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150 Jahre Periodensystem Wie Ordnung ins Chaos der Elemente kam

| Autor: Christian Lüttmann

Es ist der Duden der Chemie: Das Periodensystem der Elemente. Hier verschaffen sich Chemiker einen schnellen Blick über die chemischen Eigenschaften der Substanzen. Wie die wohl bekannteste Übersichtstafel der Naturwissenschaften entstanden und warum sie noch immer nicht vollständig ist, lesen Sie hier.

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Vor 150 Jahren hatte das Periodensystem noch viele Lücken. Damit wurden noch nicht entdeckte Elemente vorhergesagt, wie z.B. Technetium (Tc) und Rhenium (Re) (Symbolbild).
Vor 150 Jahren hatte das Periodensystem noch viele Lücken. Damit wurden noch nicht entdeckte Elemente vorhergesagt, wie z.B. Technetium (Tc) und Rhenium (Re) (Symbolbild).
(Bild: ©Tomasz Zajda - stock.adobe.com )

Münster – Erde, Wasser, Feuer und Luft – sie galten einst als die vier Elemente, aus denen alle Stoffe zusammengesetzt sind. Mit der Zeit erkannten die Gelehrten jedoch, dass dieses Vier-Elemente-Modell nicht geeignet war, die Stoffumwandlungen bei chemischen Reaktionen zu erklären. Im Laufe des 17. Jahrhunderts festigte sich daher allmählich die heute wissenschaftlich anerkannte Vorstellung von den chemischen Elementen: Reinstoffe, die sich nicht weiter zerlegen lassen – jedenfalls nicht mit chemischen Methoden.

Nach dieser Definition von Elementen wurden lange bekannte Stoffe wie Kupfer, Silber und Gold klassifiziert, ebenso wie neu entdeckte Substanzen. So fügten sich zwischen 1751 und 1800 unter anderem Wasserstoff, Titan, Chrom, Uran sowie Stickstoff, Sauerstoff und Chlor in die Liste der chemischen Elemente ein. In Anbetracht der wachsenden Zahl an Einträgen ist es nicht verwunderlich, dass man bald versuchte, die Elemente sinnvoll zu ordnen.

In welchen Farben manche Metallsalze leuchten, können Sie sich in der Bildergalerie zum Artikel Funken mit Farbwechsel ansehen.

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Triaden und Oktaven der Chemie

Ein erster Ansatz entstammt Johann Wolfgang Döbereiners Forschung aus den Jahren 1817 bis 1829. Der deutsche Chemiker ordnete einige der Elemente in Dreiergruppen – Triaden – zusammen. Der Mittelwert der Atomgewichte einer Triade entsprach dabei in etwa dem Atomgewicht des mittleren Elements dieser Triade. Doch mit diesem Ordnungsprinzip konnte er nur 30 der 56 damals bekannten Elemente gruppieren.

Die Entdeckung der chemischen Elemente veranschaulicht dieses Video im Zeitraffer:

Einen anderen Ansatz lieferte 1864 der englische Chemiker John Alexander Reina Newlands. Als er die Elemente in Reihenfolge ihrer Atommassen ordnete fiel ihm auf, dass jedes achte Element ähnliche chemische Eigenschaften aufwies. Doch auch dieses Gesetz der Oktaven galt nur eingeschränkt und konnte lediglich die leichtesten 30 Elemente sinnvoll gruppieren.

Geburtsjahr des Periodensystems

Den Durchbruch lieferten schließlich der russische Dmitri Mendelejew und der deutsche Lothar Meyer. Sie nutzten zwar auch die Atommasse als Ordnungsprinzip, berücksichtigten aber stärker die chemischen Eigenschaften der 63 damals bekannten Stoffe. So publizierten sie 1869 eine Ordnungstafel, in der sogar freie Stellen von damals noch nicht bekannten Elementen eingeplant waren.

Von Döbereiner, über Newlands bis zu Mendelejew und Meyer – ein kurzes animiertes Video zur Geschichte des Periodensystems der Elemente:

Heute umfasst das Periodensystem 118 chemische Elemente, von denen die zuletzt entdeckten allesamt radioaktiv sind und Halbwertszeiten von wenigen Millisekunden haben. So ist das Element 118 Oganesson erst 2006 durch Kernfusion synthetisiert worden und schloss damit die siebte Periode des PSE ab.

Die Suche nach neuen Elementen geht allerdings weiter. Bisher sind zwar alle Versuche gescheitert, das hypothetische 119. Element Ununennium durch Kernfusion herzustellen, doch das ist vermutlich nur eine Frage der Zeit. Zudem gibt es die These, dass bei noch höheren Massenzahlen irgendwann eine „Insel der Stabilität“ wartet, die wieder langlebigere superschwere Elemente beinhalten könnte. Gut möglich also, dass das Periodensystem in Zukunft um weitere Elemente ergänzt wird.

Ein interaktives Periodensystem der Elemente verschafft einen noch leichteren Einblick in die Ordnung der Elemente. So lassen sich auf der verlinkten Homepage z.B. die Elemente nach Entdeckungsjahr sortieren.

Ergänzendes zum Thema
Elemente im Fokus: Europium (Ein Interview der FH Münster mit Prof. Dr. Thomas Jüstel)

An der FH Münster stellen Forscher im Jubiläumsjahr des Periodensystems ausgewählte Elemente und deren Besonderheiten vor. Im Interview der FH Münster mit Prof. Dr. Thomas Jüstel vom Fachbereich Chemieingenieurwesen erklärt dieser zum Beispiel, warum unsere Welt dank Europium in neuem Licht erstrahlt.

Prof. Dr. Thomas Jüstel hat viel mit Europium geforscht – umnter anderem in Leuchtstoffen, die Bestandteil vieler LEDs sind.
Prof. Dr. Thomas Jüstel hat viel mit Europium geforscht – umnter anderem in Leuchtstoffen, die Bestandteil vieler LEDs sind.
( Bild: FH Münster Pressestelle )

FH Münster: Herr Professor Jüstel, Europium hat im Periodensystem die Ordnungszahl 63 und gehört zu den Seltenen Erden. Was hat es damit auf sich?

Prof. Dr. Thomas Jüstel: Seltene Erden sind aus unserer High-Tech-Industrie nicht mehr wegzudenken. Die seltenen Erden sind eigentlich nicht so selten in unserer Erdkruste, aber in höheren Konzentrationen kommen sie nur „selten“ vor und in der Regel nur in Gemischen, die schwierig aufzutrennen sind. Europium gehört auch dazu, es wird unter anderem aus dem so genannten Monazit-Sand gewonnen. Übrigens kommen die seltenen Erden, die wir benötigen und verbauen, vor allem von den Chinesen – ihr Anteil am Weltmarkt liegt bei etwa 97 Prozent.

Engpässe im Periodensystem – lesen Sie hier, welche Elemente in Zukunft knapp werden könnten.

Europium sorgt als Eu2 in Leuchtstoffen für intensive Farben.
Europium sorgt als Eu2 in Leuchtstoffen für intensive Farben.
( Bild: FH Münster Pressestelle )

FH: Warum ist Europium so wichtig für uns?

Jüstel: Eine Massenanwendung von Europium finden wir bei den Energiesparlampen, Leuchtstoffröhren und LEDs – weltweit werden jährlich mehr als eine Billion LEDs produziert! LEDs bilden besonders gut das weiße Sonnenlicht mit einer breiten spektralen Verteilung nach, indem sie Anteile von rotem, grünem und blauem Licht zu weiß mischen. Europium reguliert dabei den Anteil von grün und rot, denn blaues Licht, das vom Halbleiterchip der LED ausgestrahlt wird, muss im richtigen Maß in grün und rot umgewandelt werden, um eben in der Summe weißes Licht zu erhalten. Diese Europiumleuchtstoffe in so genannten InGaN-LEDs werden heutzutage weltweit verwendet, wir hier in Steinfurt haben daran maßgeblich zusammen mit der Firma Merck KGaA in Darmstadt geforscht. Mithilfe der Chemie haben wir es geschafft, die optischen Eigenschaften der Europiumleuchtstoffe so einzustellen, dass optimale LED-Lichtquellen für die Allgemeinbeleuchtung möglich sind.

FH: Welche Rolle spielt Europium genau in den LEDs?

Jüstel: Durch die gekonnte Kombination von blauem, grünem und rotem Licht lässt sich sowohl kaltweißes als auch warmweißes Licht produzieren. Je nachdem, in welcher chemischen Form Europium vorliegt und in welchem Material es eingebaut wird, kann es in allen sichtbaren Spektralfarben leuchten. Es ist also ein echter Allrounder. Europium sorgt wegen der ausgewogenen Verteilung der sichtbaren Spektralfarben auch noch für eine bessere Energiebilanz. Zum Vergleich: Unsere Glühlampen früher haben nur fünf Prozent sichtbares Licht produziert – das restliche, für uns nicht sichtbare Infrarotlicht haben wir nur als Wärmestrahlung wahrgenommen. Die heutigen LEDs sind wesentlich effizienter, weil sie Dank Europium nur im sichtbaren Bereich leuchten.

Unter einer UV-Lampe leuchten winzige Pigmente unserer Geldscheine in den verschiedensten „Europium“-Farben.
Unter einer UV-Lampe leuchten winzige Pigmente unserer Geldscheine in den verschiedensten „Europium“-Farben.
( Bild: FH Münster/ Patrick Pues )

FH: Wo kommt Europium noch zum Einsatz?

Jüstel: Ein großer Anwendungsbereich sind Bildschirme – Europium verdanken zum Beispiel die roten Pixel der Bildschirme in Fernsehern, Tablets, Smartphones und Laptops ihre Leuchtfarbe. Die Eigenschaften von Europium sind so vielfältig, je nachdem, wie es chemisch vorliegt und wo man es einbaut, dass es noch viele weitere Anwendungen gibt. Europium ist stark magnetisch und wird deshalb auch als Kontrastmittelbestandteil bei MRT-Untersuchungen eingesetzt. Es sorgt außerdem für den beliebten Nachleuchteffekt: Den kennt man von leuchtenden Sternen im Kinderzimmer, von Zeigern in der Armbanduhr, von den grünen Exit-Schildern, die es in allen öffentlichen Gebäuden gibt und auch aus dem Flugzeug, wo Leuchtstreifen auf dem Boden den Weg zu den Notausgängen kennzeichnen. Und nicht zuletzt ist Europium in unseren Geldscheinen, Ausweisdokumenten und sogar Briefmarken eingearbeitet – als einer der vielen Sicherheitsmarker, um Fälschungen vorzubeugen. Unter einer UV-Lampe leuchten winzige Pigmente unserer Geldscheine in den verschiedensten „Europium“-Farben.

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Über den Autor

 Christian Lüttmann

Christian Lüttmann

Volontär, Vogel Communications Group GmbH & Co. KG