Aktualisiertes Periodensystem: Russische Wissenschaftler schlagen neue Art der Ordnung der Elemente vor.

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Das Periodensystem der Elemente, das hauptsächlich von dem russischen Chemiker Dmitrij Mendelejew (1834-1907) geschaffen wurde, feierte im vergangenen Jahr sein 150-jähriges Bestehen. Seine Bedeutung als Ordnungsprinzip in der Chemie ist kaum zu überschätzen – alle angehenden Chemiker sind bereits in den frühesten Stadien ihrer Ausbildung mit ihm vertraut.

Angesichts der Bedeutung des Tisches könnte man meinen, dass die Ordnung der Elemente nicht mehr zur Debatte stand. Zwei Wissenschaftler in Moskau, Russland, haben jedoch kürzlich einen Vorschlag für eine neue Ordnung veröffentlicht.

Betrachten wir zunächst, wie das Periodensystem entwickelt wurde. Gegen Ende des 18. Jahrhunderts waren sich die Chemiker über den Unterschied zwischen einem Element und einer Verbindung im Klaren: Elemente waren chemisch unteilbar (Beispiele sind Wasserstoff, Sauerstoff), während Verbindungen aus zwei oder mehr Elementen in Kombination bestanden, die sich in ihren Eigenschaften deutlich von ihren Bestandteilen unterschieden. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts gab es gute Indizien für die Existenz von Atomen. Und bis in die 1860er Jahre war es möglich, die bekannten Elemente in der Reihenfolge ihrer relativen Atommasse aufzulisten – zum Beispiel war Wasserstoff 1 und Sauerstoff 16.

Einfache Listen sind natürlich eindimensionaler Natur. Aber die Chemiker waren sich bewusst, dass bestimmte Elemente ziemlich ähnliche chemische Eigenschaften haben: zum Beispiel Lithium, Natrium und Kalium oder Chlor, Brom und Jod. Etwas schien sich zu wiederholen, und indem chemisch ähnliche Elemente nebeneinander gestellt wurden, konnte eine zweidimensionale Tabelle erstellt werden. Das Periodensystem war geboren.

Wichtig war, dass das Periodensystem Mendelejews empirisch auf der Grundlage der beobachteten chemischen Ähnlichkeiten bestimmter Elemente abgeleitet worden war. Erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts, nachdem die Struktur des Atoms festgelegt worden war und nach der Entwicklung der Quantentheorie, würde sich ein theoretisches Verständnis seiner Struktur herausbilden.

Die Elemente wurden nun nicht mehr nach der Atommasse, sondern nach der Ordnungszahl (der Anzahl der positiv geladenen Teilchen, die im Atomkern Protonen genannt werden), aber immer noch nach chemischen Ähnlichkeiten geordnet. Letztere folgten nun aber aus der Anordnung der Elektronen, die sich in sogenannten “Schalen” in regelmäßigen Abständen wiederholten. Bis in die 1940er Jahre verfügten die meisten Lehrbücher über ein Periodensystem, das dem heutigen ähnlich war, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Es wäre verständlich zu denken, dass dies das Ende der Angelegenheit wäre. Doch dem ist nicht so. Eine einfache Suche im Internet wird alle möglichen Versionen des Periodensystems aufdecken. Es gibt kurze Versionen, lange Versionen, kreisförmige Versionen, spiralförmige Versionen und sogar dreidimensionale Versionen. Viele davon sind zwar einfach verschiedene Arten, die gleiche Information zu vermitteln, aber es gibt nach wie vor Meinungsverschiedenheiten darüber, wo einige Elemente platziert werden sollten.

Die genaue Platzierung bestimmter Elemente hängt davon ab, welche besonderen Eigenschaften wir hervorheben möchten. So wird sich ein Periodensystem, das der elektronischen Struktur der Atome Vorrang einräumt, von Tabellen unterscheiden, deren Hauptkriterien bestimmte chemische oder physikalische Eigenschaften sind.

Diese Versionen unterscheiden sich nicht wesentlich, aber es gibt bestimmte Elemente – Wasserstoff zum Beispiel -, die man je nach der besonderen Eigenschaft, die man hervorheben möchte, ganz anders platzieren könnte. Einige Tabellen ordnen Wasserstoff in Gruppe 1 ein, während er in anderen an der Spitze der Gruppe 17 steht; einige Tabellen haben ihn sogar in einer eigenen Gruppe.

Etwas radikaler können wir aber auch in Betracht ziehen, die Elemente auf eine ganz andere Art und Weise zu ordnen, d.h. ohne die Ordnungszahl und ohne die elektronische Struktur – also auf eine eindimensionale Liste zurückzugreifen.

Neuer Vorschlag

Der jüngste Versuch, Elemente auf diese Weise zu ordnen, wurde kürzlich von den Wissenschaftlern Zahed Allahyari und Artem Oganov im Journal of Physical Chemistry veröffentlicht. Ihr Ansatz, der auf früheren Arbeiten anderer aufbaut, besteht darin, jedem Element eine so genannte Mendelejew-Zahl (MN) zuzuordnen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, solche Zahlen abzuleiten, aber die jüngste Studie verwendet eine Kombination von zwei fundamentalen Größen, die direkt gemessen werden können: den Atomradius eines Elements und eine Eigenschaft namens Elektronegativität, die beschreibt, wie stark ein Atom Elektronen an sich anzieht.

Wenn man die Elemente nach ihren MN ordnet, haben die nächsten Nachbarn, was nicht überrascht, ziemlich ähnliche MN. Von größerem Nutzen ist es jedoch, noch einen Schritt weiter zu gehen und ein zweidimensionales Gitter zu konstruieren, das auf den MN der konstituierenden Elemente in so genannten “binären Verbindungen” basiert. Dies sind Verbindungen, die sich aus zwei Elementen zusammensetzen, wie z.B. Natriumchlorid, NaCl.

Was ist der Vorteil dieses Ansatzes? Wichtig ist, dass es helfen kann, die Eigenschaften von binären Verbindungen vorherzusagen, die noch nicht hergestellt wurden. Dies ist nützlich bei der Suche nach neuen Materialien, die wahrscheinlich sowohl für zukünftige als auch für bestehende Technologien benötigt werden. Mit der Zeit wird dies zweifellos auf Verbindungen mit mehr als zwei elementaren Komponenten ausgedehnt werden.

Ein gutes Beispiel für die Bedeutung der Suche nach neuen Materialien lässt sich anhand des Zeitraums

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