Elemonsters: Wissenswertes

Jedes Element besitzt ein sogenanntes Emissionsspektrum. Dieses entsteht, indem ein Element im gasförmigen Zustand (etwa durch elekrische Spannung) zum Leuchten angeregt wird. Typisches Beispiel dafür sind die Energiesparlampen, in denen Quecksilberdampf leuchtet. Jedes Licht kann in seine Bestandteile zerlegt werden – zum Beispiel mit einem Prisma (siehe Abbildung). Weißes Licht besteht aus allen Regenbogenfarben. Man spricht vom Lichtspektrum als Gesamtheit aller sichtbarer Farben. Wenn nun ein Element zum Leuchten gebracht wird, so setzt sich sein Licht nur aus ganz bestimmten Farbtönen zusammen. Diese Zusammensetzung der Farben ist bei jedem Element anders.

Natriumdampflampen leuchten gelb. Im Spektrum ist deutlich eine gelbe Linie zu sehen.

Neonröhren leuchten rot. Die Linien im roten Bereich sind nicht ganz so deutlich zu erkennen.

Man kann deshalb auch vom "visuellen Fingerabdruck" sprechen, da man ein Element überall an seinem charakteristischen Spektrum erkennen kann – auch im Weltraum. Dadurch können Astronomen erkennen, aus welchen Elementen Sterne bestehen. Auf diese Weise wurde zum Beispiel das Element Helium in der Sonne entdeckt, noch bevor es auf der Erde nachgewiesen werden konnte. Man kann dies auch ganz einfach selbst ausprobieren mittels eines Handspektroskops (welches man zum Beispiel hier bestellen kann).

Im Elemonsters-Kartenspiel ist dieses Spektrum auf der linken Seite auf einem langen, senkrechten Streifen dargestellt (mit den Regenbogenfarben hinterlegt). Jeder kleine Strich steht für einen Farbton. Manche haben ganz viele dünne Striche, manche wenige dicke, aber der Streifen sieht jedesmal anders aus.

Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen. Jede Welle – also auch jeder Farbton des Lichts – hat eine Frequenz genauso wie die Schallwellen, die wir hören können, nur eben sehr viel höher. Wenn man diese Frequenzen nun umrechnet – durch einfaches Dividieren, so kann man aus sichtbaren Farbtönen hörbare Töne machen. Diesen Vorgang nennt man Sonifikation. Die Töne sind in der App zu hören, wenn man auf das Symbol mit der Note auf dem Regenbogen klickt. 

Dass dabei teilweise viel mehr Töne zu hören als Striche zu sehen sind, liegt daran, dass es auch (Licht-)Wellen gibt, die unser Auge nicht wahrnehmen kann (etwa Infrarotlicht oder ultraviolettes Licht). Das gesamte Spektrum eines Elements ist also viel größer, als wir sehen können. Sichtbares Licht ist letztendlich nur ein kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums, das von den Radiowellen über Röntgenstrahlen bis zu den Gammastrahlen reicht. Info am Rande: Der Bereich des sichtbaren Lichts umfasst weniger als eine Oktave, der Bereich aller hörbaren Töne umfasst dagegen (je nach Alter) bis zu zehn Oktaven.

Beispiel Sonifikation von Kupfer (die Töne sind derzeit noch nicht synchron mit der Hervorhebung der Linien):

Dank an Marc Lingk für die Sonifikation der Elemente.

* Seltenheitswert: Dies ist eine vereinfachte logarithmische Darstellung des Vorkommens auf der Erde. Grob gesagt: Wie viele Stellen hinter dem Komma beträgt der Anteil in der Erdkruste?

• Sauerstoff hat den Seltenheitswert 1. Sein Anteil in der Erdkruste beträgt 49,4 %, also rund 0,5 (die Hälfte) — eine Stelle hinter dem Komma.
• Gold hat den Seltenheitswert 9. Sein Anteil in der Erdkruste beträgt 0,0000005 % oder als Dezimalbruch 0,000000005 (fünf Milliardenstel, 5×10⁻⁹) — neun Stellen hinter dem Komma.

Ein Atom besteht aus einem Kern und einer Hülle. Der Kern wiederum besteht aus Protonen und Neutronen, die Hülle aus Elektronen. Protonen sind positiv geladen, Elektronen negativ und Neutronen – wie schon der Name sagt – sind neutral. 

Die Anzahl der Protonen eines Atoms legt fest, zu welchem Element es gehört: Wasserstoff enthät ein Proton, Helium zwei Protonen, Lithium drei usw.. Dies wird auch die Ordnungszahl genannt (im Kartenspiel ist es die kleine Zahl rechts über der Abkürzung in dem Kästchen links oben).

Die Anzahl der Elektronen bestimmt, ob und wie das Atom geladen ist: Sind es gleich viele Elektronen wie Protonen, dann ist das Atom neutral geladen. Sind es mehr Elektronen als Protonen, ist das Atom negativ geladen, und sind es weniger, dann ist es positiv geladen. Geladene Atome werden Ionen genannt.

Die Elektronenhülle ist – je nach Anzahl der Elektronen – unterteilt in mehrere Schichten, genannt Schalen, auf die sich die Elektronen verteilen. Jede Schale kann dabei nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen. Im Elemonsters Kartenspiel ist eine starke Vereinfachung der Elektronenhülle dargestellt. Es ist nur die äußerste Schale zu sehen, denn diese ist die interessanteste im Bezug auf Verbindungen. Bis auf die Ausnahmen Wasserstoff und Helium kann die äußerste Schale genau acht Elektronen aufnehmen. Diese nennt man Valenzelektronen. Vereinfacht gesprochen ist ein Atom immer bestrebt, seine äußerste Schale entweder ganz voll oder ganz leer zu bekommen – je nachdem was leichter geht. Edelgase wie beispielsweise Argon (im Bild nebenan) haben ihre äußerste Schale bereits voll und wollen daher weder Elektronen abgeben noch aufnehmen. Dementsprechend gehen sie auch kaum Verbindungen ein. Damit sie im Spiel trotzdem eine Rolle spielen, gibt es dafür eine eigene Kategorie, in der Edelgas-Paare abgelegt werden können. Dort gibt es für jedes Paar sogar drei Punkte, weil sie so selten sind.

Beispiel: Natrium hat ein Elektron in seiner äußersten Schale und gibt deshalb gerne eines ab. Chlor hat sieben Elektronen in seiner äußersten Schale (es fehlt also nur noch ein Elektron bis zur Acht) und nimmt deshalb gerne ein Elektron auf. Es deutet sich an, dass diese beiden Elemente wunderbar zusammenpassen: Natrium gibt Chlor ein Elektron, und beide sind glücklich. Nun passiert aber folgendes: Wie wir oben gelesen haben, hat Natrium nun ein Elektron weniger in seiner Hülle und wird dadurch positiv geladen. Chlor wiederum hat ein Elektron mehr, und wird dadurch negativ geladen. Positiv und negativ ziehen sich an: eine Verbindung ist entstanden, genauer gesagt eine Ionenverbindung, weil Natrium und Chlor zu Ionen geworden sind. Diese Verbindung nennt man Natriumchlorid – auch bekannt als Kochsalz.

Eine weitere Verbindungsart ist die Molekülverbindung. Wenn zwei Atome jeweils eine Lücke in ihrer äußersten Schale haben, dann können sie so nah an einander rücken, dass ihre Schalen sich überlappen. Sie teilen dann jeweils ein Elektron und schließen somit ihre Lücken (in der Animation rechts wird das veranschaulicht). Das funktioniert auch mit zwei Lücken (Sauerstoff) und mit drei Lücken (Stickstoff).

Bei den Legierungen kommt die sogenannte Metallbindung zum Einsatz. Atome, die nur wenige Elektronen in ihrer äußersten Schale haben, geben diese gerne ab. Wenn mehrere Atome dieser Art zusammenkommen, bilden sie eine Gitterstruktur. Die abgegebenen Elektronen fliegen in diesem Metallgitter zwischen den positiv geladenen Atomen quasi frei umher. Daher spricht man dabei auch vom "Elektronengas". Es sorgt dafür, dass Metalle Strom gut leiten können, denn Strom ist nichts anderes als Elektronen, welche durch das Metall hindurchfließen.

Die Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale ist dabei für die Verbindung in Wirklichkeit nicht so wichtig. Grundsätzlich können daher Metalle unterschiedlichster Art miteinander legiert werden. Damit es im Spiel jedoch nicht zu einfach ist, ist das Ablegen von Verbindungen beschränkt auf Paare mit der gleichen Anzahl von Valenzelektronen (gilt für die Spielregeln der Version 2020).

Manche Karten im Spiel haben in ihrer Elektronenhülle innen weitere gelbe Punkte, die wie Kuchenstücke aussehen und in der Legende nicht erklärt werden. Dabei handelt es sich um Elemente aus der Gruppe der sogenannten Übergangsmetalle. Diese haben noch eine zusätzliche (darunter liegende) Elektronenschale, die bis zu zehn Elektronen aufnehmen kann (hier im Beispiel Nickel). Diese ist für das Spiel ohne Bedeutung und dient nur dazu, um das Schalenmodell korrekt darzustellen.

Um die Sache noch komplizierter zu machen, gibt es noch eine weitere Kategorie von Elementen, nämlich die Lanthanoiden und Actinoiden. Diese besitzen noch eine weitere Elektronenschale mit bis zu 14 Elektronen. Da dies in der Darstellung für das Kartenspiel zu kompliziert wäre, wird es durch zwei ineinander liegende Ringe symbolisiert (im Kartenspiel betrifft das zum Beispiel die Elemente Uran oder Plutonium).