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Zeichnung im Besitz der Oesper Collection, University of Cincinnati

Mendelejews erster Entwurf des PSE, 17.2.1869

Hintergrundwissen und Erklärungen zum PSE


Das Periodensystem der Elemente, abgekürzt PSE, ist eines der berühmtesten wissenschaftlichen Modelle, entwickelt vor allem von Dmitri Mendelejew und Lothar Meyer um 1869. Es ist eine Tabelle aller Elemente, die es auf der Welt gibt (und auch einiger, die nicht natürlich vorkommen). Welt heißt hier ausdrücklich Weltall, unsere Erde besteht aus den gleichen Stoffen wie der Rest des Universums. Die Elemente sind geordnet in Perioden (von links nach rechts) und in Gruppen (von oben nach unten).

Aus diesen Elementen besteht alle Materie um uns herum, die wir wahrnehmen. Ein Element ist ein Stoff, welcher aus Atomen besteht, die alle die gleiche Anzahl an Protonen haben. Atom kommt von dem griechischen Wort für unteilbar. Wenn man eine gewisse Menge eines Elements nimmt, zum Beispiel einen Brocken Gold, und ihn in zwei Teile teilt, dann hat man zwar zwei Brocken, aber diese sind immer noch Gold. Teilt man die kleineren Brocken weiter, dann werden sie kleiner, bleiben aber Gold. Bis zu einem bestimmten Punkt. Irgendwann hat man ein einzelnes Goldatom. Das kann man zwar auch noch teilen (auch wenn das sehr schwierig ist), aber die Teile sind dann eben kein Gold mehr. Atome sind also prinzipiell nicht unteilbar, aber sie werden bei Teilung zu ganz anderen Atomen.

Atome bestehen zum allergrößten Teil (räumlich gesehen zumindest) aus Nichts. Der Rest ist Kern und Hülle. Der Kern besteht aus Protonen und Neutronen, die Hülle aus Elektronen. Neutronen sind elektrisch neutral (daher der Name), Protonen sind positiv geladen. Sie sorgen dafür, dass die negativ geladenen Elektronen um den Kern kreisen, denn Plus und Minus ziehen sich an, wie bei einem Magneten. Die Anzahl und Anordnung der Elektronen bestimmt die chemischen Eigenschaften eines Stoffes. Am wichtigsten sind hier die Elektronen in der äußersten Schale des Atoms, die Valenzelektronen. Deswegen haben verschiedene Elemente verschiedene chemische Eigenschaften. Elemente der gleichen Gruppe haben ähnliche chemische Eigenschaften, denn sie haben die gleiche Anzahl an Valenzelektronen. Die Anzahl der Schalen eines Atoms ist abhängig von der Anzahl der Elektronen, wobei man den Begriff Schalen nicht wörtlich nehmen sollte. Elektronen machen es der Vorstellungskraft nicht so einfach, sie befinden sich nie an einem exakt bestimmbaren Ort, sondern sind immer nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit an einer Stelle.
Atome streben danach, ihre äußerste Schale mit Elektronen voll zu machen. Unter anderem dadurch kommen chemische Reaktionen und als Folge Verbindungen, die Moleküle, zu Stande, indem sich bestimmte Atome Elektronen anderer, passender Atome 'ausleihen'. Atome, deren Elektronenanzahl kleiner oder größer ist als deren Protonenanzahl und die daher geladen sind, nennt man Ionen, bei weniger Elektronen sind es Kationen, bei mehr Anionen. Verbindungen aus Kationen und Anionen heißen Salz. Edelgase haben ihre äußere Hülle ohnehin schon voll und reagieren deshalb chemisch gar nicht oder nur sehr widerwillig.
Das einfachste Element ist der Wasserstoff: ein Proton und demzufolge ein Elektron. Dann kommt Helium mit jeweils zwei. Zu den weiteren Elementen siehe oben. Zusätzlich finden sich noch Neutronen im Kern. Diese sorgen dafür, dass der Kern zusammenhält. Bei größeren Atomen ist dieser Zusammenhalt immer schwieriger zu bewerkstelligen, immer mehr Neutronen werden gebraucht. Ein bestimmtes Element hat eine ganz bestimmte Anzahl an Protonen, die Zahl der Neutronen kann aber unterschiedlich sein. Atome mit gleicher Protonenzahl aber unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotope eines Elements. Auch die Neutronenzahl ist nicht beliebig, sind es zu viele oder zu wenige, dann ist das Atom radioaktiv, es zerfällt also nach einer gewissen Zeit. Oder es kann gar nicht erst entstehen. 1H, Protium, ist das einzige Isotop, welches ohne Neutronen auskommt. Schon 2He kann nicht entstehen, es wandelt sich quasi sofort in 2H (Deuterium) um. Dabei wird ein Proton zu einem Neutron gemacht. Die hochgestellten Zahlen geben übrigens die gesamte Anzahl der Neutronen und Protonen im Kern an.
Viele Isotope sind radioaktiv. Atome mit einer ungeraden Protonenanzahl haben tendenziell weniger stabile Isotope als solche mit einer geraden. Von einigen Elementen, nämlich 43, 61 und alle ab 83, gibt es gar keine stabilen Isotope, sie zerfallen alle mehr oder weniger schnell in andere, meist kleinere Isotope. Dabei entsteht Energie, und zwar in einer Form, in der sie für Lebewesen extrem schädlich ist. Die Schädlichkeit hängt natürlich ab von der Menge der freigesetzten Energie. Das am schwächsten radioaktive Element ist Wismut, 209Bi, welches sich in einer Menge, in der es schädlich wäre, kaum auftreiben lässt. Vom berüchtigtsten Element von allen, Plutonium, reichen dagegen schon Mengen im Milligrammbereich, um einem gesunden Menschen ein sehr unschönes, baldiges Ableben zu bescheren. Sehr stark radioaktive Elemente dagegen, wie jene mit den dreistelligen Nummern, lassen sich bislang ohnehin nur mit großem Aufwand in kleinsten Mengen herstellen und zerfallen rasch wieder.

Manche Elemente erzeugen bei einer Teilung Energie (die größeren), andere bei einer Fusion (die kleineren). Die kontrollierte Teilung von schweren Elementen, wie sie in Kernkraftwerken stattfindet, ist technisch einfacher, aber mit viel mehr Nebenwirkungen behaftet, genannt seien hier nur das völlig ungelöste Problem der sicheren und dauerhaften Verwahrung von Atommüll, der Austritt radioaktiver Substanzen wie 137Caesium, Umweltkatastrophen wie jene von Tschernobyl und Fukushima. Die Kernfusion hingegen wäre mit geringen Risiken betreibbar, da hier keine Atomexplosion größeren Ausmaßes droht, Radioaktivität nur lokal frei wird und als Abfallstoff lediglich das ungefährliche 4Helium entsteht. Das Problem ist die enorme technische Schwierigkeit, eine kontrollierte Fusion über einen längeren Zeitraum zu bewerkstelligen. Um zu sehen, welche Energie die Fusion von Wasserstoff zu Helium freizusetzen vermag, muss man sich nur mal die Sonne ansehen (aber bitte nicht mit ungeschützten Augen). Insofern gibt es einfache und sinnvolle Möglichkeiten, Fusionsenergie zu gewinnen: durch Solarzellen und Photovoltaik. Aber das ist wieder ein anderes Thema.
Fusion oder Zerfall, ein Ende ist bei 56Eisen. Dieses Isotop ist, zusammen mit Eisen 58 und Nickel 62, der energetische Idealzustand der Materie, der Kern mit der höchsten Bindungsenergie je Kernteilchen (Bindungsenergie ist negative potentielle Energie). Um ihn in irgend einen anderen Kern zu verwandeln, müsste wieder Energie zugeführt werden.

Die meisten Elemente sind Metalle, was auf den ersten Blick verwundert, da man in der Natur anscheinend nur selten auf sie trifft. Das liegt daran, dass die meisten Metalle sehr gerne mit anderen Stoffen reagieren und dann in Verbindungen vorliegen, in denen man sie nicht ohne weiteres als solche erkennt. Es fehlt dann der metallische Glanz. In reinen Metallen und Legierungen aus mehreren Metallen bilden die Atome ein räumliches Gitter, in dem die Elektronen frei beweglich sind. Dadurch entstehen die typisch metallischen Eigenschaften wie gute Leitfähigkeit, Verformbarkeit und eben jener Glanz. Die Metalle finden sich im Periodensystem nach links unten ausgerichtet, vereinfacht gesagt ist ein Element umso mehr Metall, je schwerer (nach Atommasse) es ist und je weniger Valenzelektronen es besitzt. In obiger Darstellung des PSE sind die Metalle blau hinterlegt.

Als erstes Element entstand beim Urknall der Wasserstoff in Form von einzelnen Protonen. Die ersten drei Minuten war das Universum noch so heiß und dicht, dass dieser zu Helium fusionieren konnte. Danach geschah in der Elementbildung erst mal lange nichts mehr, es gab damals zwölf mal mehr Wasserstoffkerne als Heliumkerne, oder die dreifache Masse an Wasserstoff, aber keine anderen Atome.
Erst als sich nach vielen Jahrmillionen Sterne bildeten, wurden wieder neue Elemente geschaffen, im Sterninneren, bei vielen Millionen Grad. Sterne erzeugen am Ende ihres Lebens schwerere Elemente wie Kohlenstoff, die allerschwersten Elemente, sogar jene weit jenseits des Eisens, entstehen aber bei den Explosionen großer Sterne, den Supernovae. Unzählige dieser Explosionen mussten über Jahrmilliarden hinweg stattfinden, bis genug schwere Elemente da waren, um Planeten wie die Erde zu ermöglichen. Wir alle sind aus Sternenstaub, erbrütet in explodierenden Sonnen. Im Universum beträgt der durchschnittliche Anteil an Atomen schwerer als Helium immer noch weniger als ein Prozent. Dass auf der Erde Wasserstoff und Helium nicht mehr in der Mehrheit sind liegt daran, dass diese leichten Gase bei der Entstehung der Erde dieser durch starke Sternwinde entrissen wurden. Wasserstoff kann sich mit anderen Elementen verbinden und Moleküle bilden (wie H2O, Wasser) und ist deshalb noch in einigermaßen großer Menge da, dem Helium aber fehlt diese Fähigkeit, weswegen es auf der Erde selten ist.


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