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Österreichische Chemiker beleuchten das Periodensystem der Elemente

28.01.2019

Die UNESCO hat 2019 zum Internationalen Jahr des Periodensystems der Elemente erklärt. Vor 150 Jahren hatte der russische Chemiker Dmitri Mendelejew (1834-1907) einen systematischen Zusammenhang zwischen Atommasse und chemischen Eigenschaften der Elemente entdeckt und damit das Periodensystem geschaffen. Am 29. Jänner erfolgt in Paris der offizielle Auftakt des Internationalen Jahres.

118 Elemente umfasst das Periodensystem bisher - von Wasserstoff (Ordnungszahl 1) bis Oganesson (Ordnungszahl 118). Diese sind nach der Anzahl ihrer positiven Teilchen (Protonen) im Atomkern durchnummeriert. Die Elemente sind in Gruppen (senkrechte Spalten) und Perioden (waagrechte Zeilen) angeordnet. Die Mitglieder einer Gruppe haben alle gleich viele negativ geladene Teilchen (Elektronen) in ihrer äußersten Elektronenschale (Orbital) und somit ähnliche chemische Eigenschaften. Die Elemente einer Periode haben alle gleich viele Elektronenschalen. Was sich sonst noch alles im Periodensystem ablesen lässt, erklären österreichische Chemiker schlaglichtartig gegenüber der APA:

"Das Bemühen, die essenziellen Grundstoffe des Lebens zu erkennen, ist eine Gemeinsamkeit vieler Kulturen. Dominierte auch im westlichen Denken lange Zeit die Lehre von den vier Elementen Feuer, Wasser, Erde und Luft, so verließ mit dem Periodensystem diese Suche im 19. Jahrhundert erstmals das Gebiet der Philosophie und unternahm den entscheidenden Schritt in die Wissenschaft. Mendelejew schuf nichts weniger als eine systematische Ordnung der chemischen Elemente, aus denen die gesamte belebte und unbelebte Natur besteht, und öffnete damit die Tür zu einem modernen Verständnis der Welt." (Bernhard Keppler, Institut für Anorganische Chemie, Universität Wien)

80 Jahre bis zum heutigen System

"Bis es zu der für uns heute vertrauten bekannten zeilen- und spaltenweisen Anordnung der Elemente im Periodensystem kam, dauerte es mindestens 80 Jahre und bedurfte es zahlreicher Diskussionen vieler Chemiker. Angefangen hat die Diskussion mit einer einfachen Liste von 33 vermutlichen Substanzen durch Antoine Lavoisier, wobei im Jahre 1789 er auch noch Licht und Wärme als Elemente klassifizierte. Die Genialität des veröffentlichten Periodensystems vor 150 Jahren war, dass in dieser Darstellung Positionen frei gelassen wurden für Elemente, die noch nicht entdeckt worden waren und deren Eigenschaften man aufgrund der Position voraussagen konnte." (Wolfgang Kroutil, Institut für Chemie, Universität Graz)

"Wie verblüffend genau die Eigenschaften von Elementen durch simples Zählen der Kernladungen vorhergesagt werden können, zeigte Mendelejew. Er stellte 1871 fest, dass es mehrere noch zu entdeckende Elemente geben müsse, eines davon ähnlich dem Silizium und Zinn. Er nannte diese Lücke im Periodensystem Eka-Silizium und sagte dessen Eigenschaften annähernd korrekt voraus. Dieses Element wurde 15 Jahre später von Clemens Winkler in Deutschland im Mineral Argyrodit identifiziert - und so wurde aus dem Eka-Silizium das Germanium. Auch die Lücken Eka-Aluminium und Eka-Bor wurden im späten 19. Jahrhundert gefüllt und nach der Heimat der Entdecker Gallien als Gallium und Skandinavien als Scandium benannt." (Thomas Lörting, Institut für Physikalische Chemie, Universität Innsbruck )

"Seit der Entstehung des Universums durch den Urknall bildeten sich Sterne wie unsere Sonne, die aus dem leichtesten Element, dem Wasserstoff, über eine Kernfusion das Helium erzeugen. In Sternen, die deutlich größer als unsere Sonne sind, entstehen in weiteren Fusionsschritten die Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff, Silizium und über das Magnesium schließlich das Eisen. Schwerere Elemente als das Eisen können nicht durch Kernfusion in Sternen - wie groß diese auch immer sind - entstehen, weil nur bis zur Kernfusion des Eisens aus leichteren Elementen Energie als Strahlung abgegeben wird. Elemente mit höherer Ordnungszahl benötigen Energiezufuhr und entstehen daher erst zum Beispiel bei einer sogenannten Supernova-Explosion sehr viel größerer Sterne als unserer Sonne." (Peter Weinberger, Institut für Angewandte Synthesechemie, Technischen Universität Wien)

"Wasserstoff fällt als erstes und einfachstes Element im Periodensystem ein wenig aus der Reihe. Es besteht nur aus einem Proton und einem Elektron und befindet sich in der oberen linken Ecke, in der Periode gemeinsam mit lauter Metallen. Dabei denkt man bei Wasserstoff nun wirklich nicht an Metalle und lange Zeit waren die metallischen Eigenschaften von Wasserstoff nur Spekulation. Erst Anfang 2017 erschien ein Bericht, dass es gelungen sei Wasserstoff in seinem metallartigen Zustand unter enormen Druck herzustellen. In der Natur kommt dieser Zustand wohl im Inneren von Wasserstoffplaneten wie Jupiter und Saturn vor." (Nuno Maulide, Institut für Organische Chemie, Universität Wien)

Jüngstes Element 2010 nachgewiesen

"Ende des 19. Jahrhunderts nahm die Lehre von der Organischen und Anorganischen Chemie infolge der industriellen Revolution einen gewaltigen Aufschwung. Schon länger hatte man versucht, die verschiedenen Elemente der sogenannten belebten oder unbelebten Natur zuzuordnen, obwohl dies schon von Friedrich Wöhler 1828 mit der Harnstoffsynthese aus anorganischen Materialien infrage gestellt wurde.

Zur Organischen Chemie wurden Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff sowie meist auch Phosphor, Schwefel und Chlor gezählt, während alle übrigen Elemente als Teil der unbelebten Natur betrachtet und somit der Anorganischen Chemie zugeteilt wurden. Obwohl diese Einteilung von ihrem Sinn her heute überholt ist, hat man sie aus didaktischen Gründen weitgehend beibehalten." (Bernhard Keppler)

"Waren vor 150 Jahren noch alle beschriebenen Elemente (etwa 50) natürlich auf der Erde nachgewiesen, so werden heute rund 90 der bekannten Elemente als natürlich vorkommend eingestuft. Von diesen haben auch zwei Österreicher einige entdeckt. So hat der Chemiker und Mineraloge Franz Joseph Müller von Reichenstein das Element Tellur (1782) entdeckt und Carl Auer von Welsbach die chemischen Elemente Neodym (1885), Praseodym (1885) und Lutetium (1907)." (Wolfgang Kroutil)

"Die Stabilität chemischer Elemente wird durch ihre sogenannte Halbwertszeit beschrieben. In diesem Zeitrahmen ist die Hälfte der Atome durch radioaktiven Zerfall in ein Spaltprodukt zerfallen. Für die natürlich vorkommenden Elemente des Periodensystems bis zum Uran (Ordnungszahl 92) gibt es zumindest ein stabiles oder zumindest sehr langlebiges Isotop. Bis zur Ordnungszahl 82 (Blei) gibt es zumindest ein stabiles Isotop für jedes Element. Eine von zwei Ausnahmen bildet dabei Technetium (Ordnungszahl 43), welches nur radioaktive Isotope mit unterschiedlicher Halbwertszeit hat. Es wurde erst 1937 zweifelsfrei hergestellt und erhielt seinen Namen, weil es das erste 'technisch' hergestellte Element war. Die zweite Ausnahme bildet die Ordnungszahl 61 (Promethium), das 1945 als Spaltprodukt des Uran entdeckt wurde." (Peter Weinberger)

Nur zwei Elemente bei Raumtemperatur flüssig

"Betrachtet man das Periodensystem mit all den Elementen und deren vielfältigen Eigenschaften fällt auf, dass ein Aggregatszustand deutlich unterrepräsentiert ist: nur zwei Elemente sind bei Raumtemperatur flüssig. Das liegt an den Wechselwirkungen zwischen den Atomen der Elemente: ist diese Wechselwirkung stark, sind die Elemente fest, ist sie schwach, sind sie gasförmig. Nur Brom und Quecksilber liegen dazwischen und sind damit flüssig." (Nuno Maulide)

"Erst in den vergangenen Jahren sind die 14 Elemente, die nach der Ordnungszahl 57 (Lanthan) in einer eigenen Reihe - man nennt sie auch die Lanthanoide - vorkommen, in den Mittelpunkt des wirtschaftlichen Interesses gerückt. Die Elemente Cer (Ordnungszahl 58) bis Lutetium (Ordnungszahl 71) sind Teil der sogenannten Seltenen Erden. In diesen Elementen werden erstmals auch f-Orbitale besetzt, weshalb viele dieser Elemente ganz besonders interessante optische und magnetische Eigenschaften besitzen. Das macht diese Elemente für High-Tech-Anwendungen so wichtig. Es gibt aber nur wenige abbauwürdige Lagerstätten, weshalb sie die Bezeichnung 'Seltene Erden' zu Recht bekommen haben." (Peter Weinberger)

"Das jüngste Element im Periodensystem ist Tenness mit der Ordnungszahl 117. Es wurde 2010 erstmals nachgewiesen und vollendete damit unser Periodensystem wie wir es heute kennen. Wie auch die umliegenden Elemente ist es instabil und zerfällt nach der Herstellung innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde. Für alle weiteren Elemente, die noch entdeckt werden, müsste eine zusätzliche Reihe am Ende des Periodensystems eingefügt werden inklusive eines neuen Einschubs für das g-Orbital, mit dem in der neuen Reihe 50 weitere Atome Platz finden würden." (Nuno Maulide)

Service: https://www.iypt2019.org/

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