Kosmochemie - Geschichte der Entdeckung und Erforschung der chemischen Elemente im Kosmos zum 150. Jubiläum des Periodensystems der Elemente (PSE, 1869) und anläßlich des 50. Jubiläums der Mondlandung (eBook)

Zur Einführung – Das Periodensystem der Elemente und das Weltall

Katrin Cura (Hamburg)

Abstract

From the 19th century onwards, astronomers studied the structure of the universe and, together with chemists, tracked down the noble gases. In doing so, they expanded the periodic table, which was created 150 years ago during a brief period of discussion: In 1869, the Russian chemist Dmitri I. Mendelejew published his first paper, to which the German chemist Lothar Meyer responded publicly in 1870. Thereupon, in 1871 Mendeleev published a final system in which the elements were arranged according to their atomic weights and periodic properties. For unknown elements he left blank spaces and predicted their properties. Only a few years later, the discovery of gallium, scandium and germanium confirmed the importance of the periodic table for research.

Mendeleev and Meyer worked together successfully without personal contact, because they had a similar way of thinking. Both suffered from serious illnesses at an early age and were not always able to meet social demands. As a result of this experience, they studied several natural sciences and pursued an interdisciplinary approach right from the beginning of their career. They also pursued the discovery of new elements under the chemist Robert Bunsen and openly took up the impulses from the 1860 Karlsruhe Congress. The discussion there about atoms, molecules and their weights flowed into their systematics of elements. They researched these out of pure interest, as the topic was considered an unscientific gimmick.

Zusammenfassung

Die Astronomen erforschten ab dem 19. Jahrhundert den Aufbau des Weltalls und spürten mit den Chemikern die Edelgase auf. Damit erweiterten sie das Periodensystem, das vor 150 Jahren während einer kurzen Diskussionszeit entstand: 1869 veröffentlichte der russische Chemiker Dmitri I. Mendelejew seinen ersten Beitrag, auf den 1870 der deutsche Chemiker Lothar Meyer öffentlich antwortete. Daraufhin publizierte 1871 Mendelejew ein finales System, in dem die Elemente nach ihren Atomgewichten und periodischen Eigenschaften angeordnet waren. Für unbekannte Elemente ließ er Leerstellen und sagte deren Eigenschaften voraus. Nur wenige Jahre später bestätigte die Entdeckung des Galliums, Scandiums und Germaniums die Bedeutung des Periodensystems für die Forschung.

Mendelejew und Meyer arbeiten ohne persönlichen Kontakt erfolgreich zusammen, da sie eine ähnliche Denkweise hatten. Beide litten früh unter schweren Krankheiten und konnten gesellschaftliche Anforderungen nicht immer erfüllen. Durch diese Erfahrung studierten sie mehrere Naturwissenschaften und verfolgten bereits am Anfang ihrer Karriere einen interdisziplinären Ansatz. Zudem verfolgten sie beim Chemiker Robert Bunsen die Entdeckung neuer Elemente und nahmen die Impulse vom Karlsruher Kongresses von 1860 offen auf. Die dortige Diskussion über die Atome, Moleküle und deren Gewichte floss in ihre Systematik der Elemente. Diese erforschten sie aus reinem Interesse, denn das Thema galt als unwissenschaftliche Spielerei.

1.1 Einleitung

Die Gedanken wirbelten dem urwüchsigen russischen Chemiker Dimitri Iwanowitsch Mendelejew (1843–1907) durch den Kopf. Elektrisiert schrieb er die chemischen Elemente auf Kärtchen und schob sie wild hin und her, bis ein Muster aus waagerechten und senkrechten Reihen entstand. Erschöpft schlief er ein und sah im Traum die ideale Anordnung. Kaum wach, schrieb er sie auf und daneben die Worte: Da ist was dran. Seine erste Veröffentlichung im Jahre 1869 wirkte wie ein Paukenschlag, der bis heute zu hören ist. 150 Jahre später erklärte die UNESCO das Jahr 2019 zum Internationalen Jahr des Periodensystems der Elemente (IYPT2019, International Year of the Periodic Table, 2019).

Zu einer spannenden Geschichte gehören immer ein Held und ein großes Finale, obwohl bekanntermaßen die Realität vielschichtig ist. Die heutige Chemiegeschichte reduziert die Entdeckung des Periodensystems nicht nur auf einen Geistesblitz, sondern stellt den wissenschaftlichen Austausch zwischen den Jahren 1869 bis 1871 in den Vordergrund. Einen wichtigen Beitrag leistete der deutsche Chemiker Lothar Meyer (1830–1895), der bis heute im Schatten seines schillernden russischen Kollegen steht.

Heute gelten beide Helden als Urheber der berühmten bunten Tafel, die zum Erkennungszeichen der Chemie wurde und Generationen von Schülern, Studenten und Wissenschaftler prägte. In den Unterrichts- und Vorlesungsräumen hängt meistens die populäre Langform mit ihrem symmetrischen Raster: Die insgesamt 18 senkrechten Zeilen umfassen acht Hauptgruppen, in denen Elemente mit ähnlichen Eigenschaften angeordnet sind. Dazwischen sind die acht Nebengruppen, von denen die VIIIb aus drei Teilgruppen (8, 9, 10) besteht. Die waagerechten Zeilen entsprechen den sieben Perioden, in denen die Elemente von links nach rechts periodisch in wiederkehrenden Eigenschaften und steigender Elektronenzahl angeordnet sind. Dazu kommen noch zwei nicht nummerierte Perioden mit den Lanthanoide und Actinoide von jeweils 14 Stück.

Die Anordnung richtet sich nach den darzustellenden Inhalten, die durch die Quantenmechanik zunahm. Dadurch können die Elemente nach ihren chemischen Ähnlichkeiten, Kernladungszahl, Elektronenkonfiguration, besetzten Schalen und Unterschalen angeordnet werden. Heute gibt es das Periodensystem auch noch in Form von Schleifen, Spiralen, gedrehten Pyramiden, Kurzform und Blumen. Es lässt sich nur spekulieren, wie beide Chemiker diese Formen bewertet hätten.1

Ihr Beitrag zum System ist nur im Kontext der Chemiegeschichte zu bewerten. Deshalb werden die wichtigsten Etappen der Atom- und Elementforschung sowie die ersten Systematisierungsversuche seit Anfang des 19. Jahrhunderts dargestellt. Diese Vorarbeiten waren ebenso wichtige Beweggründe für ihr Handeln, wie ihre erstaunlich ähnlichen Biographien.

Dabei stehen zwei Fragen im Vordergrund: Warum arbeiteten Mendelejew und Meyer an einem Randthema der Chemie? Schließlich suchten die zeitgenössischen Fachleute nach neuen Elementen, taten aber deren Systematisierung als unsinnige Spielerei ab. Die zweite Frage betrifft die sehr kurze Zusammenarbeit der beiden Wissenschaftler. Warum schufen sie in nur vier Jahren das System, ohne sich persönlich zu kennen oder im Briefkontakt zu stehen. Stattdessen schrieben beide ihre Gedanken in Artikeln nieder und betrieben darüber den Gedankenaustausch. Gewissermaßen warfen sie sich die Bälle zu und Mendelejew schoss im Jahre 1869 sowie 1871 insgesamt dreimal und Meyer 1870 nur einmal.

Weitere Beachtung findet die Entdeckungsgeschichte der „Nationalelemente“ Gallium, Scandium und Germanium, die auf sensationelle Weise ihr System bestätigten. Da es noch keine Edelgase enthielt, wurde deren Entdeckung zur ersten Bewährungsprobe und bewirkte die Einführung der achten Hauptgruppe. An deren erster Stelle steht Helium, das zusammen mit dem Wasserstoff eine Sonderstellung in der ersten Periode einnimmt. Beide Elemente lassen sie nicht nur die Herzen der Chemiker höher schlagen, sondern versetzten auch die Astronomen in höhere Sphären.

Für sie sind die funkelnden Sterne am Nachhimmel riesige Wolken aus Wasserstoff sowie Helium und zeugen von der Entstehungsgeschichte des Universums. Dagegen ist Lithium ein mengenmäßig kleines Relikt aus dieser Zeit, aber bei seiner Entdeckungsgeschichte kamen die wichtigsten drei Nachweismethoden der natürlichen Elemente zum Einsatz: Chemischer Nachweis, Elektrolyse und Spektralanalyse.

Wegen ihrer Bedeutung für die Astronomie und Chemie wird die Entdeckungsgeschichte der Elemente vorangestellt.

1.2 Elemente des Weltalls: Wasserstoff, Helium, Lithium

Im Weltall sind Wasserstoff und Helium die mengenmäßig wichtigsten Elemente und entstanden nach einem theatralisch anmutenden Urknall vor 14 Milliarden Jahren. In der Ursuppe reiner Strahlung schwammen nach kurzer Zeit Schwerkraft, nukleare Wechselwirkung, elektromagnetische Kraft, Materie und Antimaterie. Währenddessen expandierte das Universum mit extremer Geschwindigkeit in alle Richtungen, kühlte ab und die Elementarbausteine Quarks entstanden, die wiederum Protonen und Neutronen bildeten. Sobald das Proton sich mit einem Elektron umhüllen konnte, lag atomarer Wasserstoff vor. Er wurde zu einem Erfolgsmodell und macht bis heute 90% aller Atome und 75% Masse der Materie aus. Die Wasserstoffatome fusionierten zu Helium, das als zweithäufigstes Element immerhin ca. 24% der verfügbaren Masse darstellt.

Für die Nukleosynthese schwerer Elemente blieb durch die schnelle Abkühlung des Universums kaum Zeit und nur noch die kleinen Atome von Lithium und Bor entstanden. Mehr Produkte gab es nach dem Urknall nicht und alle „schweren Elemente“ von Beyrillium bis zum Uran bildeten sich später im Inneren der Sterne oder bei Explosionsprozessen. Ihre Gesamtmenge ist mit fast 1% vernachlässigbar und kann den stellaren „Dreckeffekten“ zugeordnet werden.2

Ausgerechnet auf der Erde häufen sich die schweren Atome, während die beiden leichten Erfolgselemente Mangelware sind. Das Ungleichgewicht hängt mit der Entstehung des...