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Mit Wissenslücken in die Zukunft

 
Periodensystem: Ein aktuelles Periodensystem mit 118 Elementen ©Wikimedia Commons
Ein aktuelles Periodensystem mit 118 Elementen ©Wikimedia Commons

Das Periodensystem nach Dmitri Mendelejew hat 150. Geburtstag. Für die Meisten verbunden mit unangenehmen Erinnerungen an muffige Schulräume, dient es Schülern, Studenten und Wissenschaftlern heute als eine Übersicht der Elemente – und war nicht der erste Versuch, diese sinnvoll zu versammeln.

In matten Farben und mit eckigen Kästchen starrt das Periodensystem von nahezu jeder Wand der Chemielabore dieser Welt auf uns herunter. Die Version des Periodensystems, die wir heute kennen und nutzen, wurde 1869 vom russischen Chemiker Dmitri Mendelejew entwickelt, als Ergebnis seiner Bemühungen, die Elemente in ein lesbares Ordnungssystem einzugliedern.

21 Jahre zuvor hatte der britische Naturforscher John Dalton ein Tableau der 20 Elemente angelegt, die der Wissenschaft zu diesem Zeitpunkt bekannt waren. Dalton war auch als Lehrer tätig und seine Anordnung diente der Veranschaulichung für den Unterricht. Dieses Modell konnte sich nicht lange halten, da es zwar die zu dem Zeitpunkt bekannten Elemente versammelte, aber außer Acht ließ, dass Wissenschaftler in rasantem Tempo neue Elemente entdeckten.

Periodensystem: Daltons Tableau mit 20 Elementen von 1808 ©Wikimedia Commons
Daltons Tableau mit 20 Elementen von 1808 ©Wikimedia Commons

Dem Chemiker John Newlands gelang ein neuer Ansatz. Er brachte die schlichte Auflistung in ein System, basierend auf den chemischen und physikalischen Eigenschaften der Elemente. Er stellte fest, dass das achte Element (Fluor) dem ersten (Wasserstoff) ähnelte. Auch das neunte ähnelte dem zweiten Element in seinen Eigenschaften. Er untersuchte dies weiter und erkannte eine Achter-Periodizität, die er Oktavengesetz nannte. Damit war der Grundgedanke des Periodensystems gegeben, denn periodisch ist, was in gleichen Abständen auftritt. Anders als drei Jahre später bei Mendelejew konnte aber auch seine Variante nicht mit der Geschwindigkeit der Wissenschaft mithalten.

Aber worin unterscheiden sich beide Ansätze nun genau? Es gibt keine Belege darüber, ob Mendelejew von Newlands Erkenntnissen erfuhr, jedoch sind dessen Überlegungen Grundlage seiner Arbeit, erweitert um einen genialen Gedanken: Er ließ Lücken für Elemente, die noch zu entdecken waren. Besonders erstaunlich ist dabei, dass er schon Jahre vor der Entdeckung dieser Elemente ihre Massezahlen kannte und an den passenden Plätzen in seinem Periodensystem Raum dafür ließ.

 

Periodensystem: Dmitri Mendelejews Periodensystem mit Leerstellen von 1869 ©Wikimedia Commons
Dmitri Mendelejews Periodensystem mit Leerstellen von 1869 ©Wikimedia Commons

Auf den ersten Blick unterscheidet sich Mendelejews System von unserem heutigen optisch zunächst signifikant, doch dreht man es um 90 Grad, wird die Ähnlichkeit zu dem modernen Periodensystem ersichtlich. Für die Wissenschaft waren damit die Elemente erstmals sinnvoll sortiert. Sein Werk wurde von der Royal Society mit der Davy-Medaille geehrt – die höchste britische Auszeichnung für Wissenschaft auf dem Gebiet der Chemie.

 

 

 

26 Kommentare

  1. Avatar  Anonyman 01

    Eigentlich ist die Suche nach weiteren Transuranelementen vollkommen Sinnlos. Nach Einsteinium (99) und Fermium (100) sind diese so instabil/ kurzlebig das es keine Verwendungsmöglichkeiten mehr gibt.
    Korrektur zu meinen #5: Element 115 heißt nicht mehr Unumpentium sondern Moscovium. An seiner ,,Nutzlosigkeit“ wegen der viel zu kurzen Halbwertszeit aller Isotope ändert das aber nichts.
    Ist eigentlich egal – allein mit den Elementen 1 bis 92 haben wir bereits alles mögliche Herstellen/ Erschaffen können. Die Weiterentwicklung unserer Technik von viel zu kurzlebigen Instabilen Elementen abhängig zu machen wäre eine Sackgasse. Selbst Interstellare Reisen (mit Unterlichtgeschwindigkeit) sind ohne Transuranelemente möglich, indem man die Werkzeuge zu deren ,,Herstellung“, also Teilchenbeschleuniger (vor allem Linearbeschleuniger) zu Antrieben umfunktioniert.

  2. Avatar  reniarr

    @ Anonyman 01

    Bei Braunen Zwergen reicht der Druck im Innern nicht einmal aus eine Heliumfusion einzuleiten, bei weißen Zwergen ist die Materie zwar entartet, trotzdem reicht auch dort der Druck nicht aus um über die Fusion zu Kohlenstoff bzw. Sauerstoff hinaus zu kommen. Bis hin zum Eisen wird beim Elementaufbau Energie frei, diese Energie würde über den Strahlungsdruck aber den weißen Zwerg auseinandertreiben. Selbst wenn man mal hypothetisch annehmen würde, dass sich einzelne schwere Elemente langsam durch Einfang kleinerer Partikel und Kernumwandlung bilden würden, so würden diese schweren Kerne mit der gleichen Wahrscheinlichkeit auch wieder zerstört. Außerdem müsste solch ein Prozess dann genauso gut bei unserer Sonne zu finden und nachweisbar sein.

    Die Elemente schwerer als Eisen werden bei einer Supernova nicht im Innern erzeugt, sondern bei der abgesprengten Hülle. Neutronen spielen dabei zwar auch eine Rolle, aber diese abgespengte Hülle fällt, egal ob hinterher als Sternkern ein Neutronenstern oder schwarzes Loch überbleibt nicht zwingend wieder zurück. Wird die bei der Explosion genügend beschleunigt entkommt sie der restlichen Schwerkraft. Da auch bei „Inseln der Stabilität“ nicht mit sehr langen Halbwertszeiten zu rechnen ist nützt es wenig sich alte Überreste von Supernovae zu betrachten. Und wie ich schon schrieb ist die Strahlung von gerade erst explodierten Sternen so stark, dass dort eventuelle Frequenzlinien von eventuell gerade erst erzeugten unbekannten Elementen nicht heraus zu filtern sind, das geht im Rauschen völlig unter.

    Im Übrigen: Der Sinn der weiteren Erzeugung superschwerer Elemente hier auf der Erde ist weniger deren praktischer Nutzen als eher Grundlagenforschung und sei es nur wenn’s um die Bestätigung oder Nichtbestätigung der theoretischen Vorhersagen geht. Die Schwerionenforschung ist im Vergleich zu solchen Beschleunigeranlagen wie dem CERN oder dessem potentiellen Nachfolger auch recht günstig.

  3. Avatar  Markus Termin

    „Er untersuchte dies weiter und erkannte eine Achter-Periodizität, die er Oktavengesetz nannte. Damit war der Grundgedanke des Periodensystems gegeben, denn periodisch ist, was in gleichen Abständen auftritt.“ – soweit mir bekannt, nennt man diese „gleichen Abstände“ Ganzzahligkeit. Sie begegnet uns wieder in den zueinander ganzzahligen Bahnresonanzen im Planetensystem (Neptun/Pluto – Erde/Venus) – Keplers „Harmonices Mundi“ – gibt es hier eine Brücke zwischen Mikro- und Makrokosmos, die bisher noch nicht umfassend gewürdigt wurde – von Ganzzahligkeit im Kleinsten zu Ganzzahligkeit im Größten?

  4. Avatar  Anonyman 01

    #12 – lassen wir die Braunen Zwerge außer acht. Dann bleibt nur die Annahme das der in Weißen Zwergen entstandene Kohlenstoff (letztes Fusionsprodukt der Heliumfusion Roter Riesen) durch die Resthitze in Kombination mit der hohen Restmasse in Extrem Dichtes Plasma mit tausenden Gramm pro kubikzentimer Dichte ,,gepresst“ wird. Dann müsste der Kohlenstoff im Verlauf von Jahrmillionen durch Auskühlung seine ,,Festigkeit“ wiedererlangen (also die Abstoßende Wirkung der Atomkerne nimmt wieder zu) = ausdehnung des nur Erdgroßen Weißen Zwerges in ein Neptun bzw Jupitergroßes Objekt. Klingt allerdings etwas Merkwürdig, Da sich Materie erst unter ZUNAHME und nicht durch ABNAHME der Temperatur ausdehnt.

  5. Avatar  reniarr

    @ Anonyman 01

    Irgendwie wird mir nicht ganz klar worauf Sie hinaus wollen. Die Dichte der Materie in einem weißem Zwerg wird vor allem durch die Gravitation seiner Masse bestimmt, weniger durch seine Temperatur. Die Temperatur dürfte sich dabei eher der Gravitation entgegen stemmen, bei Abkühlung wird er also schrumpfen, gleichzeitig heizt er sich durch die weitere Kompression wieder etwas auf, bis irgendwann ein Stillstand erreicht ist. Dies dauert aber Milliarden von Jahren, ein weißer Zwerg kühlt nur sehr langsam ab. So langsam, dass die Zeit, seitdem das Universum gebildet wurde, faktisch noch nicht zur Bildung von Schwarzen Zwergen gereicht hat.

  6. Avatar  Anonyman 01

    Ich orientiere mich mit meiner Annahme an dem Fusionsprozess innerhalb eines Sterns. Dabei kann der Druck der umgebenden Schichten ERST durch die gleichzeitige Temperaturerhöhung der Materie die Coloumbbarriere überwinden (Durch das Erhitzen können sich die Elektronen aus der Bindung mit dem Atomkern lösen, wodurch das Atom sozusagen ,,Weich“ wird und die Atomkerne verschmelzen können). Die Schwerkraft dort von ,,nur“ 20 bis 30g allein kann die Materie kaum so stark verdichten, erst durch das gleichzeitige erhitzen in den Plasmazustand. Wenn also ein Weißer Zwerg über Jahrmilliarden langsam auskühlt, kann die Schwerkraft die langsam stärker werdenden Abstoßungskräfte der Abkühlenden Materie nicht mehr überwinden und sie nimmt dabei lamgsam die ,,Normaldichte“ an (Der Schwarze Zwerg wäre dann wesentlich größer). Wäre eine Theorie die man mit einer Zentrifuge mit Magnetfeld (Rotierender Ring) und darin befindlichen Heißen Plasma überprüfen könnte: Wie stark wird z.bsp Stickstoffgas bei 50 g und Normaltemperatur komprimiert und wie stark wenn er dabei in heißes Plasma umgewandelt wird? Wenn ich recht habe lässt sich das Gas im Plasmazustand leichter komprimieren als bei ,,Normaltemperatur“ wenn es einer Kraft von 25…50….100 g ausgesetzt wird.

  7. Avatar  moseley

    Ich bin erschüttert, dass mein Beitrag zum wirklichen Nachweis der damaligen Lücken im Periodensystem der Elemente in diesem Artikel schmählich unterschlagen wird: Der wirkliche Nachweis ergab sich aus dem Moseley’schen Gesetz über die Rönten-Emissionen der Elemente.
    Leider bin ich viel zu früh, im ersten Weltkrieg in der Schlacht von Gallipoli gefallen. Deshalb musste ich aus dem Jenseits meinen ZON Avatar zu diesem Post veranlassen.

  8. Avatar  Gigelig

    Wunderbar, wie alle einen solchen Artikel erstmal dazu verwenden müssen, ihr in welcher Weise auch immer erhaltenes Wissen preiszugeben.

    Ich freue mich einfach über den schönen Artikel über das Periodensystem, dass seit 150 Jahren keinen Deut an Bedeutung für die Wissenschaft verloren hat. Endlich wird mal einem großen Chemiker gedacht, der häufig unter den Tisch fällt, obwohl er wohl einen der wichtigsten Ausgangspunkte für die Chemie gelegt hat.

  9. Avatar  olchemist

    Es gibt zu dem Thema ein interessanten Artikel: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.200800827

    Der ist leider nicht kostenlos, aber in Büchereien kommt man an sowas dran.

    Darin wird beschrieben, dass die Ähnlichkeiten innerhalb einer Gruppe des Periodensystems überbewertet werden. Lässt man einen Computer die Elemente stur nach ihren bekannten Eigenschaften sortieren, kommt der meist gar nicht auf unser brühmtes Periodensystem. Tatsächlich wird die Periodizität „nur“ von dem Rückgrat Halogene/Edelgase/Alkalimetalle getragen.

  10. Avatar  olchemist

    Nachtrag. Hier findet man den erwähnten Artikel direkt zugänglich: https://www.academia.edu/847316/Symbol_der_Chemie_Das_Periodensystem_der_chemischen_Elemente_im_jungen_Jahrhundert

    Und hier nochmal das Zitat, welches ich versuchte aus dem Gedächtnis sinngemäß wiederzugeben:
    „In den letzten Jahren wurden Clusteranalysen der Elemente durchge-führt. Dazu wurden in der Literatur tabellierte Zahlen für bis zu 150 verschiedene chemische, physikalische und Materialeigenschaften von bis zu 90 Elementen und ihren Verbindungen ausgewertet: Die erwähnten historischen, chemisch „erfühlten“ Ähnlichkeiten zwischen Elementen wurden alle numerisch „objektiv“ reproduziert. Die vielen komplexen Vernetzungen des Systems der Elemente haben es aber verhindert, genau eine einfache optimale Periodentafel auf empirischer Basis durch selbstorganisierende Algorithmen zu generieren.“

 

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