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2.1: Das Periodensystem und Organisationselemente
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The Periodic Table and Organismal Elements
 
PROTOKOLLE

2.1: The Periodic Table and Organismal Elements

2.1: Das Periodensystem und Organisationselemente

Overview

Elements are the smallest units of matter that cannot be broken down further by chemical processes. There are 118 known elements, but not all of these are naturally-occurring, and fewer still are essential for life. Living matter is composed primarily of carbon, nitrogen, hydrogen, and oxygen, with smaller amounts of other elements like calcium, phosphorus, potassium, and sulfur. Other elements are also necessary for life but only in trace amounts.

The Periodic Table Provides Information about the Physical and Chemical Properties of Elements

The periodic table organizes elements based on their physical and chemical properties. The atomic number of an element corresponds to the number of protons found in its nucleus, and each square in the periodic table also provides the full name, chemical symbol, and atomic weight of an element. The number of protons provides information about the size of an element, but it is not the only organizational principle underlying the structure of the periodic table. Elements are organized into columns (groups) and rows (periods) based on other physical and chemical properties, such as reactivity, the location of their outermost electrons, and the ability to make certain types of bonds. Elements in the same group (i.e., column) vary in size but have many chemical properties in common with one another. By contrast, elements in the same period (i.e., row) are more similar in size and have their electrons located in a similar place, but vary greatly in their chemical properties.

Major Elements and Trace Elements Make up the Human Body

All life on Earth contains the elements oxygen, carbon, hydrogen, and nitrogen. More precisely, 96% of the human body is made up of these four elements. The remaining 4% is composed primarily of calcium, phosphorus, potassium, sulfur, sodium, chlorine, and magnesium, in order of relative abundance. Further, some elements are essential for humans but are found in the body in amounts of less than 0.01%; these are called trace elements. Even though they are only present in small amounts, trace elements are still critical for health. Iron, for example, plays an essential role in red blood cells, helping to bind oxygen so that it can be transported throughout the circulatory system. Too little iron can result in iron-deficiency anemia, which is characterized by symptoms that stem from a lack of oxygen, including fatigue, shortness of breath, weakness, and irregular heart rhythms.

Some Elements Are Harmful to Living Organisms

Some elements have detrimental health effects even in small doses. Mercury, for example, is one of several heavy metals that can produce a number of symptoms in small doses—depending on the tissue that is affected—and causes death in larger doses. It can accumulate in the tissues of multicellular organisms over time, so repeated exposure is a concern. Novel ways of removing heavy metal contaminants from the environment using biological methods—bioremediation—requires research to understand both the chemistry of the contaminants and the biology of the first organisms that they affect. Heavy metals often enter the food web at the level of primary producers before they affect organisms at higher trophic levels such as humans.

Überblick

Elemente sind die kleinsten Einheiten der Materie. Sie können durch chemische Prozesse nicht weiter zerlegt werden. Es gibt insgesamt 118 bekannte Elemente, die aber nicht alle in der Natur vorkommen. Nur wenige von ihnen sind auch wirklich lebensnotwendig. Lebende Materie besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Kleinere Mengen anderer Elemente wie Kalzium, Phosphor, Kalium und Schwefel findet man jedoch ebenfalls in lebendigen Organismen. Es gibt jedoch auch noch weitere Elemente, welche lebensnotwendig sind. Sie kommen aber nur in sehr kleinen Mengen in Organismen vor.

Das Periodensystem zeigt Informationen über die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Elemente auf

Das Periodensystem ordnet die Elemente auf der Grundlage ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften ein. Die Ordnungszahl eines Elements entspricht der Anzahl der Protonen, die sich in seinem Kern bzw. Nucleus befinden. Jedes Feld im Periodensystem liefert auch den vollständigen Namen, das chemische Symbol und das Atomgewicht des jeweiligen Elements. Die Anzahl der Protonen gibt zwar Auskunft über die Größe eines Elements, ist aber nicht das einzige Organisationsprinzip, nach dem das Periodensystem strukturiert ist. Elemente werden in Spalten (Gruppen) und Zeilen (Perioden) organisiert, die auf anderen physikalischen und chemischen Eigenschaften basieren. Dazu gehört z.B. die Reaktivität. Sie beschreibt die Lage der äußersten Elektronen an einem Atom und die Fähigkeit, bestimmte Arten von Bindungen einzugehen. Elemente in der gleichen Gruppe (d.h. Spalte) variieren in ihrer Größe. Sie teilen sich aber in der Regel viele gemeinsame chemische Eigenschaften. Im Gegensatz dazu sind Elemente in der gleichen Periode (d.h. Zeile) ähnlich groß und haben ihre Elektronen an einem ähnlichen Ort, variieren aber stark bezüglich ihrer chemischen Eigenschaften.

Der menschliche Körper besteht aus Haupt- und Spurenelementen

Alles Leben auf der Erde enthält die vier Elemente Sauerstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff. Der menschliche Körper besteht zu 96% aus diesen vier Elementen. Die restlichen 4% bilden vor allem Kalzium, Phosphor, Kalium, Schwefel, Natrium, Chlor und Magnesium. In dieser Reihenfolge kommen sie auch absteigend gesehen relativ vor. Darüber hinaus sind einige Elemente für den Menschen essentiell, werden aber im Körper in Mengen von weniger als 0,01% vorgefunden. Man bezeichnet diese Elemente als Spurenelemente. Auch wenn sie nur in geringen Mengen vorkommen, sind Spurenelemente für eine gute Gesundheit von entscheidender Bedeutung. So spielt Eisen beispielsweise eine wesentliche Rolle bei der Bildung von roten Blutkörperchen. Es hilft, Sauerstoff zu binden, damit dieser durch den Blutkreislauf transportiert werden kann. Zu wenig Eisen im Körper kann zu einer Eisenmangel-Anämie führen. Diese zeichnet sich durch Symptome auf, die auf einen Sauerstoffmangel zurückzuführen sind. Das umfasst beispielsweise Müdigkeit, Kurzatmigkeit, Schwäche und unregelmäßige Herzrhythmen.

Einige Elemente sind für lebende Organismen gefährlich

Einige Elemente haben jedoch auch schon in geringen Dosierungen gesundheitsschädigende Auswirkungen. Quecksilber zum Beispiel ist eines von mehreren Schwermetallen, das auch kleinen Dosierungen eine Reihe von Beschwerden hervorrufen kann. Es ist dabei irrelevant, welcher Gewebeart das Quecksilber zugeführt wird. In größeren Dosen führt es zum Tod des Organismus. Es kann sich im Laufe der Zeit im Gewebe von mehrzelligen Organismen anreichern, so dass eine wiederholte Exposition zu einer Bedrohung für den Organismus werden kann. Neue Methoden zur Entfernung von Schwermetall aus der Umwelt mit biologischen Methoden erfordern Forschung, um sowohl die Chemie der Verunreinigungen als auch die Biologie der ersten Organismen, die davon betroffen sind, zu verstehen. Man bezeichnet dies als Bioremeditation. Schwermetalle gelangen oft auf der Ebene der Primärproduzenten in die Nahrungskette, bevor sie Organismen auf höheren trophischen Ebenen wie z. B. den Menschen beeinträchtigen.


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