeren Rand der Atomhülle (der Atombau ist bei den Nebengruppen-Elementen komplexer als bei den Hauptgruppen-Elementen, so dass Eisen als Element der achten Nebengruppe meist zweiwertig oder dreiwertig ist - ebenso wie ein Element der zweiten oder dritten Hauptgruppe).

Das Reaktionsverhalten der Nebengruppen-Elemente ist also recht überschaubar, wenn wir eine Temperatur von 20 °C und einen Gasdruck von 1 atm zugrunde legen. Kupfer, Silber und Gold als Elemente der 1. Nebengruppe sowie Quecksilber als Element der zweiten Nebengruppe sind Halbedelmetalle bzw. Edelmetalle - ebenso wie Osmium, Iridium und Platin aus der achten Nebengruppe. Sie reagieren so gut wie nicht mit anderen Elementen. Bei den unedleren Metallen ist mit Reaktionen mit Sauerstoff, Chlor oder Fluor zu rechnen, sofern sie sich als Reaktionspartner finden. Bei einer Chance von 1 zu 90 pro Element, ein bestimmtes anderes Element zu finden, ergeben sich jedoch auch andere Möglichkeiten, die eine Reaktion von unedlen Metallen verhindern würden.

Schauen wir uns dazu die acht Hauptgruppen des Periodensystems an.

Hier haben wir Elemente, deren Atombau relativ einfach strukturiert sind. In der ersten Hauptgruppe befinden sich die Elemente, die nur ein Elektron auf der sogenannten Außenschale der Atomhülle haben (Ich beziehe mich hier auf das Modell von Rutherford und Bohr, welches für chemische Reaktionen in den meisten Fällen hinreichend ist, um sie zu verstehen.). Ganz oben ist Wasserstoff, darunter sortieren sich die Alkalimetalle Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium. Francium hatten wir schon wegen der extremen Seltenheit ausgesondert.

Die zweite Hauptgruppe besteht aus Elementen, die auf der Außenschale zwei Elektronen haben. Ganz oben Beryllium, dann Magnesium, Calcium, Strontium, Barium und Radium. Diese Elemente bezeichnet man auch als Erdalkalimetalle (außer Beryllium).

In der dritten Hauptgruppe haben wir ganz oben Bor, dann Aluminium, Gallium, Indium und Thallium. In der vierten Hauptgruppe haben wir Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Zinn und Blei. Die fünfte Hauptgruppe besteht aus Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon und Bismut.

Sechste Hauptgruppe: Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur, Polonium. Diese Elemente bezeichnet man auch als Chalkogene (Erzbildner).

Siebente Hauptgruppe: Fluor, Chlor, Brom und Iod. Astat hatten wir bereits ausgesondert. Diese Elemente bezeichnet man auch als Halogene (Salzbildner).

Achte Hauptgruppe: Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon. Diese Elemente bezeichnet man auch als Edelgase, weil sie äußerst reaktionsträge sind bzw. überhaupt keine Bindungen mit anderen Elementen eingehen (bis auf wenige Ausnahmen, wo Krypton und Xenon mit Fluor instabile Verbindungen bilden).

Aus der Atomstruktur der Hauptgruppen-Elemente ergeben sich die Reaktionsmöglichkeiten. Die Elemente der ersten Hauptgruppe haben nur ein Außenelektron, welches sehr leicht abgegeben werden kann an ein Element, welches sechs oder sieben Außenelektronen besitzt. Nehmen wir als Beispiel die Reaktion von Natrium mit Chlor zu Kochsalz:

Na + Cl --> NaCl

Natrium hat ein Außenelektron und gibt es bei der Reaktion mit Chlor ab:

Na --> Na+ + e-

Es entsteht ein positiv geladenes Natrium-Ion (positiv geldaen deshalb, weil jetzt die positiven Ladungsträger im Atomkern nicht mehr durch die negativen Ladungsträger in der Atomhülle ausgeglichen werden - es fehlt jetzt ein Elektron, so dass ein positiver Ladungsüberschuss entsteht) und das abgegebene Elektron gelangt zum Chlor:

e- + Cl --> Cl-

Aus Chlor wird das negativ geladene Chlorid-Ion, weil jetzt in der Atomhülle ein negativer Ladungsüberschuss entstanden ist. Die Frage ist nun, warum Natrium ein Elektron abgibt und Chlor ein Elektron aufnimmt. Das liegt an der Atomstruktur. Das einzelne Außenelektron von Natrium ist wie eine Art "Beule", die die kugelförmige Gestalt des Atoms deformiert. Chlor hingegen hat eine fast komplett besetzte Außenschale (sieben von acht möglichen Elektronen sind besetzt), aber eben eine "Delle", wo noch ein einzelnes Elektron hineinpassen würde.

Jetzt ergibt sich eine "Win-Win-Situation", wenn beide Elemente ihre "Deformationen" loswerden wollen: Natrium wird seine "Beule" los, indem es sein Außenelektron abgibt und Chlor wird seine "Delle" los, indem es das Außenelektron des Natriums zu sich heranzieht, um es in seine Außenhülle aufzunehmen.

Na+ + Cl- --> NaCl

Die Elemente "streben" danach, ihre Außenhüllen möglichst kugelförmig und "glatt" zu bekommen - also entweder Elektronen abgeben, wenn es wenige sind oder Elektronen aufnehmen, wenn nur wenige fehlen, um die Außenschale voll zu bekommen.

Dieser Effekt wird als Oktettregel bezeichnet, gemäß der die Elemente eine "Edelgaskonfiguration" anstreben. Edelgase haben bereist voll besetzte Außenschalen, so dass sie keine Elektronen mehr aufnehmen können und zugleich keine Elektronen mehr abgeben können. Darum sind sie so reaktionsträge. Im Unterschied dazu sind die Elemente der ersten Hauptgruppe - also die Alkalimetalle sowie Wasserstoff - sehr reaktionsfreudig, da sie ihr einzelnes Außenelektron möglichst schnell abgeben "wollen", um die Edelgaskonfiguration zu erreichen.

Die Elemente der siebenten Hauptgruppe - also die Halogene - sind ebenfalls sehr reaktionsfreudig, da sie ihre Außenhülle möglichst schnell auffüllen "wollen", um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Die Bereitschaft, Elektronen von anderen Elementen abzuziehen, ist die Elektronegativität. Diese ist bei Fluor am größten (4,0) und bei Cäsium am niedrigsten (0,7) - verständlich, wenn man bedenkt, dass Fluor den niedrigsten Atomradius hat (und damit die größte "Saugkraft" für Elektronen) sowie nur eine zu füllende "Delle", während Cäsium als Alkalimetall mit dem größten Atomradius (und damit der niedrigsten "Saugkraft" für Elektronen) sieben zu füllende "Dellen" hat.

Der Aufwand für Fluor, seine einzelne "Delle" auszugleichen, ist somit erheblich geringer als der Aufwand für Cäsium, seine sieben "Dellen" auszugleichen. Aus diesem Grund nimmt Fluor eher Elektronen auf und gibt Cäsium eher ein Elektron ab, statt sieben aufzunehmen.

Aus der Beschaffenheit der Atome leitet sich das Reaktionsverhalten der Elemente ab, die im Periodensystem aufgelistet sind. Am linken Rand finden wir Metalle, die Elektronen abgeben. Am rechten Rand finden wir die Edelgase, die keinerlei Reaktion zeigen, weil sie weder Elektronen abgeben noch aufnehmen. Unmittelbar neben den Edelgasen finden sich links davon die Halogene, die begierig Elektronen aufnehmen. Die Chalkogene sind ihrerseits noch sehr reaktiv (insbesondere Sauerstoff).

Was passiert nun, wenn man die rund 90 Elemente zusammenbringt? Zu erwarten ist, dass Fluor und Chlor sowie Sauerstoff als Elemente mit der größten Elektronegativität (4,0; 3,0 und 3,5) bevorzugt mit den Alkalimetallen mit der niedrigsten Elektronegativität reagieren (Rubidium und Cäsium mit 0,8 und 0,7). Es entstehen also Fluoride, Oxide und Chloride der Alkalimetalle. Die etwas reaktionsträgeren Elemente müssten sich den Rest teilen, also die Erdalkalimetalle würden mit den Chalkogenen z.B. Sulfide bilden.

Besonders heftig wäre die Reaktion von Fluor mit Wasserstoff, da beide gasförmig sind und einfacher miteinander reagieren könnten als Fluor mit Metallen. Der entstehende Fluorwasserstoff würde dann mit anderen Elementen zu Fluoriden weiterreagieren - eventuell mit Metalloxiden, so dass Wasser freigesetzt wird, welches seinerseits mit Alkalimetallen zu Hydroxiden reagiert. Die entstehenden Hydroxide würden sich dann mit Halogenwasserstoffen zu Salzen umsetzen, wobei wieder Wasser freigesetzt wird.

Weitere Reaktionen könnten sein: Wasser mit Nichtmetalloxiden zu Säuren. Säuren mit Hydroxiden zu Salzen und Wasser usw. usf. - am Ende hätten wir also ein Gemisch aus Salzen, Wasser und unlöslichen Metall-Sulfiden sowie einer Menge an Metallen, die chemisch nicht reagieren, weil sich die Nichtmetall-Elemente für andere Reaktionen verbraucht haben und in Verbindungen feststecken. Über allem thront dann eine Atmosphäre aus Edelgasen ...


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24.06.2020 um 20:48
@Mutagenius
Na siehste, da haben wir doch die Antwort, denke ich :-)

Danke :-)


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24.06.2020 um 21:01
Mutagenius
schrieb:
ebenso wie Osmium, Iridium und Platin aus der achten Nebengruppe. Sie reagieren so gut wie nicht mit anderen Elementen.
aber als Katalysator wie im Auto. Hab mal Wasserstoff und Sauerstoff in ein Reagenzglas geblasen und ein Platindraht reingehalten (unter Norm-Bed.). gibt gut Wumms Das Reagenzglas gibts nichmehr, den Platindraht hab ich aber noch ...


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24.06.2020 um 22:54
SkysegelJack
schrieb:
aber als Katalysator wie im Auto.
Das kann sein, aber Katalysatoren beschleunigen lediglich die Reaktion von anderen Stoffen, ohne sich selbst dabei mit umzusetzen. Am Ende hat man dann das Reaktionsprodukt der katalysierten Reaktion sowie wiederum den Katalysator, der erhalten bleibt. Im Gedankenexperiment wären die Platinmetalle also als Katalysatoren für Umsetzungen von z.B. Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser denkbar, so dass sich mehr Wasser bilden würde als ohne Katalysator. Der dann gebundene Sauerstoff könnte nicht mehr mit anderen Elementen reagieren, so dass dann z.B. Erdalkalimetalle bevorzugt mit Schwefel oder Chlor reagieren würden, da das Fluor ja bereits anderweitig verbraucht wäre.

An der Grundaussage würde sich nichts ändern, dass der größte Anteil von insbesondere der Nebengruppen-Elemente nicht mit anderen Elementen reagiert, weil die potenziellen Reaktionspartner reaktionsfreudigere Alternativen finden würden (vorausgesetzt, wir würden die Molmassen der Elemente miteinander vermengen und reagieren lassen).


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25.06.2020 um 09:35
Vielen Dank für die tollen Antworten! Besonders dir Mutagenius :)


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25.06.2020 um 17:57
Mutagenius
schrieb:
Weitere Reaktionen könnten sein: Wasser mit Nichtmetalloxiden zu Säuren. Säuren mit Hydroxiden zu Salzen und Wasser usw. usf. - am Ende hätten wir also ein Gemisch aus Salzen, Wasser und unlöslichen Metall-Sulfiden sowie einer Menge an Metallen, die chemisch nicht reagieren, weil sich die Nichtmetall-Elemente für andere Reaktionen verbraucht haben und in Verbindungen feststecken. Über allem thront dann eine Atmosphäre aus Edelgasen ...
Liest sich fast wie eine Schilderung der Ur-Erde. Nur daß da die schweren Metalle meist in den Erdkern abgesunken sind und das leichte Zeug, Siliziumverbindungen, Salze und so weiter, oben auf der noch glühenden Oberfläche herumschwammen. Allerdings war da das Mengenverhältnis aller Elemente zueinander nicht gleich wie in dem Gedankenexperiment, von manchem gab es sehr viel, von anderem wenig. Und die besonders leichten Gase Wasserstoff und Helium sind relativ schnell in den Weltraum ausgegast, übrig blieben das viel schwerere Kohlendioxid und ein bißchen Stickstoff.


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25.06.2020 um 19:16
T.Rick
schrieb:
Nur daß da die schweren Metalle meist in den Erdkern abgesunken sind und das leichte Zeug, Siliziumverbindungen, Salze und so weiter, oben auf der noch glühenden Oberfläche herumschwammen.
So einfach ist es nicht. Gemäß Goldschmidt-Klassifikation separieren sich die Elemente in vier große Gruppen. Nur die siderophilen Elemente wandern überproportional in den Erdkern, während lithophile Elemente mehrheitlich im Erdmantel und in der Kruste verbleiben (neben chalkophilen und atmophilen Elementen).

Interessanterweise zählt Kohlenstoff zu den siderophilen Elementen, so dass die Erdkruste hinsichtlich des Vorkommens von Kohlenstoffs verarmt ist:
Geologisch dagegen zählt Kohlenstoff nicht zu den häufigsten Elementen, denn in der Erdkruste beträgt der Massenanteil von Kohlenstoff nur 0,027 %
Quelle: Wikipedia: Kohlenstoff#Vorkommen

Der größte Anteil sollte daher bei der Planetenentstehung in den Erdkern gewandert sein. Allerdings haben Untersuchungen ergeben, dass Kohlenstoff wohl doch nicht in größeren Mengen im Erdkern vorhanden ist:
In einer Diamantpresszelle setzten Shahar und Kollegen nun verschiedene Eisenverbindungen hohen Drücken aus. Dabei zeigte sich, dass sich die Bildungsraten verschiedener Eisenisotope mit Wasserstoff oder Kohlenstoff geringfügig voneinander unterschieden. Folglich müsste sich dieser Isotopeneffekt auch in den Gesteinsproben aus dem Erdmantel wiederspiegeln. Dies war allerdings nicht der Fall. So konnten die Forscher zumindest ausschließen, dass Wasserstoff und Kohlenstoff zu den leichteren Elementen im Erdkern zählten.
Quelle: https://www.weltderphysik.de/gebiet/erde/news/2016/leichte-elemente-im-erdkern/

Allerdings sind neben Eisen und Nickel auch noch etwa 10 bis 15 Prozent leichte Elemente im Erdkern vorhanden:
Zusätzlich zu Eisen und Nickel müssen etwa 10 bis 15 Gewichtsprozent leichtere Elemente vorhanden sein, da die Dichte zu gering und die Schmelztemperatur zu hoch sind für nur Eisen-Nickel. Abhängig von der Temperatur T, bei der die Differenzierung in Kern und Mantel stattgefunden haben könnte, werden Silizium und Sauerstoff favorisiert (T hoch) bzw. Schwefel, Kohlenstoff und Wasserstoff (T weniger hoch). Auf diese Weise könnte die genauere Kenntnis der Zusammensetzung des äußeren Erdkerns dazu beitragen, die Bedingungen bei der Differenzierung zu klären.
Quelle: Wikipedia: Erdkern#Äußerer_Kern

Die Differenzierung der Erde war offenbar etwas komplexer als das Absinken der schwersten Elemente in den Kern und das Verbleiben der leichteren Elemente im Mantel und in der Kruste. Die Löslichkeitseigenschaften der verschiedenen Elemente untereinander im geschmolzenen Zustand sowie das Reaktionsverhalten einiger Elemente untereinander (Entstehung von Silikaten) bewirkten hier weitere Separierungen, die sich von einem reinen Dichtegradienten unterschieden haben.


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