Ein „neues“ chemisches Element, Sie möchten „in das Periodensystem“? So einfach ist das nicht!

Kürzlich haben Forscher des Instituts für Moderne Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und seiner Partnerinstitutionen erstmals die neuen Nuklide Osmium-160 und Wolfram-156 synthetisiert. Wir alle wissen, dass Elemente der allgemeine Begriff für Atome des gleichen Typs mit der gleichen Anzahl von Protonen sind, während Nuklide sich auf Atome mit einer bestimmten Anzahl von Protonen und einer bestimmten Anzahl von Neutronen beziehen. Die Entdeckung dieses neuen Nuklids erinnert die Menschen unweigerlich an die Vergangenheit der Elemente.

Viele Menschen haben das Periodensystem in der Schule auswendig gelernt. Wer ein besseres Gedächtnis hat, kann es sich schneller merken. Aber wussten Sie, dass es neben der, die Sie auswendig gelernt haben, noch viele weitere „Versionen“ des Periodensystems gibt? Wissen Sie, wie schwierig es ist, ein „neues“ chemisches Element „in das Periodensystem aufzunehmen“? Dieser Artikel führt Sie in das wenig bekannte Wissen des Periodensystems ein.

Periodensystem der Elemente (urheberrechtlich geschütztes Bild aus der Galerie, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

01 Entstehung des Periodensystems

Eines Tages Anfang März 1869 beauftragte Mendelejew bei einer Sitzung der Russischen Chemischen Gesellschaft den Chefredakteur des „Journals der Russischen Chemischen Gesellschaft“, Menschutkin, mit der Lektüre seines neu verfassten Aufsatzes „Die Beziehung zwischen den Eigenschaften der Elemente und den Atomgewichten“. Er selbst verließ jedoch St. Petersburg und begab sich in andere Provinzen, um dort gemäß dem ursprünglichen Plan und der ihm von der Freien Wirtschaftsvereinigung anvertrauten Aufgabe weiterhin Käsereien zu inspizieren.

Diese scheinbar gewöhnlichen und routinemäßigen Tage kündigten tatsächlich eine große wissenschaftliche Entdeckung an – die Geburt des Periodensystems der Elemente.

Das Chemiegenie Mendelejew und das Periodensystem (Urheberrecht der Bibliothek, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

Aus heutiger Sicht ist Mendelejews Behauptung, die Eigenschaften der Elemente würden sich periodisch mit ihrem Atomgewicht ändern, problematisch. Obwohl später spannende Phänomene wie die Existenz von Elektronen in Atomen und radioaktiven Elementen in Mineralien entdeckt wurden, ließ sich Mendelejew nicht dazu inspirieren, sein Periodensystem weiter zu optimieren – auch dies ist ein weit verbreitetes Phänomen, dass manche Wissenschaftler mit zunehmendem Alter allmählich ihre Kreativität verlieren. Um die Entwicklung verschiedener Eigenschaften von Elementen zu untersuchen, erstellten spätere Generationen viele interessante Periodensysteme.

Stoneys kreisförmiges Spiralperiodensystem (Quelle: Referenz [2])

Zylindrisches Periodensystem von Huggins und Hall (Quelle: Referenz [3])

Beispielsweise veröffentlichte Stoney 1888 ein kreisförmiges Spiralperiodensystem , aus dem hervorgeht, dass das relative Atomgewicht eines Elements einer Funktion seines Radius und des Rotationswinkels entspricht . Beispielsweise wurde das dreidimensionale Periodensystem von vielen Menschen befürwortet, wobei das zylindrische Periodensystem, das 1916 von Huggins und Hall vorgeschlagen wurde, wahrscheinlich das bedeutendste ist. Sie entwarfen zwei koaxiale Zylinder. Die Hauptgruppenelemente werden auf dem äußeren Zylinder platziert, während die Nebengruppenelemente auf dem inneren Zylinder platziert werden, um anzuzeigen, dass es sich um Übergangselemente handelt .

Zusätzlich zur Markierung der Gruppennummer am Boden des Zylinders verwendet das Periodensystem auch das Atomgewicht als Skala in vertikaler Richtung. Dadurch werden nicht nur die Periode und die Gruppennummer der Elemente im Diagramm angezeigt, sondern auch die Isotope jedes Elements aufgelistet. Sie führten in dem Diagramm auch die damals bekannten radioaktiven Isotope auf. Es gibt nicht weniger als hundert Formen des Periodensystems, von denen einige Eigenschaften wie Atomvolumen, Energieniveau und Elektronegativität in das Periodensystem integrieren .

So sehr, dass im Jahr 2023, als der Nobelpreis für Chemie für die „Entdeckung und Synthese von Quantenpunkten“ verliehen wurde, einige Leute sagten, das Periodensystem habe nun eine dritte Dimension. Damit ist wohl auch gemeint, dass neben der Anzahl der Elektronenschichten außerhalb des Atomkerns und der Anzahl der Außenelektronen auch der Nanometerbereich in die Eigenschaften der Elemente einfließt. Tatsächlich können wir sehen, dass das Periodensystem mehr als 3 Dimensionen hat!

Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus und Alexei I. Ekimov, Gewinner des Nobelpreises für Chemie 2023 (Quelle: Offizielle Website des Nobelpreises)

Von all diesen „Versionen“ des Periodensystems hat das Turm-Periodensystem, das 1885 vom dänischen Chemiker Julius Thomsen vorgeschlagen und Anfang der 1920er Jahre von Bohr optimiert wurde, gute Ergebnisse erzielt.

02 Bohrs Periodensystem - Der Kampf um Element 72

Seit Bohr 1913 die Theorie der Atomstruktur vorschlug, gibt es eine ideale Erklärung für das Periodensystem der Elemente.

Turmförmiges Periodensystem (Quelle: Referenz [3])

Die Entdeckung des Elements 72 ist ein berühmtes Beispiel für den Erfolg von Bohrs Periodentheorie . Im Jahr 1911 gab der französische Wissenschaftler Urban die Entdeckung des Elements 72 bekannt. Er glaubte, es handele sich um ein Seltenerdelement, und nannte es „Celtium“.

Im Mai 1922 verkündete der Franzose Dauphine ein „zuverlässigeres“ Ergebnis. In der Probe seien extrem schwache Spektrallinien gefunden worden, hieß es, was beweisen könne, dass die beiden Spektrallinien aus der „Säge“ der Seltenerdelemente stammten. Urban erklärte stolz in einem Artikel: „ Säure hat sich ihren Platz unter den chemischen Elementen endgültig erobert. “

Bohrs Lehrer Rutherford veröffentlichte einen kurzen Artikel im Magazin Nature, in dem er die Ergebnisse von Urban und anderen würdigte.

Urban und Dovillier betrachteten das Element 72 als ein Seltenerdelement und suchten es unter den Seltenerdelementen. Dies widerspricht Bohrs Theorie des Periodensystems. Nach Bohrs Theorie sollte Element 72 eine ähnliche Elektronenanordnung wie Element 40, Zirkonium, aufweisen und daher ähnliche chemische Eigenschaften besitzen und kein Seltenerdelement sein .

Atomstruktur von Hafnium (Copyright-Bild aus der Bibliothek, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

Gleichzeitig weckte Dovilliers Arbeit auch bei anderen Zweifel, von denen einige sagten, dass überhaupt keine Sägelinien zu sehen seien. Dovillier antwortete sprachlos: „Ja, das ist möglich, denn heute ist kein sonniger Tag!“ Bald darauf nahm der Vorfall eine schlimmere Wendung. Der schwedische Chemiker Hevesy und der niederländische Physiker Coster entdeckten das echte Element 72 in Zirkon, das in Norwegen und Grönland produziert wurde, und nannten es Hafnium , womit sie Bohrs Ansicht bestätigten.

Später führten Coster und andere mühsame Arbeit durch, bis sie das Element 72 isolierten. Wie Bohr betonte, lag der Grund, warum das Element 72 lange Zeit nicht entdeckt worden war, nicht darin, dass sein Gehalt in einigen Proben zu gering war, sondern darin, dass seine Eigenschaften denen von Zirkonium zu ähnlich waren .

Als maßgeblicher Schiedsrichter erkannte Rutherford schnell die Priorität von Coster und anderen an und der Kampf um Element 72 ging zu Ende.

03 Benennung neuer Elemente – Wettbewerb und Regeln

Die Geschichte des Elements 72 ist nur ein Mikrokosmos der Geschichte der Elemententdeckung und -benennung. Allerdings wurden auf der Konferenz der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), die 1947 in London stattfand, erstmals die Regeln festgelegt, die bei der Benennung von Elementen befolgt werden sollten. Manchmal erreicht ein solcher Wettbewerb jedoch sogar die nationale Ebene.

In den 1960er Jahren entdeckten die Vereinigten Staaten und die Sowjetunion unabhängig voneinander das Element 104. Aufgrund der unklaren Reihenfolge der Entdeckung kam es unter Wissenschaftlern beider Länder zu einem Streit über die Benennung. Erst 1997 wurde es von der IUPAC Rutherfordium genannt.

Die Atomstruktur von 𬬻 ( Copyright-Bild aus der Bibliothek, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen )

Mittlerweile gibt es einen relativ strengen Prozess zur Bestätigung und Benennung neuer Elemente. Es lautet ungefähr wie folgt:

Zunächst muss die Priorität des Entdeckungslabors bestätigt werden. Die IUPAC und die Internationale Union für Theoretische und Angewandte Physik (IUPA) werden eine gemeinsame Arbeitsgruppe (JWP) bilden, um von Laboren zu verlangen, relevante Belegdokumente für die Entdeckung von Elementen bereitzustellen und die in diesen Dokumenten enthaltenen Daten zu überprüfen.

Dies ist ein sorgfältiger Prozess. Beispielsweise berücksichtigte JWP bei der Überprüfung von Element 110 die Daten von Hofmann et al. in Deutschland als beruhigend und kam daher zu dem Schluss, dass das Element 110 durch diese Zusammenarbeit entdeckt worden sei. Zu den Daten aus US-Laboren merkte JWP an, dass diese die Anforderungen nicht erfüllten.

Nach der Überprüfung der Priorität informiert das JWP den Entdecker und die IUPAC-Sektion für Anorganische Chemie. Innerhalb von zwei Monaten nach Erhalt des JWP-Berichts wird die IUPAC-Sektion für Anorganik den Entdecker auffordern, einen Namen und ein Symbol zur Prüfung vorzuschlagen. Dem Vorschlag muss die Begründung für die Auswahl beigefügt sein. Die Namen von Elementen sind im Allgemeinen mythologischen Konzepten oder Personen (einschließlich astronomischer Objekte), Mineralien oder ähnlichen Substanzen, einem Ort oder geografischen Gebiet, Eigenschaften des Elements, Wissenschaftlern usw. entnommen. Beispielsweise ist Element 105 Dubnium und sein chemisches Symbol Db (Dubnium) ist nach dem Vereinigten Institut für Kernforschung in Dubna, Russland, benannt. Element 106 ist Seaborgium mit dem chemischen Symbol Sg (𬭳) , benannt nach dem Chemiker Glenn Seaborg (Seaborg G.T.). Element 107 ist Bohrium mit dem chemischen Symbol Bh (Bohr) , das nach Bohr benannt ist.

Die Abteilung für Anorganische Chemie prüft die Eignung der vorgeschlagenen Namen und Symbole und sendet, wenn sie zufrieden ist, eine vorläufige Empfehlung an 15 Experten, Vertreter anderer relevanter Ausschüsse und das Interdepartementale Komitee. Außerdem veröffentlicht sie die Informationen für interessierte Personen auf der IUPAC-Website. Auch die Meinung der IUPAP wird eingeholt. Bei etwaigen Einwänden wird die Abteilung Anorganische Chemie gemeinsam mit den betroffenen Laboren eine Möglichkeit zur Änderung bzw. Ersetzung der ursprünglichen Bezeichnung finden.

Wenn diese Prozesse abgeschlossen sind, wird der endgültige Vorschlag für den Namen des neuen Elements gemeinsam von Pure und Applied Chemistry veröffentlicht.

Daraus können wir erkennen, dass sich hinter dem Reim des Periodensystems, den wir so leicht aufsagen können, das Ergebnis der vielen Mühen, der Arbeit und des Schweißes so vieler Wissenschaftler verbirgt. Es ist dieser Geist, der die Menschheit dazu antreibt, die Welt der Chemie weiter zu erforschen!

Verweise

[1] Liu Zeyuan. Zum 150. Jahrestag von Mendelejews Periodensystem der Elemente, Science and Culture Review, 2019, 16(1): 5-21

[2] Li Shifeng, Li Jing. Periodensystem der Elemente, Chengdu University of Science and Technology Press, 1994: 89-90

[3] Li Guodong, Zhou Xiaojuan, Jiang Xiaoqing et al. Die Form des Periodensystems, Chemical Education, 2003, 5: 43-48

[4] Georg Niels Bohr - Sein Leben, seine Lehren und Gedanken, Shanghai People's Publishing House, 1985: 239-243.

[5] Qin Zhi, Fan Fangli, Wu Xiaolei et al. Synthese und chemische Eigenschaften superschwerer Elemente. Fortschritte in der Chemie, 2011, 23(7): 1507-1517.

[6] Willem H. Koppenol, John Corish, Javier García-Martínez, et al. Benennung neuer chemischer Elemente (IUPAC-Empfehlungen 2016), Pure Appl. Chem. 2016; 88(4): 401–405

[7] PJ KAROL, H. NAKAHARA, BW PETLEY et al. ÜBER DIE ENTDECKUNG DER ELEMENTE 110–112 (IUPAC-Technischer Bericht), Pure Appl. Chem., 2001, Bd. 73, Nr. 6, S. 959–967

Autor: Huang Xiaodong , Mitglied der China Science Writers Association , Absolvent der Nanjing Normal University mit einem Abschluss in Angewandter Chemie

Gutachter: Wang Hongpeng, Associate Researcher, China Science and Technology Museum

Produziert von: Science Popularization China

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