Das Periodengesetz

Immer wenn eine Elektronenschale sich schließt, beginnt das chemische Verhalten von vorn. Genau diese Wiederkehr ordnet die Elemente in Spalten.

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63 Elemente, nach Atomgewicht in eine Tabelle gebracht — so weit war der russische Chemiker Dmitri Mendelejew 1869 gekommen, als ihm auffiel, dass sich die chemischen Eigenschaften in regelmäßigen Abständen wiederholten, während das Atomgewicht wuchs. Denselben Takt hatten andere vor ihm gehört. Mendelejews Wagnis war ein anderes: Er ließ Lücken stehen, wo das Muster Elemente verlangte, die noch niemand kannte, und sagte — der Schritt, der aus einer sauberen Übersicht eine widerlegbare Theorie machte — deren Eigenschaften im Einzelnen voraus; die Leerstellen taufte er nach den Elementen darüber Eka-Aluminium und Eka-Silicium. 1875 fand man das Gallium, 1879 das Scandium, 1886 das Germanium, und jedes traf Mendelejews Angaben zu Gewicht, Dichte und Oxidchemie mit fast unheimlicher Genauigkeit. Die leeren Felder füllten sich genau so, wie er es angesagt hatte; damit war das Periodensystem als tiefe Regelmäßigkeit der Natur beglaubigt, und die Chemie hatte ihr erstes ordnendes Prinzip.

Warum die Tabelle funktioniert, verstand man erst mit der Quantenmechanik der 1920er Jahre. Elektronen ordnen sich in Schalen; die Chemie eines Elements hängt an den äußersten, den Valenzelektronen; und weil neue Schalen bei vorhersagbaren Ordnungszahlen beginnen, entsteht die periodische Gliederung. Die Periodizität ist also kein Zahlenzufall, sondern die sichtbare Spur einer immer wiederkehrenden Elektronenanordnung — in gewissen Abständen wiederholt sich, während die Schalen sich füllen, das äußere Bild und mit ihm der chemische Charakter des Elements. Was in einer Spalte steht, teilt ähnliche Valenzelektronenkonfigurationen: Die Alkalimetalle der ersten Spalte tragen alle ein lose gebundenes s-Elektron, die Edelgase eine abgeschlossene Schale. Deshalb hat eine Gruppe dieselben Reaktionen, dieselben Wertigkeiten, dieselbe Familienähnlichkeit — und deshalb reagieren Lithium, Natrium und Kalium aus ein und demselben strukturellen Grund heftig mit Wasser. Das Pauli-Prinzip, das Aufbauprinzip und die Quantenzahlen der Elektronenorbitale wirken zusammen und geben der Tabelle ihren eigentümlichen Zuschnitt: acht Spalten in den Hauptgruppen, zehn im d-Block der Übergangsmetalle, vierzehn im f-Block der Lanthanoide und Actinoide. Geordnet wird heute nach der Ordnungszahl, also der Protonenzahl, und nicht mehr nach dem Atomgewicht — Henry Moseleys Röntgenmessungen von 1913 haben das entschieden. Die Sortierung nach Masse hatte hartnäckige Anomalien hinterlassen; Tellur und Iod etwa standen verkehrt herum. Moseleys Spektren zeigten, dass die Kernladung die wahre Ordnungsgröße ist, was die Fälle mit einem Schlag richtigstellte und obendrein verriet, wie viele Elemente überhaupt noch fehlten. Über die 92 natürlich vorkommenden Elemente hinaus — das schwerste ist das Uran — trug dann die Elementsynthese die Tabelle weiter: erst zu den Transuranen unter den Actinoiden (Neptunium, Plutonium, Americium und andere), inzwischen zu den superschweren Elementen jenseits der Ordnungszahl 100, von denen die meisten nur Millisekunden bestehen, ehe sie zerfallen. Bis zum Element 118 reicht sie derzeit: Oganesson, benannt nach Juri Oganessjan, einem der wenigen Menschen, die ein nach ihnen benanntes Element noch selbst erlebt haben.

Warum jetztDie Materialwissenschaft — Legierungen, Halbleiter, Batterien, Katalysatoren — ist angewandtes Periodengesetz: Sucht ein Ingenieur Ersatz für ein Element, sagt ihm dessen Spalte, in welcher Nachbarschaft er fündig werden könnte, und dieselbe Überlegung führt die Suche nach billigeren Stoffen, wenn ein Metall knapp wird. Die Auseinandersetzungen um Lithium, Kobalt und Seltene Erden sind politische Kämpfe um Materialien, deren Eigenschaften ihr Platz in der Tabelle diktiert und deren Lieferketten heute die Industriestrategie ebenso prägen wie die nationale Sicherheit. Die Computerchemie schließlich, gestützt auf Dichtefunktionaltheorie und mehr und mehr auf maschinelles Lernen, erlaubt es, die Eigenschaften von Verbindungen vorherzusagen, ohne sie herstellen zu müssen: Tausende Kandidaten werden im Rechner durchgemustert, ehe auch nur einer den Labortisch erreicht. Wirkstoff- und Batterieforschung sind dadurch im vergangenen Jahrzehnt erheblich schneller geworden — und Mendelejews Tabelle ist aus einem Verzeichnis dessen, was es gibt, zu einer Karte dessen geworden, was es geben könnte.