Vor 150 Jahren ersann Dimitri Mendelejew das Periodensystem der Elemente. Doch das Ordnen der Stoffe hat er nicht begonnen. Und abgeschlossen ist es bis heute nicht.

Träumen hat in der Wissenschaft des öfteren geholfen. Gelegentlich sollen Gelehrten die Lösungen ihrer Forschungsprobleme sogar buchstäblich im Traum erschienen sein. Der deutsche Chemiker August Kekulé etwa erklärte, gleich zwei seiner Entdeckungen geträumt zu haben: Um 1855 herum seien ihm im Halbschlaf in einem Londoner Pferdebus wirbelnde Atome erschienen, die ihm seine Bindungstheorie vortanzten. Und 1865 habe ihn ein Tagtraum auf die Idee der Ringstruktur des Benzols und seiner Abkömmlinge gebracht.

Auch Dimitri Iwanowitsch Mendelejew soll Anfang 1869 auf die vielleicht berühmteste aller Tabellen im Schlaf gekommen sein. Die „Tabliza Mendelejewa“, wie sie auf Russisch heißt, ziert nicht nur unzählige Lehrsäle zwischen Grönland und der Südsee, sondern auch Nerdartikel wie Bürotassen und Krawatten, etwa die von Sir Martyn Poliakoff, Chemieprofessor an der University of Nottingham und Protagonist eines Youtube-Kanals zum Thema mit mehr als 1,12 Millionen Abonnenten. Und Mendelejews Tafel wegen haben die Vereinten Nationen das Jahr 2019 zum Jahr des Periodensystems der chemischen Elemente ausgerufen.

Im Zoo der Substanzen

Elemente, das waren zu Mendelejews Zeiten schon lange nicht mehr die vier oder fünf Eigenschaftsträger respektive Atomformen der antiken Naturtheorie. Aber sie waren auch noch nicht die 118 Atomkernsorten mit Hüllen aus einer jeweils verschiedenen Anzahl von Elektronen, die heute bekannt und benannt sind. Elemente waren „einfachste Substanzen“, Stoffe, die chemisch nicht aus anderen zusammensetzbar sind – wie etwa Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff entsteht – und die auch nicht ineinander umgewandelt werden können. Als die ersten modernen Chemiker im 18. Jahrhundert Listen „einfacher Substanzen“ aufstellten, sortierten sie dort zunächst noch Dinge wie „Licht“ und „Wärme“ ein sowie später als nicht elementar erkannte Stoffe, etwa Kalk. Zu Mendelejews Zeiten dagegen waren nur noch Elemente anerkannt, die heute noch als solche gelten, wenn auch erst 63 der 94 heute in der Erdkruste nachweisbare Elemente bekannt waren.

Bis 1869 waren diese 63 Elemente ein Zoo von Grundstoffen, ein empirisch vorgefundenes Sammelsurium ohne irgend eine innere Ordnung. Dabei hat man sich bereits in der Antike unter Elementen durchaus etwas Geordnetes vorgestellt. Zwar wohl noch nicht bei Empedokles von Akragas (um 495 bis 435 v. Chr.), auf den die Lehre von den vier Elementen „Feuer“, „Wasser“, „Luft“ und „Erde“ wesentlich zurückgeht. Der nannte seine Elemente noch „Rhizomata“, was man mit „Wurzeldinge“ übersetzen könnte. Seit Platon aber, in dessen um 370 v. Chr. entstandenem Dialog „Theaitetos“, das Wort zum ersten Mal auftaucht, hieß „Element“ auf Griechisch „stoicheion“, was von einem Verb für schreiten, nämlich dem in einer geordneten Reihe (stichos) kommt. Und das lateinische Wort „Elementum“ leitet sich möglicherweise von „LMN“ ab, den drei Buchstaben im Zentrum des altrömischen Alphabets. Doch wie deren Ordnung, so war noch bei den Alchemisten und den frühen Chemikern jede Anordnung der Elemente bloße Konvention und keine, die sich aus ihrer Natur heraus ergibt.

Mendelejews erstes Periodensystem von 1869. Die heute sogenannten Hauptgruppenelemente sind in denselben Farben markiert wie in dem modernen Periodensystem weiter unten in dem Artikel.

Eine solche natürliche Ordnung brachte erst das Periodensystem, das damit für die Chemie in gewisser Hinsicht eine ähnliche Bedeutung bekam wie die zehn Jahre zuvor publizierte Evolutionstheorie Darwins für die Biologie: Sie stellt eine in der Natur anzutreffende und vorher nur deskriptiv zugängliche Vielfalt in einen gemeinsamen Rahmen, von dem aus weiteres Verstehen erst möglich wurde – letztlich auch das Verstehen dieses Rahmens selbst. Denn wie Darwin nichts von Genen oder DNA wusste, hatte Mendelejew zeitlebens keinen Schimmer von den Elektronenhüllen der Atome, die letztlich für die chemischen Eigenschaften der verschiedenen Elemente verantwortlich sind. An Elektronen glaubte er nicht – auch nicht, nachdem sie 1897, zehn Jahre vor seinem Tod, nachgewiesen wurden; und selbst Atome als kleinste materielle Bausteine von Gold, Eisen, Stickstoff und all der anderen elementaren Stoffe waren für ihn ein entbehrliches Konzept.

Wie konnte er da das Periodensystem entwickeln? Wenn er es träumte, dann natürlich nicht einfach so. Wie auch Kekulé hatte sich Mendelejew zuvor lange und im Wachzustand intensiv mit seinem Problem beschäftigt. Doch das Problem des damals 35 Jahre alten Chemieprofessors an der Universität von Sankt Petersburg war zunächst gar kein Forschungsproblem, sondern eines der Lehre: Mendelejew war dabei, ein zweibändiges Lehrbuch über Allgemeine Chemie zu verfassen, und fragte sich, in welcher Reihenfolge er die chemischen Elemente abhandeln sollte. Im bereits fertiggestellten ersten Band hatte er nur Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff vorgestellt – die Elemente also, aus denen organische Verbindungen hauptsächlich bestehen. Als Nächstes kam Chlor an die Reihe, denn dieses ist ein Bestandteil der anorganische Allerweltschemikalie Natriumchlorid, dem Kochsalz. Und da er nun schon mal beim Chlor war, nahm er auch gleich drei Elemente durch, die diesem sehr ähnlich waren, aber ein anderes Atomgewicht besaßen (als Atom-Agnostiker sprach Mendelejew lieber von „Elementargewicht“): Fluor, Brom und Iod, heute als Halogene bekannt, wörtlich „die, die Salze bilden“.

Atomgewicht und Alkohol

Doch wie sollte es jetzt weitergehen? Die Abgabefrist für das Manuskript des zweiten Bandes seines Lehrbuches nahte, aber es waren noch 55 weitere damals bekannte Elemente zu verhandeln. Fünf davon waren erst nach 1859 entdeckt worden, als man gelernt hatte, Elemente spektroskopisch zu identifizieren. Dazu analysiert man Licht charakteristischer Wellenlängen, das von hinreichend stark erhitzten Materialproben ausgesandt wird. Mit dem Natrium konnte Mendelejew am Beginn des zweiten Bandes seines Lehrbuches zunächst noch verfahren wie zuvor mit dem Chlor: Wie dieses hat Natrium Geschwister anderen Atomgewichts, die sogenannten Alkalimetalle Lithium, Kalium und die erst 1860 und 1861 in Heidelberg von dem Chemiker Robert Bunsen und dem Physiker Gustav Kirchhoff spektroskopisch entdeckten Elemente Caesium und Rubidium. Doch dann wurde der Ansatz, die Elemente nach von ihnen gebildeten Verbindungen zu ordnen, zusehends unpraktikabel. Denn hier waren die jeweiligen Verbindungen nicht mehr so einfach in Stoffklassen einzuteilen, wie das bei den organischen Verbindungen oder den Salzen aus Halogenen und Alkalimetallen möglich gewesen war.

Im Februar 1869 entschied sich Mendelejew, die Elemente durchgängig nach zunehmendem Atomgewicht zu ordnen – keinem in erster Linie chemischen Merkmal, sondern einem physikalischen. Dabei spielte vielleicht eine Rolle, dass er sich schon früher für die physikalischen Eigenschaften von Chemikalien interessiert hatte. Seine Dissertation etwa handelt vom Verhalten von Mischungen aus Alkohol und Wasser, was später zu der Legende führte, Mendelejew habe sich mit der Herstellung von Wodka befasst oder sei gar Urheber des russischen Standards von 40 Volumenprozent gewesen. In Wahrheit stammt dieser Standard aus dem Jahr 1843 (da war Mendelejew neun Jahre alt), und die Wodka-Kommission, der er tatsächlich angehört hat, wurde erst 1895 gebildet. Dass die Wodka-Marke seines Namens nichts mit ihm zu tun hat, versteht sich da von selbst.

Klarheit in Karlsruhe

Nun hatte sich Mendelejew vor 1869 nicht nur mit Hochprozentigem beschäftigt. Von April 1859 bis Februar 1861, gerade zu der Zeit, als Bunsen und Kirchhoff die Spektroskopie erfanden, forschte Mendelejew als Stipendiat bei Bunsen in Heidelberg. Das ermöglichte ihm auch die Teilnahme an der ersten internationalen Chemiker-Tagung in Karlsruhe. Dort trafen sich im September 1860 auf Initiative Kekulés die Größen des Faches, um das bis dahin herrschende Chaos in der Benennung chemischer Verbindungen und deren Formelschreibweise zu klären. Ein weiteres Thema war das Atomgewicht der Elemente. Die Werte, die verschiedene Chemiker hier mit jeweils anderen Methoden und Annahmen ermittelten, waren widersprüchlich. Erst dem Italiener Stanislao Cannizarro gelang es, Ordnung zu schaffen und seine Fachkollegen in Karlsruhe davon zu überzeugen. Nach der Tagung gab es eine allgemein anerkannte Liste der Atomgewichte der Elemente. Die Fehler, die sie noch enthielt, hatten ihre Quelle nun nur noch in unzureichenden Messverfahren und betrafen vor allem schwerere Elemente.

Eine hinreichend korrekte Liste der Atomgewichte war aber entscheidend für Mendelejews Entdeckung der Periodizität in jenen Wintertagen des Jahres 1869. Listet man die Elemente nach ihrem Atomgewicht auf, so erscheinen dort Elemente ähnlichen chemischen Verhaltens periodisch: das Halogen Fluor etwa an 8. Stelle, sein schwereres Geschwister Chlor an 15. Dieselbe Periode findet sich bei den Alkalimetallen: Natrium erscheint an 9. Stelle, Kalium an 16.

Die Ordnung der Stoffe: Das moderne Periodensystem der chemischen Elemente

Bei den nächstschwereren Elementen beider Gruppen wird es zwar unübersichtlicher, da die Perioden plötzlich deutlich länger sind. Trotzdem kann man die Liste unterteilen und die Teillisten so nebeneinanderlegen, dass alle Halogene und alle Alkalimetalle horizontal nebeneinanderstehen. So kam Mendelejew auf die links abgebildete Tabelle, die – wenn man sie um 90 Grad dreht – wenigstens für die leichten Hauptgruppenelemente bereits exakt das Gleiche zeigt wie die auf den folgenden beiden Seiten abgedruckte moderne Form des Periodensystems. Dimitri Iwanowitsch Mendelejew war auf die gesetzmäßige Periodizität in den Eigenschaften zunehmend schwerer Elemente gestoßen. Aber war er da der Einzige gewesen? Oder auch nur der Erste?

Auf den Schultern von Zwergen

Nein, Dimitri Mendelejew war weder der Erste noch der Einzige, der sich an eine Ordnung der chemischen Grundstoffe wagte. Bereits 1815 war dem Schotten William Prout aufgefallen, dass viele der damals kursierenden Atomgewichte ganzzahlige Vielfache des Gewichtes von Wasserstoff zu sein schienen. Das gab Anlass zu seiner Vermutung, alle Elemente könnten am Ende aus Wasserstoff zusammengesetzt sein. In gewisser Weise sind sie das, wie man heute weiß, tatsächlich. Denn Wasserstoffatome, jedenfalls die seines häufigsten Isotops, bestehen aus jeweils einem positiv geladenen Proton und einem in dessen elektrischem Feld festgehaltenen Elektron, während die Atome schwererer Elemente sich aus Kernen mit einer zunehmend größeren Zahl von Protonen sowie zugehörigen Hüllenelektronen aufbauen. Allerdings finden sich in Atomkernen auch noch Neutronen, von denen bis ins 20. Jahrhundert hinein niemand etwas ahnen konnte.

Prouts Idee gehört damit zu den wissenschaftlichen Einsichten, die zwar falsch, aber trotzdem bedeutend sind. Bedeutend war sie nicht nur wegen ihrer theoretischen Eleganz, sondern vor allem, weil sie die Chemiker nun dazu anspornte, Atomgewichte immer genauer zu bestimmen, um zu sehen, ob Prouts Prämisse denn zutraf. Dass er falschlag, zeigte zur Jahrhundertmitte etwa das Chlor, dessen Atomgewicht sich bei 35,5 Wasserstoffgewichten stabilisierte. Aber vielleicht gab es ja andere numerische Beziehungen zwischen den Atomgewichten der Elemente.

Dem Chemiker Johann Wolfgang Döbereiner etwa fiel 1817 auf, dass sich Dreiergruppen, sogenannte Triaden, chemisch ähnlicher Elemente finden lassen, bei dem ein Element so schwer ist wie der Mittelwert der beiden anderen. Döbereiners Idee wurde von dem Heidelberger Chemieprofessor Leopold Gmelin weitergeführt. Es stellte 1843 ein System aus Triaden auf, in denen die Elemente implizit bereits nach ansteigendem Atomgewicht geordnet auftauchen und in dem ganze Blöcke insbesondere der später so genannten Hauptgruppenelemente korrekt beisammenstehen – und zwar etwa nicht nur die Halogene sowie die drei zu Gmelins Zeiten bekannten Alkalimetalle, sondern zum Beispiel auch die Erdalkalimetalle Magnesium, Calcium, Strontium und Barium, welche selbst in Mendelejews erster Tabelle von 1869 noch nicht alle in einer Reihe stehen.

Trotzdem konnte keinem solcher Versuche ein dauerhafter Erfolg beschieden sein, solange noch keine halbwegs korrekte und konsistente Liste der Atomgewichte aller damals bekannten Elemente vorlag – und die gab es erst 1860, nach der Karlsruher Konferenz. Danach war Mendelejew aber eben nicht der Einzige, der mit den neuen Werten ein Ordnungssystem der Elemente entwickelte. Halbwegs berühmt dafür wurde außer ihm aber nur noch der zuerst in Breslau, dann in Karlsruhe und schließlich in Tübingen lehrende Chemiker Julius Lothar Meyer.

Die Elemente des Periodensystems mit dem jeweiligen Jahr ihrer Entdeckung

Tatsächlich nahm Meyer Mendelejews Idee um mehrere Jahre vorweg. 1864 veröffentlichte er eine schon zwei Jahre zuvor aufgestellte Tabelle von 28 heute den Hauptgruppen zugeordneten Elementen, die er genau so erhielt wie später Mendelejew die seine: Er ordnete sie nach ihren Karlsruher Atomgewichten und stellte Elemente mit periodisch wiederkehrenden Ähnlichkeiten nebeneinander. Meyers System war sogar korrekter als die erste publizierte Version seines russischen Fachkollegen, denn es plaziert die Erdalkalimetalle richtig untereinander, wie eigentlich schon Gmelin, und das Blei steht bei Meyer präzise unter dem Zinn.

Falsch ist die Plazierung des Thalliums unter dem Caesium, aber die ist bei Mendelejew genauso verkehrt. Und ebenso wie dieser weicht Meyer an einer Stelle von der durch die Atomgewichte vorgegebenen Reihenfolge ab, weil er dem Muster der chemischen Eigenschaften den Vorzug gibt: Das Tellur ist zwar schwerer als das Iod, aber es verhält sich chemisch so offensichtlich nicht wie ein Halogen und ist zugleich dem Selen so ähnlich, dass beide Forscher hier eher von einem Messfehler bei der Atomgewichtsbestimmung ausgingen als von einer Abweichung vom periodischen Muster. Und auch Meyers Tabelle von 1864 zeigt eine Lücke unter dem Silicium, wo sich also ein noch unentdecktes Elemente befinden musste.

Meyer oder Mendelejew?

Warum ist dann Dimitri Mendelejew so viel berühmter geworden als Julius Lothar Meyer und warum haben die Vereinten Nationen das „Jahr des Periodensystems“ nicht schon vor fünf Jahren begangen? Nun, zum einen hatte Meyer anno 1864 eben nur jene 28 Elemente nach besagtem Schema sortiert, 22 weitere erschienen in seiner Publikation nicht nach Atomgewichten geordnet. Das holte er zwar 1868 teilweise nach – also immer noch vor Mendelejew –, und das Ergebnis war ebenfalls stellenweise korrekter, doch diese Tabelle wurde erst sehr viel später veröffentlicht. Einen unschönen Prioritätsstreit zwischen dem Deutschen und dem Russen gab es trotzdem.

„Mendelejew hat ihn offenbar gewonnen“, stellt der Chemiehistoriker Eric Scerri von der University of California in Los Angeles in seinem Buch über das Periodensystem fest. „Es ist aber schwer, wirklich sicher zu sagen, welchen Anteil daran Mendelejews energischere Persönlichkeit hat.“ Meyers System war zwar weniger komplett, aber es war das historisch frühere – und es enthielt weniger Fehler. Mendelejew dagegen legte die vollständigere Tafel vor, und anders als Meyer wagte er wenig später detaillierte Vorhersagen zur Chemie der noch unentdeckten Elemente in den verbliebenen Lücken, insbesondere der neben dem Calcium und den Lücken unter Aluminium und Silicium. Als dort 1879 das Scandium, zuvor 1875 das Gallium und 1886 das Germanium entdeckt worden waren und sich Mendelejews Vorhersagen bestätigten, hatte sein deutscher Konkurrent vor der Geschichte kaum noch Chancen auf Gleichbehandlung.

Zwar bekamen 1882 beide zusammen die Davy Medal der Royal Society, doch nicht immer ist in Texten und Reden Platz oder Zeit für den Hinweis, dass Meyer und Mendelejew das Periodensystem der chemischen Elemente unabhängig voneinander entdeckt haben. Auch wenn unklar bleibt, warum Mendelejew Meyers Publikation von 1864 nicht kannte, so lassen es die erhaltenen Skizzen des Russen aus dem Februar 1869 doch unwahrscheinlich erscheinen, dass er bei Meyer abgekupfert hat.

Noch mehr Periodensystematiker

So oder so ist es nicht ganz richtig, außer Mendelejew nur noch Meyer als Entdecker des Periodensystems der Elemente zu nennen. „Die Entdeckung wurde wesentlich von sechs Wissenschaftlern gemacht, die von ihrer fachlichen Herkunft und ihrer Herangehensweise sehr verschieden waren“, schreibt Scerri. So hatte der französische Geologe Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois bereits 1862 und damit als Erster erkannt, dass die Eigenschaften der Elemente sich mit wachsendem Atomgewicht periodisch wiederholen. Was ihn letztlich um die Entdeckerwürde brachte, war seine fachliche Distanz zur Chemie sowie seine komplizierte Anordnung der Elemente in einem dreidimensionalen, schraubenförmigen Diagramm. Denn dieses wurde in seiner Veröffentlichung kurzerhand weggelassen, da der Verlag sich nicht imstande sah, derlei für den Druck einzurichten.

Auch der britische Zuckerchemiker John Newlands legte 1863 ein Periodensystem vor, war aber zu weit von der akademischen Szene entfernt, um international beachtet zu werden, und in England waren die Chemiker damals theoretischen Überlegungen gegenüber eher skeptisch. Dieser Umstand mag auch dazu beigetragen haben, dass Newlands’ Landsmann William Odling, obgleich arrivierter Dozent, kaum Aufmerksamkeit für seine 1864 veröffentlichten Einsichten zur Periodizität der Elemente fand. Und schließlich war da noch Gustavus Detlef Hinrichs, ein nach Amerika emigrierter Holsteiner, der neben der Chemie auch Philologie und Meteorologie betrieb. Er glaubte numerische Zusammenhänge zwischen Atomen und dem Weltall zu sehen und war auch sonst viel zu exzentrisch, um von der chemischen Fachwelt ernst genommen zu werden. Doch Scerri zufolge muss auch Hinrichs 1867 publiziertes spiralförmiges Periodensystem zum Vorläufer der Einsichten Meyers und Mendelejews gerechnet werden.

Die Elemente des Periodensystems und ihre Häufigkeit auf der Erde

Die Leistung Mendelejews bei seiner Entwicklung eines Periodensystems wird aber kaum durch den Umstand geschmälert, dass er nicht der Einzige war. Auch nicht dadurch, dass er seinen Mut zur Vorhersage mit einer Reihe von Fehlprognosen bezahlte. Insgesamt sagte er bis zu seinem Tod im Jahr 1907 sechzehn Elemente vorher – und lag in der Hälfte der Fälle daneben. Zu den aus heutiger Sicht größten Fehlgriffen animierte ihn in den 1890er Jahren die Entdeckung einer ganzen, in seinem Periodensystem zunächst noch komplett fehlenden Elementgruppe, der Edelgase, durch Sir William Ramsey in London. Im Jahr 1904 schloss Mendelejew in kühnen numerischen Extrapolationen unter anderem der Edelgas-Atomgewichte auf die Existenz zweier neuer Elemente, noch leichter als selbst Wasserstoff.

Eric Scerri sieht in dem deduktiven Überschwang des nunmehr 70-jährigen Wissenschaftlers eine „Vernachlässigung der subtilen chemischen Indizien, die ihn bei seinen erfolgreichen Vorhersagen so gut geleitet hatten“. Andererseits hatte sich Mendelejew ja immer auch für die physikalische Seite der Stoffe interessiert. Hier gab es in jenen Jahren die Frage nach der Natur des Äthers. Das war ein hypothetisches, den gesamten Raum erfüllendes Medium, von dessen Existenz die meisten Physiker bis zur Veröffentlichung von Einsteins Spezieller Relativitätstheorie im Jahr 1905 ausgingen, um die Ausbreitung der Lichtwellen zu erklären. Die Vorstellung, beim Äther könne es sich um eine Art ultraleichtes Super-Edelgas handeln, muss Mendelejew zu nahegelegen haben, um sich nicht damit zu beschäftigen. Sicher, es waren „Spekulationen eines älteren, etablierten Wissenschaftlers, der nichts zu verlieren hat“, wie Scerri meint. Doch damit ist Mendelejew in bester Gesellschaft: Einstein, Heisenberg, Dirac – vielen erfolgreichen Naturwissenschaftlern ist nicht erspart geblieben, sich auf ihre alten Tage vor der Wissenschaftsgeschichte zu blamieren.

Kein Nobelpreis

Mendelejew starb im Februar 1907, ohne den damals bereits sechsmal verliehenen Nobelpreis für Chemie erhalten zu haben. Laut seines Biographen Michael Gordin von der Princeton University hätte er die Ehrung im Jahr 1906 beinahe bekommen. Seine Nominierung hatte die Unterstützung der chemischen Sektion der Schwedischen Akademie, scheiterte aber an Svante Arrhenius, dem Laureaten von 1903, der mit seinem russischen Kollegen noch eine zwanzig Jahre alte Rechnung offen hatte. Offiziell wurde Mendelejews Nichtberücksichtigung damit begründet, dass seine Tafel die Edelgase nicht hatte vorhersagen können.

Allerdings ließen sich Edelgase schließlich problemlos in das Periodensystem integrieren – ebenso wie alle weiteren Entdeckungen auf dem Gebiet der chemischen Elemente seither. Zu Mendelejews Lebzeiten war die Fähigkeit seiner Tafel, bereits Bekanntes darin zu integrieren, sowieso wichtiger für ihre Akzeptanz bei seinen Fachkollegen gewesen als seine Vorhersagen – sonst hätten sie ihm wohl deren magere Trefferquote vorgehalten.

Moderne Periodentafeln

Später war dann auch die layouterische Flexibilität der hinter der Tafel stehenden Idee der Periodizität wichtig. Insgesamt sind zwischen 1869 und heute mehr als 700 verschiedene Darstellungen chemischer Periodensysteme vorgeschlagen worden, darunter Kreise, Spiralen, Systeme in Zickzackform oder in drei Dimensionen als Treppe beziehungsweise Schraubenlinie. Die modernen unter ihnen unterscheiden sich von den Tabellen Meyers und Mendelejews vor allem dadurch, dass sie die Periodizitäten nicht mehr als Funktion des Atomgewichts nachzeichnen, sondern als Funktion der Anzahl von Protonen im Kern. Nur diese sogenannte Ordnungs- oder Kernladungszahl definiert ein Element eindeutig. Das Atomgewicht dagegen ist ein Mittelwert über die verschiedenen in der Natur vorkommenden Isotope eines Elementes, also seiner Varianten gleicher Protonen-, aber verschiedener Neutronenzahl. Die Existenz verschiedener Isotope war Meyer und Mendelejew noch unbekannt, ist aber zum Beispiel verantwortlich dafür, dass Tellur schwerer ist als Iod: Anders als von den Pionieren der 1860er Jahre vermutet, ist das kein Messfehler, sondern liegt daran, dass es vom Iod nur ein einziges stabiles Isotop gibt, nämlich Iod-127, vom Tellur aber deren acht, wobei die beiden häufigsten über mehr Neutronen verfügen als Iod-127.

Die Elemente des Periodensystems nach ihrere Neigung zur Vereinnahmung von Elektronen

Auch als zweidimensionale Tabellen lassen sich Periodensysteme verschieden darstellen. Oben gezeigt ist die „mittlere Langform“, bei der die Reihen der Lanthanoide und der Actinoide separat dargestellt sind. Es gibt auch eine „ultralange“ Form, bei der beide eingefügt bleiben, so dass die darüberliegenden Nachbarn Scandium und Titan sowie Yttrium und Zirconium entsprechend weit auseinanderrücken. Lanthanoide und Actinoide, wurden 1943 von dem amerikanischen Kernchemiker Glenn Seaborg von den anderen Übergangsmetallen als eigene Perioden abgehoben, als man im Rahmen des Manhattan-Projektes auf neue Actinoide gestoßen war. In älteren Chemiebüchern findet man außerdem noch eine „kurzperiodische“ Form, bei der die zehn Spalten der Übergangsmetalle in die acht Hauptgruppen quasi hineingefaltet sind – das ist kompakter und bietet Chemikern den Vorteil, dass manche Haupt- und Übergangselemente mit gewissen Ähnlichkeiten zusammenrücken.

Doch erst an den Langformen des Periodensystems wird deutlich, was heute sein eigentlicher Clou ist: In den Periodenblöcken mit ihren unterschiedlichen Höhen spiegelt sich der sukzessive Aufbau der verschiedenen in Elementen steigender Ordnungszahl immer stärker bevölkerter Elektronenschalen. Dahinter wiederum stehen die Gesetze der Quantenphysik. Dieser Umstand wird zuweilen so gedeutet, dass erst die Physiker den Chemikern sagen konnten, was Mendelejew und die anderen Pioniere der chemischen Periodizität da eigentlich entdeckt hatten. Historisch aber war es in gewisser Hinsicht umgekehrt: So wurde zum Beispiel Niels Bohr, der führende frühe Quanten-Pionier, im Jahr 1913 zu seinen ersten Ansätzen einer Quantentheorie der Atome auch dadurch motiviert, dass er das Periodensystem der chemischen Elemente verstehen wollte. In Gestalt der Tafel Mendelejews wurde die Chemie zu einer Hebamme der Quantenphysik.

Das war zu einer Zeit, als im Periodensytem noch etliche Lücken klafften. Nachdem man in den Jahren vor dem Ersten Weltkrieg von Atomgewichten zu den Kernladungszahlen als Ordnungsprinzip übergegangen war, wusste man aber, wo die wirklichen Lücken lagen. Bis dahin konnten sich neue Elemente im Prinzip überall verstecken. Tatsächlich wurden immer wieder angebliche Element-Entdeckungen gemeldet, insgesamt etwa siebzig an der Zahl. In einem nach Kernladungen organisierten Periodensystem blieben 1914 aber nur noch 16 Lücken, in denen tatsächlich welche stehen konnten. Sofern hinter der später Actinoiden genannten Periode noch weitere schwere Hauptgruppenelemente bis zu einem weiteren schweren Edelgas unterhalb des Radons folgen, gab es damals noch Plätze für insgesamt 31 neue Elemente.

Diese Plätze wurden nun nach und nach gefüllt – meist mit Elementen, die durch das neuentdeckte Phänomen der Radioaktivität auf sich aufmerksam machten. An stabilen Elementen wurde nur noch 1923 das Hafnium und 1925 das Rhenium entdeckt. Ein vergleichsweise leichtes neues Übergangsmetall hatte schon Mendelejew unterhalb des Mangans vermutet. Das heute dort eingetragene Technetium hat allerdings keine über geologische Zeiträume stabilen Isotope, und so wurde es eindeutig erst 1937 nachgewiesen, nachdem man es künstlich durch Beschuss von Molybdän mit Kernen schweren Wasserstoffs erzeugt hatte.

Die Zukunft des Periodensystems

Denn auch das brachte das neue Zeitalter der Kernphysik: Die chemisch unzerlegbaren Elemente erwiesen sich physikalisch als ineinander wandelbar: durch radioaktiven Zerfall, Kernspaltung, Neutroneneinwirkung oder Fusion von Atomkernen, die man in Teilchenbeschleunigern auf Tempo bringt und mit anderen Kernen kollidieren lässt. Auf diese Weise sind heute alle jene 31 Plätze gefüllt. Zuletzt wurden im März 2017 das Nihonium, das Moscovium, das Tenness und das Oganesson zur Ehre der Periodentafeln erhoben – das Oganesson auf dem letzten freien Kästchen ganz rechts, unter dem Radon. Steht die Entwicklung des Periodensystems damit an ihrem Ende?

Tatsächlich bleibt auch das jetzt augenscheinlich restlos gefüllte Periodensystem eine Baustelle. Denn zum einen können neue Erkenntnisse Umbaumaßnahmen nach sich ziehen. Sie betreffen weniger jene Elemente, von denen sich sichtbare Mengen erzeugen und mit üblichen Labormethoden untersuchen lassen – was nicht dasselbe ist. Von dem Actinoid Einsteinium etwa konnte so viel erzeugt werden, dass die Farbe einiger Salze bekannt ist (Einsteiniumtrichlorid etwa ist orange); es ist das schwerste Element, bei dem derlei möglich ist. Doch wegen seiner starken Radioaktivität ist seine Chemie noch weitgehend unerforscht.

Die Sache mit dem Lawrencium

Doch auch bei noch schwereren Elementen lassen sich zumindest einige Eigenschaften studieren. So erschien 2015 in Nature eine Arbeit, deren Autoren die Energie gemessen hatten, die einem Atom des Lawrenciums, des schwersten der Actinoide, ein Hüllenelektron entreißt. Da vom Lawrencium immer nur einige Atome hergestellt werden können und das untersuchte Isotop eine Halbwertszeit von gerade einmal 27 Sekunden hat, war die Messung anspruchsvoll. Aber sie gelang und überraschte so manchen Forscher.

Denn jene Energie war deutlich kleiner als jene, die für die vorangegangenen Actinoiden gemessen oder geschätzt worden war. Da nun auch das zum Lawrencium analoge Lutetium aus der Reihe der anderen Lanthanoide fällt, könnte es sein, dass die beiden Elemente – anders als die meisten Periodentafeln es zeigen – in Wahrheit gewöhnliche Übergangsmetalle sind und in die Spalte unter Scandium und Yttrium gehören. Die bislang dort verorteten Elemente Lanthan und Actinium dagegen wären dann in die Reihen ihrer jeweiligen „-oide“ einzusortieren. Das auf der vorangegangenen Seite abgebildete Periodensystem drückt sich ein wenig um das Problem herum, folgt damit aber der aktuellen Empfehlung der International Union for Pure and Applied Chemistry (Iupac), die solche Dinge zu entscheiden hat, wenn die Datenlage es denn einmal erlaubt, sie zu entscheiden.

Noch aus einem anderen Grund ist die Geschichte des Periodensystems nicht so bald zu Ende: Das Oganesson mit der Ordnungszahl 118 ist das gegenwärtig schwerste bekannte, aber keinesfalls das schwerste mögliche Element. Die auf die Synthese superschwerer Atomkerne spezialisierten Beschleunigerlabore werden auch in Zukunft versuchen, Atome immer höherer Ordnungszahlen zu erzeugen. Im Vereinigten Institut für Kernforschung in Dubna nahe Moskau – nach dem dort wirkenden Physiker Juri Zolakowitsch Oganesjan ist das Element Oganesson benannt worden – sowie am Riken-Institut nahe Tokio arbeitet man am Nachweis von Element 119, und bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt wurde 2011 vielleicht sogar schon das Element 120 erzeugt. Die Daten reichten allerdings nicht, um die Synthese zu reklamieren.

Was die Forscher hier unter anderem antreibt, ist die Aussicht auf eine „Insel der Stabilität“. Von dem schwersten gesicherten Element ist bislang nur das Isotop Oganesson-294 bekannt, und dies zerfällt mit einer Halbwertszeit von weniger als einer Millisekunde. Doch die Halbwertszeiten der schwersten bekannten Isotope von Roentgenium und Copernicium liegen im Sekunden- und sogar Minutenbereich. Das ist ein Hinweis darauf, dass theoretische Argumente richtig sind, nach denen sich der Trend zu wachsender Instabilität für hohe Isotope bestimmter überschwerer Elemente wieder umkehrt, da sich dann besonders haltbare Konfigurationen der Kernbausteine einstellen sollten. Für Flerovium-298 findet sich in einer Arbeit aus dem Jahr 2008 eine prognostizierte Halbwertszeit von sagenhaften 17 Tagen.

Wohin den nun mit neuen Elementen?

Allerdings ist dieses Isotop für die Erzeugung in Beschleunigern heute unerreichbar, während das schwerste bisher bekannte Flerovium-Isotop neun Neutronen weniger hat als Fl-298 und im Schnitt keine zwei Sekunden überlebt. Die Insel der Stabilität könnte aber auch erst bei Elementen einer Ordnungszahl von 122 oder darüber beginnen. Ob es eine maximale Größe gibt, die Atomkerne grundsätzlich nicht überschreiten können, ist übrigens unbekannt. Es könnte allerdings sein, dass Atome einer Ordnungszahl von etwa 150 oder höher, spätestens aber bei etwa 173, keine stabilen Elektronenhüllen mehr ausbilden, da die inneren Elektronen in den starken elektrischen Feldern solcher Kerne zu hohe Energien erreichen. Wenn das passiert, stünde für solche Gebilde allerdings der Elementbegriff zur Disposition. Es wären jedenfalls keine chemischen Elemente mehr.

Was aber, wenn Element 120 nun erzeugt würde? Oder gar Elemente jenseits von 122, die vielleicht Isotope besitzen, die Wochen, oder, wie manche nicht ausschließen wollen, Jahre überdauern? Dann stellte sich doch die Frage: Wohin mit ihnen im Periodensystem?

Nun, man begänne einfach eine neue Periode, also eine neue horizontale Reihe. Da das Oganesson bei den Edelgasen steht, wäre Element 119 dann ein neues Alkalimetall und 120 ein Erdalkalimetall. Mit Nummer 121 oder spätestens 122 begänne dann eine neue Reihe innerer Übergangsmetalle, die „Superactinoide“.

Superschwere Chemie

Jedenfalls formal gesehen. Ob diese Elemente sich dann auch chemisch so verhalten, ist durchaus fraglich. Schon in den Atomen bekannter Elemente spüren Hüllenelektronen mit steigender Ordnungszahl immer stärker ihren Kern. Die Frage ist, wann dieser Einfluss überhandnimmt. Mit einigen Tricks ist es gelungen, sogar an Atomen des Hassiums und des Coperniciums Chemieversuche durchzuführen, um zu schauen, ob sie sich gemäß ihrer Stellung im Periodensystem noch halbwegs wie Übergangsmetalle verhalten. Und das scheint der Fall zu sein. Dabei hatten theoretische Berechnungen angedeutet, Copernicium könnte in seinen chemischen Eigenschaften zwischen seinem nächsten periodensystematischen Vetter Quecksilber und dem Edelgas Radon liegen. Tatsächlich ähnelt es aber noch sehr dem Quecksilber.

Bei den neuen Hauptgruppenelementen Nihonium bis Oganesson erwarten die Chemiker allerdings deutlichere Abweichungen. So prognostizieren sie etwa dem Tenness, das periodensystematisch gesehen ein Halogen ist, eine wenig bis gar nicht ausgeprägte Neigung, negativ geladene Ionen zu bilden – etwas, das Fluor oder Chlor nur zu bereitwillig tun. Daher könnten die noch dickeren Atomkerne zukünftig synthetisierter noch schwererer Elemente sowie andere Effekte in ihren Elektronenhüllen die Chemie dieser Elemente so weit verbiegen, dass sie sich dem periodischen Gruppenzwang irgendwann völlig entziehen.

Das Mendelejewsche Schema der Anordnung könnte man dann zwar beibehalten. Aber ein Periodensystem im Sinne des bärtigen Herren aus Sankt Petersburg wäre das nicht mehr, jedenfalls nicht mehr notwendigerweise. Ein fundamentales Naturgesetz ist die Periodizität der chemischen Elemente am Ende doch nicht. Sie „emergiert“ vielmehr, wie Philosophen sich zuweilen ausdrücken, wenn sie sagen wollen, dass aus undurchschauten oder undurchschaubaren Konstellationen und Kausalitäten etwas ins Dasein tritt, dem man eine eigene Qualität und Gesetzlichkeit schlecht absprechen kann. Gleich einer Einsicht, zu der einen zwar Jahre der Beschäftigung mit unendlichen Details geführt haben, die dann aber auf einmal vor einem steht, als sei sie einem im Traum erschienen.