Verteilung der Elemente im Weltall und auf der Erde (Atom-%)

2. Entstehung der heutigen Umwelt

Z Element Weltall Erde Erdkruste Hydrosphäre Atmosphäre Mensch

1 H 92,714 0,12 2,882 66,200 60,563

2 He 7,185

3 Li 0,009

4 Be

5 B

6 C 0,008 0,099 0,055 0,001 0,035 10,680

7 N 0,015 0,0003 0,007 78,03 2,44

8 0 0,050 48,880 60,425 33,100 21,0 25,67

9 F 0,0038 0,007

10 Ne 0,020 0,002

11 Na 0,0001 0,640 2,554 0,290 0,075

12 Mg 0,0021 12,500 1,784 0,034 0,011

13 Al 0,0002 1,300 6,251

14 Si 0,0023 14,000 20,475

15 P 0,14 0,079 0,13

16 S 0,0009 1,400 0,033 0,017 0,13

17 Cl 0,045 0,011 0,340 0,033

18 Ar 0,0003 0,933

19 K 0,056 1,374 0,006 0,037

20 Ca 0,0001 0,46 1,878 0,006 0,23

21 Sc

22 Ti 0,028 0,191

23 V 0,004

24 Cr 0,008

25 Mn 0,056 0,037

26 Fe 0,0014 18,870 1,858

27 Co 0,001

28 Ni 0,0001 1,400 0,003

29 Cu 0,001

30 Zn 0,002

99,999 99,998 99,999 99,994 99,998 99,999

Verteilung der Elemente im Weltall und auf der Erde (Atom-%)

Beispiel:

Fe (Eisen)

- Relative Atommasse: 55,847

- Natürliche Häufigkeit: ⁵²Fe 5,82 %

56Fe 91,18%

57Fe 2,10%

58Fe 0,28%

- Bekannt insgesamt: 24 Isotope

Kennzeichnung der Atomarten

- verschiedene Atomarten, die sich durch Massen- oder Ordnungs- zahl unterscheiden = Nuklide

- IUPAC - Regel:

A Z E

E: Elementsymbol A: Massenzahl Z: Ordnungszahl

- zur Charakterisierung von radioaktiven Nukliden noch wichtig:

Halbwertszeit, Art und Energie der Strahlung

⇒ Schema des PSE zum Eintrag aller Nuklide unzureichend, deshalb:

Nuklidkarte

Nuklidkarte

Z

N

Z = Protonenzahl

N = Neutronenzahl (N = A - Z)

Kernaufbau- und Kernzerfallsreaktionen in Sternen

Big Bang T_Universum Zeit

Quark-Gluon Plasma

> 10¹² K 10^-6s

Protonen-&

Neutronenbildung

> 10¹² K 10^-4s

Bildung von leichten Kernen

> 10⁹K 3 min

Bildung von neutralen Atomen

4.000 K 400.000 Jahre

Bildung von Sternen 20 K –3 K 1 x 10⁹Jahre

Ausbreitung von schweren Elementen

< 20 K –3 K

> 1 x 10⁹Jahre

Heute

3 K 15 x 10⁹Jahre

Die Erde als unbelebter Planet

Entstehung der Erde als mehrstufiger Prozess - I

- Beginn vor 4,6 Mrd. Jahren

• Gasnebel im interplanetaren Raum, wo sich heute unser Planeten- system befindet

He, H₂, andere Edelgase, schwerflüchtige Elemente in kleinen Konzentrationen, in deren Zentrum die Sonne stand

• beim Abkühlen - kleine, feste Materialteilchen, die aus schwer- flüchtige Materialien wie z. B. Metalloxiden (Fe0, Mg0, Al₂O₃), Metallen (Fe, Ni) und Silikaten bestanden

• Gravitationswirkung - Vereinigung der kondensierten Partikel zu größeren Gebilden

Die Erde als unbelebter Planet

Entstehung der Erde als mehrstufiger Prozess - II - Bildung der Protoplaneten --> Merkur, Venus, Erde, Mars - rasche Zunahme der Masse der Protoplaneten

- Aufheizen der Planeten durch:

• Aufprall der Materie (kinetische Energie --> Wärmeenergie)

• Wärmeerzeugung durch den Zerfall radioaktiver Elemente - Aufschmelzen des homogenen Gemenges aus Metallen, Metall-

oxiden und Silikaten (Fp. Ni 1452°C, Fe 1539°C) und Absinken der Metalle ins Erdinnere

- Dauer der Trennung in Erdkern und Erdkruste: ca. 100 000 Jahre - In der Folgezeit allmähliche Abkühlung der Oberfläche und

Aufkondensieren weiteren kosmischen Materials - Die feste Erdkruste gibt leicht flüchtige Anteile ab

Bedingungen für „menschliches Leben“?

- ambiente Temperatur- und Druckbedingungen - Strahlungsfilter (Luftschicht)

- Sauerstoffgehalt der Atmosphäre

- Energiezufuhr (Entropie??)

Vergleich der Elementhäufigkeit Erdkruste - Mensch

Durchschnittliche elementare Zusammensetzung des menschlichen Körpers (70 kg) Element Elementsymbol Masse Entdeckung als essentielles Element

Sauerstoff O 45,5 kg

Kohlenstoff C 12,6 kg

Wasserstoff H 7,0 kg

Stickstoff N 2,1 kg

Calcium Ca 1,05 kg

Phosphor P 700 g

Schwefel S 175 g

Kalium K 140 g

Chlor Cl 105 g

Natrium Na 105 g

Magnesium Mg 35 g

Eisen Fe 4,2 g 17. Jh.

Zink Zn 2,3 g 1896

Silicium Si 1,4 g 1972

Rubidium^a Rb 1,1 g

Fluor F 0,8 g 1972

Zirconium^a Zr 0,3 g

Brom^b Br 0,2 g

Strontium^a Sr 0,14 g

Kupfer Cu 0,11 g 1925

Aluminium^a Al 0,10 g

Blei^b Pb 0,08 g 1977

Antimon^a Sb 0,07 g

Cadmium^b Cd 0,03 g 1977

Zinn Sn 0,03 g 1970

Iod J 0,03 g 1820

Mangan Mn 0,02 g 1931

Vanadium V 0,02 g 1971

Selen Se 0,02 g 1957

Barium^a Ba 0,02 g

Arsen^b As 0,01 g 1975

Bor B 0,01 g

Nickel Ni 0,01 g 1971

Chrom Cr 0,005 g 1959

Cobalt Co 0,003 g 1935

Molybdän Mo < 0,005 g 1953

Lithium^b,c Li 0,002 g

nach Merian, Elmadfa, Leitzmann

a Nicht als essentiell bewertet ^b Essentieller Charakter nicht eindeutig

c Nach Pfannhauser

Die Entstehung des atmosphärischen Sauerstoffs

O₂ -Bildung ist prinzipiell über anorganische Reaktionen denkbar, Photolyse von CO₂ oder H₂ O (in damaliger Atmosphäre vorhanden)

durch kurzwellige UV-Strahlung λ < 200 nm

(1) Ist durch das Fehlen bedeutender Mengen CO in der Atmosphäre auszuschließen

(2) a) Rechnungen zeigen, dass über anorganische photolytische

Prozesse nur etwa 0,1 % des heutigen O₂ -Gehaltes hätten gebildet werden können

b) Mit steigendem O₂ -Gehalt spaltet UV-Licht vorzugsweise O₂ statt H₂ O (chemischer Rückkopplungsprozess ⇒ Urey-Effekt)

ÄBildung des atmosphärischen Sauerstoffs andere Gründe?

Photosynthetische Sauerstoffproduktion:

- Anorganisch photolytischer Prozess der Spaltung

spielt mengenmäßig, wie auch der geringe Sauerstoffgehalt in den Vulkangasen (10-100 ppb) keine Rolle

- Blaualgen (Cyanobakterien), grüne Pflanzen synthetisieren organisches Material und als Nebenprodukt Sauerstoff

hν

6 CO

+ 6 H

O Q C

H

O

+ 6 O

- Für jedes entstandene und abgelagerte C-Atom,

für das die Verwesung nicht entsprechend der Rückreaktion verläuft, bleibt entsprechend Sauerstoff übrig!

Herausbildung des Sauerstoff - I

- Der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre stieg nur sehr langsam an Cyanobakterien (O₂ und Bildung red. C-Verbindungen)

(über einen langen Zeitraum wurde er zur Oxidation reduzierter Stoffe verbraucht)

Verzögerung durch:

• im Meerwasser gelöste Eisen(II)-Ionen

4 Fe²⁺ + 12 H₂ O + O₂ 2 Fe₂ O₃ + 8 H₃ O⁺ gelöstes Fe²⁺ ⇒ Rotsteinsedimente

• im Wasser gelöste Sulfid-Ionen

S^2- + 2 O₂ SO₄^2-

• durch Oxidation von Fe²⁺ - Ionen in verwittertem Gestein

Herausbildung des Sauerstoff - II

• mit zunehmender O₂ -Konzentration in der Atmosphäre spielt die Löslichkeit im Meerwasser eine wachsende Rolle

(proportionale Zunahme der Löslichkeit)

Henry ´sches Gesetz c

= H • P

c_O2 = Konzentration des im Wasser gelösten Sauerstoffs P_O2 = Partialdruck des Sauerstoffs in der Atmosphäre H = Henry´sche Konstante

• weiterer Anstieg des O₂ -Gehaltes erreicht bei etwa 10% des

Gesamtgehalts eine neue Qualität (vor etwa 500-700 Mio. Jahren) - aus O₂ -Gehalt kann sich genügend Ozon (O₃ ) bilden

(Ozonschicht !!), um lebenszerstörende UV-Strahlung (λ < 310 nm) zu absorbieren

- Entwicklung der ersten Landpflanzen (vor etwa 400 Mio. Jahren)

• seit etwa 350 Mio. Jahren entspricht der O₂ -Gehalt der Atmosphäre ungefähr dem heutigen Wert (etwa 21%)

• wenn alles Leben auf der Erde (heute) verlöschen würde, würde aller Sauerstoff nach ca. 300 Mio. Jahren im Meeressediment eingelagert sein

Herausbildung des Sauerstoff - III

Aller auf der Erde vorhandene

molekulare Sauerstoff ist das

Ergebnis von Organismen !!

Früherde als chemisches Laboratorium

Aminosäuren z.B CO ;CO₂ ;

CH₄ ;N₂ ; NH_3.

PH₃ ; H₂ ; H₂ S

H₂ O

Radioaktivität

Die Entstehung von Biomolekülen

Zeitraum: von etwa 2,5 Mrd. Jahren

Energiequelle: Sonnenlicht (UV-Strahlung)

Strahlenschutzschild: 0,1% O₃ in der Atmosphäre, H₂ O

(Maximum zwischen 260 und 280 nm;

ist der Bereich, in dem "biologische Moleküle"

am strahlungsempfindlichsten sind.)

Millersche Apparatur zur Synthese

von Biomonomeren

„Millersches Experiment“

Produkte:

HCHO HCOOH CH₃ -HCOOH

elektrische

Entladung Asparaginsäure, Alanin

oder ⇒ ⇒ Adenin z.B.

UV-Licht Purine, Zucker, Porphyrine,

Glycin und andere essentielle Bausteine des Lebens

Nachweis:

Bildung organischer Grundmoleküle aus anorganischen Verbindungen unter (angenommenen) Umweltbedingungen

Photosynthese

Reaktionsgleichung (vereinfacht):

6 CO

+ 6 H

O ' C

H

O

+ 6 O

(Chlorophyll, Sonnenlicht)

Resultat:

1. Bildung von reduziertem Kohlenstoff

2. Bildung von freiem Sauerstoff

- jährlicher Umsatz bei Photosynthese: ca. 120 Mrd. t

50% 50%

Einbau in Biomasse Atmung CO₂

Pflanzenfresser

(1 Mensch 1 kg CO₂ /h)

Verwesung CO₂

Sedimentierung (nur etwa 0,1 Mrd. t/Jahr)

Photosynthese / Kohlenstoffumsatz

Atmung:

- aerobe Atmung:

abgespaltener Wasserstoff aus Organika auf molekularen Sauerstoff unter Bildung von Wasser übertragen: C₆ H₁₂ O₆ + 6O₂ ⇔ 6H₂ O + 6CO₂ - anaerobe Atmung:

der Wasserstoff wird auf „Sauerstoff in gebundener Form“ übertragen (verläuft unter Sauerstoffausschluss) z.B. auf Nitrat oder Sulfatsauer- stoff als H-Akzeptor: NO₃^- ⇔ N₂ , NH₃ ; SO₄ ^2- ⇔ H₂ S

- Atmung ist summenmäßig die Umkehrung der Photosynthese - Atmung ist 14 mal effektiver als die Milchsäuregärung

(siehe freie Enthalpie ΔG°)

- Atmung bedeutet für die Lebewesen einen enormen evolutionären Vorteil

Vergleich:

Gärung: C₆ H₁₂ O₆ 2 CH₃ -CH(OH)COOH (ΔG° = -199 kJ) Atmung: C₆ H₁₂ O₆ + 6 O₂ 6 CO₂ + 6 H₂ O (ΔG° = -2848 kJ)

Schlussfolgerungen:

• thermodynamisch ist das Leben sehr unwahrscheinlich

(Verringerung der Entropie gegenüber der unbelebten Umwelt) - Leben kann nur durch ständigen Energiefluss in das lebende

System aufrechterhalten werden (Energiefluss der Sonne) - Bedingung sind effektive Stoffwechselvorgänge (Atmung)

• die natürliche Umwelt ist eine permanent fließendes Gleichgewicht, geringe Änderungen können weitreichende Konsequenzen haben