Auf den Spuren des Periodensystems

Wie entstand die Ordnung der chemischen Elemente? 2013 machten sich Mitarbeiter des blume Verlags gemeinsam von Münster auf den Weg nach St. Petersburg: auf den Spuren Dmitri Mendelejews und der Geschichte des Periodensystems.

Unsere Reise zu Mendelejew nach St. Petersburg

Das Periodensystem begegnet Schülerinnen und Schülern heute als geordnete, selbstverständlich wirkende Tabelle. Doch diese Ordnung ist das Ergebnis einer langen wissenschaftlichen Entwicklung. Im Sommer 2013 wollten wir dieser Geschichte nicht nur in Büchern begegnen. Aus Neugier auf Wissenschaftsgeschichte und Lust am Abenteuer machten sich zwei Mitarbeiter des blume Verlags in einem betagten Ford Transit von Münster auf den Weg nach St. Petersburg. [1]

Das Ziel war eng mit einem Namen verbunden: Dmitri Iwanowitsch Mendelejew. In St. Petersburg hatte er gelehrt und geforscht. Dort wollten wir den Orten begegnen, an denen ein entscheidender Teil der Geschichte des Periodensystems geschrieben wurde.

Von Münster über Warschau nach St. Petersburg

Die Reise führte zunächst nach Warschau. Dort besuchten wir die Universität und das Wissenschaftszentrum Kopernikus, das naturwissenschaftliche Zusammenhänge durch Ausstellungen und Experimente vermittelt. Anschließend ging es über die Masurische Seenplatte und den litauischen Nationalpark Aukštaitija weiter in Richtung Russland. [1]

Nach mehreren Tagen erreichten wir St. Petersburg. Der Reisebericht von 2013 dokumentiert nicht nur die wissenschaftlichen Stationen, sondern auch die Anreise, Begegnungen unterwegs und die damaligen Eindrücke aus Russland. Für den heutigen Blogbeitrag steht jedoch die wissenschaftshistorische Frage im Mittelpunkt: Wie entwickelte sich aus der Suche nach einer Ordnung der Elemente das Periodensystem?

Mendelejew in St. Petersburg

Höhepunkt unserer Reise war der Besuch des Chemischen Instituts und des Mendelejew-Museums in St. Petersburg. Unser damaliger Reisebericht zeigt unter anderem das Institut, das Mendelejew-Denkmal, das Museum und eine historische Darstellung seines Periodensystems. [1]

Mendelejew wurde 1867 Professor für Chemie an der Universität St. Petersburg. Bei der Arbeit an seinem Lehrbuch Grundlagen der Chemie beschäftigte ihn die Frage, wie sich die damals bekannten Elemente systematisch ordnen ließen. 1869 stellte er eine frühe Form seines Periodensystems vor. [2][3]

Das Periodensystem hatte nicht nur einen Erfinder

Die Geschichte des Periodensystems beginnt allerdings nicht erst 1869 und lässt sich nicht auf eine einzelne Person reduzieren. Schon zuvor hatten Forscher versucht, wiederkehrende Beziehungen zwischen den Elementen zu erkennen. Wichtige Stationen waren unter anderem Döbereiners Triaden, de Chancourtois’ Schraubenanordnung und Newlands’ Oktavengesetz. [2]

Eine wichtige Voraussetzung für die weitere Entwicklung waren konsistentere Atomgewichte und ein klareres Verständnis von Atomen und Molekülen. Eine besondere Rolle spielte der Chemikerkongress von Karlsruhe 1860. Sowohl Dmitri Mendelejew als auch Julius Lothar Meyer nahmen daran teil. Die dort verbreiteten Arbeiten Stanislao Cannizzaros zu den Atomgewichten beeinflussten die weitere Entwicklung ihrer Arbeiten. [3][4]

Lothar Meyer und Mendelejew: zwei Wege zur Periodizität

Julius Lothar Meyer, der später unter anderem in Tübingen lehrte, arbeitete unabhängig von Mendelejew ebenfalls an einer systematischen Ordnung der Elemente. Bereits 1864 veröffentlichte er in Die modernen Theorien der Chemie eine Tabelle mit 28 Elementen. Eine umfangreichere Fassung entwickelte er in den folgenden Jahren; seine bekannte Darstellung der Periodizität erschien 1870 – nach Mendelejews Veröffentlichung von 1869. [2][3][4]

Mendelejews besondere Leistung bestand nicht allein darin, bekannte Elemente zu ordnen. Er ließ gezielt Lücken für noch unbekannte Elemente und sagte einige ihrer Eigenschaften voraus. Die späteren Entdeckungen von Gallium, Scandium und Germanium stimmten in wesentlichen Eigenschaften mit diesen Vorhersagen überein und stärkten die Anerkennung des periodischen Systems. [2][3]

Meyer zeigte die Periodizität ebenfalls auf eindrucksvolle Weise, unter anderem durch die Darstellung des Atomvolumens in Abhängigkeit vom Atomgewicht. Die Bedeutung beider Forscher wurde auch international anerkannt: 1882 verlieh die Royal Society die Davy-Medaille gemeinsam an Dmitri Mendelejew und Julius Lothar Meyer für ihre Arbeiten zu den periodischen Beziehungen der Atomgewichte. [3][5]

Warum die damalige Ordnung noch nicht unsere heutige war

Mendelejew und Meyer arbeiteten mit Atomgewichten, denn die Ordnungszahl als grundlegendes Ordnungsprinzip des modernen Periodensystems war damals noch nicht bekannt. Mendelejew ordnete die Elemente deshalb im Wesentlichen nach Atomgewicht und chemischer Ähnlichkeit. Wo die Reihenfolge der Atomgewichte nicht zu den chemischen Eigenschaften passte, gab er den Eigenschaften teilweise den Vorrang. [2]

Heute werden die Elemente nach steigender Ordnungszahl geordnet. Die Ordnungszahl entspricht der Zahl der Protonen im Atomkern. Damit erhielt die Periodizität später eine atomphysikalische Grundlage, die Mendelejew und Meyer noch nicht kennen konnten. Das schmälert ihre Leistung nicht – im Gegenteil: Sie erkannten eine Ordnung in den Eigenschaften der Elemente, bevor die zugrunde liegende Atomstruktur vollständig verstanden war. [2]

Was von der Reise geblieben ist

Für uns war die Reise nach St. Petersburg deshalb mehr als der Besuch eines Museums. Wissenschaftsgeschichte wurde an konkreten Orten greifbar. Das Chemische Institut, das Denkmal und das Mendelejew-Museum verbanden die abstrakte Ordnung des Periodensystems mit den Menschen und wissenschaftlichen Fragen, aus denen sie hervorgegangen ist. [1]

Der ursprüngliche Reisebericht von 2014 schließt mit dem Satz: „Besser einmal selbst gesehen, als hundert mal darüber gehört!“ [1] Für eine Reise zur Geschichte des Periodensystems trifft dieser Gedanke den Kern: Eine Tabelle, die im Unterrichtsalltag selbstverständlich wirkt, bekommt eine andere Tiefe, wenn man ihre Entstehung als Teil einer langen wissenschaftlichen Suche versteht.

Vom Ursprung zu den heutigen Daten im Periodensystem

Die Geschichte endet nicht mit Mendelejew und Meyer. Das Periodensystem wurde mit neuen Elementen, verbesserten Messungen und einem immer genaueren Verständnis des Atombaus weiterentwickelt. Auch die zusätzlichen Angaben, die heute in Periodensystemen zu finden sind wie z.B. relative Atommassen, Elektronegativitäten oder Ionisierungsenergien, beruhen auf unterschiedlichen wissenschaftlichen Quellen, Messungen und Modellen.

Wie solche Daten zustande kommen und warum verschiedene Periodensysteme bei einzelnen Angaben voneinander abweichen können, behandeln wir in unserem Beitrag „Woher kommen die Daten im Periodensystem?“

Quellen und weiterführende Literatur

Titelbild: Eigene Aufnahme vom Besuch des Mendelejew-Denkmals in St. Petersburg, 2013.

[1] blume Verlag: Besuch beim Herrn der Elemente – Dmitri Iwanowitsch Mendelejew. Reisebericht zur Exkursion 2013. Internes/überliefertes blume-Dokument.

[2] Royal Society of Chemistry: Development of the periodic table. https://periodic-table.rsc.org/about

[3] Science History Institute: Julius Lothar Meyer and Dmitri Ivanovich Mendeleev. https://www.sciencehistory.org/education/scientific-biographies/julius-lothar-meyer-and-dmitri-ivanovich-mendeleev/

[4] Deutsche Biographie: Meyer, Lothar. https://www.deutsche-biographie.de/sfz62786.html

[5] Royal Society of Chemistry: Finding the periodic table. https://www.rsc.org/news/2019/january/finding-the-periodic-table

[6] blume: Woher kommen die Daten im Periodensystem? [interne Verlinkung nach Veröffentlichung ergänzen].