Das Periodensystem wird 150 Jahre alt – und wächst beständig

23. Mai 2019

Vor 150 Jahren wurde das Periodensystem vorgestellt. Fast jeder kennt die Tabelle, die alle bekannten chemischen Elemente vereint. Für die einen ist sie ein Albtraum aus Schultagen, für die anderen eine wissenschaftliche Großtat, die bis heute Bestand hat. Prof. Dr. Christoph Düllmann und Prof. Dr. Michael Block vom Institut für Kernchemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) gehören definitiv zur zweiten Gruppe. Sie forschen zu den superschweren Elementen, die erst in den letzten Jahrzehnten entdeckt wurden.
 

Wenn es ausgedruckt auf dem Tisch liegt, wirkt es nicht unbedingt eindrucksvoll: Das Periodensystem, das die chemischen Elemente aufführt, passt problemlos auf ein DIN-A4-Blatt. "Dmitiri Iwanowitsch Mendelejew war derjenige, der zum ersten Mal alle bekannten Elemente ordnete und daraus Vorhersagen für noch unbekannte Elemente ableitete", erzählt Prof. Dr. Christoph Düllmann. "Mendelejew sollte ein Lehrbuch schreiben und musste dafür eine bestimmte Reihenfolge wählen. Durch eine systematische Anordnung mit wiederkehrender Abfolge sich ähnlich verhaltender Elemente konnte er die Gesetzmäßigkeiten so weit beschreiben, dass sich alle Elemente einordnen ließen, und er konnte darüber hinaus sogar sagen: Hier lasse ich eine Lücke, denn da würde eigentlich noch ein Element reinpassen, und dies müsste sich so oder so verhalten." Das ist nun 150 Jahre her.

"Dann entdeckte der Chemiker Clemens Winkler in Freiberg 1886 das Germanium", nimmt Prof. Dr. Michael Block den Faden auf. "Es passte genau in eine dieser Lücken. Das war für die Akzeptanz von Mendelejews Periodensystem entscheidend." Als letzterer sein System entwickelte, gab es noch deutlich weniger Elemente als heute. Auch die Kenntnisse über sie reichten weniger tief. "Das Konzept der Atome war beispielsweise noch unbekannt. Das erste allgemein akzeptierte Modell, das Bohr'sche Atommodell, wurde erst 1913 vorgestellt. Aber Mendelejew brauchte es gar nicht."

Ordnung in der Welt der Elemente

Das Periodensystem hat bis heute Bestand: "Es ist ein Schwergewicht unter den Symbolen der Naturwissenschaft", bemerkt Düllmann. Es hängt als Poster in Klassenräumen und Hörsälen, es schmückt T-Shirts und Tassen – und es beschäftigt bis heute Wissenschaftler in aller Welt. Um diesen bahnbrechenden Beitrag zur Chemie zu würdigen, erklärten die Generalversammlung der Vereinten Nationen und die UNESCO das Jahr 2019 zum Internationalen Jahr des Periodensystems.

Düllmann ist geschäftsführender Leiter des Instituts für Kernchemie der JGU, an dem er wie Block eine Arbeitsgruppe leitet, die zu superschweren Elementen forscht: Elementen, die in der Natur nicht vorkommen und von denen Mendelejew noch keine Ahnung hatte. Beide sind zugleich Professoren am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, das auf diesem Gebiet eng mit der JGU kooperiert, und leiten Arbeitsgruppen am Helmholtz-Institut Mainz.

"Das schwerste Element, das in der Natur in großen Mengen vorkommt, ist Uran", sagt Düllmann. Es hat die Ordnungszahl 92, was bedeutet, dass sein Atomkern 92 Protonen enthält. Im Periodensystem sind die Elemente in Zeilen und nach aufsteigenden Ordnungszahlen notiert: Es beginnt mit dem Wasserstoff, der mit einem Proton im Kern auskommt, und es endet – im Moment noch – beim Oganesson mit seinen 118 Protonen.

Mit den Protonen korrespondieren die Elektronen, die den Kern umkreisen. Sie sind in Schalen angeordnet. Jede Schale kann eine gewisse Anzahl an Elektronen aufnehmen: Die erste wird höchstens von zwei, die zweite Schale bereits von bis zu acht Elektronen besetzt. "Elemente, die in ihrer äußeren Schale jeweils dieselbe Anzahl von Elektronen aufweisen, sind im Periodensystem untereinander in Spalten angeordnet", erklärt Block. "Sie ähneln sich sehr in ihren chemischen Eigenschaften." So beginnt die linke Spalte mit dem Wasserstoff, der ein Elektron in der ersten Schale aufweist. Es folgen Lithium, bei dem die erste Schale voll besetzt ist, und bei dem die zweite ein Elektron aufweist, und Natrium mit einem Elektron in der dritten Schale.

Flevorium tanzt aus der Reihe

Dieses Grundlagenwissen führt direkt zu Blocks und Düllmanns Forschung: den superschweren Elementen: Elemente jenseits des Urans lassen sich heute künstlich herstellen, teils in Kernreaktoren, teils in Beschleunigern. Jenseits der Ordnungszahl 104 gelten sie als superschwer. "Die ersten Elemente in diesem Bereich können wir mit Raten von mehreren Atomen pro Minute herstellen", erklärt Düllmann. Doch je schwerer sie werden, desto schwerer fällt auch ihre Produktion. Block und Düllmann interessieren sich vor allem für das Flevorium mit der Ordnungszahl 114. "Davon können wir pro Tag allerdings nur drei Atome herstellen, die dann etwas länger als eine Sekunde leben. Beim Oganesson ist es sogar nur ein Atom in der Woche, das nicht mal eine Sekunde besteht.", ergänzt Block. Der Kern dieser instabilen Elemente ist zu schwer. Seine Protonen streben auseinander.

Die Chemiker wollen wissen, über welche Eigenschaften die superschweren Elemente verfügen. "Flevorium findet sich in einer Spalte mit Kohlenstoff, mit dem Halbleiter Silizium, mit Zinn und mit Blei." Düllmann zeigt auf den entsprechenden Bereich im Periodensystem, überschrieben mit der Zahl 14. "Wenn es seinen nächsten Gruppennachbarn ähnelt, sollte es also reagieren wie ein Schwermetall. Aber es gibt Hinweise, dass es sich vielleicht eher wie ein Edelgas verhält." Sein Finger wandert ganz nach rechts zur Spalte 18 mit Helium und Co. "Das wäre schon eine Verrücktheit."

Flevorium wird im Beschleuniger an der GSI erzeugt: Die Atomkerne zweier Elemente, deren Ordnungszahl zusammen 114 ergibt, müssen miteinander kollidieren. "Theoretisch könnten wir zwei Mal die 57 nehmen, aber die beiden Kerne sind zu groß, sie stoßen sich zu stark ab und verschmelzen nicht zu einem einzigen Kern", führt Block aus. "Es ist Teil unserer Arbeit, hier die effektivsten Methoden zu finden." Als ideal hat es sich erwiesen, Calcium (20) auf dünne Targets wie Plutonium (94) zu schießen.

Per Magnetspektrometer werden die entstehenden Atome abgetrennt, sodass die Flevorium-Atome für Experimente verfügbar sind. Diese sausen direkt weiter ins Experiment: Düllmanns Arbeitsgruppe leitet sie zum Beispiel in einen Detektor, der mit einer Reihe goldbedampfter Plättchen armiert ist. Verhält sich das Flevorium Blei-ähnlich, reagiert es stark mit Gold und bindet sich gleich an eines der vorderen Plättchen. Weist es eher die Eigenschaften eines Edelgases auf, bindet es nur schwach und fliegt im Detektorkanal weiter, bis es auf einem der hinteren, gekühlten Plättchen landet.

Wie viele Elemente werden kommen?

Blocks Team nutzt Laser: "Wir schauen, welche Farben ein Atom absorbiert. So bekommen wir eine Art Fingerabdruck des Elements." Es wird mit Licht wechselnder Frequenzen bestrahlt, wodurch einige Elektronen ihre Umlaufbahn wechseln. Diese Bahn wird von den Protonen des Kerns beeinflusst. Eine weitere Beeinflussung von außen lässt Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Kerns zu. "Wir wissen zum Beispiel, dass die meisten Kerne gar nicht kugelförmig, sondern eher oval wie ein Football sind."

Das Element 112 wurde 1996 bei der GSI in Darmstadt erzeugt. Das Element 114 fand offiziell im Jahr 2011 Eingang ins Periodensystem. Die Entdeckung des Elements 118 wurde 2016 anerkannt. Wann wird dieser Reigen neuer Elemente enden? "Ich bin überzeugt, dass 119 kommen wird", sagt Düllmann. Auch bei 120 und 121 ist er optimistisch. "Aber die Elemente werden immer instabiler, und ihre Herstellung wird immer schwieriger." Das ließe sich vielleicht ändern, wenn es gelänge, neben den Protonen mehr Neutronen in den Atomkern zu bringen. Auf diese Weise entstehen andere sogenannte Isotope, die nur in der Zahl dieser Neutronen abweichen. Bereits jetzt wird die Lage damit entspannt und die Halbwertszeit bekannter Elemente verlängert: "Es ist gewissermaßen der Heilige Gral unserer Forschung, das weiter voranzutreiben", verdeutlicht Block.

Aber auch dann wird es nicht endlos weitergehen. Ab einem bestimmten Punkt wird eines der instabilen Elemente gebraucht, um ein noch instabileres Element zu erzeugen. "Davon aber haben wir nicht genug zur Verfügung", erläutert Block. "Vor allem aber sind wir ab einem bestimmten Punkt so weit, dass der Kern schneller zerplatzt, als die Elektronenhülle um ihn herum entsteht", meint Düllmann. "Das ist die Grenze. Doch bei welchem Element sie endgültig erreicht wird, weiß heute noch niemand zu beantworten."