Die Quadrate hängen an der Wand und sehen aus wie eine gezackte Wand aus Alphabetblöcken. Die Buchstaben bilden keine Wörter. Die Säulen sind uneben. Dieses Diagramm — eine Ikone der Chemie – ist als Periodensystem der Elemente bekannt. Dmitri Mendelejew (MEN-duh-LAY-ev), ein russischer Wissenschaftler, der in St. Petersburg arbeitet, hat eine frühe Version entwickelt. Das war vor 150 Jahren. Doch noch heute hilft dieses Diagramm Wissenschaftlern, die Atome und Moleküle, aus denen unser Universum besteht, zu verstehen.
Elemente sind die Bausteine aller Materie. Ihre Atome sind miteinander verbunden, um buchstäblich alles zu bilden – uns, die Luft, die wir atmen, die Organismen, die unsere Welt teilen, und jedes andere Gasmolekül oder ein bisschen Masse, das in unserem Universum zu finden ist.
Die Zeilen und Spalten des Periodensystems bilden das sogenannte periodische Gesetz ab. Es gilt, dass sich gemeinsame Merkmale chemischer Elemente in regelmäßigen Mustern wiederholen, wenn Elemente größer werden. Diese Muster verknüpfen Elemente mit ähnlichen chemischen Verhaltensweisen und helfen Chemikern zu sagen, wie Atome reagieren, um Moleküle zu bilden. Wie die Zeilen und Spalten in dieser Tabelle ausgerichtet werden, weist auf gemeinsame Merkmale zwischen Gruppen verwandter Elemente hin. Das Verständnis dieser Zusammenhänge hilft Chemikern, neue Verbindungen herzustellen. Es hilft ihnen auch zu verstehen, wie das Leben funktioniert. Es hilft ihnen sogar vorherzusagen, wie sich neue Materialien verhalten werden.
Mendelejews bekanntes Diagramm ist jedoch bei weitem nicht das einzige Periodensystem. Wissenschaftler haben viele gebaut, einige mit sehr unterschiedlichen Formen. Chemiker entwarfen einige. Wissenschaftler und Lehrer in anderen Bereichen entwickelten andere.
„Alternative Formen sind aufgrund der verschiedenen Aspekte der Wissenschaft, die sie veranschaulichen, nützlich“, bemerkt Carmen Giunta. Er ist Chemiker am Le Moyne College in Syracuse, NY Diese weniger traditionellen Periodensysteme bieten Möglichkeiten, nicht nur einige der Macken der Chemie hervorzuheben, sagt er, sondern sie auch besser in den Fokus zu rücken.
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Im Jahr 2019 feiert die Welt das Periodensystem in all seinen Formen und wie es hilft, die Bausteine unseres Universums zu organisieren und zu verstehen.
Es ist elementar
Kurz nach dem Urknall bestand das Universum nur aus Wasserstoff und Helium — den beiden leichtesten Elementen. Die Schwerkraft brachte diese Atome in immer größeren Mengen zusammen. Schließlich würde dies dichte, feurig heiße Öfen erzeugen, die wir als Sterne kennen. Im Zentrum dieser Sterne verschmolzen intensive Drücke Atomkerne — die Zentren der Atome – und erzeugten größere Kerne.
Dies schmiedete langsam größere und schwerere Elemente. Sie enthielten Kohlenstoff, ein Element, das für alles Leben, wie wir es kennen, unerlässlich ist. Diese Sternschmieden bildeten auch den Sauerstoff, den wir zum Atmen brauchen.
Die Herstellung von Elementen, die größer als Eisen waren, erforderte noch mehr kosmische Feuerkraft. Schwere Atomkerne bildeten sich, als massereiche, sterbende Sterne explodierten. Diese Supernovas schlugen gewaltsam kleinere Elemente zusammen.
Für sein Periodensystem von 1869 ordnete Mendelejew die Elemente in der Reihenfolge aufsteigender Masse an. Er war einer der frühen Wissenschaftler, die erkannten, dass sich die Chemie wiederholt. Wenn Elemente größer werden, wiederholen sich einige ihrer Eigenschaften. Bestimmte Elemente reagieren lieber und werden positiv geladen. Einige bevorzugen es, negativ geladen zu sein. Solche Muster ermöglichten es den Wissenschaftlern vorherzusagen, ob oder wie sich verschiedene Arten von Elementen wahrscheinlich kombinieren würden.
In seinem Forschungsjournal schrieb Mendelejew, dass ihm die Idee für diesen Tisch in einem Traum kam. Er begann mit einer Reihe. Aber als sich die chemischen Eigenschaften wiederholten, begann er eine neue Reihe. Er stellte Elemente mit ähnlichem Verhalten in Spalten auf. Er hinterließ Lücken. Diese Löcher, so argumentierte er, markierten Elemente, die wahrscheinlich existierten, aber noch nicht entdeckt worden waren.
Als er diese Tabelle veröffentlichte, sagte Mendelejew die Eigenschaften und Massen von vier neuen Elementen voraus. Schließlich wurden alle vier entdeckt – drei innerhalb von nur 10 Jahren.
Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois war ein französischer Geologe. Sieben Jahre vor Mendelejews berühmtem Tisch schuf er einen spiralförmigen „Tisch“.“ Er ordnete Elemente in der Reihenfolge ihres Atomgewichts an. Es zeigte die sich wiederholenden Perioden. Es zeigte jedoch keine Pausen zwischen den Zeilen. Stattdessen wickelte er sein langes, dünnes Diagramm um einen Zylinder. Auf diese Weise floss jede Reihe in die nächste. Und ähnliche Elemente reihen sich in ordentlichen Spalten übereinander.
Andere Wissenschaftler erstellten ähnliche Diagramme. Es dauerte nicht lange, bis die Bemühungen, alle bekannten Elemente zu organisieren, ins Stocken gerieten. Als sich all diese Charts entwickelten, stieg man auf, um zu dominieren. Es ist das, was heute in Klassenzimmern und Lehrbüchern auf der ganzen Welt zu sehen ist.
Jedes der 118 bekannten Elemente hat sein eigenes chemisches Symbol — ein oder zwei Buchstaben, die stolz den Namen des Elements aus seiner Box im Periodensystem darstellen. Einige dieser Abkürzungen sind offensichtlich, wie H für Wasserstoff oder C für Kohlenstoff. Andere stammen aus alten Zeiten. Zum Beispiel ist das Symbol von Natrium Na. Warum? Im Lateinischen heißt Natrium Natrium.
Jedes Kästchen auf dem Tisch hat eine ganze Zahl, normalerweise in der oberen linken Ecke. Als Ordnungszahl bezeichnet, listet sie auf, wie viele Protonen oder positiv geladene Teilchen in den Kern des Elements gepackt sind. Dieser Kern enthält auch Neutronen (Teilchen mit Masse, aber ohne Ladung). Um den Kern herum befindet sich eine Wolke aus viel kleineren, negativ geladenen Elektronen.
Die untere Zahl im Quadrat des Diagramms für jedes Element enthält Ziffern nach einem Dezimalpunkt. Dieser Wert ist die Atommasse des Elements. Es repräsentiert die durchschnittliche Masse eines Atoms dieses Elements.
Das Periodensystem ist einfach, leistungsstark und liefert weiterhin neue Experimente, sagt Eric Scerri. Er lehrt Chemie an der University of California, Los Angeles. Er schreibt auch Bücher über das Periodensystem. Er beschreibt die Organisationsprinzipien hinter dem Periodensystem als „eine absolut wichtige Entdeckung.“
Doppeltürme dominierten
Das heute gebräuchlichste Periodensystem wird manchmal als „Zwillingstürme“ -Version bezeichnet. Wasserstoff (H) krönt den hohen Turm links. Helium (Er) übertrifft den rechten Turm.
Wenn Atome größer werden, werden sie komplexer. In diesen Diagrammen bezieht sich eine Periode innerhalb des Periodensystems auf eine Reihe von Elementen, die einen sich wiederholenden Zyklus aufweisen. Innerhalb der Tabelle wird die Breite einer Zeile — auch Periode genannt — so bestimmt, dass das Muster des Verhaltens von Elementen innerhalb einer Spalte beibehalten wird. Das Muster wiederholt sich zuerst in zwei Elementen, so dass diese Zeile zwei Elemente breit ist. Dann wiederholt sich das Muster in acht Elementen. Und wenn die Elemente größer werden, bemerkt Scerri, „werden die Perioden länger und länger“ — schließlich mit 18 Elementen und dann 32.
Die längeren, größeren Perioden könnten die schwere Elementbasis dieser Tabelle unbeholfen breit machen. Um dies zu umgehen, zieht das Twin Tower-Diagramm normalerweise einen Teil der unteren beiden Reihen heraus. Es platziert diese Elemente am unteren Rand der Seite, fast wie Fußnoten. Diese unteren Reihen enthalten Gruppen von Elementen, die als Lanthaniden (LAN-tha-nydes) und Aktiniden (AK-tih-nydes) bekannt sind.
Aktiniden umfassen die neuesten und größten Elemente. Viele sind radioaktiv und kommen nicht natürlich vor. Physiker stellen sie stattdessen in Laboratorien her, indem sie kleinere Elemente ineinander bombardieren. Diese radioaktiven, superschweren Elemente sind auch super instabil. Das heißt, sie zerfallen innerhalb von Sekundenbruchteilen in kleinere Elemente.
Wie sie nützlich sind
Ein Periodensystem kann als eine Art Rezeptbuch dienen. Das Diagramm zeigt, wie Elemente miteinander in Beziehung stehen. Wo also ein Element auf dem Tisch liegt, sagt einem Chemiker, wie es mit anderen Inhaltsstoffen interagieren kann oder nicht. Zu diesen nützlichen Merkmalen gehören häufig Masse, Siedepunkt und andere wichtige Daten.
Die Anordnung des Tisches hilft Chemikern, Probleme zu lösen. Zum Beispiel möchten Chemiker möglicherweise eine neue Verbindung mit ähnlichen Merkmalen wie eine vorhandene herstellen – nur besser. Daher suchen sie möglicherweise nach einem Ersatz mit ähnlichen Funktionen, beginnend mit einem anderen Element aus derselben Spalte in der Tabelle.
Das wahre Geschenk dieser Tische, sagt Brigitte Van Tiggelen, ist „alle Informationen an einem Ort zu haben und sie zu lehren und zu teilen.“ Als Historikerin arbeitet sie als europäische Direktorin für das Science History Institute in Philadelphia, Pa.
Die Twin Tower-Karte hat viele Vorteile, sagt Mark Leach. Er ist Chemiker in England an der Manchester Metropolitan University. Keine andere Tabelle schafft es, die sich wiederholenden Muster so gut zu zeigen, argumentiert er, während er gleichzeitig andere Funktionen einbezieht.
Zum Beispiel sind alle Metalle auf der linken Seite. Nichtmetalle hängen rechts ab. Dieses Diagramm zeigt auch, wie sich die Größe eines Atoms ändert und wie leicht es wahrscheinlich ein Elektron abgibt. Solche Eigenschaften sind wichtig, um zu verstehen, wie Atome handeln, reagieren und sich mit anderen verbinden, um Moleküle zu bilden.
Aber die Twin Towers-Karte ist nicht perfekt.
Chemiker streiten sich oft darüber, wo zum Beispiel Wasserstoff und Helium platziert werden sollen. Und eine flache, zweidimensionale Tabelle zeigt nicht wirklich, wie die Zeilen miteinander verbunden sind. Als Sie zum Ende einer Reihe kommen, sagt Scerri: „Sie haben das Gefühl, dass Sie irgendwie herunterfallen.“
Roy Alexander arbeitete als Ausstellungsbauer. Er mochte es nicht, wie die Reihen des Twin Tower-Tisches abrupt endeten. So schnitt er 1965 ein traditionelles Periodensystem in Streifen. Dann setzte er sie wieder zusammen und erstellte eine 3D-Version.
Jahre später erfuhr er, dass der Physiker George Gamow in den 1940er Jahren einen fast identischen Tisch konstruierte. Alexander erinnert sich: „Es war erstaunlich, wie identisch es mit meiner Patentzeichnung aussah.“
Berücksichtigung der immer größeren Perioden
Als Béguyer de Chancourtois sein Periodensystem zum ersten Mal erstellte, waren viele der größten Elemente noch nicht entdeckt worden. Wenn Elemente größer werden, wiederholen sich die gemeinsamen Merkmale seltener. Schließlich machten die längeren Reihen mit den Lanthanid- und Actinid-Elementen das traditionelle Diagramm unbeholfen breit.
Eine 3D-Tabelle kann diese längeren Reihen aufnehmen, indem die Spirale einfach breiter gemacht wird. Der kanadische Chemiker Fernando Dufour entwarf ElemenTree, um dies zu veranschaulichen (siehe Foto). Er machte jede Periode als sechseckige Schicht, die alle Elemente enthielt, die normalerweise in einer einzigen Reihe auf der Twin-Tower-Karte angezeigt wurden. Ähnliche Elemente sind immer noch vertikal ausgerichtet.
Aber ein baumförmiger Tisch ist nicht die einzige 3-D-Antwort. In den 1950er Jahren verließ sich die Chemielehrerin Jennie Clauson auf einen Zylinder für ihren Tisch. Aber anstatt zusätzliche Elemente herauszuwölben, steckte sie einige davon in die Mitte.
Ein weiteres Problem mit dem Twin Tower-Tisch ist, wo Wasserstoff und Helium platziert werden. Wasserstoff wirkt zum Beispiel manchmal eher wie ein Metall. Es wird sein Elektron abwerfen und negativ geladene Ionen anziehen. In anderen Fällen verhält es sich wie ein Nichtmetall und greift nach einem zusätzlichen Elektron und wird negativ geladen. Dann wirkt es eher wie ein Fluor oder Chlor und schwämmt positive Ionen auf.
Um dies zu erklären, schuf der Chemiker Theodor Benfey in den 1960er Jahren einen flachen Spiraltisch, der Wasserstoff und Helium in die Mitte eines großen blauen Kreises stellte. Jede der drei äußeren Speichen innerhalb des Kreises repräsentiert eine Gruppe ähnlicher Elemente. Um die größeren Elemente und die wachsenden periodischen Zyklen einzubeziehen, fügte er Terrassen hinzu, die sich aus dem Kreis herauswölben. Dazu gehören die Übergangsmetalle, Lanthaniden und Aktiniden.
Ein flacher Tisch wie der Twin Towers eignet sich zum Aufhängen an der Wand oder zum Drucken in einem Buch. Leach fügt jedoch hinzu: „Es gibt wirklich keinen Grund, warum das Periodensystem nicht dreidimensional ist.“
Spiel und Spaß?
Eine der neuesten Ergänzungen der wachsenden Bibliothek von Periodensystemen kommt von der European Chemical Society oder ECS. ECS mit Sitz in Brüssel, Belgien, möchte auf die relative Knappheit vieler wichtiger Elemente aufmerksam machen. Es stellt fest, dass 30 Elemente in die Herstellung eines typischen Mobiltelefons einfließen. Und viele dieser Elemente sind nicht allgemein verfügbar.
“ wir müssen unsere Tendenzen zur Verschwendung und zum unsachgemäßen Recycling solcher Gegenstände sorgfältig prüfen „, argumentiert das ECS. „Wenn keine Lösungen gefunden werden, laufen wir Gefahr, dass viele der natürlichen Elemente, aus denen die Welt um uns herum besteht, ausgehen — sei es aufgrund begrenzter Vorräte, ihrer Lage in Konfliktgebieten oder unserer Unfähigkeit, sie vollständig zu recyceln.“
Das ECS erkennt an, dass diese neue Tabelle „zum Nachdenken anregt.“ Und das ist kein Zufall. Es möchte, dass die Menschen den Wert verstehen, „gefährdete Elemente“ nicht zu verschwenden.“ Jeder muss sich fragen, ob Upgrades unserer Telefone und anderer elektronischer Geräte wirklich notwendig sind.“ Und wenn unsere Elektronik stirbt“, heißt es, „müssen wir sicherstellen, dass wir recyceln“, damit relativ knappe Elemente „nicht auf Mülldeponien landen oder die Umwelt verschmutzen.“
Um herauszufinden, wie Menschen Elemente verwenden, hat das ECS ein kostenloses Online-Videospiel entwickelt: Elementary Escapades.
Es gibt viel Platz für mehr neue Periodensysteme, sagt Leach in Manchester. Eigentlich, Er hat es sich zum Hobby gemacht, neue zu sammeln und online zu stellen. Er ist immer auf der Suche nach alten, auch. „Ich bekomme wahrscheinlich jede Woche eine neue“, sagt er.
Scerri hat Studenten auch neue entwickeln lassen. „Jeder“, sagt er, „hat seine eigene kleine Tugend.“