Das Periodensystem im Alltag: Die Welt der chemischen Elemente entdecken

Wo begegnen uns die Elemente des Periodensystems? Eine Entdeckungsreise durch Stoffe, Anwendungen, Technik und Alltag.

Das Periodensystem ist eine außerordentlich verdichtete Darstellung chemischen Wissens. Seine derzeit 118 benannten Elemente sind nach steigender Ordnungszahl angeordnet; die Elemente 113, 115, 117 und 118 erhielten 2016 durch die IUPAC ihre heute gültigen Namen Nihonium, Moscovium, Tennessine und Oganesson. [1]

Doch die Bedeutung des Periodensystems liegt nicht allein darin, Elemente aufzulisten. Seine Ordnung macht Beziehungen zwischen Atombau und chemischen Eigenschaften sichtbar. Damit kann jedes einzelne Feld zum Ausgangspunkt für weitere Fragen werden: Wo kommt dieses Element vor? In welchen chemischen Formen begegnet es uns? Welche Eigenschaften bestimmen seine Verwendung?

Genau dieser Zugang verbindet das Bilder-Periodensystem, das Magnetarium™ und unser interaktives Online-Periodensystem: Die abstrakte Ordnung der Elemente wird mit Stoffen, Materialien und Anwendungen verknüpft.

Hans-Jürgen Quadbeck-Seeger formulierte diesen Gedanken für das Magnetarium als Einladung, den Elementen „nachzuspüren“, sie zu sammeln und Informationen über sie zu erschließen. Die Begleitbroschüre versteht eine solche Sammlung als Zugang zum Verständnis der materiellen Welt. [2]

Dieser Beitrag versteht sich als Arbeitsstand. Chemische Referenzdaten, technische Anwendungen und wissenschaftliche Erkenntnisse entwickeln sich weiter. Der Text kann deshalb im Laufe der Zeit ergänzt, präzisiert oder korrigiert werden, wenn neue Erkenntnisse dies erforderlich machen. Zugleich bauen wir unser Element-Lexikon schrittweise aus. Dort soll künftig jedes Element nach einer einheitlichen fachlichen Struktur beschrieben und mit unserem interaktiven Periodensystem verknüpft werden.

Vom Element zum Stoff

Wer Elemente im Alltag sucht, stößt schnell auf eine grundlegende chemische Unterscheidung. Ein chemisches Element wird durch seine Kernladungszahl beziehungsweise Ordnungszahl definiert. Das bedeutet jedoch nicht, dass uns dieses Element im Alltag als elementarer Stoff begegnen muss.

Natrium ist dafür ein gutes Beispiel. Elementares Natrium ist ein hochreaktives Metall und kommt in der Natur wegen seiner Reaktivität nicht frei vor. Natriumchlorid enthält zwar Natrium und Chlor, aber als Na⁺- und Cl⁻-Ionen in einem Ionengitter. Kochsalz ist deshalb kein Gemisch aus Natriummetall und Chlor, sondern eine chemische Verbindung. [3] Diese Unterscheidung ist zentral, wenn Alltagsgegenstände oder Materialien einem Periodensystem zugeordnet werden. Die Frage lautet nicht nur: Welches Element steckt darin? Sondern auch: In welcher chemischen Form liegt es vor?

Kupfer: Eigenschaften erklären Anwendungen

Bei Kupfer lässt sich der Zusammenhang zwischen Stoffeigenschaften und Verwendung besonders unmittelbar nachvollziehen. Kupfer besitzt eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, ist duktil und vergleichsweise korrosionsbeständig. Entsprechend wird es in großem Umfang in elektrischen Leitungen, Energieübertragung, Elektronik und Gebäudetechnik eingesetzt. [4] Daneben begegnet uns Kupfer in Legierungen. Messing bezeichnet eine Gruppe kupfer-zinkhaltiger Legierungen; klassische Bronzen basieren überwiegend auf Kupfer und Zinn. Ein Kupferkabel, ein Messingbauteil und eine Bronze zeigen damit drei unterschiedliche chemisch-materialwissenschaftliche Situationen: elementares beziehungsweise weitgehend reines Kupfer, eine Cu-Zn-Legierung und eine Cu-Sn-Legierung. Das einzelne Feld Cu im Periodensystem führt damit unmittelbar in die Werkstoffchemie.

Eisen: Vom Element zum Werkstoff Stahl

Auch bei Eisen ist eine saubere begriffliche Trennung notwendig. Viele alltägliche Gegenstände, die umgangssprachlich als „Eisen“ bezeichnet werden, bestehen tatsächlich aus Stahl. Primär gewonnenes Eisen stammt überwiegend aus Eisenoxiderzen wie Hämatit und Magnetit; der überwiegende Teil des Eisenerzes wird zur Stahlherstellung eingesetzt. [5] Stähle wiederum sind keine einheitlichen Stoffe. Ihre Eigenschaften hängen unter anderem vom Kohlenstoffgehalt und von weiteren Legierungselementen ab. Chrom, Nickel, Mangan, Molybdän, Vanadium oder Wolfram können gezielt eingesetzt werden, um Eigenschaften zu verändern. [5] Das Periodensystem führt hier also nicht nur zu einem Element, sondern unmittelbar zur Frage, wie durch Kombination verschiedener Elemente Werkstoffe mit neuen Eigenschaften entstehen.

Aluminium: Leichtmetall und Werkstoffsystem

Aluminium ist ein weiteres Beispiel dafür, dass Anwendungen nicht allein aus dem Elementsymbol hervorgehen. Das Metall besitzt eine geringe Dichte, ist gut formbar und bildet an Luft eine dünne, schützende Oxidschicht. Diese Kombination trägt dazu bei, dass Aluminium und seine Legierungen in Verpackungen, Bauprodukten und im Verkehrswesen eingesetzt werden. [6] Viele technisch besonders wichtige Aluminiumwerkstoffe sind Legierungen, beispielsweise mit Magnesium, Silicium, Kupfer oder Zink. Auch hier führt der Weg deshalb vom Element unmittelbar zur Materialwissenschaft.

Silicium: Zwischen Mineralwelt und Hochtechnologie

Silicium wird häufig fast ausschließlich mit Computerchips verbunden. Das greift zu kurz. In der Erdkruste tritt Silicium vor allem gebunden in Silicaten und als Siliciumdioxid auf. Industriell dienen Quarz beziehungsweise Quarzit unter anderem als Rohstoff für Ferrosilicium und Siliciummetall. Ein erheblicher Teil des Siliciummetalls wird für Aluminiumlegierungen und zur Herstellung von Siliciumchemikalien, insbesondere Siliconen, verwendet. Nur ein vergleichsweise kleiner Anteil wird zu hochreinem Silicium für Halbleiter- oder Solarzellen weiterverarbeitet. [7] Gerade deshalb ist Silicium ein hervorragendes Beispiel für die Spannweite eines Elements: Mineral → technischer Rohstoff → Legierung → chemischer Ausgangsstoff → Halbleitermaterial.

Kohlenstoff: Ein Element, sehr unterschiedliche Stoffe

Kohlenstoff zeigt besonders eindrucksvoll, weshalb „Element“ und „Stoffeigenschaft“ nicht gleichgesetzt werden dürfen. Diamant und Graphit bestehen beide aus Kohlenstoff, besitzen aufgrund ihrer unterschiedlichen Strukturen jedoch völlig verschiedene Eigenschaften. Hinzu kommen weitere Kohlenstoffmodifikationen wie Fullerene und Graphen. [8]

Der Blick auf Kohlenstoff führt deshalb unmittelbar zu einem grundlegenden Prinzip der Chemie: Die Eigenschaften eines Stoffes hängen nicht nur davon ab, welche Atomsorte vorliegt, sondern auch davon, wie die Atome miteinander verbunden und räumlich angeordnet sind. Damit wird aus einem einzigen Feld des Periodensystems ein Zugang zu Bindung, Struktur, Werkstoffen und organischer Chemie.

Wolfram: Eine historische Anwendung und moderne Werkstoffe

Wolfram ist vielen noch aus der klassischen Glühlampe bekannt. Aufgrund seines sehr hohen Schmelzpunktes wurde es umfangreich für Glühwendeln eingesetzt. Mit dem Rückgang konventioneller Glühlampen hat diese Anwendung an Bedeutung verloren. [9] Heute sind insbesondere Hochtemperaturanwendungen und Wolframcarbid von Bedeutung. Wolframcarbid zeichnet sich durch hohe Härte aus und wird unter anderem für Schneid- und Bohrwerkzeuge eingesetzt. [9] Dieses Beispiel zeigt auch, dass Anwendungen von Elementen historisch veränderlich sind. Ein Elementlexikon sollte deshalb nicht nur Eigenschaften dokumentieren, sondern Anwendungen zeitlich und technologisch einordnen.

Neodym: Das Element hinter leistungsfähigen Permanentmagneten

Neodym gehört zu den Lanthanoiden und ist vor allem durch Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagnete technisch bedeutsam. Der intermetallische Magnetwerkstoff Nd₂Fe₁₄B gehört zu den leistungsfähigsten kommerziellen Permanentmagnetmaterialien. Solche Magnete werden unter anderem in elektrischen Maschinen, Festplatten, Lautsprechern und weiteren elektronischen Anwendungen eingesetzt. [10] Dabei ist eine Präzisierung wichtig: Nicht jeder Elektromotor und nicht jede Windenergieanlage benötigt Neodym. Der Einsatz hängt vom jeweiligen Motor- oder Generatorkonzept ab. Gerade solche Differenzierungen sollten Bestandteil des künftigen Lexikons sein. Die verkürzte Gleichung „Neodym = Windrad“ ist anschaulich, aber chemisch und technisch zu pauschal.

Indium: Ein nahezu unsichtbares Element im Display

Indium ist im Alltag kaum als Stoff sichtbar, besitzt aber große technische Bedeutung. Ein wesentlicher Einsatzbereich ist Indium-Zinn-Oxid (ITO). Dieses Material verbindet optische Transparenz mit elektrischer Leitfähigkeit und wird unter anderem in Flachbildschirmen und Touchscreens eingesetzt. [11] Auch dieses Beispiel zeigt, warum ein Bilder-Periodensystem fachlich sorgfältig formuliert sein muss: Im Display befindet sich in diesem Fall nicht einfach „Indium“, sondern ein indiumhaltiges funktionelles Material. Die Anwendung erschließt sich damit erst vollständig, wenn man vom Element zur Verbindung und schließlich zur Materialfunktion weitergeht.

Das Bilder-Periodensystem: Anwendungen als Einstieg, nicht als Definition

Bilder können einen anschaulichen Zugang zu den Elementen schaffen. Fachlich ist dabei jedoch entscheidend, was das Bild behauptet. Ein Bild eines Kupferdrahtes kann unmittelbar eine Verwendung von Kupfer zeigen. Ein Bild von Kochsalz verweist dagegen auf Natrium und Chlor als Bestandteile einer Verbindung. Ein Display verweist bei Indium auf ein funktionelles indiumhaltiges Material wie ITO. Das Bild ersetzt deshalb keine chemische Erklärung. Es stellt eine Frage an das Periodensystem. Genau darin liegt seine Stärke.

Das Magnetarium: vom Beispiel zur Zuordnung

Das Magnetarium™ überführt diesen Gedanken in eine haptische Form. Die 30 magnethaftenden Sammelgläschen werden an den entsprechenden Positionen eines Bilder-Periodensystems angebracht. Zehn Gläschen sind mit Beispielen befüllt; weitere Gläschen können für eine eigene Sammlung genutzt werden. [2] 
Fachlich interessant wird die Sammlung dort, wo die Zuordnung nicht beim Gegenstand endet. Bei jedem Beispiel kann weitergefragt werden: Liegt das Element als elementarer Stoff vor? Handelt es sich um eine Verbindung? Ist es Bestandteil einer Legierung oder eines komplexeren Werkstoffs? So wird aus dem Sammeln ein Schritt Richtung chemische Analyse.

Sicherheit setzt Grenzen

Nicht jedes Element und nicht jede Verbindung eignet sich für eine reale Sammlung. Elementare Alkalimetalle beispielsweise reagieren stark mit Wasser; elementares Chlor ist toxisch; Quecksilber und zahlreiche seiner Verbindungen erfordern besondere Schutz- und Entsorgungsmaßnahmen. Radioaktive Stoffe gehören nicht in eine allgemeine schulische oder private Elementsammlung. Auch die Magnetarium-Broschüre weist ausdrücklich auf entsprechende Gefährdungen und die Notwendigkeit angemessener Sicherheitsmaßnahmen hin. [2]

Vom Periodensystem zum Element-Lexikon

Die hier betrachteten Elemente sind Beispiele. Künftig soll jedes der 118 Elemente in unserem Element-Lexikon nach einer einheitlichen fachlichen Struktur erschlossen werden. Dabei geht es nicht nur um Ordnungszahl, Atommasse und andere Grunddaten, sondern um die Zusammenhänge: Eigenschaften, Vorkommen, elementarer Stoff, wichtige Verbindungen, Werkstoffe und Anwendungen sowie – wo fachlich relevant – biologische Bedeutung, Geschichte und Sicherheit. Die einzelnen Lexikoneinträge sollen mit unserem interaktiven Periodensystem verknüpft werden. So kann jedes Feld des Periodensystems zum Ausgangspunkt für eine vertiefende Entdeckungsreise werden.

118 Elemente – 118 Ausgangspunkte

Das Periodensystem reduziert die materielle Vielfalt der Welt auf eine überraschend kleine Zahl chemischer Elemente. Gerade diese Reduktion macht seine wissenschaftliche Stärke aus. Von einem einzelnen Elementsymbol lässt sich zu Atombau und Bindung gelangen, zu Biochemie, Werkstoffen, Energietechnik oder Elektronik.

Das Periodensystem ist deshalb nicht das Ende einer chemischen Ordnung. Es ist ihr Ausgangspunkt. 
Und genau dort beginnt die Entdeckungsreise.

 

Quellen

[1] International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). “IUPAC Announces the Names of the Elements 113, 115, 117 and 118”, 2016. https://iupac.org/iupac-announces-the-names-of-the-elements-113-115-117-and-118/

[2] Quadbeck-Seeger, H.-J.; blume Verlag. Magnetarium™ – Den Elementen auf der Spur. Begleitbroschüre. Konzeptionelle Grundlage für Sammelprinzip, Beispiele und Sicherheitshinweise.

[3] Royal Society of Chemistry. Sodium – Element information, properties and uses; Chlorine – Element information, properties and uses. https://periodic-table.rsc.org/element/11/sodium ; https://periodic-table.rsc.org/element/17/chlorine

[4] U.S. Geological Survey. Copper Statistics and Information; Doebrich, J. (2009): Copper: a metal for the ages. USGS Fact Sheet 2009-3031. https://www.usgs.gov/centers/national-minerals-information-center/copper-statistics-and-information ; https://doi.org/10.3133/fs20093031

[5] U.S. Geological Survey. Iron Ore Statistics and Information; Fenton, M. D. (2014): Mineral resource of the month: Iron and steel. https://www.usgs.gov/centers/national-minerals-information-center/iron-ore-statistics-and-information

[6] U.S. Geological Survey. Aluminum Statistics and Information; Royal Society of Chemistry. Aluminium – Element information, properties and uses. https://www.usgs.gov/centers/national-minerals-information-center/aluminum-statistics-and-information ; https://periodic-table.rsc.org/element/13/aluminium

[7] U.S. Geological Survey. Silicon Statistics and Information; Mineral Commodity Summaries 2026 – Silicon. https://www.usgs.gov/centers/national-minerals-information-center/silicon-statistics-and-information

[8] Royal Society of Chemistry. Carbon – Element information, properties and uses. https://periodic-table.rsc.org/element/6/carbon

[9] Royal Society of Chemistry. Tungsten – Element information, properties and uses; ergänzend U.S. Geological Survey zu Wolfram und Wolframcarbid. https://periodic-table.rsc.org/element/74/tungsten

[10] Rom, C. L. et al. Emerging magnetic materials for electric vehicle drive motors. National Renewable Energy Laboratory (NREL), 2024. https://www.nrel.gov/docs/fy24osti/88583.pdf

[11] U.S. Geological Survey. Indium information and uses, including indium-tin oxide in flat-panel displays and touchscreens. https://www.usgs.gov/media/images/indium

[12] blume. Interaktives Periodensystem der Elemente. https://www.blume-im-inter.net/online-periodensystem/

[13] Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights (CIAAW). Standard Atomic Weights 2024; Abridged Standard Atomic Weights 2024. https://ciaaw.org/atomic-weights.htm

Bildnachweis

Titelbild: KI-generierte Illustration, erstellt nach inhaltlichen Vorgaben von blume.