chemische Elemente: Vom Urstoff zum Periodensystem
Als chemisches Element versteht man einen Stoff, der sich mit chemischen Mitteln nicht weiter auftrennen lässt. Obwohl der Mensch seit jeher von chemischen Elementen umgeben war, kam er erst in der Neuzeit auf diese »elementare« Erkenntnis. Luft zum Beispiel ist knapp 80-prozentiger Stickstoff; Gold, Silber und Platin findet man in ziemlich reiner Form vielerorts in Sandbänken oder zwischen den Kieseln von Bachbetten. Auch die kristallinen Kohlenstoffmineralien Graphit und Diamant kommen nicht allzu selten vor.
Das erste chemische Element, das der Mensch schon in der Steinzeit künstlich erzeugte, war wohl Holzkohle als Rückstand vom Lagerfeuer. Erst viel später begann er sich für Gold, Silber, Kupfer und meteoritisches Eisen zu interessieren. Dass Kupfer durch bloßes Erhitzen aus sulfidischen Kupfermineralien entsteht, war eine weitere Errungenschaft der prähistorischen »Lagerfeuerchemie«. Dasselbe gilt auch für Blei, Zinn und Quecksilber. Zweifellos erregte der sich in vulkanischen Gebieten an der Erdoberfläche niederschlagende gelbe Schwefel schon früh die Aufmerksamkeit.Dennoch war der Weg zum Elementbegriff und von da zum Periodensystem der Elemente lang und keinesfalls immer geradlinig.
Vom Urstoff zum Element
Die Gelehrten der griechischen Antike führten im 6. Jahrhundert v. Chr. das Konzept des Urstoffs ein. Damit wollte man Ordnung in die verwirrend reiche Vielfalt der unbelebten und belebten Natur bringen. Der Wahrheit verblüffend nahe kam Demokrit aus Abdera, der als Urkomponenten der Welt im 5. Jahrhundert v. Chr. leeren Raum und »Atome« postulierte, das heißt unsichtbare kleine, unteilbare Partikeln verschiedener Gestalt und Größe, aus deren Verbindung alle Körper hervorgingen. Anschaulicher, aber falsch waren die vorangegangenen spekulativen Vorstellungen der Philosophen Thales von Milet, Anaximenes von Milet und Heraklit von Ephesos. Sie betrachteten Wasser, Luft beziehungsweise Feuer jeweils als den Urstoff. Empedokles aus Süditalien hingegen erklärte im 5. Jahrhundert v. Chr., die Stoffe bestünden nicht aus einem Urstoff, sondern seien aus den vier Elementen Wasser, Luft, Feuer und Erde zusammengesetzt. Aristoteles erweiterte die Lehren seiner Vorgänger und ordnete einem Urstoff die Grundeigenschaften »heiß«, »kalt«, »trocken« und »feucht« zu. Aus der Paarung von jeweils zwei dieser Eigenschaften entstanden die vier vorgängig erwähnten Elemente: Heißer und trockener Urstoff war Feuer, trockener und kalter Urstoff war Erde, kalter und feuchter Urstoff war Wasser, feuchter und heißer Urstoff war Luft. Zudem nahm er als unveränderliches fünftes Element den die Welt umspannenden Äther, auch lateinisch quinta essentia genannt, an. Im Laufe der Jahrhunderte schwankte die Zahl der Elemente in den Theorien zwischen zwei und fünf. So fügte der Arzt und Naturforscher Paracelsus im 16. Jahrhundert der alchimistischen Schwefel-Quecksilber-Theorie als drittes Element das Salz hinzu.
Erste Ansätze zur heutigen Definition des chemischen Elements aufgrund der Nichtzerlegbarkeit von Stoffen verdanken wir dem deutschen Gelehrten Joachim Jungius und dem englischen Chemiker Robert Boyle. Boyle definierte im Jahr 1661 Elemente als einfache, ungemischte Körper, in die zusammengesetzte Körper zerlegt werden können. Der französische Chemiker Antoine-Laurent de Lavoisier versuchte 1789 erstmals die damals bekannten oder vermuteten chemischen Elemente zu ordnen. Seine Liste umfasste bereits 26 »einfache Körper«, die echte chemische Elemente waren. Die folgenden Generationen von Chemikern entdeckten dann immer mehr nichtauftrennbare Stoffe.
Das erste Element, das aufgrund gezielter wissenschaftlicher Versuche dargestellt wurde, war Sauerstoff. So berichtete 1775 der britische Chemiker Joseph Priestley über die thermische Zersetzung von Quecksilberoxid mit einem Brennglas, wobei Quecksilber und Sauerstoff entstanden. Gut zwei Jahre zuvor hatte der Schwede Carl Wilhelm Scheele dasselbe Experiment durchgeführt, er veröffentlichte seine Ergebnisse aber erst nach dem Erscheinen von Priestleys Bericht.
Die neue Ordnung: Das Periodensystem
Um Ordnung in die unüberschaubar werdende Vielfalt der Elemente zu bringen, versuchte man im 19. Jahrhundert die Elemente in »Familien« zu gruppieren, die jeweils ähnliche Eigenschaften aufwiesen. Dazu gehörten die Alkalimetalle Lithium, Natrium und Kalium, die Erdalkalimetalle Calcium, Strontium und Barium sowie die Chalkogene Schwefel, Selen und Tellur. Die Einordnung dieser Elementefamilien in ein übergeordnetes System gelang fast gleichzeitig dem Deutschen Julius Lothar Meyer und dem Russen Dmitrij Iwanowitsch Mendelejew. Meyer kam 1868 als Erster auf das Konzept eines Periodensystems, publizierte es aber erst, nachdem er von den sehr ähnlichen Arbeiten Mendelejews von 1869 Kenntnis genommen hatte. Mendelejew reihte die 61 ihm bekannten Elemente in der Reihenfolge der Atomgewichte und entsprechend ihren chemischen »Verwandtschaften« in Perioden ein, unter Berücksichtigung der früher erkannten Elementefamilien. Um Widersprüche zu vermeiden, musste Mendelejew mehrere Lücken in seinem System belassen, denen er unbekannte Elemente zuordnete. Auf diese Weise sagte er die Existenz und die Eigenschaften von Gallium, Germanium und Hafnium korrekt voraus. Selbst die viel später entdeckten Edelgase fanden einen logischen Platz in Mendelejews Periodensystem. Letzteres reflektiert den schalenartigen Aufbau der Elektronenbahnen um den Atomkern und ihre Unterteilung in Orbitale.
Heute wissen wir, dass es in der Natur 81 stabile und 13 instabile, das heißt radioaktive Elemente gibt. Zwei der Letzteren, nämlich Technetium und Promethium, besetzen lange offen gebliebene Lücken mitten im Periodensystem. Eine spektakuläre Erweiterung in Richtung auf immer höhere Ordnungszahlen begann 1940 mit der Synthese von Neptunium und Plutonium durch Beschuss von Uran mit Neutronen oder schweren Wasserstoffkernen, den Deuteronen. Später zeigte es sich, dass diese radioaktiven Elemente in der Natur vorkommen, wenn auch nur in winzigen Mengen.
Die darauf folgenden Elemente Americium bis zu dem noch unbenannten mit der Ordnungszahl 112 sind reines Menschenwerk. Bis zur Ordnungszahl 106 stellte man die neuen Elemente Atom für Atom durch Bombardieren eines bereits verfügbaren Elements möglichst hoher Ordnungszahl mit leichten Ionen her. Die Verschmelzung der Atomkerne lieferte schwerere Kerne mit der gewünschten, für das jeweilige Element charakteristischen Zahl von Protonen. Die meisten dieser Elemente wurden zuerst in den USA, in Berkeley, synthetisiert, einige davon im russischen Dubna. Die künstlichen Elemente sind umso kurzlebiger, je höher ihre Ordnungszahl ist. Vom Americium gibt es ein relativ langlebiges Isotop mit einer Halbwertszeit von 7 370 Jahren. Anschließend geht es rapide abwärts. Das langlebigste Isotop des Elements mit der Ordnungszahl 106, das zu Ehren des Radiochemikers Glenn T. Seaborg als Seaborgium bezeichnet wird, bringt es gerade noch auf eine Halbwertszeit von 0,9 Sekunden.
Die Elemente 107 bis 112 wurden alle von Wissenschaftlern der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt synthetisiert, wobei ein stationäres Ziel aus Blei oder Bismut mit beschleunigten Metallionen genau definierter Energie, wie zum Beispiel Chrom, Mangan, Eisen oder Cobalt, bombardiert wurde. Die Lebensdauer dieser extrem instabilen Atomkerne reicht von knapp 12 Millisekunden beim Element 107, dem Bohrium, bis etwa 0,3 Millisekunden beim 1996 synthetisierten Element 112. Der Nachweis erfolgte rein physikalisch aufgrund der radioaktiven Zerfallsketten. Das Element mit der bisher höchsten Ordnungszahl, mit dem Chemie getrieben werden konnte, ist Seaborgium.
Das Periodensystem ist nach oben offen. Die Herstellung weiterer Elemente der Transactiniden-Gruppe ist sicher möglich und dürfte auch gelingen. Wegen ihrer sehr kurzen Lebenszeit werden aber Synthese und Nachweis dieser künstlichen Elemente immer schwieriger und kostspieliger.
Dr. Lucien F. Trueb