Die Geschichte des Periodensystems: von den Triaden bis zur vollständigen 7. Periode

Das Periodensystem an der Wand des Klassenzimmers ist nicht die Erfindung eines Einzelnen. Chemiker suchten einen Großteil des 19. Jahrhunderts nach einer Ordnung unter den Elementen, die Physik des 20. Jahrhunderts erklärte, warum diese Ordnung besteht, und die letzten Lücken in der siebten Zeile wurden erst im 21. Jahrhundert geschlossen. Dieser Leitfaden folgt der Geschichte entlang ihrer wichtigsten Momente.

Hintergrund: mehr Elemente, bessere Atommassen

Ende des 18. Jahrhunderts formulierte Antoine Lavoisier die moderne Vorstellung eines Elements als eines Stoffes, der sich nicht weiter zerlegen lässt. Anfang des 19. Jahrhunderts verbreitete sich John Daltons Atomtheorie, und die Chemiker akzeptierten, dass jedes Element eine charakteristische Atommasse besitzt. Neue Techniken, zuerst die Elektrolyse und später die Spektroskopie, ließen die Zahl der Elemente rasch wachsen. In den 1860er-Jahren waren mehr als sechzig bekannt, und die naheliegende Frage lautete, wie man sie ordnen sollte.

Der internationale Chemikerkongress in Karlsruhe 1860 war ein wichtiger Schritt. Er half, ein einheitliches System von Atommassen auf Grundlage der Avogadro-Hypothese zu verbreiten, und erst dadurch wurde es sinnvoll, die Elemente nach ihrer Atommasse aufzureihen.

Döbereiners Triaden (1817–1829)

Ab etwa 1817 bemerkte der deutsche Chemiker Johann Wolfgang Döbereiner, dass bei drei chemisch ähnlichen Elementen die Atommasse des mittleren nahe am Mittelwert der beiden anderen liegt. Bis 1829 hatte er mehrere solcher Gruppen beschrieben, die er Triaden nannte.

• Calcium, Strontium, Barium
• Chlor, Brom, Iod
• Lithium, Natrium, Kalium

Der Mittelwert der Atommassen von Lithium und Kalium etwa kommt dem des Natriums nahe. Die Triaden erfassten nicht alle Elemente, waren aber das erste klare Zeichen dafür, dass chemische Eigenschaften und Atommassen zahlenmäßig zusammenhängen. Alle drei Triaden stehen auch im modernen Periodensystem beieinander, in den Gruppen 2, 17 und 1.

Newlands und das Oktavengesetz (1864–1866)

Ab 1864 veröffentlichte der englische Chemiker John Newlands eine Reihe von Arbeiten, die zeigten, dass bei einer Anordnung der bekannten Elemente nach ihrer Atommasse ähnliche Eigenschaften bei jedem achten Element wiederkehren. Er verglich dies mit der Tonleiter, in der der achte Ton den ersten wiederholt, und nannte es das Oktavengesetz.

Das Muster funktionierte bei den leichteren Elementen gut, versagte aber nach dem Calcium. Newlands ließ zudem keinen Platz für unentdeckte Elemente und zwängte manchmal zwei Elemente auf einen Platz. Als er die Idee 1866 der Chemical Society in London vorstellte, war die Aufnahme kühl; ein Mitglied soll gefragt haben, ob eine alphabetische Anordnung der Elemente nicht ein ähnliches Muster ergeben würde. Anerkennung kam erst viel später, als ihm die Royal Society 1887 die Davy-Medaille verlieh.

Mendelejews Periodensystem (1869)

Im März 1869 veröffentlichte der russische Chemiker Dmitri Mendelejew eine Tabelle, die die Elemente nach der Atommasse ordnete und dabei chemisch ähnliche Elemente in dieselbe Familie stellte. Etwa zur selben Zeit erstellte der deutsche Chemiker Lothar Meyer eine sehr ähnliche Tabelle auf Grundlage der Periodizität physikalischer Eigenschaften wie des Atomvolumens. Die Royal Society verlieh beiden 1882 die Davy-Medaille.

Zwei kühne Entscheidungen hoben Mendelejews Tabelle hervor.

1. Er ließ Lücken. Wo die Eigenschaften nicht passten, weigerte er sich, das nächste bekannte Element hineinzuzwängen, und ließ einen leeren Platz für ein noch unentdecktes Element.
2. Er sagte voraus, was sie füllen würde. Um 1870 beschrieb er mehrere fehlende Elemente im Detail, einschließlich ihrer Atommassen, Dichten und der Formeln ihrer Oxide.

Er benannte diese unbekannten Elemente mit der Sanskrit-Vorsilbe „eka-“, die „eins“ bedeutet, im Sinne von „einen Platz weiter“ als ein bekanntes Element.

Die Episode um das Gallium ist die dramatischste. Lecoq de Boisbaudrans erste Messung der Dichte von Gallium passte nicht zu Mendelejews Vorhersage von etwa 5,9 g/cm³. Mendelejew regte eine erneute Messung an, und nachdem die Probe weiter gereinigt worden war, lag das Ergebnis nahe am vorhergesagten Wert. Auch Germanium stimmte gut mit der vorhergesagten Atommasse, Dichte und den Eigenschaften des Oxids überein. Erfolge wie diese machten aus der Tabelle statt eines Ablagesystems eine Aussage über Naturgesetze.

Mendelejew vertauschte außerdem einige Paare, deren Atommassen in der falschen Reihenfolge zu stehen schienen. Tellur ist schwerer als Iod, doch Iod gehört eindeutig zu den Halogenen, also stellte er Tellur voran. Er nahm an, die Messungen der Atommassen seien falsch. Die wahre Erklärung sollte erst Jahrzehnte später kommen.

Eine neue Familie: die Edelgase (1894–1898)

1894 isolierten Lord Rayleigh und William Ramsay Argon aus der Luft. Es reagierte mit nichts und passte daher in keine der bestehenden Gruppen. Ramsay wies anschließend Helium auf der Erde nach, und 1898 fanden er und seine Kollegen Neon, Krypton und Xenon. Das Ergebnis war eine ganz neue Spalte, die heutige Gruppe 18. Eine Entdeckung, die das Periodensystem zu sprengen schien, bestätigte am Ende seine Regelmäßigkeit.

Moseley und die Ordnungszahl (1913)

Die entscheidende Wende kam mit der Entdeckung, dass Atome aus einem Kern und Elektronen aufgebaut sind. 1913 maß der junge englische Physiker Henry Moseley die Frequenzen der charakteristischen Röntgenstrahlung, die eine Reihe von Elementen beim Beschuss mit Elektronen aussendet. Er stellte fest, dass die Quadratwurzel der Frequenz von einem Element zum nächsten in gleichen Schritten zunahm, und zeigte, dass der Schritt der Ladung des Kerns entspricht: der Ordnungszahl.

Von nun an wurde das Periodensystem nach der Ordnungszahl statt nach der Atommasse geordnet. Unbequeme Paare wie Tellur und Iod, Argon und Kalium sowie Cobalt und Nickel fielen ganz natürlich an ihren Platz. Moseleys Arbeit machte zudem fehlende Ordnungszahlen unübersehbar und markierte Lücken bei 43, 61, 72, 75, 85 und 87, die in den folgenden Jahrzehnten geschlossen wurden. Moseley fiel 1915 im Ersten Weltkrieg bei Gallipoli, im Alter von siebenundzwanzig Jahren.

Seaborgs Actinoidenkonzept (1945)

1940 wurden Neptunium und Plutonium künstlich hergestellt, womit das Zeitalter der Elemente jenseits des Urans begann. Damals betrachtete man Thorium, Protactinium und Uran als Fortsetzung der d-Block-Übergangsmetalle und erwartete, dass die neuen Elemente ihnen folgen würden. Versuche, die Elemente 95 und 96 auf dieser Grundlage zu finden, scheiterten immer wieder.

1945 schlug der amerikanische Chemiker Glenn Seaborg vor, dass die Elemente ab Actinium eine eigene Reihe bilden, die die 5f-Orbitale füllt, so wie die Lanthanoide die 4f-Orbitale füllen. Dieses Actinoidenkonzept widersprach dem Rat mancher Kollegen, doch darauf aufbauende Experimente führten zur Identifizierung von Americium und Curium, und die zweite Zeile unter der Tabelle erhielt ihre moderne Form. Seaborg erhielt 1951 anteilig den Nobelpreis für Chemie, und Element 106, Seaborgium, wurde zu einem der seltenen Elemente, die nach einer lebenden Person benannt sind.

Die Vervollständigung der 7. Periode (2016)

Ab dem späten 20. Jahrhundert wetteiferten Labore in den USA, Russland, Deutschland und Japan darum, durch Zusammenstöße von Kernen in Teilchenbeschleunigern superschwere Elemente zu erzeugen. Neue Elemente wurden oft anhand einer Handvoll Atome, manchmal eines einzigen, über ihre Zerfallsketten bestätigt.

Ende 2015 erkannte eine gemeinsame Arbeitsgruppe von IUPAC und IUPAP (der Internationalen Union für reine und angewandte Physik) die Entdeckungen der Elemente 113, 115, 117 und 118 an. Ihre Namen wurden im November 2016 endgültig festgelegt.

• 113, Nihonium (Nh): in Japan entdeckt, nach dem japanischen Namen des Landes
• 115, Moscovium (Mc): nach der Region Moskau
• 117, Tenness (Ts): nach dem US-Bundesstaat Tennessee
• 118, Oganesson (Og): nach dem russischen Physiker Juri Oganessjan

Damit waren alle 32 Plätze der 7. Periode besetzt, und das Periodensystem erreichte seine heutige Form mit 118 Elementen ohne Lücken. 2019 würdigten die Vereinten Nationen den 150. Jahrestag von Mendelejews Tabelle mit dem Internationalen Jahr des Periodensystems.

Wie es weitergeht

Die Bemühungen, die Elemente 119 und 120 zu erzeugen, gehen weiter. Ein Erfolg würde eine achte Periode eröffnen, und nach der Theorie könnte schließlich ein neuer Block erscheinen, der g-Orbitale füllt. So wie Mendelejews Lücken den Weg zu neuen Entdeckungen wiesen, trägt auch das heutige Periodensystem seine nächsten offenen Fragen in sich.