Periodensystem der Elemente Als die Ordnung der Welt entstand

Vor 150 Jahren entdeckte der russische Chemiker Dmitri Mendelejew das Periodensystem der Elemente. Seine größte Leistung war der Mut zur Lücke.

Von Hanno Charisius

Es kommt eher selten vor, dass jemand Geschichte schreibt, indem er etwas nicht tut. Doch Dmitri Mendelejew schaffte das. Der russische Chemiker, der sich angeblich nur einmal im Jahr Haar und Bart von einem Schafscherer stutzen ließ, präsentierte 1869 ein Ordnungssystem, in das er sämtliche damals bekannten chemischen Elemente nach zunehmendem Atomgewicht sortiert hatte. Das hatten zwar bereits einige vor ihm versucht, doch Mendelejew ließ Lücken in seiner Tabelle, dort wo er weitere, damals aber noch unbekannte chemische Elemente vermutete. Als diese Stoffe einige Jahre später gefunden wurden, bestätigte sich die Sortierweise des Russen. Deshalb haben die Vereinten Nationen dieses Jahr zum Jubeljahr der Chemie ausgerufen, zum "International Year of the Periodic Table of Chemical Elements" oder ganz einfach: #IYPT2019.

Oft wird die Geschichte von Mendelejews Entdeckung so erzählt: Der angeblich passionierte Patience-Leger soll die chemischen Symbole und Atomgewichte aller 63 damals bekannten Elemente auf einzelne Karten übertragen und diese dann so lange herumgeschoben haben, bis das vor ihm lag, was heute als erste Version des Periodensystems der Elemente in den Geschichtsbüchern gefeiert wird. Der Legende nach hatte er die entscheidende Idee eines Nachts in einem Traum.

Wie viele schöne Geschichten stimmt auch diese wahrscheinlich nicht. Der Chemiker und Wissenschaftsphilosoph Eric Scerri, der einige Bücher über das Periodensystem geschrieben hat, hegt Zweifel an dieser Legende, denn solche Karten seien im Nachlass Mendelejews nicht aufgetaucht. Doch dieser habe von dem Moment an, in dem ihm klar wurde, dass er wahrscheinlich berühmt werden würde, alles akribisch aufbewahrt, schrieb Scerri vor einigen Jahren. Diese Sammelwut wird unter anderem durch eine Einladungskarte einer Käserei belegt, deren Rückseite Mendelejew mit Berechnungen von Atomgewichten bekritzelt hatte. Das Dokument liegt heute in einem Museum in Sankt Petersburg, wo der Entdecker der chemischen Weltordnung lange gelebt hat.

Am 6. März 1869 stellte Mendelejew sein System auf einem Kongress der Russischen Chemischen Gesellschaft vor. Der Titel: "Die Abhängigkeit der chemischen Eigenschaften der Elemente vom Atomgewicht". Genau genommen ließ er es vorstellen, und zwar von seinem Schüler Nikolai Alexandrowitsch Menschutkin. Dmitri Mendelejew selbst konnte an diesem Abend nicht zu der Versammlung erscheinen.

Kurz darauf erschien seine Idee in einer russischen Fachzeitschrift und auch in der deutschen Zeitschrift für Chemie. Darin schrieb er unter anderem: "Die Grösse des Atomgewichtes bedingt die Eigenschaften des Elementes" und "Die in der Natur verbreitetsten Elemente haben kleine Atomgewichte". Außerdem lasse sich die Entdeckung noch vieler neuer Elementen vorhersehen. All das sollte sich später bestätigen.

Das Periodensystem der Elemente ist sicher eine der wichtigsten wissenschaftlichen Errungenschaften. Und es ist ein Musterbeispiel dafür, wie Wissenschaft funktioniert. Denn Mendelejews System war nicht der erste Versuch, Ordnung in der Welt der Dinge zu schaffen. Er baute auf die Arbeit zahlloser Forscher vor ihm auf.

Bereits vor mehr als 2000 Jahren machten sich Philosophen Gedanken über die Zusammensetzung der Materie. Aristoteles fragte sich, wie oft man wohl ein Goldstück teilen könne, bevor es seine speziellen Eigenschaften verliert. Er vermutete, wie bereits der griechische Philosoph Leukipp vor ihm, dass die Dinge alle aus kleinsten Grundeinheiten zusammengesetzt sind. Leukipps Schüler Demokrit ersann den Begriff átomos, was sich mit "das Unzerschneidbare" übersetzen lässt. Diese Bezeichnung griff der englische Chemiker John Dalton Anfang des 19. Jahrhunderts wieder auf, nachdem er erkannt hatte, dass chemische Elemente immer im exakt gleichen Gewichtsverhältnis miteinander reagieren. 100 Gramm Kohlenstoff, kurz C, reagieren zum Beispiel mit 133 Gramm Sauerstoff (O) zu Kohlenmonoxid (CO), theoretisch ohne dass etwas von beiden Substanzen übrig bleibt. Fügt man die doppelte Menge Sauerstoff zur Reaktion, entsteht Kohlendioxid (CO₂).

Dmitri Iwanowitsch Mendelejew kam am 27. Januar 1834 in Tobolsk östlich des Uralsgebirges auf die Welt. Er war das jüngste von 14 Kindern in der Familie. Dass seine wissenschaftliche Leistung nicht sofort erkannt wurde, mag auch an seinem Auftreten gelegen haben. Seine Wutausbrüche sollen beeindruckend gewesen sein. Es heißt, er habe Bart und Haar nur einmal im Jahr stutzen lassen. Er war zweimal verheiratet, hatte mehrere Kinder und starb am 20. Januar 1907 in Sankt Petersburg.

(Foto: imago/United Archives Internatio)

Die einfachste Erklärung für dieses Verhalten sei, so postulierte Dalton, dass jedes chemische Element aus kleinsten Grundbausteinen besteht, die immer im gleichen Zahlenverhältnis miteinander Bindungen eingehen. In seiner Atomtheorie definierte er das Atom als kleinste Einheit der Materie und glaubte, dass sich diese nicht weiter aufspalten lasse. Damit jedoch lag er falsch.

Zwischen Leukipp und Dalton lagen ein paar Jahrhunderte Alchemie, deren Vertreter verschiedenen Ideen nachgingen. Die Schwefel-Quecksilber-Theorie erwog zum Beispiel, dass alle Dinge aus den vier Grundelementen Feuer, Wasser, Erde und Luft zusammengesetzt seien, die sich zu den "Prinzipien" Schwefel und Quecksilber vereinen. Aus unterschiedlichen Mischungen dieser hypothetischen Substanzen sollten in dieser Vorstellung die Metalle werden, die man damals kannte. Der Schweizer Medizinreformer Paracelsus griff im 16. Jahrhundert das Konzept auf und fügte in seinem Lehrwerk "Opus Paramirum" noch das Salz hinzu.

An diesen aus heutiger Sicht obskuren Ideen ändert sich bis zu der Zeit der Französischen Revolution wenig. Der französische Chemiker Antoine Laurent de Lavoisier machte sich 1789 die Mühe, alle 33 damals bekannten chemischen Elemente in einer Liste zusammenzustellen. Gold, Eisen und Schwefel kannten die Menschen seit der Antike, andere Elemente wie Mangan und Wolfram hingegen waren erst kurz zuvor entdeckt worden. Zwar hielten nur 23 davon späteren Überprüfungen stand, doch war es der erste Schritt, der Ordnung der Dinge auf die Spur zu kommen.

In den folgenden Jahren entdeckten Chemiker zahlreiche neue Elemente. 1807 kamen Natrium und Kalium auf die Liste, im Jahr darauf folgten Magnesium, Strontium, Barium, Kalzium und Boron, und bis 1825 Jod, Kadmium, Selen, Lithium und Silizium, Aluminium und Brom.

Fast wäre ein englischer Chemiker dem Russen zuvorgekommen

Mitten in dieser Boomphase fiel 1816 dem gelernten Apotheker und Goethe-Freund Johann Wolfgang Döbereiner auf, dass Barium, Strontium und Kalzium einander in ihren Eigenschaften ähneln, und sortierte sie in eine Gruppe, die er "Triade" nannte. Bald fand er weitere Dreiergruppen und packte zum Beispiel Chlor, Brom und Jod zusammen. Er war der Erste, der bemerkte, dass es offenbar eine Art chemische Verwandtschaft zwischen den Elementen gibt. 1829 veröffentlichte er seine Version vom Ordnungssystem der chemischen Elemente. Bis dahin war es nicht unüblich, die Elemente einfach nach Farbe, Leitfähigkeit oder ihren thermischen Eigenschaften zu ordnen.

1864 wäre der englische Chemiker John Newlands dem Entwurf Mendelejews fast zuvorgekommen. Er hatte erkannt, dass sich die chemischen Eigenschaften der Elemente in jeder achten Position wiederholen, wenn man sie ihrer Masse nach sortiert. In Anlehnung an das Notenwerk der Musik nannte er seine Entdeckung Gesetz der Oktave - und wurde dafür von seinen Kollegen ausgelacht.

Zur selben Zeit wie Mendelejew entwickelte der deutsche Lothar Meyer ein fast identisches System. Dass in diesem Jahr vor allem Mendelejews Werk gefeiert wird, ist aber nicht ausschließlich eine Ungerechtigkeit der Geschichte. Auch die Tabelle des Russen wurde von seinen Kollegen zunächst angezweifelt, die Lücken, die er gelassen hatte, wurden als Schwäche seiner Hypothese ausgelegt.

1871 veröffentlichte Mendelejew jedoch eine überarbeitete Version seines Systems. Darin ließ er weiterhin die Leerstellen stehen. Schließlich sagte er jene Elemente, die an diesen Stellen stehen müssten, vorher und beschrieb ihre Eigenschaften. Er nannte sie aufgrund der von ihm vermuteten chemischen Verwandtschaft zu bekannten Stoffen Eka-Aluminium, Eka-Bor und Eka-Silizium. Die folgende Entdeckung der Elemente, die heute als Gallium, Scandium und Germanium bekannt sind, brachte seine Kritiker zum Schweigen.

Informationen Grafiken

Infografik: Sara Scholz

Recherche: Hanno Charisius, Christian Weber

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