Ein Wunder in der Geschichte der Wissenschaft: Der Beitrag der Intuition geht über das Verständnis hinaus

Angesichts der über 60 bekannten Elemente wollten alle Chemiker diese in einem System ordnen, doch nur einem gelang dies: Er erstellte eine Tabelle mit vielen leeren Feldern, ähnlich einem Sudoku-Puzzle, das es zu lösen galt.

Und er hat nie behauptet, die Bedeutung der Struktur und Periodizität dieser Tabelle zu verstehen.

Der Auszug dieses Artikels aus „Gallery of Science“ (People's Posts and Telecommunications Press) ist autorisiert, der Titel wurde vom Herausgeber hinzugefügt.

Von John D. Barrow

Übersetzt von Tang Jing und Li Pan

Beim Chemiestudium wird das Periodensystem verwendet. Es besteht kein Zweifel daran, dass die beiden intelligenten Zivilisationen, sollten die Menschen jemals Kontakt mit Leben außerhalb der Erde aufnehmen, unter anderem eine geordnete und vertraute Tabelle der Elemente gemeinsam haben werden.

—John Emsley[1]

Dem Beispiel Aristoteles folgend, glaubten die antiken griechischen Philosophen, dass die Materie in all ihren verschiedenen Formen, aus denen die Welt um uns herum besteht, in vier Grundsubstanzen zusammengefasst werden kann: Erde, Feuer, Luft und Wasser. Diese naive Vorstellung galt bis zum 17. Jahrhundert als Tatsache, bis die aus der Alchemie hervorgegangene Chemie zur Entdeckung der Existenz anderer Elemente führte. „Erde“ ist keine einzelne Substanz und „Luft“ besteht nicht nur aus einer Gasart. Im 18. Jahrhundert erlebte das Spektrum der Elemente eine dramatische Erweiterung. Viele neue Metalle wurden entdeckt, wie Kobalt, Nickel, Mangan, Wolfram, Chrom, Magnesium und Uran, und neue Gase wie Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Chlor wurden zum ersten Mal getrennt.

Der Begriff „Element“ in der Chemie wurde erstmals von Robert Boyle vorgeschlagen: Eine Substanz, die durch physikalische Prozesse nicht mehr zersetzt werden kann, ist ein Element. Der offizielle Name des Elements wurde später im Jahr 1789 vom französischen Chemiker Antoine-Laurent de Lavoisier[2] vergeben[3]. Lavoisier wählte 33 Substanzen aus, definierte ihre elementaren Zustände und teilte sie in vier Gruppen ein: Metalle, Nichtmetalle, Erde und Gase. Später stellte sich heraus, dass einige dieser Elemente tatsächlich Verbindungen waren und dass andere, wie etwa Wärme und Licht, nicht einmal Chemikalien waren. Unten sehen Sie Lavoisiers Tabelle der Elemente. Nur die rot markierten Elemente gelten heute noch als chemische Elemente.

Gas: Wärme, Licht, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff.

Boden: Aluminiumoxid, Baryt, Kalk, Magnesiumoxid, Kieselsäure.

Metalle: Antimon, Arsen, Wismut, Kobalt, Kupfer, Gold, Eisen, Blei, Mangan, Quecksilber, Molybdän, Nickel, Platin, Silber, Zinn, Wolfram, Zink.

Nichtmetalle: Schwefel, Phosphor, Kohlenstoff, Chloride, Fluoride, Borate.

Bei der Gruppe „Erde“ handelt es sich hier eigentlich um Oxide, beispielsweise ist Kalk Calciumoxid und Siliciumdioxid Siliziumdioxid. Unter den damaligen Bedingungen war Lavoisier jedoch nicht in der Lage, Sauerstoffatome aus den Verbindungen zu extrahieren und verwandte Elemente unabhängig zu erkennen. Andere Pseudoelemente gehörten alle zur Gruppe der „Nichtmetalle“, und auch Lavoisier war mit der damals verfügbaren Technologie nicht in der Lage, diese Elemente in einzelne Elemente wie Chlor, Fluor und Bor zu trennen. Während der Französischen Revolution wurde Lavoisier zum Feind von Jean-Paul Marat und wurde schließlich während der Terrorherrschaft 1794 wegen seiner Beteiligung an einem nationalen Steuerskandal guillotiniert. Der Richter erklärte: „Die Republik braucht kein Genie.“ Doch nur 18 Monate später änderte die Revolutionsregierung ihre Meinung und erklärte, Lavoisier sei zu Unrecht angeklagt worden.

Später führte ein Naturwissenschaftslehrer aus Manchester, England, diese Forschung noch einen Schritt weiter. Im Jahr 1805 legte John Dalton der Manchester Literary and Philosophical Society ein Papier vor, in dem er die verschiedenen Möglichkeiten erläuterte, wie sich Elemente miteinander verbinden und wie die Grundbestandteile unterschiedliche Gewichte bilden. Damals glaubten die meisten Chemiker, Atome seien zu klein, um sie zu untersuchen. Aber Dalton war abenteuerlustiger und erstellte eine Tabelle mit 20 Elementen und ihren Gewichten sowie Symbolen, die zeigten, wie sie kombiniert werden konnten. Materie wird durch Bilder dargestellt, die Muster ihrer grundlegenden Bestandteile zeigen. Aus dieser Tabelle lassen sich weitere Verbindungen ableiten: Verbindung 21 ist Wasser, beschrieben als HO; Verbindung 22 ist Ammoniak, beschrieben als NH. Diese Ausdrücke waren die embryonalen Formen der chemischen Gleichungen, die wir heute kennen.

Dalton war erstaunt über die neue Komplexität, die die Sprache der Chemie geschaffen hatte. Nachdem er sich den neuen Plan angesehen hatte, sagte er: „Ein junger Chemiestudent muss möglicherweise Hebräisch lernen.“ Es wurden weiterhin neue Elemente entdeckt und Humphry Davy nutzte die Elektrolyse, um die ursprünglich von Lavoisier vorgeschlagenen „Elemente der Erdgruppe“ in echte Elemente zu zerlegen. Bis 1863 gab es mehr als 60 Elemente. Gibt es eine Grenze für den „Urknall“ der Elemente?

Die 20 Elemente, die John Dalton 1805 klassifizierte, und ihre Gewichte

Damals war das tatsächlich eine attraktive Frage. Wenn es eine Grenze gibt, wie viele Elemente gibt es? Welche Faktoren können diese Grenze tatsächlich bestimmen?

Im 19. Jahrhundert versuchten viele Menschen mutig, sie anhand ihres Elementgewichts, ihrer Eigenschaften usw. zu klassifizieren. Alle besten Chemiker der Zeit[7] hätten ein ähnliches System entwickelt[8]. Sie wurden jedoch alle von einem russischen Chemieprofessor aus Sibirien besiegt.

Dmitri Ivanovich Mendeleev wurde 1822 im sibirischen Tobolsk als Sohn eines örtlichen Grundschuldirektors geboren. Er hatte 13 Brüder und Schwestern. Mendelejews Mutter war davon überzeugt, dass ihr Sohn über besondere Talente verfügte und eine möglichst hochwertige Ausbildung erhalten sollte. Deshalb schickte sie ihn auf eine Schule in St. Petersburg. Sie hat recht. Während seines Studiums gehörten Mendelejews akademische Leistungen stets zu den besten. Danach arbeitete er in Frankreich und ging dann als Assistent von Robert Bunsen nach Heidelberg, einem deutschen Chemiker, der sich damals auf dem Höhepunkt seiner Karriere befand. Schließlich kehrte Mendelejew 1867 nach Sankt Petersburg zurück, wo er Professor für Chemie an der Universität wurde.[9]

Eines Tages im Frühjahr 1867 blieb Mendelejew wegen schlechten Wetters zu Hause und nutzte die Gelegenheit, um an einem neuen Lehrbuch mit dem Titel „Grundlagen der Chemie“ weiterzuschreiben. Er wusste nicht, wie er die wachsende Zahl von Elementen und deren Eigenschaften darstellen und anordnen sollte. Also schrieb er den Namen jedes Elements auf eine Karte und notierte einige der Eigenschaften des entsprechenden Elements sowie seiner Oxide und Hydride. Dann begann er, die Karten auf verschiedene Weise anzuordnen und versuchte, ein Muster zu finden: horizontale Reihen von Elementen mit der gleichen Wertigkeit und vertikale Reihen von Elementen in absteigender Reihenfolge des Atomgewichts. Plötzlich entdeckte er eine ganz besondere Anordnung. Die Ergebnisse notierte er auf der Rückseite eines alten Umschlags, der noch heute in St. Petersburg zu sehen ist.[10]

Mendelejew skizzierte 1867 das ursprüngliche Periodensystem

Als nächstes erfand Mendelejew eine einfachere Version. Er ordnete die ersten sieben Elemente von Lithium bis Fluor horizontal nach zunehmendem Atomgewicht an[11] und ordnete dann die sieben Elemente von Natrium bis Chlor auf die gleiche Weise an. Dadurch entstand eine Periodizität: In den vertikalen Spalten liegen jeweils zwei Elemente mit ähnlichen chemischen Eigenschaften nebeneinander. In den 7 Spalten mit Einträgen ist die Hauptvalenz der Elemente in der ersten Spalte 1, die Hauptvalenz der Elemente in der nächsten Spalte ist 2 und dann jeweils 3, 4, 3 und 1. Als nächstes stellte Mendelejew schnell fest, dass die Tabelle übersichtlicher wäre, wenn er sie umdrehte und die Zeilen und Spalten vertauschte. Dieses Ergebnis können wir auch jetzt schon erkennen, obwohl heute viele neue Elemente in die Tabelle eingetragen wurden.

Das Periodensystem besteht aus 8 Spalten oder 8 Perioden. In einer wesentlichen Verfeinerung ordnete Mendelejew 1870 die 63 bekannten Elemente 12 Reihen zu, beginnend mit Wasserstoff und endend mit Uran, wobei jedes Element in einer Spalte mit ähnlichen chemischen Eigenschaften platziert und in aufsteigender Reihenfolge des Atomgewichts angeordnet wurde.

Die in Mendelejews Tabelle dargestellten Ergebnisse leisteten einen intuitiv bedeutsamen Beitrag: Sie sagten die Existenz neuer Elemente voraus. Er hat nicht, wie andere es getan hatten, alle bekannten Elemente in ein vollständiges Periodensystem aufgenommen. Aristoteles hätte dies sicherlich getan. Mendelejew argumentierte, dass eine logische Struktur des Periodensystems auch Lücken enthalten könne. Er spekulierte, dass neue Elemente diese Lücken füllen würden und dass die Periodizität der Tabelle es ihm ermöglichen würde, die Atomgewichte und -dichten von Atomen vorherzusagen. Neben Bor, Aluminium und Silizium stellte er die Hypothese auf, dass es drei „unentdeckte“ Elemente gebe, die er als „borähnlich“, „aluminiumähnlich“ und „siliziumähnlich“ bezeichnete[12]. Diese drei Elemente wurden nacheinander entdeckt und ihre Atomgewichte und -dichten stimmten mit Mendelejews Vorhersagen überein: „Aluminiumähnlich“ wurde 1875 in Paris, Frankreich, entdeckt und Gallium (Frankreich auf Latein) genannt; „borähnlich“ wurde 1879 in Uppsala, Schweden, entdeckt und Scandium (lateinisch Skandinavien) genannt; „Silizium-ähnlich“ wurde 1886 in Freiberg, Deutschland entdeckt und Germanium (lateinisch Germanium) genannt.

Mendelejew sagte außerdem ein neues Mitglied der vierten Gruppe (Titan) mit einem Atomgewicht von etwa 180 voraus. Das Element wurde schließlich 1923 an der Universität Kopenhagen in Dänemark mit einem Atomgewicht von 178,5 entdeckt und Hafnium (lateinisch Kopenhagen) genannt.

Im Jahr 1893 wurde Mendelejew Direktor des russischen Büros für Messungen und Vermessung und leistete bewundernswerte Beiträge. Er definierte die Zusammensetzung von Wodka formal: ein Molekül Alkohol plus zwei Moleküle Wasser. Das Molekulargewicht zeigt, dass Wodka aus 38 % Alkohol und 62 % Wasser besteht. Im Jahr 1894 wurde dieser Wert durch den gesetzlichen Standard des russischen Amtes für Maß und Gewicht leicht angepasst, und zwar auf 40 % Alkohol und 60 % Wasser. Dies entspricht 80 % Proof (1 Proof entspricht dem doppelten Alkoholvolumen).

Gerald Holton zog einmal folgende Analogie zu Mendelejews Errungenschaft und ihrem tiefgreifenden Einfluss auf zeitgenössische Wissenschaftler: „Es ist, als ob ein Bibliothekar alle Bücher auf einen Stapel legt, sie einzeln wiegt und sie nach aufsteigendem Gewicht in verschiedenen Regalen anordnet. Dann entdeckt er plötzlich, dass das erste Buch in jedem Regal von Kunst handelt, das zweite von Philosophie, das dritte von Wissenschaft, das vierte von Wirtschaft und so weiter. Unser Bibliothekar versteht vielleicht nicht die Funktionsweise dieser Regeln, aber sobald er feststellt, dass die Bücher in einem der Regale in der Reihenfolge ‚Kunst-Wissenschaft-Wirtschaft‘ stehen, lässt er eine Lücke zwischen den Kunstbüchern und den Wissenschaftsbüchern und beginnt mit der Suche nach dem fehlenden Philosophiebuch mit dem richtigen Gewicht.“[13]

Die Periodizität des Periodensystems können wir anhand einer Eigenschaft eines Elements erkennen, beispielsweise durch Division des Atomvolumens durch das Atomgewicht. Dies wurde erstmals 1870 von Julius Meyer entdeckt[14]. Alkalimetalle erscheinen oben in der Tabelle.

Mendelejew hat nie behauptet, die Bedeutung der Struktur und Periodizität dieser Tabelle zu verstehen. Es war ein großer intuitiver Sprung. Er glaubte, dass die Elemente eine von Natur aus symmetrische Struktur hätten, aber er hatte keine Ahnung, dass seine Tabelle auch ein praktisches Hilfsmittel zum Wiederfinden von Daten war, das ihn zu dramatischen Entdeckungen und Vorhersagen führen würde. Obwohl es Mendelejew nicht gelang, das Muster der vor ihm liegenden Elemente zu entdecken, wusste er, dass diese Tabelle anderen helfen würde, diese Aufgabe zu bewältigen.

Die moderne Version des Periodensystems[15] ist in 7 Reihen (Perioden) unterteilt, mit jeweils 2, 8, 8, 18, 18, 32 und 32 Elementen in jeder Reihe. Dieses Muster wurde verständlich, nachdem die Quantentheorie der Atome entdeckt wurde. Aufgrund der Quantenwellennatur von Elektronen können Elektronen nur bei ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge in die umgebende Umlaufbahn „geladen“ werden. Die zunehmende Anzahl von Elementen in jeder Zeile des Periodensystems spiegelt die zunehmende Anzahl von Elektronen wider, die den Kern jedes Atoms umkreisen. Die Quantenmechanik erlaubt, dass das innerste Orbital (Schale genannt) zwei Elektronen enthält, gefolgt von sechs, dann zehn und 14.

Im resultierenden Periodensystem ist die Elementnummer in jeder Zeile die Anzahl der Elektronen, wenn das Orbital vollständig ausgefüllt ist, also 8 = 2 + 6, 18 = 2 + 6 + 10 und 32 = 2 + 6 + 10 + 14. Die Elemente in jeder Zeile sind in aufsteigender Reihenfolge ihrer Ordnungszahl angeordnet, während in jeder Spalte die Elemente entsprechend der gleichen Anzahl von Elektronen in ihrer äußersten Schale angeordnet sind, wodurch die moderne Form des Periodensystems entsteht. In jeder Reihe fügen wir den Orbitalen regelmäßig Elektronen hinzu, bis sie voll sind. Am Ende erhalten wir das Edelgas (oder inaktive Gas) ganz rechts im Periodensystem. Dann öffnen wir die nächste Reihe und füllen die nächste Ebene mit Spuren. Es ist erwähnenswert, dass Mendelejew dieses Muster vor der Entdeckung von Elektronen und Protonen entdeckt hatte. Er untersuchte das Atomgewicht (bestimmt durch die Anzahl der Protonen im Kern eines Elements) und die Valenz (bestimmt durch die Anzahl der Elektronen in den Orbitalen) und verwendete diese einfache Methode, um die Natur dieser beiden chemischen Eigenschaften zu entdecken.

Heute hängt Mendelejews Periodensystem an den Wänden aller Chemielabore der Welt.[16] Es scheint, dass die Entscheidung seiner Mutter richtig war.

Mendelejews Periodensystem. Dies ist die erste Ausgabe des Periodensystems der Elemente des russischen Chemikers Dmitri Mendelejew, gedruckt im Jahr 1869. Er ließ in der Tabelle Lücken für neue Elemente. Später entdeckten Wissenschaftler diese Elemente und bestätigten damit Mendelejews Vermutung. Die in dieser Version aufgeführten Elemente wurden durch chemische Symbole dargestellt und nach Atomgewicht geordnet, die vollständige Elementreihenfolge war jedoch noch nicht erschienen. In der endgültigen Fassung von 1871 waren die Atome in den Spalten oder Gruppen angeordnet, die wir heute kennen.

Hinweise

[1] EMSLEY J. Die Bausteine ​​der Natur. Oxford: Oxford UP, 2003: 527.

[2] LAVOISIER A. Traité élémentaire de chimie. 1789. Dies war ein Lehrbuch zur Förderung der neuen Chemie und spielte viele Jahre lang eine wichtige Rolle in der chemischen Ausbildung.

[3] Dies erinnert an die moderne Definition von Elementarteilchen. Natürlich kannte Lavoisier den inneren Aufbau des Atoms nicht: Protonen und Neutronen, bestehend aus Quarks, bilden den Atomkern, der von Elektronen umgeben ist.

[4] BERZELIUS J J. „Versuch über die Ursache chemischer Proportionen und über einige damit verbundene Umstände: nebst einer kurzen und einfachen Methode, sie auszudrücken“. Annalen der Philosophie. 181(32): 443-454. 353-364. reproduziert in DM Knight (Hrsg.). Klassische wissenschaftliche Arbeiten. New York: American Elsevier, 1968.

[5] Im Jahr 1804 hörte Berzelius Dalton einen Vortrag vor der Royal Society in London und führte eine Diskussion mit ihm, bei der er mehr über Daltons Forschung erfuhr.

[7] Unter ihnen ist die Forschung von Julius Meyer vielleicht die bemerkenswerteste. Im Jahr 1868 stellte er die Atomvolumina und Atomgewichte von 49 Elementen grafisch dar und entdeckte periodische Schwankungen. Er bereitete einen Aufsatz zur Kommentierung durch einen Freund vor, doch leider reagierte der Freund nur langsam, und der Aufsatz wurde nie fertiggestellt. Infolgedessen veröffentlichte Mendelejew vor Mayer eine umfassendere Version.

[8] Im Jahr 1815 erstellte der britische Chemiker William Prout eine detaillierte Liste, in der alle Elemente aus Wasserstoff bestehen. Diese Liste wurde im 19. Jahrhundert als „Prout-Hypothese“ bekannt.

[9] POSIN D Q. Mendelejew: Die Geschichte eines großen Wissenschaftlers. New York: McGraw-Hill, 1948.

[10] Zu sehen im Mendelejew-Museum und Archiv der Universität Sankt Petersburg.

[11] Wasserstoff wurde aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften ausgeschlossen und Edelgase (wie Helium) waren noch nicht entdeckt.

[12] Im Griechischen bedeutet das Präfix eka „folgen“.

[13] HOLTON G. Einführung in Konzepte und Theorien der Physik. 2. Rev. herausgegeben von S. Brush. Princeton: Princeton UP, 1985: 337.

[14] Das Atomvolumen einer festen oder flüssigen Substanz ist gleich ihrem Atomgewicht geteilt durch ihre Dichte.

[15] Vergessen Sie nicht, dass es möglicherweise noch unentdeckte superschwere Elemente gibt, die instabil sind und nur für kurze Zeit existieren.

[16] Primo Levis berühmtes Buch Das Periodensystem (LEVI P. The Periodic Table. London: Michael Joseph, 1985) erzählt die vielen einzigartigen Erfahrungen des außergewöhnlichen Lebens des Autors als Industriechemiker und Überlebender eines Nazi-Konzentrationslagers. Verschiedene Kapitel beschreiben unterschiedliche Ereignisse und Charaktere und jedes Kapitel ist nach einem Element benannt. So taucht beispielsweise der berühmte italienische Astrophysiker Nicolò Dallaporta, der inzwischen verstorben ist, als junger Lehrassistent in einem Kapitel mit dem Titel „Kalium“ auf, das die Geschichte des „Triest-Zwischenfalls“ im Jahr 1941 erzählt. Ich lernte Dalla Porta in den 1980er Jahren in Triest kennen. Er ist zusammen mit meinem Berater Dennis Sciama Co-Direktor der SISSA (International School of Advanced Studies) in Italien. Daher hatte ich das Vergnügen, mich selbst davon zu überzeugen, dass Dalla Porta ein ebenso charmanter und freundlicher junger Mann war, wie Levi ihn 40 Jahre zuvor gekannt hatte. Ich habe sogar herausgefunden, dass Dalla Porta von einigen Italienern gerade wegen der wichtigen Rolle, die er in Levis berühmtem Werk spielte, den Spitznamen „Kalium“ erhielt. Levi sagte einmal, dass das Studium des Periodensystems für ihn ein wichtiger psychologischer Trost war, als er während des Krieges inhaftiert und gefoltert wurde. Er wusste, dass die Täter, wenn sie Recht und Unrecht verwechseln und versuchen, die ethischen Normen der Menschheit zu manipulieren, die Fakten des Periodensystems nicht ändern können. Hier gibt es einen Grundstein der absoluten Wahrheit, den niemand erschüttern kann.

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