Abbildungsformen des Perioden- systems der Elemente

Abbildungsformen des Periodensystems der Elemente von Lothar Beyer Das Periodensystem der Elemente (PSE) ist ein ins Bild gesetztes, fundamentales Naturprinzip. Es verkörpert einerseits, in sich logisch geschlossen, die Systematisierung der chemischen Kiemente selbst und daraus abgeleitet der chemischen Verbindungen. Es gibt andererseits mit der zugehörigen natürlichen Systematisierung der Eigenschaften der chemischen Elemente, davon abgeleiteter Verbindungen und Stoffe, die Grundlage für das Gesamtgefüge der Chemie in der Wechselwirkung von Atom-, Molekül- und Kristallbau, Struktur, Bindung und Reaktivität. Letztlich ist das PSE mit einem Abbild zu vergleichen, das bei schärferer Auflegung die mathematisch abstrakten Verhältnisse in atomaren Bereichen in einer verständlichen form widerspiegelt. Weil sich aus der Einordnung der chemischen Elemente in ein geordnetes Gesamtsystem und ihrer wechselseitigen Stellung zueinander die Eigenschaften und Verhaltensweisen der chemischen Elemente und daraus abgeleitet der chemischen Verbindungen erklären und prinzipiell vorhersagen lassen, ist die Behandlung und Verinnerlichung dieser Natursystematik von fundamentaler Bedeutung für das Verständnis der Chemie im Unterricht und darüber hinaus, sowie für das Verständnis der Naturwissenschaften insgesamt. Darin besteht der Wert für den schulischen Unterricht. Da der Mensch gewohnt ist, in Bildern zu denken und sich schwierig verständliche Aspekte und Vorgänge an einfachen Modellen zu verdeutlichen und dabei das Wesentliche zu abstrahieren, haben im Falle der Behandlung des Naturprinzips PSE die Abbildungsformen eine besondere didaktische Relevanz. Vor diesem Hintergrund sollen eingangs die Entwicklung des PSE skizziert, dann an ausgewählten Beispielen die frühen Abbildungsformen der Systematik der chemischen Elemente beleuchtet und versucht werden - vielleicht ungewöhnlich in einem solchen Zusammenhang -, mit den PSE-Modellen Brücken zu anderen schülernahen Bereichen wie Biologie, Sport, Technik und Design zu schlagen. Bildhafte Vergleiche, Gleichnisse und Parabeln erfüllen ja gerade durch ihre unerwartete Symbolkraft die Funktion, im Gedächtnis haften zu bleiben und ein besseres Erinnern in Kepetitionsphasen zu bewirken. Schließlich wird die aktuelle Abbildungsform des Periodensystems der Elemente präsentiert.

Entwicklung des Periodensystems der Elemente Die Entwicklung des Periodensystems der Elemente ist mit der Herausbildung des Elementbegriffs, der Exaktheit der Bestimmung der Atomgewichte, der Vertiefung der Kenntnisse über den Atombau und schließlich der Beherrschung der kernphysikalischen und -chemischen Techniken und nicht zuletzt mit der Intuition und Gedankenkühnheit der damit befassten Gelehrten verknüpft. Grundlage bilden letzthin die fortschreitende Entwicklung der Chemie und Physik zur Stoffkenntnis und experimen-

tellen Praxis, insbesondere der Analytik, denn es mussten im Kegelfall die Elemente erst als solche erkannt (Robert Boyle, 1627-1691; John Dalton, 1766-1844; Antoine Laurent Lavoisier, 1743-1794 ) und hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Verhaltensweisen bekannt geworden sein, ehe sie sinnvoll geordnet werden konnten. Je mehr Elemente sicher als solche aus dem Arsenal des Undefinierten „Stoff" ans Licht gebracht wurden, desto sicherer und vollkommener wurde ihre Systematisierung. Erst auf einer solchen Basis konnte dann schon im Jahre 1869 (Dimitrij Ivanovic Mendeleev auch Dimitri Iwanowitsch Mendelejew -, 1834-1907) dazu übergegangen werden, noch unbekannte Elemente wie das Eka-Silicium (entdeckt als Germanium im Jahre 1886 durch Clemens Alexander Winkler, 1838-1904) vorauszusagen. Da zahlreiche Materialien (Stoffe, Gemische, Legierungen, Verbindungen, Elemente) schon seit den ersten Hochkulturen bekannt waren und durch die praktische Jätigkeit der Menschen vervielfacht wurden, lässt sich erahnen, dass es für die frühen Protagonisten eine schier unlösbare Aufgabe war, Ordnung in diese Vielfalt zu bringen, zumal die uns Heutigen kaum mehr rational erfassbaren, jedoch damals dominierenden mystischen, zum Teil religiös geprägten, Vorstellungen von „Lebenselixier, Feuerstoff, Phlogiston, Stein der Weisen, Weltäther, Umwandlung der Elemente usw." die Erkenntnis eher erschwerten. Das tiefere, rationale Eindringen in die Natur, immer auf der Suche nach nützlich-praktischen Ergebnissen, mussten aber gesetzmäßig und stetig den wahren Erkenntnisfortschritt bringen. Dieser Prozess lasst sich am Beispiel der Entwicklung und Vervollkommnung des Periodensystems der Elemente zeigen. Wohl die ersten überlieferten Versuche zur Ordnung von Stoffen in Form der vier Urelemente Feuer, Erde, Wasser und Luft in einer geometrischen Form gehen auf den griechischen Philosophen Aristoteles (384-322 v. u. Z.) zurück, der sich seinerseits auf Empedokles (483-423 v. u. Z.) bezieht. Der deutsche Chemiker Jeremias Richter (1762-1807) stellte als einer der ersten Ende des 18. Jahrhunderts die innere Beziehung zwischen den sogenannten „alkalischen Erden" fest, die bei der quantitativen Verfolgung der Salzbildung aus Säuren und Basen gewonnen wurde und die sich als konstante Differenz von Äquivalentgewichten in Form einer arithmetischen Reihe offenbart (Richter'sches Progressionsgesetz) [1]. Während diese Arbeit nahezu unbeachtet blieb, gelang der große Durchbruch zur Klassifizierung der chemischen Elemente dem Jenen'ser Chemieprofessor Johann Wolfgang Döbereiner (1780-1849) in den Jahren 1817/1829 [2] mit der Auffindung der später nach ihm benannten Döbereiner Triaden auf der Basis der von Jons Jacob Berzelius (1779-1848) schon sehr genau bestimmten Atomgewichte. Leopold Gmelin (1788-1853), dessen in mehreren Auflagen erschienenes „Handbuch der Chemie" [39 in der ersten Hälfte des vorigen Jahrhunderts zum dominierenden theoretischen Rüstzeug für die Chemiker avancierte, gebührt das Verdienst, die Begrenzung der Systematisierung auf die Tria-

Unterrichtspraxis den aufzugeben und eine Erweiterung auf mehr als drei Elemente mit ähnlichen Eigenschaften vorzunehmen. Während somit zunächst die „ähnlichen" chemischen Figenschaften innerhalb einer Gruppe analoger Elemente, wie zum Beispiel der Halogene oder Erdalkalien, und deren gesetzmäßige Differenzen der Atomgewichte im Blickpunkt standen, wurden die „konträren" Eigenschaften von Elementen weniger beachtet, obgleich gerade die erwähnten Richter'schen Arbeiten über chemische Antagonisten, die Säuren und Basen, den Progress bezüglich der Triaden gefordert hatten. Für den weiteren Fortschritt waren deshalb solche Anordnungen der Elemente, wie sie in der Abbildungsform in Julius Adolph Stöckhardt's (1809-1886) weitverbreitetem Lehrbuch „Schule der Chemie" [4] oder von Leopold Gmelin im o. g. Handbuch [3] gegeben sind, von besonderem heuristischen Wert, brachten sie doch die relative Stellung der Elemente bzw. „Gruppen" zueinander bezüglich Affinität, Reaktivität, Elektropositivität bzw. -negativität und somit vorgeahnt die Periodizität aus Sicht des Reaktionsverhaltens (nicht aus der der Atomgewichte) ins Bild. Die zugenommene Anzahl von bekannten chemischen Elementen und ihre recht genau bestimmten Atomgewichte und die darauf bezogene Aufreihung musste dann zwangsläufig früher oder später dazu führen, wie es Max von Pettenkofer (1818-1901) anlässlich eines Vortrags in der Sitzung der mathematisch-physikalischen Klasse der Münchener Academie der Wissenschaften am 12. Januar 1850 aussprach [5] und im Prioritätsbegehren gegenüber Jean Baptiste Andre Dumas (1800-1884) im Jahre 1858 wiederholte, dass „das Wiederkehren der Differenzen von Äquivalentzahlen solcher Körper, die in eine natürliche Gruppe gehören und welche durch 8 teilbar sind, zu häufig ist, als daß es für einen bloßen Zufall bei der Größe des Divisors ge-

halten werden könnte" [6]. Unabhängig davon hatte also auch der große französische Chemiker Jean Baptiste Andre Dumas eine reguläre, mathematisch mit a, a+d, a+2d+d formulierte Folge zwischen den Elementen sogenannter natürlicher Familien gefunden. Diese Periodizität der chemischen Eigenschaften der Elemente als eine Funktion der Atomgewichte bildete der französische Professor für Geologie A. E. Beguyer de Chancourtois (1820-1886) im Jahre 1862 dreidimensional in einer Schraubenlinie auf einem Zylindermantel im Vis Tellurique ab |7|. Schließlich sind in diesem Kontext im für die Entwicklung des Periodensystem der Elemente bedeutenden Dezennium der 50iger/Anfang der 60iger Jahre des 19. Jahrhunderts die Systematiken von John Hall Gladstone (1827-1902), William Odling (1829-1921) und John Alexander Newlands (1838-1898) genauso bedeutsam und weiterführend, setzten deren Arbeiten doch wesentliche Bausteine in das Gesamtgebäude ein, so dass die eigentliche „Entdeckung des PSF", die sich in der Öffentlichkeit mit den Namen von Lothar Meyer (1830-1895) und Dimitrij Ivanovic Mendeleev verbindet, das Richtfest des Gebäudes, um im Bilde zu bleiben, darstellt. So hatte zum Beispiel William Odling im Jahre 1857 [8] zwar noch 13 Elementegruppen klassifiziert, jedoch besonders den Zusammenhang dieser Gruppen mit ihren Verbindungen herausgestellt, wie er sich in der Reihe der Chloride LiCI, BeCl2 BCl3 oder in der Reihe der Wasserstoffverbindungen CH4, NH 3 , OH2, FH äußert. Auch hatte er erkannt, dass man bei einer Reihung der Elemente nach steigendem Atomgewicht Lücken lassen müsse, um die entsprechenden Gruppen zu generieren; und John Alexander \ewlands hatte im Jahre 1864 gefunden [9], dass nach sieben aufeinander folgenden Elementen als achtes wieder eines erscheint, das analoge Eigenschaften zum ersten hat (die Edelgase waren damals noch

nicht bekannt), was als Gesetz der Oktaven in die Fachliteratur eingegangen ist. John Hall Gladstone's Hauptbeitrag [10] wiederum bestand in der Formulierung der Feststellung der chemischen Ähnlichkeit von Elementen annähernd gleichen Atomgewichts (z. B. Fe-Co, Ni- bzw. Pd-Rh-Ru und Pt-Ir-Os), der Beobachtung von Elementen mit Atomgewichten, die Multiple von anderen sind, und ebenfalls in der Bestätigung der Existenz von Triaden (LiNa-K). Die Arbeiten von Mendeleev und Meyer runden schließlich das Gesamtbild mit den Aussagen, dass die nach steigendem Atomgewicht geordneten Elemente eine stufenweise Änderung der Eigenschaften zeigen, dass chemisch analoge Elemente entweder fast übereinstimmende Atomgewichte (Pt-Ir-Os; in den damaligen Fehlergrenzen) oder eine gleichviele Zunahme (K-Rb-Cs) zeigen, dass das Anordnen nach den Atomgewichten auch mit den Wertigkeiten der Elemente und ihren Atomvolumina (Meyer) korreliert und den Schluss zulässt, „weiße Elementflecken" in diesem natürlichen System recht präzise nach Einordnung und Eigenschaften vorherzusagen (Ga, Sc, Ge; D. I. Mendeleev). So entstehen in den Jahren 1868/1870 die beiden Abbildungsformen des PSE von L. Meyer und D. I. Mendeleev (Abb. 3) [11], die uns Heutigen sehr bekannt vorkommen und sich im Wesentlichen nur durch Vertauschen der vertikalen bzw. horizontalen Anordnung unterscheiden. Die Erörterung der Prioritätsproblematik einerseits und die Anerkennung der Leistungen des anderen andererseits aus der Sicht von Lothar Meyer ist gleichfalls in [11] aufschlussreich nachzulesen Während im letzten Viertel des 19. Jahrhunderts unter aktiver Beteiligung der beiden Protagonisten eine Optimierung vorgenommen wurde, die sich besonders aus der Entdeckung neuer Elemente (Edelgase, Seltene Erden u. a.) und der Präzisierung von Atomgewichten ergaben, bereitete verständlicherweise zunehmend gerade die Einordnung der Seltenen Erden Schwierigkeiten. Diese wurden gelöst und eine neue und schließlich finale Qualität zur Systematik der chemischen Elemente erreicht im Zuge der Entwicklung der Theorien der Atome um die Wende zum 20. Jahrhundert und danach (Joseph John Thomson (1856-1940), Johannes Robert Rydberg (1854-1919), Ernest Rutherford (1871-1937), Niels Bohr (1885-1962) u. a), und ihrer experimentellen Bestätigung, wobei besonders die rontgenpektroskopische Untersuchung der Elemente auf

Abb. 1: Das Elementeviereck nach Aristoteles

der Basis des im Jahre 1913 gefundenen Moseley'schen Gesetzes (Henry Gwyn Jeffreys Moseley,1887-1915) eine sichere Zuordnung erlaubte. Daraus folgte, dass nicht mehr die Atomgewichte der Elemente, sondern die Kernladungszahlen bzw. Ordnungszahlen das entscheidende Ordnungskriterium und die durch Isotopenzusammensetzungen bedingten Irregularitäten Atomgewicht/Ordnungszahl erkannt wurden. Aus einer Vielzahl von Abbildungsformen des Periodensystems, die parallel zu diesem Erkenntnisprozess entwickelt wurden [12] und dabei auch modellhaft die Brücke zu anderen Bereichen der Natur versuchten zu schlagen, kristallisierten sich in der „alten Welt" weitverbreitet die Formen des Kurzperiodensystems und in der „neuen Welt" die des Langperiodensystems heraus. Dabei hat sich die von dem Amerikaner H. G. Deming im Jahre 1923 erstmals in einem Lehrbuch „General Chemistry" publizierte Form des Langperiodensystems [13] mit geringen Modifizierungen bis in unsere Zeit, in der aktuellen Version der Empfehlung der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) [14] als 18-Gruppen-System durchgesetzt und behauptet, weil es in einfachster und damit bester Weise den Zusammenhang zwischen Atombau, Element und Periodizität reflektiert. Die in der Neuzeit erzeugten kurzlebigen radioaktiven Elemente hoher Ordnungszahlen, wie die im April 1999 in Berkeley nachgewiesenen Superschweren 118 und 116, haben die Abbildungsformen des Periodensystems logischerweise nicht beeinflusst, sondern nur die Zahl der bekannten Elemente erhöht. Ihre Einordnung bereitete keine prinzipiellen Schwierigkeiten wie etwa im Falle der Seltenen Erden zu ihrer Zeit. Die Problematik bestand eher in ihrem sicheren, reproduzierbaren Nachweis und der Charakterisierung und - als sekundärem Problem - in der Namengebung für die meist von amerikanischen, russischen oder deutschen Forschergruppen mit Methoden der Kernphysik synthetisierten Isotope. Nach der von der IUPAC ursprünglich favorisierten \otation (z. B. Oz 101 = Unnilunium, Oz 106 = Unnilhexium), sind nun auch wieder festgelegte Elementnamen zu Ehren bedeutender Gelehrter zur Bezeichnung zugelassen. Nach wie vor wird davon ausgegangen, dass es möglich sein kann, die auf den „Stabilitätsinseln" gelegenen Elemente längerer Lebensdauer mit den Ordnungszahlen 114 und 164 zu erschließen. Frühe Abbildungsformen der Systematik der chemischen Elemente

ser-kalt) zu, wobei die zueinander konträren -in einem inneren Viereck gezeichnet - ebenfalls diametral zueinander angeordnet sind (heiß-kalt bzw. nass-trocken), während die jeweils miteinander verträglichen Eigenschaften sich verwandtschaftlich nebeneinander befinden (heiß-trocken bzw. nass-kalt). Die Sinnfälligkeit wird unter der Voraussetzung offenbar, dass ein Gleichgewicht zwischen den Lrelementen bestehen muss. Die alehymistische Symbolik für die vier Urelemente ist neueren Datums (12./13. Jahrhundert u. Z.). Dieses Ordnungssystem ist in sich schlüssig und bezüglich der gedanklichen Entwicklung des Periodensystems der Elemente deshalb von Wert, weil sowohl die Stoffe wie auch ihre Eigenschaften in einer gegenseitigen Beziehung zueinander stehen. Weitere Anmerkungen sind in [15] zu finden. Das Ordnungssystem der chemischen Elemente nach Leopold Gmelin (1843, Abb. 2)

Im vorangegangenen Text wurde hervorgehoben, dass unter Berücksichtigung des damaligen Elementebestandes in diesem System bereits analoge Elementegruppen (zum Beispiel F-Cl-Br-I) einerseits und die „Periodizität" anhand konträr zueinander angeordneter FJementegruppen (zum Beispiel F-Cl-Br-I und Li-Na-K), auf den Ästen einer Parabel zweidimensional gelegen, anschaulich deutlich gemacht wurden. Ausdrücklich sei erwähnt, dass die „Triaden" bis auf „Hexaden" erweitert werden. Dazu schreibt Leopold Gmelin: „Es gibt Gruppen von Elementen, welche ähnliche physikalische und chemische Verhältnisse zeigen. Ob eine solche Gruppe gerade aus 3 Elementen bestehe, wie Döbereiner will, welcher die Elemente nach der Trias gruppiert, bleibe

dahingestellt" [3, S. 52]. Lassen wir Leopold Gmelin zur Erläuterung der Abbildung selbst zu Wort kommen [3, S.457]: „Die einfachen Stoffe können auch je nach ihren physischen und chemischen Verhältnissen in Gruppen vereinigt, und diese wieder nach ihren Ähnlichkeiten zusammengestellt werden. Ein unwillkommener Versuch ist der folgende [Abb. 2], bloß wenn man die Elemente nicht auf einer Fläche, sondern in einem Körpernetze zusammenstellt, wird eine genügende Anordnung gelingen."

Die in einer Reihe neben einander stehenden Elemente haben gewisse Aehnlichkeiten. Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff stehen einzeln; ihnen analoge Elemente sind nicht bekannt. Links stehen die Gruppen der mehr elektronegativen, rechts die der mehr elektropositiven Elemente. Aus heutiger Sicht hat er damit bereits die Sonderstellung des Wasserstoffs und der Vertreter der Elemente der 2. Periode herausgestellt.

Von den frühen Abbildungsformen sollen - ausgewählt als Urtyp einer Stoffsystematisierung das Elementenviereck nach Aristoteles (Abb. 1), weiterhin das Ordnungssystem nach Leopold Gmelin (Abb. 2) und die Periodensysteme nach Meyer und Mendeleev (Abb. 3) gemeinsam vorgestellt werden. Das Elementenviereck nach Aristoteles (4. Jh. v. u. Z.; Abb. 1)

Nach Auffassung des griechischen Philosophen Aristoteles entstehen und vergehen alle Stoffe durch Mischen und Entmischen der vier Lrelemente Feuer, Erde, Wasser und Luft. Aristoteles ordnete diese Lrelemente an den Ecken eines Quadrates so an, dass bezüglich ihrer abstrahierten „Eigenschaften" konträre Lrelementpaare (Feuer-Wasser und Luft-Erde) diametral positioniert sind. In genialer Weise ordnet Aristoteles nun jedem Urelement zwei Haupteigenschaften (heiß-Feuer-trocken bzw. nass-Was-

Abb. 2: Das Ordnungssystem nach Leopold Gmelin

Das Periodensystem der Elemente nach Dimitrij Ivanovic Mendeieev (1869) und Lothar Meyer (1869) (Abb. 3) Im vorangegangenen Text wurden die von lx)thar Meyer und Dimitrij Ivanovic Mendeieev geleisteten Arbeiten zum Periodensystem der Elemente eingeordnet. D. I. Mendeleev hatte im Herbst des Jahres 1869, basierend auf einem im März 1869 vor der russischen chemischen Gesellschaft erstatteten Bericht in der Zeitschrift für Chemie [16] eine Tafel veröffentlicht, die er in Kenntnis der von Lothar Meyer im Dezember 1869 im 7. Supplementband der Annalen für Chemie und Pharmazie abgedruckten berühmten Arbeit „Die Natur der chemischen Elemente als Funktion der Atomgewichte" [17] in einer verbesserter Torrn im 8. Supplementband der Annalen für Chemie und Pharmazie im Jahre 1871 [18] zur Kenntnis brachte, ohne die Beiträge von Lothar Meyer darin zu erwähnen. Meyer hatte in dieser seiner Publikation [17] ein fast mit Mendeieev identisches System auf der Basis der Periodizität der physikalischen Kenngröße Atomvolumen (Atomvolumen eines Elements ist der Quotient aus Atomgewicht und Dichte) entworfen und dazu ein Diagramm der Periodizität der Atomvolumina beigefügt. Das in der Abbildung 3 gezeigte Periodensystem von D. I. Mendeieev ist aus der Arbeit „Die periodischen Gesetzmässigkeiten der chemischen Elemente" [18] und das von L. Meyer aus der Publikation „Die Natur der chemischen Elemente als Eunction ihrer Atomgewichte" [17] original reproduziert. Im Rückblick „Zur Geschichte der periodischen Atomistik" [11] erkennt Lothar Meyer ausdrücklich bestimmte Prioritäten von Mendeieev (Vorhersage zur Entdeckung neuer Elemente, Notwendigkeit der Korrektur bestimmter Atomgewichte, die Größe des Atomgewichts bedingt die Eigenschaften, stufenweise Abänderung der Eigenschaften bei den nach dem Atomgewicht geordneten Elementen) an. Insofern ist

es wohl berechtigt, dass beide Forscher gemeinsam im Jahre 1882 die Davy-Medaille der Royal Society für die Entwicklung des Periodensystems der chemischen Elemente verliehen bekamen. So verwundert es auch nicht, dass die Philosophische Fakultät der Universität Leipzig sich intensiv bemühte, Professor Lothar Meyer aus Tübingen auf den im Jahre 1887 zu besetzenden Lehrstuhl für Physikalische Chemie zu bekommen [19], auf den dann aber Wilhelm Ostwald (1853-1932) berufen wurde. Abbildungsformen des Periodensystems der Elemente in bildhaften Vergleichen Das Periodensystem der Elemente als ein grundlegendes Naturprinzip hat viele Forscher dazu inspiriert, Zusammenhänge mit anderen Wissenschaftsbereichen in der Natur sowie mit Kunst, Technik, Philosophie, Mathematik und selbst zum Sport zu suchen. Als Beispiele seien hier nur folgende genannt: Gustavus Detlev Hinrichs (1836-1923) setzte 1864/1869 die Beziehungen der Elemente in einen Vergleich mit dem Planetensystem der Sonne (Hinrich's natural system) und entwarf eine dazu relevante Abbildungsform [20]. Die Beziehungen zur belebten Natur suchte Robert M. Müller [21] herzustellen. Die Harmonie der Oktaven in der Musik und ihre Progression sowie Vergleiche zwischen Wellenzahlen von Tönen in der Musikskala mit den Wellenzahlen von Spektrallinien veranlaßte Alfred Partheyl (1861-1909) [22] Analogien mit den Gruppen des PSE herzustellen, die von E. Schmiz [23] noch mit dem harmonischen Dreieck im harmonischen Kreis korrelliert wurden und damit zu anderen Kunstformen, wie Baukunst und Malerei überleiteten. Das Schrauben-Svstem nach G.

Schaltenbrand (1920) [24| (Abb. 5) stellt einen Bezug zur Technik und zu helicalen Strukturen dar. Ebenfalls eine spirale Anordnung der Elemente wird im Circularsystem von C. Janet (1848-1932) im Jahre 1929 [25] beschrieben, und zahlreiche weitere spirale und helicale Abbildungsformen, wie zum Beispiel das im Jahre 1942 entwickelte und verbreitete Lemniskaten-System nach F. Kipp [26], sind bekannt. Eine mathematische und philosophische Komponente bringt im Jahre 1953 der peruanische Chemiker Osvaldo Baca Mendoza (1908-1962) mit einer Abbildungsform ein, die auf der Basis eines „genetischen Gesetzes der chemischen Elemente" (la ley genetica de los elementos quimicos) zwischen einer positiven und negativen Welt (el mundo positive y el mundo negativo) der Elemente unterscheidet [27]. Eine Brücke zu Sport und Architektur schlägt J. D. Clark im Jahre 1930 mit dem Arena-System (Abb. 6) [28]; und Niels Bohr öffnet im Jahre 1922 mit dem Eächer-System (Abb. 4) [29] den Bogen der Elemente in einer geordneten Abbildungsform. Auch im modernen, weltweiten Kommunikationsmedium Internet besteht der Zugriff auf neue, farbig gestaltete Abbildungsformen des Periodensystems [30], die zum Teil eigenwillige formen (Dr. Timmothy Stowe's physicists periodic table; A triangulär long form periodic table by Emil Zmaczynski) oder sonderbar gestaltete Spiralen (The periodic spiral of Professor Thoedor Benfey) enthalten, und vielleicht gerade deshalb die Schüler bei der Beschäftigung mit dem Unterrichtsstoff motivieren können. Das Fächermodell von Niels Bohr (1922, Abbildung 4) Das von Niels Bohr vorgeführte Fächermodell [29] beruht auf einer zwanglosen Anwendung der von ihm aufgefundenen Theorie des Atombaus und der Atomspektren [31). Der Gedanke, einen Fächer (oder eine Pyramide) als Modellfigur zu wählen, ist einerseits sehr logisch, andererseits bezüglich des Periodensystems der Elemente nicht neu, denn schon 27 Jahre zuvor hatten bereits Thomas Bayley (1854-?) im Jahre 1882 und Hans Peter Jörgen Julius Thomsen (1826-1909) im Jahre 1895 eine solche, allerdings wegen der noch unbekannten Edelgase und vieler nicht bekannter Seltener Erden, unkomplette Eigur genutzt [32). Niels Bohr konnte nun diese Elemente richtig einordnen und auch am richtigen Platz die Leerstellen für die bis dahin noch nicht entdeckten Elemente Tc, Pm, Hf und Re und für die Elemente der „2. Gruppe der Seltenen Erdmetalle", die von Glenn Theodore Seaborg (1912-1999) im Jahre 1949 als Actinoiden bezeichneten 5f-Elemente, lassen. Das Schrauben-System von G. Schaltenbrand (1920, Abb. 5) Die in Abbildung 5 (S. 30) gezeigte Darstellung ist aus der Originalpublikation [24] reproduziert. Das dreidimensionale System ist auf die Ebene projiziert Um die y-Achse sind von oben nach unten die Elemente mit steigender Ordnungszahl entlang einer spiral-oder schraubenförmigen Linie so aufgereiht, daß die zu den betreffenden Gruppen gehörenden Elemente parallel zur y-Achse übereinanderstehen. Dadurch kommt es zu definierten Abschnittbereichen der Schraube entlang der y-Achse, die den einzelnen Perioden entsprechen. Im unteren Bild, die Schraube aus der Aufsicht betrachtet, repräsentieren die jeweiligen Segmente die einzelnen Gruppen. Das Arena-System von J. D. Clark (1950, Abb. 6) Die Grundform dieses Modells stammt bereits aus dem Jahre 1921 |28| und wurde dann dreißig Jahre später unter Einbeziehung der Seltenen Erden und Actinoiden kom-

Abb. 4: Das Fächermodell von Niels Bohr

plettiert. Von innen nach außen läuft eine Spirale, auf der die Elemente mit zunehmender Ordnungszahl angeordnet sind. Bei der getroffenen Abstandswahl findet man im linken oberen Drittel die Hauptgruppenelemente (Gruppen 1-2,13-18) gehäuft, und in den beiden übrigen Dritteln die Nebengruppenelemente (Gruppen 3-12). Die Seltenen Erden und Actinoiden sind in den unteren beiden „Ixiufbahnen" zu finden. Eine Besonderheit besteht darin, dass der Abstand zwischen den beiden ersten Elementen und dem dritten und folgenden der jeweiligen Gruppen stetig zunimmt (siehe z. B. Gruppen 18 bis 13), was nach J. D. Clark mit unsteten Änderungen von Eigenschaften in Beziehung gebracht wird.

Die aktuelle Abbildungsform des Periodensystems der Elemente In den lUPAC-Richtlinien für die chemische Nomenklatur und allen damit zusammenhängenden fragen, die beim schnellen wissenschaftlichen Fortschritt und der Globalisierung weltweit empfehlenswert anzuwenden sind, wird auf das 18- Gruppen-System orientiert. Es geht in seiner Grundstruktur auf das Langperiodensystem von 11. G. Deming [13] zurück. Die IUPAC hat einen seinerzeit von Fritz Seel [33] entworfenen, in der Befindungsphase eingebrachten, Vorschlag des Deutschen Zentralausschusses für Chemie zur Nummerierung von 32 Gruppen des Periodensystems nicht berücksichtigt [34], Mit der verbindlichen Einführung des 18-Gruppen-System und der Nummerierung der Haupt-und Nebengruppen mit den fortlau-

fenden arabischen Zahlen 1 bis 18 wurde die jahrelang zu Mißverständnissen und Verwirrungen geführte gegensatzliche Nummerierung der Haupt-und Nebengruppen im europäischen und amerikanischen Raum gegenstandslos |34,35]. Während nämlich im europäischen Raum die Gruppen 1, 2... (8,9,10) mit IA, IIA...(VIIIA) und die von 11, 12 ... 18 mit IB, IIB ... VIIIB geführt wurden, bezog man sich im amerikanischen Raum auf das Langperiodensystem nach H. G. Deming [13] mit den Nominationen für die Hauptgruppen 1,2, 13 ... 18 mit IA, IIA, IIIA ... VIIIA und für die Nebengruppen 3 ... 7, (8 ... 10), 11, 12 mit IIIB ... VIIB, (VIII), IB, IIB. Man muss auch bedenken, dass die Notationen im verbreiteten Kurzperiodensystem im europäischen und amerikanischen Raum nicht einheitlich und dazu noch von denen in den Langperiodensystemen benutzten abweichend waren [34]. Insofern stellt die seit dem Jahre 1987 bevorzugte einheitliche Variante einen tragfähigen, sinnvollen und vor allem nützlichen Kompromiss dar. In der Abbildung 7 sind für die bekannten Kiemente jenseits der Ordnungszahl 100 mit den Ordnungszahlen 101- 112 sowohl die von der IUPAC empfohlenen Gelehrtennamen in Form ihrer Symbole als auch die neutralen Notationen aufgeführt [36]: 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112

Abb. 5: Das Schrauben-System von G. Schaltenbrand (1920)

Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium

Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt

Unnilunium Unnilbium Unniltrium Unnilquadium Unnilpentium Unnilhexium Unnilseptium Lnniloctium Unnilennium Lnunnilium Unununium Ununbium

Lnu Unb Lnt Unq Unp Lnh

Unns Uno Lne Uun Luu Uub

Die neutrale Notation leitet sich von folgendem Code ab: 0 = nil 1 = un 2 = bi 3 = tri 4 = quad 5 = pent 6 = hex 7 = sept 8 = oct 9 = enn Suffix = -ium Zum Schluss sei besonders darauf hingewiesen, dass in der Zeitschrift „Naturwissenschaften im Unterricht Chemie" im November 1990 [37] ein Heft „Das Periodensystem der Elemente" erschienen ist, das in zwei Basisartikeln und mehreren Beiträgen zur Unterrichtspraxis nützliches Material für die Wissensvermittlung zur Thematik enthält. Auch ist die soeben im korrigierten Nachdruck erschienene „Karlsruher Nuklidkarte" [38] mit Erläuterungen (in deutscher, englischer, spanischer und französischer Sprache) aufschlussreich: sie enthält in übersichtlicher Form alle bekannten Isotope, deren Nukleonenzahl, Dichte, Halbwertszeiten, Strahlenarten und Energiewerte.

Abb. 6: Das Arena-Sysem von J. D. Clark

Abb. 7: Die aktuelle Abbildungsform des PSE

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Prof Dr. Lothar Beyer, geb 1936, Universitätsprofessor für Anorganische Chemie,Universität Leipzig, Fakultät für Chemie und Mineralogie, Institut für Anorganische Chemie Adresse: Johannisallee 29, D-04103 Leipzig