Materie, Elemente und Atome

Woraus besteht dein Körper? Dein erster Gedanke ist vielleicht, dass er aus verschiedenen Organen besteht—wie deinem Herzen, deiner Lunge und dem Magen—, die zusammenarbeiten, um den Körper in Gang zu halten. Oder du könntest weiter reinzoomen und sagen, dass dein Körper aus vielen verschiedenen Arten von Zellen besteht. Auf der elementarsten Ebene jedoch besteht dein Körper—und tatsächlich alles in der belebten und unbelebten Welt—aus Atomen, oft organisiert in größeren Strukturen, den Molekülen.

Atome und Moleküle folgen den Gesetzen der Chemie und Physik, auch wenn sie Teil eines komplexen, lebenden, atmenden Wesens sind. Wenn du in Chemie gelernt hat, dass einige Atome dazu neigen, Elektronen aufzunehmen oder abzugeben oder miteinander Bindungen einzugehen, bleiben diese Tatsachen auch wahr, wenn die Atome oder Moleküle Teil eines Lebewesens sind. In der Tat sind einfache Interaktionen zwischen Atomen—die sich viele Male und in vielen verschiedenen Kombinationen in einem Einzeller oder größeren Organismus abspielen—das, was das Leben möglich macht. Man könnte argumentieren, dass alles, was du bist, einschließlich deines Bewusstseins, das Nebenprodukt von chemischen und elektrischen Interaktionen zwischen einer sehr, sehr großen Anzahl an nicht lebenden Atomen ist!

Als ein unglaublicher Komplex aus etwa 7.000.000.000.000.000.000.000.000.000 Atomen solltest du vielleicht ein paar grundlegende Dinge der Chemie kennenlernen, bevor du beginnst, die Welt der Biologie und die Welt im Allgemeinen zu erkunden.

Der Begriff Materie bezieht sich auf alles, das Raum einnimmt und eine Masse besitzt—das heißt, das “Zeug”, aus dem das Universum besteht. Alle Materie besteht aus Substanzen, den sogenannten Elementen, welche bestimmte chemische und physikalische Eigenschaften besitzen und nicht durch gewöhnliche chemische Reaktionen in andere Substanzen aufgespaltet werden können. Gold ist zum Beispiel ein Element und auch Kohlenstoff. Es gibt 118 Elemente, aber nur 92 kommen in der Natur vor. Die übrigen Elemente wurden nur im Labor hergestellt und sind instabil.

Jedes Element wird durch sein chemisches Symbol gekennzeichnet, bei dem es sich um einen einzelnen Großbuchstaben oder, wenn der erste Buchstabe bereits an ein anderes Element "vergeben" ist, eine Kombination aus zwei Buchstaben handelt. Einige Elemente sind nach den englischen Bezeichnungen benannt, wie beispielsweise C für "Carbon" (Kohlenstoff) und Ca für "Calcium" (Kalzium). Andere Elementsymbole lassen sich auf ihren lateinischen Namen zurückführen; das Symbol für Natrium ist beispielsweise Na.

Die vier häufigsten Elemente aller Lebewesen sind Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Stickstoff (N), welche zusammen etwa 96 % des menschlichen Körpers ausmachen. In der unbelebten Welt sind die Elemente in unterschiedlichen Anteilen vorhanden und einige Elemente, die häufig bei Lebewesen sind, sind relativ selten auf der Erde als Ganzes betrachtet. Alle Elemente und alle chemischen Reaktionen zwischen ihnen gehorchen denselben chemischen und physikalischen Gesetzen, unabhängig davon, ob sie Teil der belebten oder der unbelebten Welt sind.

Ein Atom ist die kleinste Einheit der Materie, die alle chemischen Eigenschaften des Elements behält. Eine Goldmünze ist zum Beispiel einfach nur eine sehr große Anzahl an Goldatomen geformt zu einer Münze zusammen mit kleinen Mengen anderer, kontaminierender Elemente. Goldatome können nicht in irgendetwas Kleineres aufgespalten werden, ohne die Eigenschaften von Gold zu verlieren. Ein Goldatom verdankt seine Eigenschaften den winzigen Elementarteilchen, aus denen es besteht.

Ein Atom besteht aus zwei Bereichen. Der erste ist der winzige Atomkern, der sich im Zentrum des Atoms befindet und positiv geladene Teilchen, die Protonen, und neutrale, ungeladene Teilchen, die Neutronen, enthält. Der zweite, viel größere Bereich des Atoms ist die Elektronenwolke, negativ geladene Teilchen, die den Atomkern umkreisen. Die Anziehung zwischen den positiv geladenen Protonen und den negativ geladenen Elektronen hält das Atom zusammen. Die meisten Atome enthalten alle drei Arten von Elementarteilchen—Protonen, Elektronen und Neutronen. Wasserstoff (H) ist eine Ausnahme, weil er in der Regel nur ein Proton und ein Elektron besitzt, aber keine Neutronen. Die Anzahl an Protonen im Atomkern bestimmt, um welches Element es sich bei einem Atom handelt, während die Anzahl an Elektronen, die den Atomkern umkreisen, bestimmt, welchen Arten von Reaktionen das Atom unterzogen wird. Die drei Arten von Elementarteilchen sind in der folgenden Zeichnung für ein Heliumatom dargestellt—welches definitionsgemäß zwei Protonen enthält.

Protonen und Neutronen besitzen nicht die gleiche Ladung, aber ungefähr die gleiche Masse, etwa $1,67\times {10}^{-24}$‍ Gramm. Da Gramm keine sehr geeignete Einheit für das Messen solch kleiner Massen ist, haben Wissenschaftler eine alternative Maßeinheit definiert, Dalton oder atomare Masseeinheit (u für unified atomic mass unit). Ein einzelnes Neutron oder Proton besitzt ein Gewicht von fast genau 1 u. Elektronen besitzen eine viel kleinere Masse als Protonen, nur etwa 1/1800 einer atomaren Masseeinheit, daher tragen sie nicht viel zur gesamten Atommasse eines Elements bei. Andererseits beeinflussen Elektronen stark die Ladung eines Atoms, da jedes Elektron eine negative Ladung entsprechend der positiven Ladung eines Protons besitzt. In ungeladenen, neutralen Atomen ist die Anzahl an Elektronen, die den Atomkern umkreisen, gleich der Anzahl an Protonen im Atomkern. Diese positiven und negativen Ladungen heben sich gegenseitig auf und führen zu einem Atom ohne Nettoladung.

Protonen, Neutronen und Elektronen sind sehr klein und der größte Anteil des Volumens eines Atoms—mehr als 99 Prozent—ist eigentlich leerer Raum. Bei diesem ganzen leeren Raum könnte man sich fragen, warum sogenannte feste Objekte nicht einfach durch andere hindurch gehen können. DIe Antwort ist, dass die negativ geladenen Elektronenwolken sich gegenseitig abstoßen, wenn sie zu nah aneinander liegen, wodurch wir eine Festigkeit wahrnehmen.