Die Geschichte des Periodensystems: von der Alchemie bis zum Element 118

Antike Elemente und Alchemie

Zehn der heutigen Elemente waren schon lange bekannt, bevor jemand das Wort Element in seinem modernen Sinn benutzte: Gold, Silber, Kupfer, Eisen, Zinn, Blei, Quecksilber, Schwefel, Kohlenstoff und Antimon. Niemand weiß, wer sie zuerst entdeckt hat. Die antiken griechischen Denker, die Empedokles und Aristoteles folgten, glaubten stattdessen, alles sei eine Mischung aus vier Elementen (Erde, Wasser, Luft und Feuer), eine Vorstellung, die sich fast zweitausend Jahre hielt.

Alchemisten in der islamischen Welt und im mittelalterlichen Europa versuchten, unedle Metalle in Gold zu verwandeln. Das gelang ihnen nicht, aber sie verfeinerten Laborverfahren wie die Destillation. 1661 stellte Robert Boyle in „The Sceptical Chymist“ die Vier-Elemente-Lehre infrage und forderte Chemiker auf, Experimenten zu vertrauen, und 1669 entdeckte der Alchemist Hennig Brand bei der Suche nach dem Stein der Weisen den Phosphor, eines der frühesten Elemente mit einem überlieferten Entdecker.

Lavoisiers Liste einfacher Stoffe (1789)

Die moderne Chemie nahm mit dem französischen Chemiker Antoine Lavoisier Gestalt an. Er zeigte durch sorgfältiges Wiegen, dass bei chemischen Reaktionen keine Masse verloren geht, und gab Sauerstoff und Wasserstoff ihre Namen. In seinem „Traité élémentaire de chimie“ von 1789 definierte er ein Element praktisch: als einen Stoff, den keine bekannte chemische Methode in etwas Einfacheres zerlegen konnte.

Das Buch führte 33 dieser „einfachen Stoffe“ auf, sortiert nach Gasen, Nichtmetallen, Metallen und Erden. Die meisten waren echte Elemente, aber auch Licht und Wärme standen auf der Liste, und Erden wie Kalk und Kieselerde erwiesen sich später als Verbindungen. Dennoch gab Lavoisier den Chemikern eine klare, überprüfbare Definition eines Elements und eine erste Liste, auf der sie aufbauen konnten.

Dalton und das Wiegen von Atomen

Um 1803 schlug der englische Lehrer John Dalton vor, dass jedes Element aus seiner eigenen Art von Atomen mit einem eigenen Gewicht besteht. Atome waren viel zu klein zum Wiegen, also berechnete er relative Gewichte aus den Verhältnissen, in denen sich Elemente verbinden, wobei er Wasserstoff als 1 festlegte, und veröffentlichte eine der ersten Tabellen von Atomgewichten.

Viele von Daltons Zahlen waren ungenau, weil er Formeln erraten musste. Er nahm zum Beispiel an, Wasser sei HO und nicht H₂O. Der schwedische Chemiker Jöns Jacob Berzelius bestimmte Atomgewichte weitaus genauer und führte die noch heute verwendeten Buchstabensymbole ein, aber die Meinungsverschiedenheiten dauerten bis zum Karlsruher Kongress von 1860, auf dem Stanislao Cannizzaro zeigte, wie man einen einheitlichen Satz von Atomgewichten erhält. Mendelejew und Lothar Meyer saßen beide im Publikum.

Döbereiners Triaden (1829)

Einer der ersten klaren Hinweise darauf, dass Atomgewicht und chemisches Verhalten zusammenhängen, stammte vom deutschen Chemiker Johann Wolfgang Döbereiner. 1829 beschrieb er Triaden, Gruppen aus drei ähnlichen Elementen, bei denen das Atomgewicht des mittleren Elements nahe am Durchschnitt der beiden anderen liegt: Calcium, Strontium und Barium; Chlor, Brom und Iod; sowie Lithium, Natrium und Kalium.

Triaden zeigten natürliche Elementfamilien, aber nur eine Handvoll Elemente passte hinein, und es gab keine Möglichkeit, eine Triade mit der nächsten zu verbinden.

Eine Spirale und eine Oktave (1862–1865)

1862 schrieb der französische Geologe Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois die Elemente nach Atomgewicht geordnet entlang einer um einen Zylinder gewundenen Spirale auf, sodass ähnliche Elemente übereinander lagen. Seine „Vis tellurique“ (Tellurschraube), benannt nach dem Tellur, war eine der ersten Anordnungen, die sich wiederholende Eigenschaften zeigte, wurde aber ohne ihre Zeichnung veröffentlicht und blieb weitgehend unbeachtet.

1865 bemerkte der englische Chemiker John Newlands, dass sich in der Reihenfolge des Atomgewichts jedes achte Element wie die Töne einer Tonleiter in seinen Eigenschaften mit dem ersten zu wiederholen schien. Sein Gesetz der Oktaven funktionierte für die leichteren Elemente, brach aber nach Calcium zusammen, und 1866 lehnte die Chemical Society in London die Veröffentlichung ab.

Mendelejew und Lothar Meyer (1869–1870)

Dmitri Mendelejew, Chemieprofessor in Sankt Petersburg, schrieb an einem Lehrbuch, als er nach der Ordnung hinter den Elementen suchte. Anfang 1869 ordnete er die damals bekannten Elemente nach Atomgewicht in einem Raster an, in dem ähnliche Elemente untereinander standen, und im März wurde seine Arbeit der Russischen Chemischen Gesellschaft vorgelegt. Er formulierte ein Periodengesetz: Nach Atomgewicht geordnet zeigen die Elemente Eigenschaften, die sich in regelmäßigen Abständen wiederholen.

Seine Tabelle zeichnete sich durch ihre Kühnheit aus. Mendelejew stellte die Chemie über die strenge Gewichtsreihenfolge, ließ Lücken für Elemente, die seiner Überzeugung nach noch unentdeckt waren, und argumentierte, dass einige anerkannte Atomgewichte falsch seien.

In Deutschland gelangte Lothar Meyer unabhängig zu einer sehr ähnlichen Tabelle und veröffentlichte sie 1870 zusammen mit einem Diagramm, das zeigte, wie das Atomvolumen mit steigendem Atomgewicht wellenförmig steigt und fällt. 1882 verlieh die Royal Society in London beiden Männern ihre Davy-Medaille.

Vorhersagen bestätigt (1875–1886)

Mendelejew beschrieb drei fehlende Elemente im Detail und nannte sie Eka-Aluminium, Eka-Bor und Eka-Silicium, nach dem Sanskrit-Wort eka für „eins“, also einen Platz hinter einem bekannten Element. Sie tauchten als Gallium auf, entdeckt 1875 von Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran, als Scandium, entdeckt 1879 von Lars Fredrik Nilson, und als Germanium, entdeckt 1886 von Clemens Winkler.

Die Übereinstimmungen waren verblüffend. Für Eka-Silicium hatte Mendelejew ein Atomgewicht von etwa 72 und eine Dichte von etwa 5,5 Gramm pro Kubikzentimeter vorausgesagt. Beim Germanium sind es 72,6 und 5,3. Die Zweifler wurden überzeugt, und das Periodensystem wurde zur zentralen Landkarte der Chemie.

Die Edelgase finden ihren Platz (1890er-Jahre)

1894 entdeckten Lord Rayleigh und William Ramsay das Argon, ein reaktionsträges Gas, das sich in gewöhnlicher Luft verbirgt. Bis 1898 hatte Ramsay auch Helium auf der Erde isoliert und mit Morris Travers Neon, Krypton und Xenon entdeckt. Radon folgte 1899 und 1900. Keines dieser Gase passte in eine vorhandene Spalte.

Die Antwort war eine ganz neue Gruppe zwischen den Halogenen und den Alkalimetallen, zunächst Gruppe 0 genannt und heute Gruppe 18. Sie fügte sich sauber in das periodische Muster ein, und 1904 erhielt Ramsay den Nobelpreis für Chemie und Rayleigh den Nobelpreis für Physik.

Moseley und die Ordnungszahl (1913)

Einige Elementpaare, etwa Argon und Kalium oder Cobalt und Nickel, standen nach Gewicht noch immer in der falschen Reihenfolge. 1913 maß der junge englische Physiker Henry Moseley im Labor von Ernest Rutherford in Manchester die Röntgenstrahlung verschiedener Elemente und stellte fest, dass ihre Frequenzen von einem Element zum nächsten in gleichmäßigen Schritten anstiegen.

Jeder Schritt entsprach einer weiteren Einheit positiver Ladung im Atomkern. Diese Ordnungszahl wurde zur wahren Grundlage der Tabelle und zeigte genau, welche Elemente noch fehlten. Moseley fiel 1915 im Alter von 27 Jahren bei Gallipoli.

Seaborg, die Actinoide und die superschweren Elemente (1940–2016)

Wissenschaftler lernten auch, Elemente herzustellen, die in der Natur extrem selten sind oder fehlen. Technetium, 1937 hergestellt, war das erste künstlich erzeugte Element, und 1940 wurden Neptunium und Plutonium die ersten Elemente jenseits des Urans. 1944 schlug Glenn Seaborg vor, dass die Elemente ab dem Actinium eine eigene Reihe bilden, die Actinoide, ganz ähnlich wie die Lanthanoide. Die 1945 veröffentlichte Idee verschob sie in eine eigene Zeile unterhalb der Haupttabelle und gab dem Periodensystem seine moderne Gestalt.

Seitdem haben Labore in den Vereinigten Staaten, der Sowjetunion und später in Russland, Deutschland und Japan durch die Verschmelzung von Atomkernen immer schwerere Elemente hergestellt, oft nur wenige Atome auf einmal. Eine gemeinsame Arbeitsgruppe von IUPAC und IUPAP, den internationalen Vereinigungen für Chemie und Physik, beurteilt heute jeden Anspruch. 2016 erhielten die letzten vier bestätigten Elemente die Namen Nihonium, Moscovium, Tennessin und Oganesson, womit die siebte Periode vollständig war. Die Suche nach den Elementen 119 und 120, die eine achte Periode eröffnen würden, geht weiter.