Wie das Periodensystem einen Krieg überlebte, um die Zukunft der Chemie zu sichern

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Hafnium ist ein Übergangsmetall, benannt nach dem lateinischen Namen für Kopenhagen (Hafnia), wo das Element entdeckt wurde.Quelle: Klaudia Kilman/Alamy

Hafnium ist kein besonders bemerkenswertes Element. Es ist nicht Ihr explosives Natrium, schimmerndes Quecksilber oder stinkender Schwefel. Es ist ein gräuliches Metall und wird häufig als Neutronenabsorber in den Steuerstäben von Kernkraftwerken und Atom-U-Booten sowie als Isolator in Computerchips verwendet. Aber die Entdeckung von Hafnium, über die diese Woche vor einem Jahrhundert in „Nature“ berichtet wurde1, war von unverhältnismäßiger Bedeutung. Das Element wurde von zwei in Kopenhagen arbeitenden Wissenschaftlern identifiziert: dem niederländischen Physiker Dirk Coster und dem ungarischen Chemiker Georg von Hevesy. Der Fund sicherte nicht nur das Erbe des Periodensystems, sondern auch die Zukunft der Chemie. Hafnium stellte auch einen hart erkämpften Sieg gegen diejenigen dar, die entschlossen waren, evidenzbasierte Entdeckungen zu untergraben.

Das 1869 von Dmitri Mendelejew erstellte Periodensystem der Elemente entstand aus der Erkenntnis, dass chemische Elemente wie Sauerstoff und Wasserstoff bestimmte Beziehungen aufweisen. Mendeleevs Beitrag und der des unabhängig arbeitenden deutschen Chemikers Julius Lothar Meyer lieferten eine Ordnung für die Elemente sowie Kriterien für ihre Einteilung in übersichtliche Gruppen. Bemerkenswerterweise basierten sowohl Mendeleevs als auch Lothar Meyers Pläne auf der subatomaren Struktur der Elemente – mehrere Jahrzehnte vor der Entdeckung von Elektronen und Protonen.

Als Mendelejew die grobe Form des Periodensystems entwarf, begann er mit 63 bekannten Elementen. Damit der Tisch funktionierte, musste er Lücken lassen, in denen noch unentdeckte Elemente platziert werden könnten. Diese Elemente tauchten bald auf. Beispielsweise wurde das vorhergesagte „Element 68“, Gallium, einige Jahre später, im Jahr 1875, identifiziert. Bis 1914 waren nur noch sieben Lücken übrig.

Ein Durchbruch gelang 1913, als Henry Moseley, ein britischer Physiker, zeigte, dass Elemente nach ihrer Ordnungszahl oder der Anzahl ihrer Protonen geordnet werden können. Moseleys Arbeit lieferte sowohl eine genauere „Lückenkarte“ als auch eine Methode zur Identifizierung von Elementen aus den Spektren, die durch die Einwirkung von Röntgenstrahlen auf Kandidatenelemente erzeugt wurden.

Der Kampf um die neuesten Ergänzungen des Periodensystems

Doch die Entdeckung (und Benennung) des Elements 72, Hafnium, war alles andere als einfach. Der französische Chemiker Georges Urbain schlug ursprünglich 1911 vor, dass Element 72 zu den Seltenerdelementen des Periodensystems gehöre, und nannte es Celtium. Doch etwa ein Jahrzehnt später sagte der dänische Physiker Niels Bohr – der mithilfe der Quantentheorie ein Modell des Atoms entwickelte, in dem Elektronen den Kern umkreisen – voraus, dass Element 72 zu den Übergangsmetallen gehören würde und näher am Zirkonium (Element 40) liegen würde. Dies wurde schließlich von Coster und von Hevesy – beide arbeiteten in Bohrs Labor in Kopenhagen – bestätigt, die Zirkoniummineralien nach dem Element durchsuchten2. Das Duo nannte seine Entdeckung Hafnium, nach dem lateinischen Namen für Kopenhagen. Sie erhielten die Röntgenspektren im Dezember 1922 und ihre Arbeit1 folgte im Januar 1923.

Doch damit war die Kontroverse noch lange nicht zu Ende, denn Urbain weigerte sich hartnäckig, aufzugeben, obwohl er bereits gewarnt worden war, dass das Material, das er Celtium nannte, nicht den Kriterien für Element 72 entsprach. 1914 hatten Moseley und Urbain zusammengearbeitet auf einer unveröffentlichten Röntgenstudie, die nicht nachweisen konnte, dass es sich bei Celtium um Element 72 handelt. Urbain erklärte dies damit, dass die Röntgenmethode einfach nicht empfindlich genug sei3 – eine Einschätzung, die der in Neuseeland geborene Physiker Ernest Rutherford in „Nature“ schrieb , einverstanden mit4. Urbain wies auch darauf hin, dass das Kopenhagener Team versuchte, Anerkennung für seine Arbeit einzustreichen5; In ihrer Antwort weigerten sich Coster und von Hevesy, den Streit zu personalisieren, und argumentierten auf der Grundlage ihrer Ergebnisse6.

Die Debatte ging weiter, wobei Wissenschaftler aus den Niederlanden, Deutschland und Skandinavien auf der Seite des Kopenhagener Teams standen, während Wissenschaftler aus Frankreich und dem Vereinigten Königreich (die nach dem Ersten Weltkrieg einen Boykott der deutschen Wissenschaft unterstützten) die Gegenposition einnahmen . Hafnium wurde erst 1930 von der International Union of Pure and Applied Chemistry akzeptiert, wenige Jahre nach dem offiziellen Ende des Boykotts. In Frankreich nahm Celtium bis Anfang der 1940er Jahre weiterhin den Platz des Elements 72 unter den Seltenerdelementen ein2.

Hundert Jahre nach der Entdeckung von Hafnium ist das Periodensystem immer noch robust und relevant, selbst in einer Zeit, in der mit einem Mausklick auf Unmengen von Daten zu einem Element zugegriffen werden kann. Die Tabelle bietet auf einen Blick einen Hinweis darauf, wie sich ein Element in einer chemischen Reaktion verhalten könnte, und gibt Hinweise auf seine Ähnlichkeit mit anderen Elementen in einer Gruppe.

Bisher gibt es 118 bestätigte Elemente, 2015 kamen vier superschwere synthetische Elemente hinzu. Aber es wird sicherlich eine Zeit kommen, in der es keine neuen Elemente mehr herzustellen gibt und das Periodensystem an seine Grenzen stößt. Es besteht noch kein Konsens darüber, wann dies wahrscheinlich passieren wird oder wie groß das letzte Element sein wird, aber Chemiker gehen davon aus, dass seine Ordnungszahl 170 überschreiten könnte.

Wenn diese Zeit gekommen ist, wird das Periodensystem immer noch bestehen bleiben, eine Karte, die Wissenschaftler durch die Weiten des chemischen Raums führt – alle Moleküle, die sich jemals gebildet haben, und alle diejenigen, die noch entdeckt werden müssen, sei es auf der Erde oder anderswo im Universum. Es ist eine Hommage an die dauerhaften Werte der internationalen wissenschaftlichen Zusammenarbeit und die Standhaftigkeit der Forscher, dass ein unscheinbares Übergangsmetall, das vor 100 Jahren nach einem der größten Konflikte der Welt entdeckt wurde, das Periodensystem zu dem machte, was es heute ist.

Natur613, 413 (2023)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-00083-4

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Coster, D. & Hevesy, G. Nature 111, 462–463 (1923).

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Referenzen herunterladen

Nachdrucke und Genehmigungen

Der Kampf um die neuesten Ergänzungen des Periodensystems

Identifizierung eines fehlenden Elements

Über das fehlende Element der Ordnungszahl 72

Über das Element der Ordnungszahl 72

Über Celtium und Hafnium

Auf den Celtium-Linien von Urbain

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