Geschichte des Periodensystems: Von Mendelejew bis zum modernen PSE

Frühe Versuche der Elementklassifizierung

Die Geschichte des Periodensystems beginnt lange vor Mendelejew. Im frühen 19. Jahrhundert kannten Chemiker bereits mehrere Dutzend Elemente, hatten aber noch kein System, um sie zu ordnen.

Ein erster bedeutender Schritt kam 1817 vom deutschen Chemiker Johann Wolfgang Döbereiner. Er bemerkte, dass sich bestimmte Elemente in Gruppen von drei ordnen lassen, sogenannte Triaden, bei denen das mittlere Element in seinen Eigenschaften zwischen den beiden äußeren liegt. Die Atommasse des mittleren Elements entspricht dabei ungefähr dem Mittelwert der beiden anderen. Bekannte Triaden sind Lithium, Natrium, Kalium sowie Chlor, Brom, Iod.

1862 schlug der französische Geologe Alexandre-Emile Beguyer de Chancourtois eine schraubenförmige Anordnung der Elemente auf einem Zylinder vor, die er Telluride der Erde nannte. Er erkannte, dass sich ähnliche Elemente dabei übereinander befanden. Leider fand er mit seiner Arbeit wenig Beachtung, da sie in einem Fachblatt für Geologie veröffentlicht wurde.

1864 veröffentlichte der englische Chemiker John Newlands die sogenannte Oktavenregel: Er ordnete die bekannten Elemente nach steigender Atommasse und stellte fest, dass das achte Element jeweils ähnliche Eigenschaften wie das erste hatte, ähnlich wie die Oktave in der Musik. Auch diese Arbeit wurde von der wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht ernst genommen.

Mendelejew und sein Periodensystem von 1869

Am 6. März 1869 stellte Dmitri Iwanowitsch Mendelejew der Russischen Chemischen Gesellschaft sein Periodensystem der Elemente vor. Er hatte alle damals bekannten 63 Elemente nach ihrer Atommasse geordnet und dabei festgestellt, dass sich chemisch ähnliche Elemente in regelmäßigen Abständen wiederholen.

Die entscheidende Stärke von Mendelejews System war jedoch nicht nur die Ordnung der bekannten Elemente, sondern die Vorhersage noch unbekannter. An Stellen, wo die Abfolge der Eigenschaften nicht stimmig war, ließ er bewusst Lücken. Er sagte drei noch nicht entdeckte Elemente vorher und beschrieb deren Eigenschaften mit bemerkenswerter Genauigkeit:

• Eka-Bor (später Scandium, entdeckt 1879)
• Eka-Aluminium (später Gallium, entdeckt 1875)
• Eka-Silizium (später Germanium, entdeckt 1886)

Die Übereinstimmung zwischen Mendelejews Vorhersagen und den tatsächlichen Eigenschaften der entdeckten Elemente war so überzeugend, dass seine Arbeit von da an weltweit anerkannt wurde.

Lothar Meyer: Der unbekannte Mitentdecker

Zur selben Zeit wie Mendelejew entwickelte der deutsche Chemiker Julius Lothar Meyer ein nahezu identisches System. Sein Aufsatz wurde zwar bereits 1868 geschrieben, erschien aber erst 1870 in Druck. Er zeigte zusätzlich eine grafische Darstellung der Atomvolumina in Abhängigkeit von der Atommasse, eine der ersten wissenschaftlichen Kurven dieser Art in der Chemie.

Die Frage, wem die Priorität gebührt, wurde von der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu Mendelejews Gunsten entschieden, nicht zuletzt wegen seiner mutigen Vorhersagen über unbekannte Elemente.

Die Entdeckung der Edelgase

In den 1890er Jahren stürzte die Entdeckung der Edelgase das bestehende Periodensystem kurzzeitig in eine Krise. Lord Rayleigh und William Ramsay entdeckten 1894 das Argon. In den folgenden Jahren kamen Helium, Neon, Krypton und Xenon hinzu.

Diese Elemente passten in kein bekanntes Muster, denn sie reagierten mit keinem anderen Element und bildeten keine Verbindungen. Man erkannte schließlich, dass man dem Periodensystem eine neue Gruppe hinzufügen musste. Die Edelgase bildeten die damals neu eingeführte Gruppe 0, die heute als Gruppe 18 bezeichnet wird. Mendelejew erlebte diese Erweiterung seines Systems noch mit.

Moseleys Entdeckung der Ordnungszahl

Ein zentrales Problem des ursprünglichen Periodensystems bestand darin, dass bei Ordnung nach Atommasse einige Elemente nicht an die richtige Stelle passten. Tellur und Iod sowie Kobalt und Nickel mussten in der falschen Reihenfolge eingeordnet werden, damit die chemischen Eigenschaften stimmten. Mendelejew nahm an, dass die Atommassen falsch gemessen worden seien.

1913 löste der britische Physiker Henry Moseley das Problem. Er zeigte durch Röntgenspektroskopie, dass die entscheidende Größe nicht die Atommasse, sondern die Kernladungszahl ist. Jedes Element hat eine eindeutige Ordnungszahl, die der Anzahl der Protonen im Kern entspricht. Die Ordnung nach dieser Zahl ergibt ein widerspruchsfreies System.

Zugleich sagte Moseley vorher, welche Ordnungszahlen noch nicht besetzt waren. Er sagte damit die Existenz von drei weiteren Elementen vorher, die später tatsächlich entdeckt wurden.

Das Periodensystem im 20. Jahrhundert

Mit dem Verständnis der Elektronenkonfiguration durch Niels Bohr und anderen konnten die Periodizitäten im Periodensystem quantenmechanisch erklärt werden. Die Perioden entsprechen den Hauptschalen der Elektronen, die Gruppen den Valenzelektronen.

Die Transuranelemente (Ordnungszahlen über 92) wurden ab den 1940er Jahren durch Kernreaktionen künstlich hergestellt. Das Element mit der Ordnungszahl 118, Oganesson, wurde 2002 erstmals synthetisiert und 2016 offiziell benannt. Damit sind heute alle Plätze im Periodensystem bis zur Ordnungszahl 118 belegt.

Ob und wie ein Element 119 oder höher hergestellt werden kann, ist Gegenstand aktueller Forschung. Theoretiker vermuten, dass relativistische Effekte bei so schweren Elementen die bekannten Periodizitäten verzerren könnten.

Zusammenfassung

Das Periodensystem ist das Ergebnis eines langen wissenschaftlichen Prozesses, der über mehr als ein Jahrhundert andauerte. Von Döbereiners Triaden über Mendelejews kühne Vorhersagen bis hin zu Moseleys Entdeckung der Ordnungszahl hat jede Generation von Chemikern und Physikern zum heutigen Stand beigetragen. Das Periodensystem ist damit nicht nur ein Nachschlagewerk, sondern ein Spiegel der Geschichte der Naturwissenschaften.