Aggregatzustände der Elemente: fest, flüssig und gasförmig

Bei Raumtemperatur und normalem Luftdruck zeigen die 118 Elemente des Periodensystems drei verschiedene Aggregatzustände: die meisten sind fest, einige wenige gasförmig und nur zwei flüssig. Diese Verteilung folgt physikalischen Gesetzen, die direkt mit der Stellung eines Elements im Periodensystem zusammenhängen.

Was bestimmt den Aggregatzustand?

Der Aggregatzustand eines Elements bei einer bestimmten Temperatur hängt von zwei Faktoren ab: den Kräften zwischen den Atomen oder Molekülen und der verfügbaren thermischen Energie.

Starke Bindungskräfte zwischen den Teilchen führen zu hohen Schmelz- und Siedepunkten. Metalle mit fester Kristallstruktur und starken Metallbindungen sind deshalb bei Raumtemperatur fest. Edelgase dagegen wechselwirken nur über schwache van-der-Waals-Kräfte und sind deshalb bei Raumtemperatur Gase.

Feste Elemente: die große Mehrheit

Bei Raumtemperatur sind die meisten Elemente fest. Dazu zählen fast alle Metalle sowie einige Nichtmetalle wie Schwefel, Phosphor, Iod und Kohlenstoff (als Graphit oder Diamant).

Metalle bilden kristalline Gitterstrukturen, in denen Metallkationen von einem Meer frei beweglicher Elektronen umgeben sind. Diese Metallbindung ist bei den meisten Metallen so stark, dass sehr hohe Temperaturen nötig sind, um sie zu schmelzen.

Wolfram (W) hat mit 3422 Grad Celsius den höchsten Schmelzpunkt aller Elemente. Osmium (Os) ist mit einer Dichte von 22,59 g/cm3 das dichteste Element. Im Periodensystem finden sich diese Extremwerte in den d-Block-Metallen der vierten bis sechsten Periode.

Nichtmetallische Feststoffe wie Schwefel oder Phosphor halten durch kovalente Bindungen innerhalb ihrer Moleküle zusammen, während zwischen den Molekülen nur schwache van-der-Waals-Kräfte wirken. Ihr Schmelzpunkt liegt deshalb deutlich tiefer als bei Metallen.

Gasförmige Elemente: die Leichten und Reaktionsträgen

Elf Elemente sind bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmig: Wasserstoff (H2), Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2), Fluor (F2), Chlor (Cl2) sowie die sechs Edelgase Helium (He), Neon (Ne), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe) und Radon (Rn).

Die Edelgase sind einatomige Gase, da ihre vollen Außenschalen keine chemischen Bindungen mit anderen Atomen erfordern. Ihre Siedepunkte sind die niedrigsten aller Elemente. Helium siedet bei minus 269 Grad Celsius, nur 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor und Chlor liegen als zweiatomige Moleküle vor (H2, N2, O2, F2, Cl2). Die Bindungen innerhalb dieser Moleküle sind stark, aber die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen sind schwach, weshalb diese Stoffe bei Raumtemperatur gasförmig sind.

Flüssige Elemente bei Raumtemperatur

Nur zwei Elemente sind bei Raumtemperatur (25 Grad Celsius) und Normaldruck flüssig:

Quecksilber (Hg), Ordnungszahl 80, ist ein silbrig glänzendes Flüssigmetall mit einem Schmelzpunkt von minus 38,8 Grad Celsius. Es verdampft langsam bei Raumtemperatur und seine Dämpfe sind hochgiftig. Früher wurde Quecksilber in Thermometern und Barometern verwendet, heute ist sein Einsatz stark eingeschränkt.

Brom (Br), Ordnungszahl 35, ist ein rotbraunes Nichtmetall-Flüssigkeit mit einem beißenden Geruch und einem Schmelzpunkt von minus 7,2 Grad Celsius. Es verdunstet leicht und seine Dämpfe reizen die Atemwege stark.

Gallium (Ga) schmilzt bereits bei 29,8 Grad Celsius und ist damit in einer warmen Hand flüssig, liegt aber knapp über der Standardbedingung von 25 Grad Celsius.

Trends im Periodensystem

Das Periodensystem lässt Muster bei den Aggregatzuständen erkennen:

In Periode 2 wechseln die Aggregatzustände von fest (Li, Be, B, C) zu gasförmig (N, O, F, Ne). In Periode 3 zeigt sich ein ähnliches Muster: Metalle (Na, Mg, Al) und einige feste Nichtmetalle (Si, P, S) wechseln zu einem Gas (Cl) und einem Edelgas (Ar).

Die Schmelzpunkte der Übergangsmetalle steigen in der Regel von links nach rechts bis zur Mitte des d-Blocks an und fallen dann wieder ab. Das spiegelt die zunehmende Anzahl bindender d-Elektronen wider.

Aggregatzustände und Technik

Die Aggregatzustände der Elemente haben direkte technische Bedeutung:

• Gallium nutzt man in Halbleitern und Leuchtdioden (LEDs). Sein niedriger Schmelzpunkt macht es in der Forschung als Flüssigmetall-Kühlmittel interessant.
• Brom wird in der chemischen Industrie als Lösungs- und Reaktionsmittel eingesetzt, beispielsweise zur Herstellung von Flammschutzmitteln.
• Helium bleibt selbst bei extrem tiefen Temperaturen flüssig und wird als Kühlmittel für Supraleiter in Kernspintomographen (MRT) und Teilchenbeschleunigern eingesetzt.
• Wolfram hält als Festkörper die hohen Temperaturen in Glühfadenlampen aus und wird in Hochtemperaturöfen verbaut.

Das Periodensystem zeigt nicht nur, was ein Element ist, sondern auch, in welchem Zustand man es unter normalen Bedingungen antrifft. Wer Schmelz- und Siedepunkte im Kontext der Tabellenstruktur liest, versteht, warum manche Elemente so praktisch sind und andere so gefährlich.