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Elemente anders ordnen : Konkurrenz für das Periodensystem

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Die Zahl der Protonen des Atomkerns eines Elements und dessen chemische Eigenschaften sind die klassischen Ordnungskriterien für das klassische Periodensystem. Bild: Kyoto University

Zwei russische Chemiker haben das Periodensystem der chemischen Elemente völlig umgekrempelt: Mit ihrem ungewöhnlichen Ordnungsschema ließen sich neue Materialien womöglich leichter aufspüren.

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          Chemiker lieben die Ordnung, wenn es um das Fundament ihrer Disziplin geht. Schon seit nunmehr 151 Jahren sind alle bekannten chemischen Elemente entsprechend der Ladungszahl des jeweiligen Atomkerns (Ordnungszahl) und ihrer chemischen Eigenschaften in einer zweidimensionalen tabellarischen Übersicht aufgelistet. Die Zeilenumbrüche sind so gewählt, dass Elemente, die sich aufgrund ihrer Elektronenstruktur chemisch ähnlich verhalten, untereinander stehen und so eine Gruppe bilden. Doch wählt man andere Ordnungsparameter, könnten andere Darstellungen zweckmäßiger sein, weshalb einige Chemiker schon länger nach Alternativen zum klassischen Periodensystem suchen.

          Zwei russische Wissenschaftler, Zahed Allahyari und Artem R. Oganov vom Skolkovo-Institut für Wissenschaft und Technologie in Moskau, präsentieren nun im „Journal of Physical Chemistry“ ein eindimensionales Ordnungsschema. In der Liste werden die chemischen Elemente gemäß ihrer „Ähnlichkeit“ in Bezug auf den Atomradius und der Elektronegativität nacheinander aufgereiht. Die Position eines Elements in der Liste wird als Mendelejew-Zahl (kurz MN für Mendeleev Number) bezeichnet. Die Bezeichnung wurde in Anlehnung an einen der Mitbegründer des klassischen Periodensystems, Dmitri Mendelejew, gewählt.

          Auf Grundlage dieser Systematik ließen sich neue Materialien mit nützlichen Eigenschaften wie Härte oder magnetischem Verhalten viel einfacher identifizieren, schreiben die Forscher. Zu diesem Zweck überführten sie ihre eindimensionale Liste in ein Diagramm, in dem die Mendelejew-Zahl auf jeder Achse aufgetragen ist. Damit schufen sie einen zweidimensionalen Raum für Verbindungen aus zwei verschiedenen Elementen.

          In diesem zweidimensionalen Schema nehmen Verbindungen mit ähnlichen Eigenschaften benachbarte Plätze ein. Mehrere benachbarte Verbindungen formen wiederum Cluster aus chemisch ähnlichen Materialien. Der Vorteil dieses Ordnungsprinzips: Man könnte gezielt nach bislang unbekannten Verbindungen mit bestimmten Eigenschaftsprofilen fahnden und diese identifizieren, schreiben die Forscher. Außerdem würden die Cluster auf Charakteristika und Gemeinsamkeiten von Verbindungen hinweisen, die man näher erforschen könnte.

          Ordnet man die Elemente nach Größe der jeweiligen Atomradien und  Elektronegativitäten an, ergeben sich Bereiche mit ähnlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften.
          Ordnet man die Elemente nach Größe der jeweiligen Atomradien und Elektronegativitäten an, ergeben sich Bereiche mit ähnlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften. : Bild: Zahed Allahyari, Artem Oganov

          Das Ordnungskonzept auf Grundlage der Mendelejew-Zahl ist nicht neu. Vorgeschlagen hatte es bereits der englische Chemiker David Pettifor im Jahr 1984. Es erwies sich aber als überaus schwierig, die Elementeigenschaften auf eine geeignete Art zu definieren. Jedem Element musste Pettifor einen festen Zahlenwert zuordnen, der die Position des Elements in der Liste bestimmt.

          Ist Wasserstoff ein Halogen?

          Eine Möglichkeit wäre es, die Mendelejew-Zahlen auf Basis der Anzahl der Valenzelektronen eines Atoms (Elektronen in den äußersten Schalen, die an den Bindungen mit anderen Atomen beteiligt sind) oder der Kristallstruktur festzulegen, die Festkörper dieser Elemente bilden. Solche Ansätze sind allerdings nicht eindeutig, da etwa die Zahl der Valenzelektronen in Abhängigkeit vom Zustand eines Elements variieren kann.

          Allahyari und Oganov haben daher einen anderen Weg gewählt. Sie zogen zur Definition der Mendelejew-Zahl universelle Eigenschaften eines Elements heran. Für die Forscher kämen der Atomradius, die Elektronegativität oder die Polarisierbarkeit in Frage. Da Letztere stark voneinander abhängen, haben sie sich für die Elektronegativität und den Atomradius entschieden.

          Der Atomradius ist allerdings auch keine eindeutige Größe. Er variiert etwa mit der Art der Bindung, mit der das Atom an ein weiteres gekoppelt ist. Die Forscher definierten den Wert des Radius für eine ganz bestimmte Elementkonfiguration, und zwar für die sogenannte primitive kubische Struktur, bei der sich an den Ecken der würfelförmigen Elementarzelle jeweils ein Atom des Elements befindet. Die universale Sequenz der Elemente ergab sich schließlich aus ihrer Reihenfolge auf einer Regressionsgeraden in einem Graphen, wo Elektronegativität gegen Atomradius aufgetragen ist. Wasserstoff findet sich beispielsweise relativ weit hinten in der Liste auf Position 90 vor Neon (91) und Helium (92). „Unsere Mendelejew-Zahl ist nicht empirisch und sollte für jede Art von Daten gleich gut funktionieren“, schreibt Oganov auf der Website „Chemistry World“ der Royal Society of Chemistry.

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