Natur und Technik für den Pflichtschulabschluss: Klassifikation in der Wissenschaft

Klassifikation bedeutet, mehrere Sachen die etwas gemeinsam haben abhängig von ihren Unterschieden in Gruppen einzuteilen. Die Regeln der Einteilung können unterschiedlich sein. Nehmen wir beispielsweise den Begriff „Stuhl“. Alle Stühle haben etwas Gemeinsames, sie sind nämlich dafür gemacht, dass eine Person darauf sitzen kann. Man kann auch auf einen Tisch sitzen, der Tisch ist aber nicht dafür gemacht. Damit haben wir auch die Definition des Begriffs „Stuhl“. Stühle können nach Anzahl ihre Beine eingeteilt, beispielsweise Stühle mit einem, zwei, drei oder vier Beine. Die Regel der Einteilung in diesem Fall, ist die Anzahl der Beine. Man kann aber auch die Stühle nach einer anderen Regel einteilen, beispielsweise nach dem Ort der Konstruktion, nach dem Material, nach der Form der Lehne usw.. Genauso ist es auch in der Biologie. Die lebendigen Organismen werden nach verschiedenen Klassifikationsregeln in verschiedenen Gruppen eingeteilt. Die einfachste Klassifikation ist die klassische Einteilung in fünf Gruppen, Reiche genannt.

Klassifikation in der Biologie

Die klassische Einteilung in fünf Reichen

Die fünf Reiche der klassischen biologischen Klassifikation sind: Tiere (Animalia), Pflanzen (Plantae), Pilze (Fungi), Protista und Bakterien (Monera).

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  Tier
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  Pflanzen
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  Pilze
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  Protista
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  Bakteria

Der Unterschied zwischen Pflanzen und Tieren ist, dass die Pflanzen die Energie der Sonne verbrauchen und daher nicht andere Energiequellen (Essen) brauchen. Dafür haben die Pflanzenzellen sogenannten „Chloroplasten“. Ein anderer Unterschied ist, dass Tiere, im Gegenteil zu Pflanzen, sich bewegen können. Pilze können nicht mit Hilfe der Sonne Energie produzieren, sie brauchen wie die Tiere eine Form „Nahrung“. Andererseits können sie sich nicht bewegen, genauso wie die Pflanzen. Protista bestehen im Gegenteil zu den Pflanzen, den Tieren und den Pilzen, aus eine oder nur ganz wenigen Zellen, die allerdings schon einen Zellkern haben. Der Unterschied zwischen Bakterien und all den anderen Kategorien ist, dass die Bakterien aus einer Zelle ohne Zellkern bestehen.

Jedes Reich kann weiter unterteilt werden und die Unterteilung kann noch weiter gehen, es gibt aber dann eine Grenze, wo man nicht mehr unterteilen kann. Tiere beispielsweise können in Kriechtiere, Vögel, Reptilien, Amphibien, Insekten, Säugetiere, Schwämme usw.. Von diesen Unterteilungen können z. B. Insekten in Felseninsekten, Fischchen und Fluginsekten weiter unterteilt werden usw.. Die kleinste Unterteilung nennt man Art. Eine Art wird oft durch die Möglichkeit der Fortpflanzung definiert. Die Glieder einer Art (z. B. einer Spinnenart oder einer Blumenart) können sich nur mit Glieder der gleichen Art fortpflanzen.

Klassifikationsregeln

Wie schon gesehen, wird in der klassischen Klassifikation zunächst nach den Anzahl der Zellen unterteilt (wenige oder nur eine Zellen gegenüber viele Zellen). Die Organismen mit einer oder wenigen Zellen werden dann weiter eingeteilt, je nachdem, ob die Zelle(n) einen Zellkern beinhalten oder nicht (Protista mit Zellkern, Bakterien ohne). Die Organismen mit vielen Zellen werden dann je nach Bewegungsmöglichkeit und Produktion der Energie mit Hilfe des Sonnenlichts eingeteilt. Pflanzen können Energie mit Hilfe des Lichtes produzieren im Gegenteil zu den Tieren und den Pilzen. Tiere können sich bewegen, im Gegenteil zu den Pilzen.

Heutzutage gilt diese Klassifikation nicht mehr. Sie hat zu vielen Unklarheiten geführt. Die Hauptregel für die moderne Klassifikation ist die genetische und evolutionäre Verwandtschaft.

Die Elemente

• Helium und Lithium Kern
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Das Atom besteht aus einem Kern mit Protonen und Neutronen und aus Elektronen, die um den Kern kreisen. Protonen sind positiv geladen, Elektronen negativ und Neutronen haben keine Ladung. In der Regel hat ein Atom so viele Protonen wie Elektronen. Dann ist es elektrisch neutral.

Oft wird über verschiedene Elemente gesprochen, wie beispielsweise über den Sauerstoff, den Wasserstoff, den Kohlenstoff usw.. Was macht aber den Unterschied zwischen den verschiedenen Elementen aus?

Der unterschied liegt an die Anzahl der Protonen im Kern. Gibt es ein Proton im Kern, dann ist das Atom ein Wasserstoffatom (H). Das Element Helium (He), das in der Sonne in großen Mengen vorkommt, hat zwei Protonen im Kern. Mit drei Protonen haben wir das Element Lithium (Li). Das Element Kohlenstoff (C) hat 6 Protonen im Kern, Stickstoff (N) 7, Sauerstoff (O) 8, das Edelgas Neon (Ne) 10 (wird in Neon-Lampen benutzt), Natrium (Na) (Teil des Kochsalzkristalls) 11 Protonen, Calcium (Ca) 20, Eisen (Fe) 26, Gold (Au) 79, Quecksilber (Hg) 80, Radium (Ra) 88, Uran (U) 92 usw.. Elemente mit einer größeren Anzahl von Protonen im Kern sind instabil. Die größte bisher (allerdings im Labor) beobachtete Anzahl ist 118 Protonen.

Hier wird die Einteilung der Elektronen bei neutralen Atomen nach dem bohrschen Modell dargestellt. Im Kern gibt es in diesem Fall genau so viele Protonen (im Bild nicht dargestellt) wie Elektronen

Was ist mit der Anzahl der Elektronen? In der Regel sind Atome neutral, sie haben daher so viele Elektronen, wie die Protonen im Kern. Es kann aber sein, dass ein Atom bis 4 Elektronen mehr oder weniger als die Protonen im Kern hat (manchmal sogar mehr). In diesem Fall spricht man von Ionen, allerdings des gleichen Elements. Gibt es mehr Elektronen, dann ist das Atom negativ geladen (Anion), wenn die Elektronen weniger als die Protonen sind, dann ist das Atom positiv geladen (Kation).

Vergleichen wir jeweils das rechte mit dem linken Atombild von jedem Paar.
Beim ersten Paar (Wasserstoff) gibt es rechts ein Elektron weniger als links. Das Atom rechts ist positiv geladen.
Beim zweiten Paar (Helium) fehlen die zwei Elektronen. Das Atom rechts ist positiv geladen (Heliumkern).
Bei drittem Paar (Sauerstoff) hat das Atom rechts zwei Atome mehr als das neutrale Atom links, daher ist es negativ geladen. In allen Fällen steht oben rechts vom Symbol des Atoms die Ladung.

Und was ist mit der Anzahl der Neutronen? Ein Element hat immer die gleiche Anzahl von Protonen, die Anzahl der Neutronen kann dennoch variieren. Ein Element kann also Varianten mit unterschiedlicher Anzahl von Neutronen haben. Diese Varianten nennt man Isotopen. In der Regel ist nur ein Isotop stabil und die anderen nicht.

• Isotope
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  Hier sind die Isotope von Wasserstoff. Alle haben ein Proton im Kern. Links gibt es kein Neutron, in der Mitte ein Neutron und links zwei Neutronen. Das Atom ist allerdings in allen Fällen neutral, es gibt so viele Elektronen wie Protonen, nämlich eins.
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  Hier sind die Kerne von zwei Isotopen von Lithium.$\textstyle \ _{3}^{6}Li\$ kommt in der Natur viel seltener vor. Er hat 3 Protonen und 3 Neutronen. $\textstyle \ _{3}^{7}Li\$ hat hingegen 3 Protonen und 4 Neutronen. Wenn ein Atom 3 Protonen hat, dann ist es Lithium.

Was bedeutet aber Stabil? Wenn ein Kern instabil ist, dann kann er sich spalten. Wenn ein Kern sich spaltet, dann entstehen zwei (oder mehrere) neue Kerne, die eine andere Anzahl von Protonen haben. Die Protonen der neuen Kerne sind zusammen so viele, wie die Anzahl der Protonen im ursprünglichen Kern. Wenn die neue Kerne eine andere Anzahl von Protonen haben, dann bedeutet das, dass die neue Kerne andere Elemente sind, weil ein Element muss immer die gleichen Protonen haben. Bei der Kernspaltung also entstehen aus einem Atom zwei (oder mehrere) andere Atome, die nicht mehr das gleiche Element sind. Durch die Kernspaltung von größeren Kernen entsteht das, was man Atomenergie nennt. In diesem Fall wird Masse zur Energie umgewandelt, nach der berühmten Formel von Einstein: E=mc².

Es gibt gewisse Vereinbarungen für die Symbole der verschiedenen Elemente. Wenn Elektronen fehlen oder im Überfluss sind, haben wir Ionen des Elements. Die Anzahl der fehlenden bzw. überzähligen Elektronen wird oben Rechts des Symbols des Elements als eine positive bzw. negative Zahl geschrieben (von 4− bis 4+). Die Anzahl der Protonen wird unten links geschrieben, die Anzahl der Kernteilchen (Protonen und Neutronen zusammen) oben links. Ein Beispiel:

$\textstyle _{6}^{12}C^{2+}\ \$ C ist das Symbol für das Element Kohlenstoff. 6 unten links bedeutet, dass Kohlenstoff 6 Protonen im Kern hat. 12 oben links bedeutet, dass dieses Kohlenstoffatom 12 Teilchen im Kern hat. Da die Protonen 6 bedeutet dies, dass die Neutronen 12−6 also auch 6 sind. 2+ oben rechts bedeutet, dass dieses Atom positiv geladen ist, also da fehlen 2 Elektronen.

$\textstyle _{6}^{14}C^{1-}\ \$ ist ein Isotop von Kohlenstoff. Es gibt ein Elektron mehr, also das Atom ist negativ geladen. Die Protonen sind wie erwartet wieder 6 (da Kohlenstoff immer 6 Protonen hat), die Neutronen aber 14−6 also 8. Dieses Isotop ist radioaktiv und wird in der Archäologie und der Paläontologie für die Berechnung des Alters von den verschiedenen Relikten benutzt.

$\textstyle _{7}^{14}C^{1-}\ \$kann es nicht geben. Kohlenstoff hat 6 Protonen und nicht 7. Das Element mit 7 Protonen ist der Stickstoff (Symbol N): $\textstyle _{7}^{14}N$. Das Symbol$\textstyle \ _{7}^{14}N^{-1}\$bedeutet dann, dass es eine negative Ladung mehr als die positiven gibt, also 7+1=8 Elektronen.

Die Entdeckung der Elemente

4 Elemente Lehre

Schon im Altertum ist die Idee entstanden, dass die Natur aus Grundelementen besteht. Mit dem Wort „Grundelemente“ waren Substanzen gemeint, die sich miteinander vermischen. Dadurch sollten die verschiedenen Gegenstände entstehen.

In der antiken griechischen Theorie gab es vier "Grundelemente": Wasser, Erde, Luft und Feuer. Diese Elemente entsprechen den heutigen Aggregatzuständen: Wasser → Flüssigkeit, Erde → Feststoffe, Luft → Gas, Feuer → Plasma. Zu jedem Element waren entsprechende Eigenschaften zugeordnet. Aristoteles hat zu jedem Element einen platonischen Körper zugeordnet. Da die platonische Körper fünf sind, hat er dann ein fünftes Element ausgedacht, den Äther (Quintessenz).

5 Elemente Lehre

Nährungs-Kontrollzyklus

Die Chinesen hatten (und haben immer noch) eine andere, fünf-Elemente Theorie mit den "Grundelementen" Wasser, Holz, Feuer, Erde und Metall. In dieser Theorie gibt es einen Nahrungs- und einen Schwächungszyklus. Der Schwächungszyklus ist: Holz absorbiert Wasser, Feuer verbrennt Holz, Erde erstickt Feuer, Metall zieht Mineralien aus der Erde, Wasser korrodiert Metall.

Antoine lavoisier

John Dalton

Die Alchemie hat sich nach der Antike Zeit mit der vier-Elemente-Theorie befasst. Alchemie war etwas zwischen Wissenschaft und Magie. Ab dem 17. Jahrhundert n. Chr. wurde es zunehmend anerkannt, dass Alchemie keine ausreichende Theorie für die Vorgängen in der Natur war. Antoine de Lavoisier und John Dalton haben genaue Beobachtungen gemacht, die die Basis der modernen Chemie bildeten. Nach ihren Beobachtungen gibt es in der Natur bestimmte Grundelemente, die nicht mehr teilbar sind. Diese reagieren miteinander in bestimmten Verhältnissen, beispielsweise reagieren 9 g eines Stoffes mit 17 g eines anderen. Hat man doppelt so viel vom ersten Stoff (18 g), reagiert es mit doppelt so viel vom anderen Stoff (34 g) usw.. Das hat langsam dazu geführt, dass die Grundelemente der Chemie erkannt wurden. Mitte des 17. Jahrhunderts waren nur 17 Elemente bekannt: Eisen (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Silber (Ag), Platin (Pt), Gold (Au), Quecksilber (Hg), Kohlenstoff (C), Phosphor (f), Schwefel (S), Arsen (As), Zinn (Sn), Antimon (Sb), Blei (Pb) und Bismut (Bi). Die Tatsache, dass diese als Grundelemente erkannt wurden, hat dazu geführt, die anderen Elemente relativ schnell zu entdecken. Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N) und weitere Elemente wurden schon in der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts entdeckt. Das am neuesten entdeckte Element, das allerdings im Labor erzeugt wurde, wurde im Jahr 2010 entdeckt und es ist nicht auszuschließen, dass weitere Elemente künstlich erzeugt werden. Es ist allerdings ziemlich unwahrscheinlich, dass andere Elemente in der Natur entdeckt werden.

• Die Edelmetalle wurden schon seit dem Altertum für die Herstellung von Münzen benutzt.
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  Münzen aus Gold aus der römischen Zeit
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  Münzen aus Silber aus der römischen Zeit
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  Münzen aus Platin aus dem russischen Reich
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  Silberteller aus der römischen Zeit in Ungarn

Das Periodensystem

Das Periodensystem

Die Entdeckung der Elemente hat mit ihren Eigenschaften zu tun. Es wurde beobachtet, dass gewisse Mengen von einem Stoff mit gewissen Mengen von einem anderen reagieren. Die Verhältnisse bleiben gleich. Bald hat sich herausgestellt, dass diese Tatsache mit der Anzahl der Teilchen von jedem Stoff zu tun hat. Ein kg Wasserstoff hat ungefähr so viele Atome wie 12 kg Kohlenstoff, 16 kg Sauerstoff, 4 kg Helium usw.. Dazu hat man weitere Eigenschaften entdeckt. 12 kg Kohlenstoff reagieren nicht mit 1 kg Wasserstoff, sondern mit 4 kg Wasserstoff oder mit 32 kg Sauerstoff. Jedes Kohlenstoffatom braucht 4 Wasserstoffatome oder 2 Sauerstoffatome. Jedes Sauerstoffatom braucht daher 2 Wasserstoffatome. Diese Art von Beziehungen haben zu eine Klassifikation der Elementen geführt. Grob gesagt gibt es acht Kategorien, je nachdem wie die Atome des Elements sich mit anderen Atomen verbinden. Zwei Wissenschaftler haben diese Einteilung fast gleichzeitig (und in Zusammenarbeit) entdeckt, der Russe Dmitri Iwanowitsch Mendelejew und der Deutsche Lothar Meyer. Das Ergebnis ihrer Arbeit wird immer noch heute benutzt: das Periodensystem der chemischen Elemente.

Quecksilber, das einzige flüssige Metall. Seine Dichte ist größer als die der Münze, daher sinkt sie im flüssigen Quecksilber nicht

Halbmetalle, ältere Definition

Die Elemente werden in zwei großen Kategorien unterteilt: Metalle und Nichtmetalle. Metalle weisen vier Eigenschaften auf: Sie sind gute Leiter der Elektrizität und der Wärme, sind leicht verformbar (beispielsweise zu Kabeln) und haben eine Glanz. Bei Nichtmetallen fehlen diese Eigenschaften. Beispiele von Metallen sind Eisen, Kupfer, Quecksilber, Natrium, von Nichtmetallen Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff. Es gibt allerdings Elemente, die gemischte Eigenschaften aufweisen. Sie gehören in einer Zwischenkategorie, die Halbmetalle oder Halbleiter genannt wird. Die Definition der Halbmetalle ist nicht eindeutig, daher ist es für manche Elemente nicht ganz klar, zu welcher Kategorie sie gehören. Typische Halbleiter sind Silizium (Si), Bor (B), Germanium (Ge) und Tellur (Te).

Die Elemente, die fast eindeutig Halbmetalle sind, stehen im Periodensystem auf einer Diagonale: Bor, Silizium, Arsen, Tellur, Astat (At). Die Elemente, die unterhalb dieser Diagonale stehen, sind Metalle (Wasserstoff H ist ein Nichtmetall). Metalle sind feste Körper (Ausnahme: Quecksilber Hg). Die Elemente, die oberhalb dieser Diagonale stehen (samt Wasserstoff), sind Nichtmetalle. Elemente an der Grenze der Diagonale können Zwischeneigenschaften aufweisen (z. B. Germanium Ge, gerade unterhalb der Diagonale, ist ein Halbmetall mit Metalleigenschaften, Kohlenstoff C, gerade oberhalb der Diagonale, ist ein Nichtmetall mit Halbmetalleigenschaften).

Eine wichtige Teilkategorie unter den Nichtmetallen sind die Edelgase. Das sind die Elemente an der ganz rechten Spalte im Periodensystem: Helium (He), Neon (Ne), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe), Radon (Rn) (und das künstlich erzeugte Element Oganesson Og).

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Bemerkung

Alle Elemente weisen alle Aggregatzustände auf. Unter bestimmten Bedingungen können sie fest, flüssig oder gasförmig sein. Das hängt von der Temperatur und dem Druck ab. Wenn gesagt wird, dass ein Element fest ist, ist damit gemeint, dass das Element auf der Erdoberfläche (1 Atm Druck) und mit 20°C fest ist. Schmelzpunkt ist die Temperatur des Übergangs zwischen feste und flüssige Phase, Siedepunkt zwischen flüssige und gasförmige Phase. Allerdings wird in der Regel die Temperatur bei 1 Atm Druck angegeben. Fürs Wasser ist beispielsweise bei 1 Atm der Schmelzpunkt 0°C und der Siedepunkt 100°C. Der Druck der Erdatmosphäre nimmt mit der Höhe ab. Dadurch nimmt auch der Siedepunkt ab. Auf 7000 m Höhe kann man das Eigelb nicht mehr mit Wasser kochen, da das Wasser schon mit geringerer als die notwendige Temperatur kocht.