Elemente und deren Verbindungen

Folgenden werden ausgewählte Elemente des Periodensystems vorgestellt. Wo möglich soll gezeigt werden, welche Rolle sie im menschlichen Organismus einnehmen. 

Wasserstoff ist das im Universum am häufigsten vorkommende Element. Es tritt in Form von drei Isotopen auf, nämlich als Protium (11H), Deuterium (12H) und Tritium (13H). Letzteres zerfällt radioaktiv. Reiner Wasserstoff kommt stets als Homodimer in Form von H2 vor. Dabei handelt es sich um ein farbloses, geruchs- und geschmacksloses Gas.

Häufig begegnet uns der Wasserstoff in Verbindung mit Sauerstoff im Wassermolekül. Das Wasserstoff-Kation H+, das auch als Proton bezeichnet wird, bestimmt den pH-Wert und spielt eine zentrale Rolle in Säure-Base-Reaktionen. In der organischen Chemie tritt Wasserstoff als Bindungspartner von Kohlenstoff sowie in funktionellen Gruppen auf.

Sauerstoff ist wie Wasserstoff ein farbloses, geruchs- und geschmacksloses Gas, welches rund 21% des Volumens unserer Atemluft ausmacht. Es tritt unter Normalbedingungen als Homodimer O2 auf, ist sehr reaktiv und wichtiger Bestandteil von sog. Redoxreaktionen. Dabei wirkt es als Oxidationsmittel, führt also zur Oxidation anderer Reaktionspartner, während es selbst reduziert wird.

Der Sauerstoff der Erdatmosphäre entstammt der Photosynthese autotropher Organismen, die dazu in der Lage sind, organische Moleküle aus anorganischen Stoffen aufzubauen. Dazu gehören u.a. Pflanzen.

Sauerstoff tritt auch als Homotrimer O3 auf, welches besser als Ozon bekannt ist. Es besteht für wenige Tage und zerfällt anschließend in den aus zwei Sauerstoff-Atomen bestehenden Luftsauerstoff. Zum einen absorbiert Ozon einen Teil der ultravioletten, von der Sonne ausgehenden Strahlung und hat damit eine für uns überlebenswichtige Schutzfunktion. Zum anderen ist Ozon ein starkes Reduktionsmittel und in zu großer Konzentration schädlich für den Menschen. Außerdem ist es ein Treiber für die globale Erderwärmung.

Auch auf zellulärer Ebene spielt Sauerstoff eine wichtige Rolle, insbesondere in Form reaktiver Sauerstoffradikale (ROS). Diese können der Zelle schaden und zu sog. oxidativem Stress führen. Zellen des Immunsystems können sich ROS allerdings auch zunutze machen und diese dazu nutzen, Krankheitserreger zu bekämpfen.

Wasser (H2O) ist bei Raumtemperatur flüssig, geschmackslos und geruchslos und macht rund 60% des menschlichen Körpers aus. Aufgrund der großen Elektronegativitätsdifferenz zwischen Wasserstoff und Sauerstoff sind Wassermoleküle polar und bilden untereinander Wasserstoffbrückenbindungen aus. Infolge der Polarität dient es als Lösungsmittel für ebenso polare Stoffe, z.B. Alkohole oder Carbonsäuren, nicht aber für unpolare Substanzen wie Öle.

In Zusammenhang mit Wasser trifft man häufig auf die sog. Anomalie des Wassers. Darunter versteht man das Phänomen, dass die Dichte von Wasser bei 4°C ihr Maximum erreicht. Sein Volumen ist bei dieser Temperatur am kleinsten. 

Wasser kann sowohl als Säure als auch als Base fungieren. Man bezeichnet einen Stoff mit dieser Eigenschaft als Amphoter.

Kohlenstoff kommt natürlicherweise in Form von drei Isotopen vor: C12, C13 und C14. Letzteres ist instabil und wird im Rahmen der Radiokarbonmethode zur Altersbestimmung genutzt. Zu Lebzeiten nimmt ein Organismus ständig Kohlenstoff auf, auch das instabile Isotop C14. Dieses macht folglich einen konstanten Anteil des Gesamtkohlenstoffs aus. Nach dem Tod eines Organismus endet der Kohlenstoffaustausch mit der Umwelt und der C14-Anteil nimmt mit einer Halbwertszeit von ca. 5.730 Jahren ab. Anhand des Anteils von C14 lässt sich näherungsweise der Todeszeitpunkt bestimmen.

Die besondere Rolle des Kohlenstoffs, die ihn zur Grundlage der organischen Chemie und unseres Lebens macht, resultiert aus seinem speziellen Bindungsverhalten. Er ist Grundlage von Kohlenhydraten, Eiweißen, Lipiden und vielem mehr. In unserem Blut spielt er in Form der Kohlensäure H2CO3 eine wichtige Rolle bei der Konstanthaltung des pH-Werts. Die Kohlensäure ist das Reaktionsprodukt von Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser, was sich anhand der Herstellung von sprudelhaltigem Wasser mit Hilfe eines SodaStreams veranschaulichen lässt. Aus ihr entstehen die Carbonat- bzw. Hydrogencarbonat-Salze.

Nahezu jede Verbindung des Sauerstoffs mit einem anderen Element wird als Oxid bezeichnet. Die wohl bekanntesten Vertreter der Oxide sind Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid. 

Kohlenstoffdioxid (CO2) entsteht bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Verbindungen bei ausreichender Menge an vorliegendem Sauerstoff und in Organismen als Abbauprodukt verschiedener Stoffwechselwege. 

Kohlenstoffmonoxid (CO) entsteht bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Verbindungen unter Sauerstoffmangel. Es handelt sich um ein toxisches Gas, welches u.a. die Bindung von Sauerstoff an die roten Blutzellen zum Negativen beeinflusst.

Auch Metalle treten in Verbindung mit Sauerstoff. In der Folge tritt Rost auf. Da in der Vergangenheit beispielsweise schon nach der Summenformel für Magnesiumoxid (MgO) gefragt wurde, lohnt es sich, diese Verbindungen vor dem MedAT genau zu studieren.

Stickstoff liegt unter Normalbedingungen als Homodimer N2 vor. Es ist farb- und geruchslos und das am häufigsten vorkommende Element in der Atemluft. Dort macht es ca. 78% aus. Stickstoff kommt in allen Lebewesen vor, u.a. als Teil von Aminosäuren und Nukleinsäuren. Außerdem wirkt es in Form von Stickstoffmonoxid als Botenstoff und vermittelt eine Erweiterung der Gefäße in der Muskulatur.

Die Halogene stehen in der siebten Hauptgruppe des Periodensystems und kommen in elementarer Form als Homodimere vor. Weil ihnen nur ein Elektron zur Erreichung der Edelgaskonfiguration fehlt, sind sie sehr reaktiv.

Halogene sind Bestandteil von Desinfektionsmitteln – man denke an Chlor im Wasser von Schwimmbädern. Fluor und Iod werden dem Speisesalz beigemengt, um Mangelernährung vorzubeugen. Fluor ist außerdem wichtiger Bestandteil des Zahnschmelzes.