150 Jahre Periodensystem der Elemente

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Es bestach nicht nur durch seine Ordnung, sondern auch durch seine Beständigkeit und Erweiterbarkeit: am 29. Januar 2019 eröffnet die UNESCO das Internationale Jahr des Periodensystems der Elemente. Zwei Forscher präsentierten vor 150 Jahren unabhängig voneinander das Ordnungssystem, das Forschung und Lehre bis heute prägt.

Ob im Forschungslabor oder im Klassenzimmer, die bunten Kästchen des Periodensystems der Elemente sind heute ein weithin vertrauter Anblick. So mancher Schüler stöhnt auf, wenn er die Übersichtstafel mit den in Klassen eingeteilten und nach Ordnungszahlen aufgereihten, farblich markierten Elemente vor sich sieht.

„Das Periodensystem, das viele von uns kennen, organisiert und sortiert die chemischen Elemente nach ihren Eigenschaften“, erklärt der Chemiker und Materialforscher Manfred Wilhelm vom KIT. „Daraus lässt sich ablesen, wie und ob die Elemente mit anderen Elementen reagieren, um so eine Vielzahl an neuen Molekülen und Verbindungen zu erzeugen.“ Das Periodensystem der Elemente, kurz PSE, ist somit das Rüstzeug, um die Zusammenhänge bei chemischen Reaktionen zu verstehen und ist in der Materialforschung essenziell.

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Die Suche nach einem verlässlichen, erweiterbaren System

Dabei hatten Forscher Anfang des 19. Jahrhunderts jahrzehntelang nach einer Methode gesucht, mit der sich die bekannten chemischen Elemente der Welt übersichtlich darstellen ließen. Der englische Chemiker John Dalton unternahm 1806 erstmals einen Versuch, alle bekannten chemischen Elemente seiner Zeit anhand ihres Atomgewichts aufzulisten. In seinem Buch "A new System of Chemical Philosophy" legte der Brite den Grundstein für die moderne Atomtheorie, nachdem ein Atom die kleinste unteilbare Einheit eines Elements darstellte. Dem nach seinen Berechnungen "leichtesten" Element, Wasserstoff, verlieh er demnach als Grundlage das "relative Atomgewicht" von 1.

So umstritten die Theorie seinerzeit auch war, konnten auf ihrer Grundlage binnen weniger Jahrzehnte Dutzende neuer Elemente nachgewiesen werden. Parallel dazu beobachtete im Jahr 1815 der englische Chemiker William Prout, dass das Atomgewicht aller Elemente ein exaktes Vielfaches des Atomgewichts von Wasserstoff besaßen. Fortan war die Forschung bemüht, ein verlässliches und übersichtliches System zu finden, nach dem sich alle bisher bekannten wie auch neu entdeckten Elemente sinnvoll einordnen ließen.

Zwischen 1817 und 1829 versuchte etwa der Deutsche Johann Wolfgang Döbereiner, in seinem Triadensystem alle bekannten Elemente dieser Ära übersichtlich abzubilden. Er stellte fest, dass sich bestimmte Elemente wie etwa Calcium, Strontium und Barium, in Dreiergruppen zusammenfassen ließen, bei denen die Atommasse des mittleren Elements (hier etwa Strontium) den Mittelwert der Atommasse der anderen beiden Elemente (wie hier Calcium und Barium) bildet. Mit diesem System war es in der Chemie erstmals möglich, Vorhersagen über die Existenz noch nicht bekannter Elemente zu treffen, indem man nach einer Substanz suchte, deren Atomgewicht ein unvollständiges Dreierpaar komplementiert. Auf diese Art konnte beispielsweise die Existenz von Brom noch vor dessen Entdeckung nachgewiesen werden.

Allerdings wurde die Aufteilung in Triaden aufgrund der rapiden Entdeckung neuer Elemente schnell unübersichtlich. Hatte sich Dalton 1806 noch auf 20 Elemente berufen, kannte die Wissenschaft keine 60 Jahre später bereits 62 verschiedene Elemente.

Von Oktavgruppen zum heute bekannten Periodensystem

„Die Aufstellung des Systems war eine Leistung, die auf der Bildung eines einheitlichen Atombegriffs und einer einheitlichen Nomenklatur der chemischen Elemente aufbaute“, erläutert Dr. Klaus Nippert, Leiter des KIT-Archivs. „In diesen Punkten war die Fachwelt um die Mitte des 19. Jahrhunderts noch nicht zu allgemein anerkannten Übereinkünften gelangt“.

1864 fand der Brite J.A.R. Newlands heraus, dass sich bei Ordnung der Elemente nach steigender Atommasse die chemischen Eigenschaften in jeder achten Position wiederholen. Er verglich seine Entdeckung mit den Oktaven einer Tonleiter in der Musik, weshalb er sie auch das "Gesetz der Oktaven" nannte. Allerdings nahmen viele zeitgenössische Forscher diese Gesetzmäßigkeit nicht ernst; gerade der Bezug auf Musik sorgte wohl dafür, dass Newlands Entdeckung der Regelmäßigkeit wenig Beachtung fand.

Im selben Jahr fiel allerdings dem Deutschen Julius Lothar Meyer ebenso wie Newlands auf, dass Elemente sich in Gruppen ähnlicher chemischer und physikalischer Eigenschaften anordnen lassen, die sich in regelmäßigen Abständen wiederholen, wenn sie in der Reihenfolge ihrer Atomgewichte aufgelistet werden. Er formulierte anhand dieser Beobachtungen entsprechende Perioden in zunächst sechs Gruppen, die er für seine Lehrveranstaltungen nutze. Inspiriert hatte ihn dazu der erste internationale Chemikerkongress in Karlsruhe von 1860, auf dem wichtige Grundbegriffe der Chemie wie Atom oder Molekül einem größeren Publikum bekannt gemacht wurden.

An diesem Chemikertreffen hatte auch der Russe Dmitri Iwanowitsch Mendelejew teilgenommen, der als Professor für organische Chemie am Technologischen Institut in Sankt Petersburg tätig war. Ähnlich wie Meyer bemühte sich auch Mendelejew darum, für seine Lehrveranstaltung eine übersichtliche Methode zu finden, mit der alle bekannten Elemente seiner Zeit vorgestellt werden konnte – und in dass sich idealerweise auch neue Elemente leicht eingliedern ließen. Ohne Meyers Arbeit zu kennen, präsentierte Mendelejew am 6. März 1869 seine Version des Periodensystems der Elemente (PSE). Dabei wurden die damals bekannten 63 Elemente ansteigend nach der Atommasse in sieben Gruppen mit ähnlichen Eigenschaften angeordnet. Lothar Meyer veröffentlichte wenige Monate später eine fast identische Tabelle.

Dass das System funktionierte, konnte bereits nach kurzer Zeit unter Beweis gestellt werden: Mendelejew konnte mit seinem System 1871 die Eigenschaften der bis dahin noch unbekannten Elemente Gallium (bei Mendelejew: Eka-Aluminium), Scandium (Mendelejew: Eka-Bor) und Germanium (Mendelejew: Eka-Silizium) voraussagen.

Das PSE wächst stetig, neue Elemente werden mithilfe von Schwerionenbeschleunigern entdeckt. Waren es 1869 noch 63, so kennen wir im Jahr 2018 bereits 118 Elemente. Das Element mit der bislang höchsten Ordnungszahl von 118 ist das Oganesson mit einer Halbwertszeit von 0,89 Millisekunden; ein Element mit der Ordnungszahl 119 wurde bereits vorhergesagt (Ununennium), konnte aber bislang noch nicht erfolgreich synthetisiert werden.

Am 29. Januar 2019 eröffnet die UNESCO das Internationale Jahr des Periodensystems, dessen erste Publikation sich nun zum 150. Mal jährt. Das Datum richtet sich dabei nach dem Geburtstag vom Dmitri Mendelejew; der 150. Jahrestag des Periodensystems selbst ist erst knapp sechs Wochen später.

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