Eine kurze Geschichte des Periodensystems

Das Monument zu Ehren von Dmitri Mendelejew steht vor der Fakultät für Chemie- und Lebensmitteltechnik der slowakischen Universität für Technologie in Bratislava, Slowakei. Bild: mmmdirt [CC BY-SA 2.0] / Wikimedia Commons

Vor 150 Jahren stellte der russische Chemiker Dmitri Mendelejew sein Periodensystem der Elemente vor. Den Zusammenhang zwischen den Massen und den chemischen Eigenschaften von Atomen hatte man seit Jahrzehnten gesucht. Seitdem ist das Periodensystem eine wichtige Landkarte für alle, die sich mit Chemie beschäftigen. Denn aus der Position der Elemente in dieser Tabelle lassen sich Eigenschaften wie Atomradius, Metallcharakter, Beziehungen zu anderen Elementen und auch der Atombau selbst mit einem Blick einordnen.

Ordnung in Dreiergruppen

Ein halbes Jahrhundert vor Mendelejew stellte der Deutsche Johann Wolfgang Döbereiner ein „Triadensystem“ auf. Er hatte festgestellt, dass die Atommassen der drei chemisch ähnlichen Elemente Barium, Strontium und Calcium einen Mittelwert ergeben, der etwa der Atommasse von Strontium entspricht. 1829 veröffentlichte er mit seinem „Versuch zu einer Gruppierung der elementaren Stoffe nach ihrer Analogie“ das erste wissenschaftliche Ordnungssystem der chemischen Elemente.[1]J. W. Döbereiner, „Versuch zu einer Gruppirung der elementaren Stoffe nach ihrer Analogie“, Annalen der Physik 1829. ID ark:/12148/bpt6k15100n

John Dalton hatte bereits 1806 die damals bekannten Elemente der Masse nach geordnet. Regelmäßigkeiten bei den chemischen Eigenschaften erkannte aber erst Döbereiner 23 Jahre – und einige neuentdeckte Elemente – später. Bild: Wellcome Images [CC BY 4.0]
Mit diesem System konnte er 30 der damals bekannten 53 chemischen Elemente einordnen. So fasste er zum Beispiel die Alkalimetalle Lithium, Natrium und Kalium zusammen, oder auch die Halogene Chlor, Brom und Iod. Schwierigkeiten bereiteten ihm allerdings Elemente wie Cadmium, Antimon, Bismut, Gold, Wolfram oder Tantal. Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff betrachtete er Döbereiner einzeln, obwohl diese drei Elemente auch eine Triade bilden würden.

Perioden von Acht

Im Jahr 1862, also 35 Jahre später, fand der englische Chemiker John A. R. Newlands heraus, dass die Zahl Acht eine entscheidende Rolle in der Ordnung der Elemente spielt. Deren chemischen Eigenschaften wiederholen sich nämlich an jeder achten Position, wenn man sie nach aufsteigender Atommasse anordnet. Böse Zungen behaupten bis heute, dass man in der Chemie nur bis acht zählen können muss.

Wenn man die Elemente nach aufsteigender Atommasse anordnet, wiederholen sich die chemischen Eigenschaften periodisch. Und zwar nach jedem achten Element. Das erkannte John Newslands. Von der Existenz der Edelgase wusste er 1864 jedoch noch nichts. Bild: sponk [CC BY-SA 2.0] / Wikimedia Commons
Schließlich veröffentlichte Mendelejew 1869 sein Periodensystem der Elemente.[2]D. Mendelejew „Über die Beziehungen der Eigenschaften zu den Atomgewichten der Elemente“ Zeitschrift für Chemie 1869 (12) 405. Damit kam er dem Deutschen Lothar Meyer um wenige Monate zuvor. Denn dieser hatte unabhängig von Mendelejew das gleiche System entwickelt. Heute wird fast nur noch Mendelejew als Vater des Periodensystems genannt. Für ihre Arbeit erhielten aber beide im Jahr 1882 mit der Davy-Medaille die höchste Auszeichnung der britischen Royal Society.

Elemente wurden vorhersagbar

Beide Wissenschaftler hatten nicht zuletzt erkannt, dass es in der Tabelle freie Stellen geben muss, die für noch unentdeckte Elemente gelten. Tatsächlich konnte man damit die Eigenschaften neuer Elemente vorhersagen und gezielt nach ihnen suchen. Mendelejew selbst sagte 1871 die Existenz von drei Elementen voraus, die heute als Gallium, Scandium und Germanium bekannt sind.

Mendelejew und Meyer hatten auch erkannt, dass die Atommasse nicht alleine ausschlaggebend ist. So wurde zum Beispiel Argon mit einer Atommasse von 39,95 u vor das etwas schwere als Kalium (39,01 u) gestellt. Dass diese Erkenntnis korrekt war, wurde später durch die Entdeckung der Isotope bestätigt. Die Atommassen eines Elements sind nämlich zumeist nur ein Mittelwert. Dieser ergibt sich aus der natürlichen Häufigkeit der Isotope des jeweiligen Elements.

Das Periodensystem der Elemte, Stand: Januar 2019. Bild: [Public Domain] / Wikimedia Commons
Der für das Periodensystem namensgebende periodische Charakter der Elemente wurde letztendlich mit der Entdeckung des Aufbaus der Atome erklärt. Bis heute sind 118 Elemente bekannt, die sich alle in das System von Mendelejew und Meyer einordnen lassen – auch wenn die letzten 23 künstlich erzeugt wurden und nicht stabil sind. Es gibt aber Hoffnungen, dass die bisher unbekannten Elemente im Bereich von Nummer 164 wieder stabil sein könnten.[3]N. Lossau, „Physiker suchen die ‚Insel der Stabilität'“ WELT Online, 29. Januar 2019

Spiralen, Kreise und Blumen

Allerdings ist die Tabelle, die in jedem Chemie-Unterrichtsraum hängt, nicht die enzige Möglichkeit, die chemischen Elemente sinnvoll anzuordnen. Es gibt eine ganze Reihe anderer Darstellungsformen, die zwar anders aussehen, aber letztendlich die gleiche Ordnung darstellen.

Das Periodensystem muss nicht flach sein. Bild: Тимохова Ольга [CC BY-SA 3.0] / Wikimedia Commons
Neben einem spiralförmigen Periodensystemen gibt es auch Kreise, Pyramiden und sogar eine räumliche Blume. Letzte stammt von Mendelejew höchstselbst. Sie zeigt die Hauptgruppen, Nebengruppen, Actinoide und Lanthanoide als Schleifen, die nebeneinander stehen. Für Bücher und Schulwände war aber ganz offenbar die rechteckige Version die geeigneteste.

Quellen   [ + ]

1. J. W. Döbereiner, „Versuch zu einer Gruppirung der elementaren Stoffe nach ihrer Analogie“, Annalen der Physik 1829. ID ark:/12148/bpt6k15100n
2. D. Mendelejew „Über die Beziehungen der Eigenschaften zu den Atomgewichten der Elemente“ Zeitschrift für Chemie 1869 (12) 405.
3. N. Lossau, „Physiker suchen die ‚Insel der Stabilität'“ WELT Online, 29. Januar 2019

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