Debatte um zwei Elemente

Wird das Periodensystem umgekrempelt?

Von Uta Bilow
 - 11:17

Im Periodensystem der Elemente herrscht gemeinhin Ordnung. Jedes der 118 bekannten chemischen Elemente – vom Wasserstoff bis zum Oganesson – hat seine feste Position in der Systematik, die 1869 Dmitri Mendelejew und Lothar Meyer unabhängig voneinander aufstellten. Die beiden Wissenschaftler erkannten die periodischen Gesetzmäßigkeiten und ordneten die damals bekannten chemischen Elemente in einer Art Tabelle an, die sich seitdem vielfach bewährt hat. Eigentlich hat jedes Element darin seinen zugewiesenen Platz. Doch um zwei Elemente – Lanthan und Actinium – schwelt seit geraumer Zeit eine Debatte.

Mendelejew und Meyer versuchten, die chemischen Elemente anhand von Atommassen und ähnlichen Eigenschaften zu ordnen. Auf diese Weise gelangten Natrium und Kalium in die gleiche Tabellenspalte – sie wird bis heute als erste Hauptgruppe bezeichnet –, während Halogene wie Chlor und Brom in einer anderen Spalte notiert wurden. Später wurde das eigentliche Ordnungsschema hinter dieser Systematik erkannt: die Elektronenkonfiguration. Von einem Element zum nächsten gelangt man, wenn man immer genau ein Elektron hinzufügt. Die räumliche Verteilung der Elektronen in der Atomhülle folgt dabei einem Schema, das durch quantenmechanische Regeln bestimmt wird. Letztlich stehen im Periodensystem stets jene Elemente in der gleichen Gruppe untereinander, bei denen die äußeren Elektronen nach dem gleichen Muster verteilt sind. In der ersten Hauptgruppe besitzen alle Elemente ein s-Elektron in der äußeren Schale – Elektronen in darunterliegenden, abgeschlossenen Schalen bleiben unberücksichtigt. Alle Halogene haben zwei s- und fünf p-Elektronen. Da diese sogenannten Valenzelektronen das chemische Verhalten bestimmen, leitet sich hieraus unmittelbar ab, dass Elemente mit gleicher Elektronenkonfiguration ähnliche Eigenschaften besitzen und chemisch ähnlich reagieren.

Herrscht bis zu diesem Punkt noch Einigkeit in der Community, scheiden sich die Geister an der korrekten Plazierung der Elemente Lanthan (La) und Actinium (Ac). Gehören diese beiden Substanzen zu den sogenannten d-Block- oder den f-Block-Elementen? Bei diesen Metallen werden Orbitale aufgefüllt, die in der Atomhülle weiter innen liegen. Im Periodensystem werden diese beiden Blöcke durch zwei Einschübe dargestellt. Vor allem die Elemente des f-Blocks sprengen eine kompakte Übersicht, da die Tabelle dann insgesamt 32 Spalten umfassen müsste. Sie werden deshalb normalerweise unterhalb des Periodensystems separat angegeben. Ausnahmen sind faltbare Periodensysteme oder Klapptafeln.

Generationen von Chemikern haben gelernt, dass Lanthan und Actinium in der dritten Nebengruppe eingeordnet werden, unterhalb von Scandium und Yttrium (siehe Grafik). Das betont die identische Valenzelektronenkonfiguration der vier Elemente, die jeweils zwei s- und ein d-Elektron umfasst. Periodensysteme in dieser Gestaltungsweise findet man bei der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) und der britischen Royal Society of Chemistry. Jeweils nach Lanthan und Actinium folgen dann als Einschub die f-Block-Elemente, die sogenannten Lanthanoiden und Actinoiden. Sie umfassen die Elemente Cer bis Lutetium (Ordnungszahlen 58 bis 71) und Thorium bis Lawrencium (Ordnungszahlen 90 bis 103).

Arbeitsgruppe sammelt belastbare Belege

Seit geraumer Zeit lassen sich auch andere Darstellungen finden, bei denen Lutetium (Lu) und Lawrencium (Lr) in der dritten Nebengruppe auftauchen. Lanthan und Actinium werden stattdessen im f-Block aufgeführt. Die Begründung dafür: Lutetium und Lawrencium haben jeweils 14 f-Elektronen und somit keine leeren f-Orbitale, wie auch Scandium und Yttrium. Außerdem sind die chemischen Eigenschaften dieser vier Elemente recht ähnlich.

Und dann gibt es noch Darstellungen, die enthalten sich jeden Streits. Hier steht kein bestimmtes Element auf den Plätzen unterhalb von Scandium und Yttrium. Stattdessen findet sich dort schlicht die Beschriftung „La-Lu“ und „Ac-Lr“. Jede dieser Reihen umfasst insgesamt 15 Elemente.

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Diese Version wird derzeit auch von der „International Union of Pure and Applied Chemistry“ (IUPAC) favorisiert. Die Vereinigung wurde vor rund 100 Jahren von Chemikern gegründet mit dem Ziel, die chemische Fachsprache einheitlich zu gestalten. Seitdem gibt die IUPAC beispielsweise Empfehlungen zu Nomenklatur oder Symbolen, und sie entscheidet über die Namen für neuentdeckte Elemente. Vor zweieinhalb Jahren hat sie eine Arbeitsgruppe ins Leben gerufen, die im Streit um die Elemente in der dritten Nebengruppe eine Entscheidung herbeiführen soll.

Derzeit werden Belege und Argumente für die verschiedenen Varianten gesammelt. Ein Fülle von Details über die chemischen und physikalischen Eigenschaften der betroffenen Elemente werden zusammengetragen. Viele Daten sind zum Teil nur schwer zugänglich. Das radioaktive Metall Lawrencium zum Beispiel ist sehr kurzlebig und kann nur künstlich in kleinsten Mengen erzeugt werden. Deshalb ist über die Eigenschaften dieses Transurans nur wenig bekannt. Allerdings ist es vor kurzem gelungen, seine Ionisierungsenergie zu bestimmen. Der ermittelte Wert ist überraschend klein und lässt den Schluss zu, dass das herausgelöste Elektron aus einem p-Orbital stammt und nicht aus nicht aus einem d-Orbital, obwohl es nach den quantenmechanischen Regeln dort eigentlich aufzufinden sein sollte. Hier zeigen sich relativistische Effekte, die bei den schwereren Elementen eine große Rolle spielen. Weil die Atomkerne viele Protonen enthalten, ist die Valenzelektronenkonfiguration nicht mehr so zwingend festgelegt. Die Niveaus der Orbitale sind energetisch sehr ähnlich, daher gibt es zahlreiche Ausnahmen bei den Besetzungsregeln.

Theoretiker plädieren für neues Ordnungsprinzip

Neue Nahrung erhält die Diskussion nun auch durch Arbeiten von drei Theoretikern vom Homi Bhabha National Institute in Bombay. Tapan Ghanty, Meeakshi Joshi und Aditi Chandrasekar haben berechnet, wie sich die vier Elemente, die Anspruch auf eine Position in der dritten Nebengruppe im Periodensystem erheben, chemisch verhalten und welche elektronischen Eigenschaften sie aufweisen. Dafür plazierten sie in einem Computermodell die Atome im Innern eines hohlen Käfigs aus zwölf Blei- oder Zinnteilchen. Diese Käfige in Ikosaeder-Gestalt sind bereits umfassend studiert und gut charakterisiert. Mittels Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen gelang es den Forschern, die elektronische Struktur der gefüllten Käfige exakt zu berechnen und daraus weitere Eigenschaften der Elemente abzuleiten.

Ghanty und seine beiden Kollegen haben herausgefunden, dass Lutetium und Lawrencium in Bezug auf viele Parameter fast identische chemische Eigenschaften besitzen, obwohl sich ihre Valenzelektronenkonfiguration stark unterscheidet. Generell stellten die Wissenschaftler fest, dass Elemente mit vollständig leeren f-Orbitalen (Lanthan und Actinium) und solche mit komplett gefüllten f-Orbitalen (Lutetium und Lawrencium) ein ähnliches chemisches Verhalten aufweisen sollten. Zu Elementen mit teilweise gefüllten f-Orbitalen, wie etwa Plutonium oder Uran, gibt es hingegen größere Unterschiede. Deshalb plädieren Ghanty und seine Kollegen dafür, alle vier Elemente in einem 15 Elemente langen f-Block aufzulisten. „Das Verhalten an den beiden Enden der Reihe ist sehr ähnlich, deshalb sollten die Lanthaniden- und Actiniden-Reihen 15 Elemente enthalten“, schreiben die Forscher um Ghanty in der Zeitschrift „Physical Chemistry Chemical Physics“.

Der Arbeitsgruppe des IUPAC obliegt es nun, solche Ergebnisse einzuordnen und zu entscheiden, welche Faktoren mit welchem Gewicht die Position eines Elements bestimmen. Eine zügige Entscheidung wäre wünschenswert. Denn 2019 ist von den Vereinten Nationen zum Internationalen Jahr des Periodensystems ausgerufen worden. Dann wird das hundertfünfzigjährige Bestehen des Periodensystems gefeiert. Das gelingt vermutlich besser mit einer einheitlichen Version der Systematik.

Quelle: F.A.Z.
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