Von den Löchern im Periodensystem

Vor 150 Jahren, im März 1869, erfand Dmitri Mendelejew das Periodensystem der Elemente. Im Gespräch mit dem emeritierten Chemie-Professor Heinz Gäggeler hat «uniaktuell» allerhand Interessantes über die Elemente von 1 Wasserstoff bis 118 Oganesson erfahren.

Vor 150 Jahren wurde das Periodensystem erfunden. Wie ist diese Erfindung einzuordnen und was hat sie damals ausgelöst?
Heinz Gäggeler: Dmitri Mendelejew war damals Professor für technische Chemie an der Universität Sankt Petersburg. In der Vorbereitung eines Skripts für eine Chemie-Vorlesung überlegte er sich, wie man die chemischen Elemente – es waren damals rund 60 – übersichtlich in ein Schema einordnen könnte. Vor ihm hatten das bereits mehrere Leute versucht. Mendelejew machte aber ein entscheidendes Eingeständnis: Sein Periodensystem hatte noch viele Löcher. Wenn sich also sein Vorschlag zur Ordnung der Elemente in Perioden und Gruppen als richtig erweisen würde, dann gab es noch viele unentdeckte Elemente. Mendelejew publizierte sein Periodensystem 1869 und nochmals 1871 in einer zweiten Form, die dem heutigen System schon sehr ähnlich sah. Danach gab es einen regelrechten «Run» auf die unentdeckten Elemente. Und siehe da: man konnte innert rund 20 Jahre faktisch alle Löcher füllen. Das war der grosse Verdienst des Mendelejewschen Periodensystems und deshalb hat es sich auch durchgesetzt.

Was waren die wichtigsten Meilensteine beim «Run» auf die neuen Elemente und auch bei den Entdeckungen danach?
Es gab im Wesentlichen drei Schritte. Erstens war bei der Erfindung des Periodensystems die ganze Gruppe der Edelgase noch nicht entdeckt. Hier ist der schottische Chemiker William Ramsay zu nennen, der Ende des 19. Jahrhunderts fünf dieser Elemente entdeckte: Argon, Krypton, Xenon, Neon und Helium. Dafür erhielt er 1904 den Nobelpreis. Der zweite Schritt betrifft die Actinoide, die nach Element 89 Actinium kommen. Diese radioaktiven Elemente waren auch noch nicht in Mendelejews Periodensystem enthalten. Zudem waren die ersten Actinoide – Thorium, Protactinium und Uran – vor dem zweiten Weltkrieg an einem ganz anderen Ort des Periodensystems angeordnet. Sie galten damals noch als Übergangsmetalle, und zwar weil Thorium ähnlich war wie Hafnium, Protactinium wie Tantal, sowie Uran wie Wolfram. Während des zweiten Weltkriegs schlug der US-amerikanische Chemiker Glenn Seaborg vor, die neue Gruppe der Actinoide einzuführen. Er entdeckte auch etliche dieser Actinoide und wurde dafür ebenfalls mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Die dritte Erweiterung kam von Marie Curie. Aufgrund ihrer Untersuchungen wurden die Elemente zwischen 83 Bismut und 92 Uran entdeckt. Die wichtigsten waren Polonium und Radium, die Marie Curie selbst entdeckt hatte. Und ja, auch sie erhielt dafür den Nobelpreis.

Was muss man eigentlich tun, wenn man ein Element entdeckt hat?
Das ist ein wichtiger Aspekt, auch historisch gesehen. Es gab oft Entdeckungen, die sich nicht bewahrheitet haben. Hierfür gibt es die IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). Das ist sozusagen die UNO der Chemie. Dort gibt eine Kommission, die «Discovery Claims» evaluiert. Ich war selbst einige Jahre Mitglied dieser Kommission. Wenn die Kommission einen Claim für berechtigt hält, schlägt sie vor, dass man die Entdeckung möglichst an einem anderen Ort reproduziert. Weil solche Entdeckungen oft Resultat sehr komplizierter Experimente sind, kann das sehr lange dauern. 10 Jahre und mehr sind keine Seltenheit. Wenn dann die Reproduktion erfolgreich ist, bestimmt dann eine andere, die Namenskommission der IUPAC, wie das Element heissen soll. Die Namensgebung hat oft politische Hintergründe – wie zum Beispiel beim Element 113 Nihonium. Es wurde am RIKEN-Institut in Japan entdeckt und trägt daher «Nihon» im Namen – den Ausdruck für Japan in der Landessprache.

Es gab immer wieder Diskussionen darüber, ob alle Elemente im Periodensystem richtig eingeordnet sind. Wie ist der Stand heute? Hat alles seinen richtigen Platz?
Ja, mit einer Einschränkung. Dies betrifft die allerschwersten Elemente. Dort gibt es einen zunehmenden Einfluss von relativistischen Effekten auf die Chemie. Es fängt sozusagen Albert Einstein an, dreinzureden. Damit hat es folgende Bewandtnis: Mit der Ordnungszahl der Elemente nimmt die Anzahl Protonen im Atomkern zu. Das bedeutet, dass die positive Anziehung des Atomkerns auf die Elektronen, die um ihn kreisen, immer grösser wird. Deshalb «sausen» die Elektronen immer schneller um den Kern, um nicht hineingesogen zu werden. Und wenn sie schneller werden, dann verändern sich auch ihre Masse gemäss der Relativitätstheorie und als Konsequenz ihre Bahnen – sie kommen dem Kern immer näher und haben immer höhere Bindungsenergien. Das hat Auswirkungen auf die Chemie, die im Grunde nichts anderes ist als die Auswirkung des Verhaltens der Elektronenbahnen auf die Aussenwelt. Ob man zum Beispiel eine chemische Verbindung zwischen Elementen machen kann, hängt von den Elektronen ab. Weil nun dieser relativistische Effekt wegen des sogenannten Coulombgesetzes im Quadrat zur Ordnungszahl stärker wird, nimmt er für schwere Elemente ab etwa der Ordnungszahl 80 sehr stark zu. Das führt dazu, dass sich die schwersten Elemente plötzlich sehr seltsam verhalten. Ein Beispiel ist das allerletzte Element, Oganesson 118. Es sollte eigentlich ein Edelgas sein. Aber neuste Berechnungen zeigen, dass es ein Metall sein sollte, das erst bei 150 Grad schmilzt. Man ist sich jetzt unsicher, ob man die Einordnung ändern soll – aber das wird sich zeigen.