Der Vater des Periodensystems

Der Drang, Muster in unserer Umgebung zu entdecken, scheint ein grundlegendes menschliches Merkmal zu sein. Vor Tausenden von Jahren bauten unsere abgelegenen Vorfahren massive Steindenkmäler, die genau auf wichtige Punkte im jährlichen Sonnenzyklus ausgerichtet waren. Jahrhundert bemerkten nachdenkliche Chemiker Familienähnlichkeiten zwischen den Elementen und versuchten, sie in ein erklärendes Paradigma einzubetten.,

Vor anderthalb Jahrhunderten unternahm Dmitri Mendeleev einen entscheidenden Schritt bei dieser Suche nach Ordnung unter den Elementen, indem er den ersten Entwurf seines Periodensystems veröffentlichte. 2019 feiert die weltweite Gemeinschaft der Chemiker dieses Jubiläum zu Recht. Wie Stonehenge spiegelt die Tabelle Regelmäßigkeiten in der Natur wider, die auf Ursachen zurückzuführen sind, die bei der ursprünglichen Konstruktion mysteriös blieben. Aber wie kam Mendeleev, um sein Denkmal zu bauen?,

Frühe Jahre

Dmitri wuchs in Sibirien am äußeren Rand der westlichen Zivilisation auf. Sein Zuhause, Tobolsk, ist 1000km näher an Peking als an Paris, und sein Weg von dort zur wissenschaftlichen Eminenz war schwierig., Er war der jüngste von mehr als einem Dutzend Mendeleev-Geschwistern, und bald nach seiner Geburt im Jahr 1834 zwang die Krankheit seinen Vater Ivan, einen Gymnasiallehrer, in den Ruhestand. Die Unzulänglichkeit von Ivans Rente trieb seine Frau Maria dazu, die Leitung eines halb verfallenen Glaswerks zu übernehmen, das früher von ihrem Bruder geführt wurde.

Dieses Unternehmen unterstützte die Familie bis 1848, als es niederbrannte. Dann starb Ivan und 1849 brachte Maria ihre beiden jüngsten Kinder nach Moskau, in der Hoffnung, dass ihr Bruder Dmitri helfen würde, dort die Universität zu betreten., Als dieser Plan fehlschlug, zogen sie nach St. Petersburg und 1850 wurde Dmitri (etwas widerwillig) vom College akzeptiert, an dem sein Vater eine Ausbildung zum Lehrer absolviert hatte. Ein Dozent dort-Alexander Voskresensky, der in Deutschland bei Justus Liebig studiert hatte – förderte Dmitris Interesse an Chemie.

Er schloss sein Studium 1855 ab und seine Dissertation über Isomorphismus und andere Beziehungen zwischen physikalischer Form und chemischer Zusammensetzung wurde in einer Bergbauzeitschrift veröffentlicht. Weitere Artikel für wissenschaftliche und technische Zeitschriften folgten, ihm fehlte jedoch ein sicheres Einkommen., Zu diesem Zeitpunkt waren sowohl seine Mutter als auch seine Schwester gestorben, und er selbst litt an Tuberkulose. Ein Jahr später im gutartigeren Klima der Krim verbesserte sich jedoch seine Gesundheit erheblich, und ein neuer Arzt wies die vorherige Diagnose zuversichtlich zurück.

Im Herbst 1856 verteidigte Mendeleev erfolgreich eine Masterarbeit über Beziehungen zwischen den spezifischen Stoffvolumina und ihren kristallographischen und chemischen Eigenschaften. Kurz darauf lizenzierte ihn die Universität St. Petersburg als Chemielehrer und ermöglichte ihm den Zugang zu seinem Labor., 1859 erhielt er eine staatliche Förderung für zwei Jahre fortgeschrittenes Auslandsstudium.

Karriere begründen

An der Universität Heidelberg in Gemany forschte Mendeleev zu verschiedenen Themen, darunter Oberflächenspannung, Kapillarität und Verdunstung, und er interessierte sich während seiner gesamten Karriere für intermolekulare Kräfte. 1860 nahm er an der Karlsruher Konferenz teil, auf der der italienische Chemiker Stanislau Cannizzaro ein bahnbrechendes Papier über Atomgewichte (jetzt relative Atommassen genannt) vorstellte., Dies war ein entscheidender Schritt in Richtung des Periodensystems, da es zuvor erhebliche Streitigkeiten über die Zuordnung von Atomgewichten zu den Elementen gegeben hatte.

Einige Chemiker behaupteten, diese Gewichte seien irrelevant oder bestritten die physikalische Existenz von Atomen insgesamt. Andere bevorzugten ein System, das auf einem Atomgewicht von acht für Sauerstoff basierte, unter der Annahme, dass die Formel des Wassers H2O und nicht H2O war. Aber in Karlsruhe belebte Cannizzarro die Ideen seines Landsmanns Amadeo Avogadro, um die H2O-Wasserformel zu unterstützen, und ein Atomgewicht von 16 für Sauerstoff., Während der 1860er Jahre verlagerte sich die Meinung zu seinen Gunsten – zum Glück für Mendeleev, da die Gesetzmäßigkeiten, die ihn auf das Periodensystem hinwiesen, auf dem älteren System weniger sichtbar gewesen wären.

Nach seiner Rückkehr nach St. Petersburg im Jahr 1861 nahm Mendeleev seine Lehre an der Universität wieder auf und lehrte auch am Technologischen Institut der Stadt. Darüber hinaus veröffentlichte er ein Lehrbuch für organische Chemie und mehrere Artikel für eine technische Enzyklopädie sowie eine weite Reise auf der Suche nach Möglichkeiten, wissenschaftliche Entdeckungen auf die wirtschaftliche Entwicklung Russlands anzuwenden., Ein Besuch auf den Ölfeldern von Baku im Jahr 1863 begann sein langfristiges Engagement für die aufstrebende petrochemische Industrie.

Mendelejews Doktorarbeit (zur Lösungstheorie) wurde 1865 angenommen und 1867 von der Universität zum Professor für allgemeine Chemie ernannt. Er musste Vorlesungen über anorganische Chemie halten, und da es kein zufriedenstellendes russisches Lehrbuch gab, begann er eines zu schreiben. Dies konzentrierte seinen Geist auf die Herausforderung, die chemischen Elemente in einem geordneten Muster zu arrangieren., Mehrere andere – darunter Leopold Gmelin in Deutschland, Jean-Baptiste Dumas in Frankreich und John Newlands in England – versucht hatte, dies mit begrenztem Erfolg. Mendeleev war sich einiger dieser Bemühungen bewusst, aber sein eigener Ansatz war in wichtiger Hinsicht unverwechselbar.

Karten auf den Tisch legen

Der Durchbruch kam Anfang 1869, als Mendeleev sich auf eine weitere Industrietour vorbereitete – diesmal zur Erforschung und Verbesserung der Käseherstellungstechniken. Nachdem er den ersten Band seines Lehrbuchs fertiggestellt hatte, bemühte er sich, einen Rahmen für den zweiten zu schaffen.,tomische Gewichte und typische Eigenschaften, analoge Elemente und ähnliche Atomgewichte auf separaten Karten, und dies überzeugte mich bald, dass die Eigenschaften der Elemente in periodischer Abhängigkeit von ihren Atomgewichten stehen…‘
D Mendeleev, Principles of Chemistry, 1905 (Hervorhebung hinzugefügt)

Mendeleev legte seine Karten in Spalten und Zeilen aus, als ob in einem Solitär – oder Geduldsspiel-ein beliebter Zeitvertreib von ihm während Eisenbahnfahrten., In den vertikalen Spalten wurden die bekannten Elemente in der Reihenfolge der Erhöhung des Atomgewichts aufgelistet, wobei immer dann eine neue Spalte gestartet wurde, wenn dies es ihm ermöglichte, Elemente mit ähnlichen Merkmalen in dieselbe horizontale Zeile einzufügen.

Wie andere Chemiker festgestellt hatten, gehörten einige Gruppen von Elementen – insbesondere die Alkalimetalle und die Halogene – eindeutig zusammen. Aber viele andere – insbesondere die Seltenerdelemente (Lanthaniden) – stellten Probleme dar, wie auch immer sie angeordnet waren. Zu diesem Zeitpunkt weigerte sich Mendeleev im Gegensatz zu den meisten seiner Vorgänger, den Kampf aufzugeben.,

Wenn die Position eines Elements in seiner Tabelle anomal erschien, war er bereit, sein Atomgewicht anzupassen, um ihm kompatiblere Begleiter zu geben. Zum Beispiel schlug er vor, dass die Formel für Berylliumoxid BeO anstelle der akzeptierten Be2O3 war. Dies senkte das Atomgewicht von Beryllium und ermöglichte es ihm, es mit Magnesium anstelle von Aluminium zu lokalisieren.

Am 6. März 1869 wurde der Russischen Chemischen Gesellschaft (einer Organisation, zu deren Gründung er einige Monate zuvor beigetragen hatte) die erste grobe Skizze seines Tisches präsentiert., Später in diesem Jahr veröffentlichte die Zeitschrift der Gesellschaft eine allgemeinere Version, von der ein kurzer Abstract in deutscher Übersetzung erschien. Es erregte außerhalb Russlands wenig Aufmerksamkeit, aber Mendeleev beharrte und legte weiterhin mehr Karten auf seinen Tisch.

Beachten Sie die Lücken

Das überarbeitete Diagramm Mendeleev, das 1871 veröffentlicht wurde, sieht modernen Augen vertrauter aus. Um es zusammenzustellen, machte er weitere Annahmen. Zum Beispiel senkte er das Atomgewicht von Tellur und machte seinen Nachbarn Jod zum schwereren der beiden., Dies erlaubte ihm, Jod mit den Halogenen und Tellur mit Schwefel und Selen zu platzieren. Solche Anpassungen lagen zu diesem Zeitpunkt wohl im Bereich experimenteller Fehler. Mendelejew hätte jedoch nicht voraussehen können, dass die Ordnungszahl und nicht das Atomgewicht später zum Ordnungsprinzip der Tabelle werden würden oder dass die Identifizierung von Isotopen durch Massenspektrometrie diese und andere Anomalien schließlich erklären würde.,

Mit gleicher Kühnheit verbesserte Mendeleev die Kohärenz seines Tisches, indem er Lücken für noch unentdeckte Elemente ließ, um das von ihm geplante Muster zu vervollständigen. Neben der Vorhersage ihres chemischen Charakters ordnete er ihnen auch fiktive Werte für physikalische Eigenschaften wie spezifisches Gewicht und Schmelzpunkt zu.,

Das erste-Gallium-wurde 1875 von einem französischen Chemiker, Paul Lecoq de Boisbaudran, spektroskopisch identifiziert. Als genug davon zum Testen zur Verfügung stand, stimmten alle Eigenschaften von Gallium mit Mendelejews Vorhersagen überein – mit Ausnahme seines spezifischen Gewichts, das 4,7 zu sein schien. Nachdem Mendeleev jedoch neue Messungen empfohlen hatte, wurde festgestellt, dass sie 5,9 waren – praktisch identisch mit seiner vorhergesagten Zahl.,

Die Entdeckung von Scandium im Jahr 1879 und Germanium im Jahr 1885 – beide zeigten die Eigenschaften, die Mendeleev für sie vorhergesagt hatte – überzeugte mehr Chemiker, dass sein Tisch trotz seiner verbleibenden Anomalien zu nützlich war, um ihn zu ignorieren. Inzwischen haben auch andere Forscher (insbesondere Lothar Meyer in Deutschland) periodische Schwankungen in den physikalischen Eigenschaften der Elemente hervorgehoben. Mendeleev bemerkte später: „Obwohl ich Zweifel an einigen obskuren Punkten hatte, habe ich nie an der Universalität dieses Gesetzes gezweifelt, weil es unmöglich das Ergebnis des Zufalls sein konnte.,“

Während er das überbordende Prinzip der Periodizität richtig einschätzte, war Mendeleev als Prophet nicht unfehlbar. Er sagte mehrere andere Elemente voraus, die nie gefunden wurden. Und er argumentierte bis zu seinem Lebensende, dass der Äther – eine wesentliche, aber nicht nachweisbare Komponente in damals akzeptierten Theorien über Licht und Elektromagnetismus-wirklich ein chemisches Element sei, obwohl er es im Labor nicht isoliert habe. Er schlug vor, es könnte das leichteste der Edelgase mit einem Atomgewicht von 0,17 sein.,

Spätere Jahre

In seinem Privatleben war Mendeleev trotzig unkonventionell. Er ließ sich nur einmal im Jahr Haare schneiden und Bart schneiden und lehnte es ab, diesen Brauch auch für ein Publikum mit dem Zaren zu variieren. Auch seine häuslichen Arrangements waren etwas unregelmäßig. 1862 heiratete er Feosva Lescheva, nachdem er von einer wohlmeinenden älteren Schwester in ihre Richtung gelenkt worden war, die dachte, es sei Zeit, dass er sich niederließ. Das Paar hatte zwei Kinder, aber nach einer Zeit zunehmenden gegenseitigen Unglücks stimmten sie der Trennung zu und besetzten abwechselnd Dmitris Stadthaus und seinen Landsitz.,

Einige Jahre später verliebte sich Dmitri in Anna Popov, eine 17-jährige Kunststudentin. Als Annas Eltern sie wegschickten, um ihr Studium in Rom fortzusetzen, folgte Dmitri ihr, und 1881 schlug der 47-Jährige die Heirat vor. Anna akzeptierte, aber auch nach der Scheidung von Dmitri und Feosva blieb ein weiteres Hindernis bestehen. Die russisch-orthodoxe Kirche erkannte bürgerliche Scheidungen an, forderte jedoch eine siebenjährige Pause vor einer nachfolgenden Ehe., Trotzdem fand Dmitri 1882 einen Priester, der (gegen eine beträchtliche Gebühr) bereit war, die Zeremonie vorzeitig durchzuführen, und trotz ihrer zweideutigen – und technisch berüchtigten – Situation lebte das Paar glücklich zusammen und zog vier Kinder auf.

In der Politik war Mendeleev auch ein Außenseiter – ein ausgesprochener Liberaler, der 1890 seine Professur niederlegte, um sich von der harten Unterdrückung der Studentenproteste durch die Regierung zu distanzieren. Diese Geste wurde von seinen Schülern begrüßt, provozierte aber in offiziellen Kreisen Feindseligkeit., Dennoch schätzte Sergius Witte, Russlands Finanzminister von 1892, den Wert der Beiträge Mendelejews und ernannte ihn 1893 zum Leiter des Ministeriums für Gewichte und Maße der Regierung. Von dieser Basis aus setzte er wissenschaftliche Erkenntnisse fort, um die wirtschaftliche Entwicklung Russlands zu unterstützen.

1905 ehrte die Londoner Royal Society Mendeleev mit ihrer Copley-Medaille, nachdem sie bereits 1882 die Davy-Medaille erhalten hatte., Im Jahr 1906 wurde er für den Nobelpreis nominiert, aber obwohl das Chemiepanel seine Kandidatur unterstützte, entschied das Preiskomitee, dass seine Entdeckung nicht neu genug war, um ihn für eine Prüfung zu qualifizieren. Die Entscheidung wurde wahrscheinlich von dem schwedischen Physiker Svante Arrhenius beeinflusst, der in der Vergangenheit mit Mendeleev zusammengestoßen war.

Fast ein halbes Jahrhundert nach seinem Tod 1907 trat Mendeleev einem noch exklusiveren Club bei. 1955 bombardierten Physiker auf dem Berkeley-Campus der Universität von Kalifornien Element 99 (Einsteinium) mit Alphateilchen, um Spuren von Element 101 zu erzeugen., Offiziell als „Mendelevium“ bestätigt, hat dieses neue Element seinen Namen in das von ihm geschaffene Symbol eingebettet. Bis dahin war das Layout der Tabelle in Bezug auf subatomare Strukturen und Quantenenergieaustausch erklärbar, auf einer Detailebene, die Mendeleev nie hätte vorhersehen können. Dies verringert jedoch keineswegs die Statur seiner Leistung.

Andere vor ihm hatten vorgeschlagen, dass die Liste der bekannten Elemente in einem sinnvollen Muster angeordnet sein könnte. Sie stellten signifikante Entsprechungen fest, fanden aber kein endgültiges Bild., Mendeleev war jedoch überzeugt, dass die chemischen Elemente als kollektive Einheit betrachtet werden müssen. Mit dieser Überzeugung bewaffnet, gab er seinem Tisch Kohärenz, indem er mutig die Positionen einiger bekannter Elemente revidierte und Lücken für andere noch unentdeckt ließ. Obwohl einige seiner Vorhersagen falsch waren, erzielte er genug Treffer, um seinen Tisch als Grundlage für unser Verständnis der Elemente zu etablieren und seinen Status als einer der Begründer der modernen Chemie zu bestätigen.,

Mike Sutton ist ein science historian based in Newcastle, UK

Weiter Lesen

W H Brock, The Fontana History of Chemistry, Fontana Press, 1993
M Fontani, M Costa und M V Orna, Die Verlorenen Elemente: Das Periodensystem der Schatten Seite, Oxford University Press, 2015
E R Scerri, The Periodic Table: seine Geschichte und seine Bedeutung, Oxford University Press, 2006