Einwicklung der Vorstellungen
Hilfe bei Fachtexten
Du verstehst einen Fachtext nicht vollständig?
Rückblick
Erinnerst Du dich? Um die Jahrhundertwende zum 19. Jahrhundert hatte man erste konkrete Vorstellungen von Atomen entwickelt, die Zusammensetzung von Stoffen beschreiben und das Gesetz von der Erhaltung der Masse erklären können.
Rückblick: von der Wort- zur Formelgleichung2
Zur Erinnerung
Antoine de Lavoisier (1743–1794) gilt als Begründer der modernen Chemie. Er formulierte das Gesetz der Massenerhaltung (auch: 1. chemisches Grundgesetz), das besagt:
„Bei einer chemischen Reaktion bleibt die Gesamtmasse der reagierenden Stoffe und der Produkte stets konstant.“
Joseph Louis Proust (1754–1826) war der entscheidende Chemiker, der das sogenannte Gesetz der konstanten Proportionen (auch: Gesetz der definierten Proportionen) formulierte. Dieses Gesetz stellt das 2. chemische Grundgesetz dar und lautet:
„In einer chemischen Verbindung sind die Elemente stets in einem bestimmten Massenverhältnis enthalten, unabhängig davon, wie die Verbindung hergestellt wurde oder woher die Ausgangsstoffe stammen.“
Moderne, vereinfachte Übersicht über die Idee Daltons3
Dalton griff diese experimentellen Befunde auf und interpretierte sie revolutionär: Er stellte die Hypothese auf, dass Materie aus kleinsten Teilchen besteht – den Atomen. Sein Modell erklärt das Gesetz der Massenerhaltung (weil Atome bei Reaktionen nicht „verschwinden“) und das Gesetz der konstanten Proportionen (weil Verbindungen durch feste, atomare Zahlenverhältnisse gebildet werden).
Daltons Arbeit verband also direkt die Erkenntnisse von Lavoisier und Proust zu einer Theorie, die chemisches Geschehen erstmals auf atomarer Ebene beschrieb.
Dalton nahm an, dass es nur wenige elementare Stoffe gibt, die jeweils aus einer einzigen Sorte Atome bestehen, während die meisten anderen Stoffe als Verbindungen aus den Atomen verschiedener Elemente aufgebaut sind.
Jöns Jakob Berzelius (1779–1848) spielte eine zentrale Rolle als Systematisierer in der Chemie des 19. Jahrhunderts und verbindet die Arbeiten von Lavoisier, Proust und Dalton mit der weiteren Entwicklung der chemischen Grundgesetze:
Einführung der chemischen Symbolik: Berzelius führte das heute noch gebräuchliche System von chemischen Symbolen und Formelschreibweisen ein.
Systematische Bestimmung der Atommassen: Berzelius bestimmte mit hoher Genauigkeit die relativen Atommassen zahlreicher Elemente und schuf so eine sichere Datengrundlage für die entstehende Atomtheorie (Dalton) und für spätere Periodensysteme.
Beleg und Bestätigung der Grundgesetze: Durch seine exakten Analysen bestätigte er experimentell die Gesetze von Lavoisier (Massenerhaltung) und Proust (konstante Proportionen) und wies nach, dass chemische Verbindungen tatsächlich in ganz bestimmten Massenverhältnissen auftreten.
Dass hier zuvor ausschließlich männliche Forscher genannt werden, kann aus heutiger Sicht hinterfragt werden. „Der Gedanke, dass [z. B.] Marie-Anne [de Lavoisier] Einfluss auf die Forschungen ihres Mannes genommen hat, […] [ist] nicht ganz abwegig“4
Auf der Suche nach Zusammenhängen
Chemiebücher der damaligen Zeit wurden ständig überarbeitet, da man immer mehr und genauer Stoffe, deren Eigenschaften und Zusammensetzungen untersuchte. Dabei erkannte man auch, dass es Gruppen von Elementen gab, die sich in Reaktionen ähnlich verhielten.
Ausschnitt aus einem Buch des Schweden Berzelius von 1825, übersetzt von F. Wöhler, einem ebenso berühmten Chemiker und Schüler von Berzelius.5
Ein Ordnungssystem entsteht
Bereits 1864 erkannte Lothar Meyer bei den Eigenschaften von Elementen in gewissen Abständen Regelmäßigkeiten, wenn er sie nach dem Atomgewicht ordnete. 1869 gelang dann Dmitri Mendelejew ein Durchbruch. In seiner Arbeit „Versuch eines Systems der Elemente, begründet auf deren Atomgewichten“ findet sich zum ersten Mal der Ausdruck „das Periodensystem der Elemente.“6
Begründer des „PSE“ und eine Tabelle von Mendelejew.7
Lesetipp
Hier ein Lesetipp zur Entstehungsgeschichte des Periodensystems für alle, die es genau wissen wollen
Wir wollen das nachstellen
Mendelejew ordnete die Elemente sowohl nach Atomgewichten als auch im Bezug auf ihre Eigenschaften. Dazu fertigte er Karten für alle damals bekannten 63 Elemente mit chemischen Symbolen und Atomgewichten an und begann, eine Art „chemische Patience“ zu legen.8
Lass uns dies auch einmal machen. Und zwar analog, genau wie Mendelejew!
Auf Mendelejews Spuren
Informationen auf einer Karte
Unser Kartenset besteht nur aus 27 Karten. Darauf sind Informationen zu 27 Elementen notiert. Sie sind so ausgewählt, dass wir verstehen, wie Mendelejew vorging und was er herausfand.
Beispielkarte mit Legende.9
Was denkst Du? Wonach können wir die Elemente mit den Informationen auf unseren Karten sortieren, wenn wir ähnlich vorgehen wollen wie Mendelejew?
Einige ausgewählte Karten.10
Wir beginnen gemeinsam
Ordne alle Elementkarten nach zunehmender Atommasse in einer langen Reihe.
Der Beginn einer Sortierung.10
Ziehe die Karte für Lithium ein Stückchen aus der Reihe heraus. Überprüfe, ob es in der langen Reihe Elemente gibt, die Mehrelementstoffe mit anderen Elementen im gleichen Verhältnis wie Lithiums bilden.
Mache das Gleiche für Beryllium, Bor, Kohlenstoff etc. Was fällt dir auf?
Die Bedeutung von Periodizität.11
Sortieraufgabe
- Ordne die Elementkarten so, dass sie sowohl nach zunehmender Atommasse als auch nach ähnlichen Verhältnisformeln der Verbindungen sortiert sind.
Aufgaben zur Sicherung
- Benenne die Ordnungskriterien, nach denen die Elemente im Periodensystem angeordnet sind.
- Erkläre die Bedeutung des zusammengesetzten Worts „Periodensystem“.
- Beschreibe die „interessante“ Stelle in M3 und erkläre, inwiefern sie zeigt, dass es ein „Hauptordnungskriterium“ gibt.
- Stellen wir uns vor, in den Lücken in M3 fehlen noch Elemente, die man noch nicht entdeckt hatte. Nennen wir sie X und Y. Stelle eine begründete Vermutung auf, was die Forscher bezüglich Metall/Halbmetall, der Formeln oder der Atommassen herausfanden.
Vernetzen
- Prüfe deine Vermutungen aus A5 mit Hilfe von M4.
- Suche eine triftige Begründung dafür, dass man die sogenannten Edelgase historisch erst spät entdeckte. Ordne die zusätzlichen „Elementkärtchen der Edelgase“ aus M4, Edelgase fügen sich ein sinnvoll in das unvollständige Periodensystem ein.
- Erkläre inwiefern die Entdeckung und Einordnung jedes weiteren Elements stets eine Bestätigung für das Ordnungssystem waren und formuliere offene Fragen.
- Stelle heraus, was das Außergewöhnliche an der Benennung des Elements mit der Abkürzung „Md“ aus M4, Eine besondere Ehrung war.
Material
Mendelejews Vorhersagen
Als Mendelejew 1869 sein „Periodensystem der Elemente“ erstmals der Öffentlichkeit vorstellte, waren 63 Elemente bekannt. Auch sein Periodensystem zeigte Lücken. Mendelejew sagte vorher, dass eines Tages hier passende neue Elemente gefunden würden und er benannte Eigenschaften basierend auf den Eigenschaften benachbarter Elemente.
Die Fachwelt war skeptisch gegenüber Mendelejews Behauptungen und Prophezeiungen. Aber 1875 entdeckte der französische Chemiker Lecoq tatsächlich ein passendes neues Element, das er Gallium (Ga) nannte. 1886 entdeckte der Deutsche Winkler dann ein weiteres passendes, und gab ihm den Namen Germanium (Ge).
Voraussagen und Entdeckungen.13
Gallium und Germanium
Die chemischen Eigenschaften und die Atommasse des Elements Gallium stimmten sehr genau mit Mendelejews Vorhersagen für die Position unter Aluminium überein, die noch frei war. Die einzige Ausnahme stellte die von Lecoq bestimmte Dichte von 4,7 g/cm3 dar. Mendelejew hatte 5,9 g/cm3 vorhergesagt.
Mendelejew reagierte auf diesen Widerspruch zu seinen Vorhersagen recht arrogant. Er teilte dem Franzosen in einem Brief mit, dieser habe bei der Bestimmung der Dichte offensichtlich nicht sauber gearbeitet und solle das Experiment mit neuem Material wiederholen. Die erneute Dichtebestimmung mit einer sorgfältig gereinigten Materialprobe lieferte dann tatsächlich die von Mendelejew vorhergesagten Werte.
Inwiefern Mendelejews Vorhersagen zum Germanium passten, kannst Du selbst überprüfen:
Daten zum Germanium14
Weitere Vorhersagen
Mendelejews Voraussagen im Abgleich14
Die Edelgase fügen sich ein
Die sogenannten Edelgase wurden erst ab 1894 kurz hintereinander entdeckt, als Forscher wie William Ramsay und John Rayleigh in der Luft bisher unbekannte, sehr reaktionsträge Gase wie Argon, Neon, Krypton und Xenon nachwiesen. Auch wenn diese Elemente kaum mit anderen Stoffen reagieren, lassen sie sich doch in das Periodensystem einordnen.
Die sogenannten Edelgase fügen sich ein.15
Interessantes zur Namensgebung
Ende des 19. Jahrhunderts war Europa geprägt von Nationalismus und sogar Krieg zwischen den Ländern – besonders zwischen Frankreich und dem deutschen Kaiserreich. Die Entdeckung und Benennung neuer Elemente bot Wissenschaftlern die Möglichkeit, ihre Nation symbolisch zu repräsentieren und den eigenen wissenschaftlichen Beitrag herauszustellen.
Aus diesem Grund benannte der Franzose Lecoq 1875 das entdeckte Element Gallium wohl nach dem lateinischen Namen für Frankreich („Gallia“), während der Deutsche Clemens Winkler 1886 sein Element Germanium als Anspielung auf „Germania“, den lateinischen Begriff für Deutschland, auswählte.
Aus heutiger Sicht kann man diese Praxis kritisch sehen. Die Idee, wissenschaftliche Entdeckungen für nationale Selbstdarstellung oder sogar Rivalität zu nutzen, wirkt nach heutigen Maßstäben rückblickend überholt. Wissenschaft lebt von internationalem Austausch und Zusammenarbeit.
Fun fact: Lecoq wurde unterstellt, er habe sich mit dem Namen möglicherweise auch selbst ein Denkmal setzen wollen, da der lateinische Name für le coq (Hahn) gallus ist.
Eine besondere Ehrung
Hier eine zunehmend vollständigere Darstellung des Periodensystems der Elemente. Sie beinhaltet auch zwei nicht selbstverständliche Ehrungen.
Das PSE und eine besondere Ehrung.16
Wie es zu den Ähnlichkeiten der Elemente einer „Gruppe“ kommt und warum sich heutzutage evtl. noch zu entdeckende Elemente nicht an beliebiger Stelle einreihen können, werden wir bald erklären können.