Der Rhythmus des Universums

Fortsetzung von „Viel Lärm um Nichts“

Das Periodensystem der Elemente - der geheimnisvolle Rhythmus der Natur

Im letzten Blog zum Thema Chemie haben wir uns mit dem merkwürdigen „elementaren“ Rhythmus beschäftigt, den Dimitri Mendelejew und Lothar Meyer im Jahr 1869 entdeckten. Was genau hat es damit auf sich?

Sortiert man die Elemente nach aufsteigender Protonenzahl, und fügt nach jedem achten Element einen Umbruch ein, entsteht die folgende Tabelle:

Das Periodensystem der Elemente

Die Reihen stellen die Perioden dar, denen das System seinen Namen verdankt. Jede Reihe entspricht einer der sieben von K bis Q bezeichneten Bohrschen Schalen. Vertikal bilden die mit IA bis VIIIA benannten Spalten die acht so genannten Hauptgruppen. Ihre wichtigste Gemeinsamkeit ist, dass jede von ihnen stets über die gleiche Anzahl an Valenzelektronen verfügt: Die Elemente der ersten Hauptgruppe haben allesamt ein Außenelektron, die der zweiten zwei und so weiter bis zur letzten Gruppe mit acht Valenzelektronen. Die Gruppenmitglieder weisen untereinander große Ähnlichkeiten auf, auch, was ihre Reaktionsneigung angeht. Die erste Hauptgruppe, die Alkalimetalle, zu denen als einziges nichtmetallisches Element auch der Wasserstoff gehört, ist hoch reaktiv. Die Elemente der zweiten Hauptgruppe, die Erdalkalimetalle, sind ein kleines bisschen weniger reaktionsfreudig. Es folgen die Erdmetalle, die Kohlenstoff-Silicium-Gruppe, die Stickstoff-Phosphor-Gruppe, die Chalkogene, die Halogene und schließlich die Edelgase. Von links nach rechts betrachtet, nimmt die Reaktionsfreudigkeit der Hauptgruppenmitglieder bis zur Mitte hin schrittweise ab und danach wieder bis zur siebten Hauptgruppe zu.

Dimitri Mendelejew. Mit Bart und Zigarette

Die magische „Acht“

Die Elemente der achten Hauptgruppe sind etwas Besonderes: Sie lassen sich durch praktisch nichts zu einer chemischen Reaktion bewegen. Edelgase mischen sich deshalb nicht unters Volk, weil sie ein grundlegendes Ideal der Natur erreicht haben – sie sind frei vom Zwang, ihre Situation verbessern zu müssen. Sie ruhen in sich selbst, bedürfnislos wie buddhistische Mönche (Im Chinesischen werden Edelgase etwas weniger poetisch als „die faulen Gase“ bezeichnet.) Da ihre Valenzschale mit acht Außenelektronen besetzt ist, befinden sie sich in einem quantenmechanischen Zustand niedrigster Energie und somit größtmöglicher Stabilität und Harmonie.

Alle übrigen Elemente sind nicht in dieser beneidenswerten Lage. Sie möchten daher ihre energetische Situation optimieren. Betrachten wir dazu die Elemente der ersten und der siebten Hauptgruppe: Sie trennt jeweils nur ein Elektron vom Glück der optimalen Edelgaskonfiguration. Die Lösung ist naheliegend. Die Angehörigen der beiden Elementgruppen schließen einen einfachen Handel: Alkalimetalle geben ihr vereinsamtes Valenzelektron gerne ab, die Halogene nehmen es dankend auf. Das erklärt die große Reaktionsfreudigkeit dieser beiden Gruppen. Wann immer sich die Gelegenheit bietet, verbinden sie sich zu einer neuen Stoffklasse, die wir als Salze bezeichnen. Das bekannteste Salz, unser Kochsalz, ist die Verbindung aus dem elektronenspendenden Alkalimetall Natrium und dem elektronenraubenden Halogen Chlor (Das griechische Wort Halogen bedeutet „Salzerzeuger.) Beide haben dabei gewonnen: Durch den Pakt erreicht Natrium die Elektronenkonfiguration des Edelgases Neon und Chlor die des Argons. Die chemische Reaktion verhilft beiden zu mehr Stabilität.

Lothar Meyer. Ob er ebenfalls rauchte? Wahrscheinlich schon.

Heavy Metal

Der Blick auf das Periodensystem zeigt uns, dass die Hauptgruppenelemente insgesamt in der Minderheit sind. Wie ein Fremdkörper hat sich ein großer Block zwischen die zweite und dritte Hauptgruppe geschoben und stört Symmetrie und Rhythmus. Dieser Block enthält die Nebengruppenelemente. Bei ihnen handelt es sich ausnahmslos um Metalle, von denen sich viele in jedem gewöhnlichen Werkzeugkasten finden: Eisenhammer, Kupferdraht, Schraubenschlüssel aus Chrom-Vanadium-Stahl, verzinktes Blech oder Federn aus Titanlegierungen. Es fällt auf, dass die Angehörigen der zehn Nebengruppen sich untereinander viel ähnlicher sind als die Hauptgruppenelemente. Doch woran liegt das? Und wieso können die Nebengruppen überhaupt einen Keil zwischen zwei Hauptgruppen treiben?

Um die Sonderrolle der Nebengruppenelemente zu verstehen, müssen wir eine spezielle Eigenheit der Aufbaulogik betrachten. Für die Hauptgruppen lässt sich die Elektronenkonfiguration direkt aus der Periodentafel ablesen. Phosphor etwa findet sich in der fünften Hauptgruppe und in der dritten Periode. Er hat somit fünf Valenzelektronen und nimmt die drei Schalen K, L und M in Anspruch. Kennt man die Aufbaulogik, lässt sich die Ordnungszahl des Phosphors mit K = 2 + L = (2 + 6) + M = (2 + 3) = 15 problemlos errechnen. Bei den Nebengruppenelementen ist das leider nicht so einfach. Betrachten wir dazu das erste Nebengruppenelement, Scandium, mit der Ordnungszahl 21. Sein Vorgänger, das Hauptgruppenelement Calcium, komplettiert mit seinem zwanzigsten Elektron das s-Orbital der N-Schale. Nach der bisherigen Logik müsste Scandium sein 21. Elektron im p-Orbital der N-Schale platzieren. Dem ist aber nicht so. Denn auf der weiter innen liegenden M-Schale sind noch Plätze frei. Elektron Nummer 21 findet daher seine Heimat im d-Orbital der dritten Schale. Das gilt auch für die nachfolgenden Elemente, bis Zink schließlich den letzten der 18 möglichen Elektronenplätze der M-Schale besetzt. Erst danach wird mit Gallium wieder der alte Hauptgruppen-Rhythmus aufgenommen und das p-Orbital der vierten Schale befüllt. Diese Logik wiederholt sich in den folgenden Perioden.

Stabilität ist Alles!

Auch die Nebengruppenelemente folgen dabei lediglich dem immer gleichen physikalischen Gesetz, nämlich, dass sie durch Abgabe von Energie an Stabilität gewinnen können. Die besonderen räumlichen Strukturen der d-Orbitale bedingen, dass es energetisch günstiger ist, das s-Orbital der äußeren Schale vor dem d-Orbital der inneren Schale zu füllen. Daher verfügen die Nebengruppenelemente zumeist über zwei Valenzelektronen, was ihre auffällige Ähnlichkeit erklärt.

Der Rhythmus der Natur offenbart sich nicht immer auf den ersten Blick

Der gleiche Rückfüllmechanismus greift auch bei den beiden Elementgruppen, die unterhalb der Periodentafel stehen. Bei ihnen handelt es sich um Unterkategorien der ersten Nebengruppe mit den wenig eingängigen Bezeichnungen Lanthanoide und Actinoide. Von den anderen Nebengruppenelementen unterscheiden sie sich quantenmechanisch dadurch, dass ihr Rückfüllorbital nicht das d- sondern das f-Orbital ist. Die Lanthanoide, angesiedelt in der sechsten Periode, gehören zu einer Gruppe von Metallen mit der poetischen Bezeichnung „seltene Erden“. Sie finden sich häufig in Hightech-Geräten wie Brennstoffzellen, Festplatten oder Plasmabildschirmen. Die zweite Gruppe, die Actinoide, gehören zur siebten Periode. Obwohl auch sie ausnahmslos Metalle sind, möchte man sie weder im Werkzeugkasten noch im Computer haben, denn sie sind allesamt radioaktiv. Die ersten vier Gruppenmitglieder, bis einschließlich Uran, kommen in der Natur noch regelmäßig vor. Danach folgen die kurzlebigen Transurane. Bis auf Neptunium und Plutonium, die auf der Erde in winzigen Spuren vorkommen, wurden sie samt und sonders für Sekundenbruchteile von Menschenhand erschaffen.

Im Periodensystem der Elemente verstecken sich noch zahlreiche weitere Muster. Zum Beispiel trennt eine beim Bor beginnende gedankliche Treppenlinie, die bis zu Astat führt, die Metalle von den Nichtmetallen. Nichtmetalle sind somit insgesamt deutlich in der Unterzahl; von ihnen gibt es im Universum gerade einmal 22 Vertreter. Wie wir noch sehen werden, sind aber vor allem sie es, die die größten chemischen Wunder zu vollbringen vermögen. 

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Wer mehr wissen will:

Sacks, Oliver (2003): „Onkel Wolfram: Erinnerungen“, Rowohlt.

Ortanderl, Stefanie / Ritgen, Ulf (2019): Chemie für Dummies. Das Lehrbuch