Was ist ein Element?

Was chemische Konzepte angeht, gibt es nicht viel Grundlegenderes als das Element. Es ist einer der ersten Begriffe, mit denen Chemiestudenten in Berührung kommen, oft in der ikonischen Auflistung dieser Grundbestandteile der Natur, die Dmitri Mendelejew vor 150 Jahren erstmals beschrieb und die dieses Jahr gefeiert wird. Und doch kann niemand genau sagen, was ein Element ist. Die Frage wurde auf einer Tagung der Internationalen Gesellschaft für die Philosophie der Chemie im Juli 2018 in Bristol mit viel Elan und gelegentlicher Leidenschaft diskutiert – ohne jedoch zu einem Konsens zu führen.

Das ist keine Überraschung. Einige der besten Köpfe der Chemie, darunter Antoine Lavoisier, Mendelejew selbst und der Pionier der Nuklearchemie Frederick Soddy, haben sich mit dem Thema auseinandergesetzt, doch eine prägnante und umfassende Definition ist nach wie vor schwer zu finden. Und einige der Teilnehmer des Treffens deuteten an, dass dies vielleicht das Beste ist.

Für andere ist es ein Hinweis darauf, dass die Chemie ernsthafte philosophische Überlegungen anstellen muss. Die Chemie versteht sich selbst nicht als Disziplin“, sagt der Philosoph Farzad Mahootian von der New York University in den USA. Es geht nicht nur um die Definition eines Elements, sondern auch um Begriffe wie Moleküle, Bindungen und sogar um das Periodensystem selbst, das zwar durch die regelmäßige Verwendung durch Praktiker trügerisch vertraut ist, aber keine Bedeutung hat, über die sich alle einig sind. Es besteht ein Bedarf an philosophischen Überlegungen zu Aspekten der Chemie, die wir eher mechanisch lehren“, sagt Eric Scerri von der University of California Los Angeles in den USA, Herausgeber der wissenschaftsphilosophischen Zeitschrift Foundations of Chemistry.

Es scheint vernünftig zu sein, von der Chemie eine eindeutige Definition zu erwarten

Die Bedeutung eines „Elements“ ist ein beliebtes Streitthema unter dienstfreien Chemikern. Wir sind uns einig (richtig?), dass Wasserstoff ein Element ist – aber was meinen wir damit? Ist molekulares Wasserstoffgas ein Element? Oder das isolierte Wasserstoffatom? Oder beziehen wir uns nicht auf eine tatsächliche Substanz, sondern auf einen „transzendentalen“ Begriff von Wasserstoff, von dem die tatsächlichen Atome und Moleküle nur materielle Repräsentanten sind?

Manch einer mag sagen: Wen kümmert das? Wir wissen doch, was wir in der Praxis meinen. Wenn ich sage: „Schwefel ist ein Element, das einen gelben Feststoff mit stechendem Geruch bildet“, erwarte ich keine Einwände. Das Gleiche gilt, wenn ich sage: „Schwefel ist das zweite Element der Gruppe 16 des Periodensystems“. Aber das sind zwei verschiedene Dinge.“

Der theoretische Chemiker Eugen Schwarz von der Universität Siegen in Deutschland sagt: „Ich weiß, dass die Art und Weise, wie ich über die Elemente spreche, nicht ganz korrekt ist, aber jeder macht das, und die Schüler werden es am Ende herausfinden. Aber ‚mein persönliches Gefühl als Chemiker ist, dass man sich diese Gewohnheit nicht zu eigen machen sollte‘, fügt er hinzu.

Elena Ghibaudi von der Universität Turin in Italien ist besorgt, dass dieses Versäumnis, ein Element genau zu definieren, Probleme des Verständnisses, der Kommunikation und des Vertrauens in der Lehre aufwirft. Wenn zwei Chemieexperten über Elemente diskutieren, sind sie in der Lage, die Bedeutung vom Kontext zu unterscheiden, aber das ist im Klassenzimmer nicht der Fall“, sagt sie.

Auch für das öffentliche Verständnis der Chemie könnte es Probleme geben. Schwarz weist darauf hin, dass einige Elemente mit giftigen Stoffen in Verbindung gebracht werden – z. B. Chlorgas oder Schwefel im Schwefeldioxid, das bei der Verbrennung von Kohle und Öl freigesetzt wird -, so dass das Element selbst als inhärent giftig angesehen werden kann und anfällig für Verbote ist, die von chemisch ungebildeten Menschen ausgesprochen werden. Ich weiß nicht, wie man der Öffentlichkeit klarmachen kann, dass nur einige Verbindungen eines bestimmten Elements giftig sind, und auch das nur ab einer bestimmten Konzentration, während zu wenig von demselben Element sogar gesundheitliche Probleme verursachen kann“, sagt er.

„Der Begriff des Elements ist für die Chemie von zentraler Bedeutung und dient einer Reihe von Zwecken“, sagt Ghibaudi. Er gibt zum Beispiel an, was in einem System, das einer chemischen Umwandlung unterzogen wird, unverändert bleibt, und unterscheidet zwischen chemischen und nuklearen Veränderungen. Es scheint also vernünftig, von der Chemie eine eindeutige Definition zu erwarten. Aber kann sie das auch?

Erde, Wind und Feuer?

Wie die Idee der Atome leiden auch die Elemente eher unter der Illusion der Kontinuität einer langen Denktradition als dass sie davon profitieren. Im Volksmund heißt es, dass die alten Griechen dachten, es gäbe nur vier Elemente – Erde, Luft, Feuer und Wasser -, aber etwa seit dem achtzehnten Jahrhundert begannen wir zu erkennen, dass es mehr als vier gibt und dass keines diesen alten Elementen entspricht. Die Wahrheit ist vielschichtiger. Zum einen waren die vier Elemente, die Empedokles zugeschrieben werden und in der Philosophie des Aristoteles verankert sind, keineswegs das einzige Schema für die Grundbausteine der Materie im griechischen Denken. Und vor dem goldenen Zeitalter der Chemie während der späten Aufklärung waren die „Element“-Systeme eher unklar. Der Schweizer Arzt Paracelsus schlug im 16. Jahrhundert drei grundlegende „Prinzipien“ vor: Schwefel, Salz und Quecksilber, während mehrere andere Schemata (einschließlich solcher fiktiver Elemente wie Phlogiston) vorübergehend Unterstützung fanden.

Sollte jedes Isotop seinen eigenen Platz im Periodensystem einnehmen?

Außerdem waren dies nicht unbedingt konkurrierende Alternativen. Der Begriff des Elements, wie auch der des Atoms, hatte eine recht unterschiedliche Bedeutung und bedeutete nicht unbedingt eine ursprüngliche Art von Materie. Die drei Prinzipien des Paracelsus beispielsweise wurden eher als Eigenschaften denn als Bestandteile angesehen: Schwefel steht für Brennbarkeit, Salz für Festigkeit und Quecksilber für Flüssigkeit.

Robert Boyle wird zu Recht dafür gefeiert, dass er dem Konzept eine gewisse Klarheit verliehen hat, als er 1665 in seinem Buch The Sceptical Chymist vorschlug, dass ein Element eine Substanz sei, die nicht auf etwas Einfacheres reduziert („analysiert“) werden könne. Boyles Definition sagt jedoch nur aus, wann ein Element vorliegt, und nicht, was ein Element ist und was es von anderen unterscheidet. Und sie ist höchst vorläufig, eine Geisel Ihrer analytischen Fähigkeiten. Wie könnte man sicher sein, dass man ein Element hat und nicht nur eine Verbindung, die noch niemand in ihre Bestandteile aufgespalten hat? Das konnte man in der Tat nicht, weshalb schwer zu spaltende Oxide wie Aluminiumoxid und Siliziumdioxid in Listen aus dem 18. Jahrhundert wie der von Antoine Lavoisier in seinem einflussreichen Traité Élémentaire de Chimie von 1789 als Elemente erscheinen. Lavoisier folgte Boyle in seiner Behauptung, dass ein Element die letzte Stufe der Analyse darstellt.

John Dalton ergänzte Lavoisiers Definition um etwas Grundlegenderes, als er 1808 behauptete, dass sich die spezifischen Eigenschaften der Elemente von denen der sie bildenden Atome ableiten, die als winzige, harte, kugelförmige Teilchen dargestellt werden. Zu Mendelejews Zeit, in der Mitte des Jahrhunderts, war man sich darüber im Klaren, dass die verschiedenen Elemente unterschiedliche Atomgewichte haben, und bei der Aufstellung seines Periodensystems verwendete Mendelejew eine Ordnung der Elemente nach ihrem Atomgewicht. (Er selbst verwendete den Begriff „Elementargewicht“, da er nicht an Atome glaubte.)

Die Entdeckungen von Radiochemikern wie Soddy und Physikern wie Ernest Rutherford und Henry Moseley führten in den 1920er Jahren zu der Erkenntnis, dass die grundlegendere Eigenschaft der Atome eines Elements ihre Ordnungszahl Z ist – die Protonenzahl ihrer Kerne -, die für alle Atome eines bestimmten Elements gleich ist. Francis Aston entdeckte 1922 Isotope, die die gleiche Z-Zahl, aber eine unterschiedliche Atommasse haben. Aber wenn Z für zwei Atome unterschiedlich ist, handelt es sich um verschiedene Elemente.

Was verstehen wir unter „Kohlenstoff“? Diamant, ein Atom mit Z = 6 oder C60

Zunächst warfen die Isotope jedoch eine Katze unter die Tauben. Ihre Entdeckung war eine Herausforderung für die Definition eines Elements“, sagt Ghibaudi. Unter Chemikern und Physikern gab es eine lebhafte Debatte über das Konzept des chemischen Elements. Die Frage war, ob jedes Isotop seinen eigenen Platz im Periodensystem einnehmen sollte oder nicht. 1923 einigte sich ein internationales Komitee darauf, die Identifizierung des chemischen Elements auf die Ordnungszahl statt auf das Atomgewicht zu stützen.

Damit, so könnte man meinen, wäre die Sache erledigt: Elemente werden durch Z definiert. Das Problem ist nur, dass Chemiker das Wort so nicht verwenden. In einer bahnbrechenden Arbeit über die Definition der Elemente im Jahr 1932 gab der deutsche Chemiker Friedrich Paneth zwei verschiedene Definitionen zu, die er Einfacher Stoff“ und Grundstoff“ nannte. Die erste bezieht sich auf Lavoisiers Vorstellung von einem realen, physikalischen Stoff, der sich nicht durch chemische Methoden in grundlegendere Bestandteile zerlegen lässt, die zweite auf einen abstrakten Begriff: „Sauerstoff“ beispielsweise als eine Atomart mit Z = 8.

Ghibaudi bezweifelt, dass wir über Paneths Dualismus schon hinausgekommen sind. Iupac gibt derzeit in seinem „Goldenen Buch“ der chemischen Terminologie eine doppelte Definition von „Element“, die besagt, dass sich das Wort entweder auf eine „Atomart“ (die Ghibaudi als ähnlich zu Paneths „Grundsubstanz“ ansieht) oder, eher tautologisch, auf eine „reine Elementarsubstanz“ beziehen kann.

Diese doppelte Bedeutung ist unangenehm. Wenn man auf einer Website über Elemente nachschlägt, erfährt man, dass Sauerstoff Z = 8 hat und vielleicht eine bestimmte Elektronenkonfiguration und Position im Periodensystem – aber auch, dass es sich um eine hochreaktive Substanz mit der Formel O2 und einem Siedepunkt von -183°C handelt. Nach Ansicht des Chemikers Mark Leach, der die Website meta-synthesis.com betreibt, handelt es sich hierbei um eine schlampige Zusammenführung von zwei ganz unterschiedlichen Daten: die eine bezieht sich auf Paneths „Grundsubstanz“ (ein abstraktes Ideal), die andere auf seine „einfache Substanz“ (eine reale Substanz). Das kann doch nicht gut sein?

Darüber hinaus, sagt Leach, vermischt unsere ganze Vorstellung vom Periodensystem die beiden auf ungeschickte Weise. Wir könnten uns vorstellen, dass es sich um eine Auflistung von „Grundsubstanzen“ handelt – so hat es Mendelejew auch gesehen. Aber der ganze Begriff der Periodizität bezieht sich auf tatsächliche chemische Eigenschaften von realen Stoffen: die Wertigkeit in chemischen Verbindungen, Eigenschaften wie Ionisierungsenergie, metallischer Charakter und so weiter. Wenn der Grundstoff nur die Eigenschaft Z hat, gibt es nur eine einfache Liste“, sagt Leach. Woher kommt dann die Struktur des Periodensystems?‘

Einige populäre Darstellungen des Periodensystems zeigen sogar Fotos der „einfachen“ materiellen Formen der Elemente: Diamant oder Graphit für Kohlenstoff und so weiter. Es ist also ein verwirrendes Sammelsurium – und vielleicht muss es das auch sein. Man braucht einen vernünftigen Kompromiss zwischen den grundlegenden und den einfachen Eigenschaften, um es zu konstruieren“, sagt Scerri.

Dies ist keine triviale Angelegenheit. So wird zum Beispiel immer noch darüber gestritten, ob die Elemente unterhalb von Yttrium in Gruppe 3 Lanthan und Actinium oder Lutetium und Lawrencium sein sollen. Der Streit läuft darauf hinaus, ob man der Meinung ist, dass die Tabelle „grundlegende“ Merkmale wie die elektronische Konfiguration oder beobachtbare Merkmale wie das chemische Verhalten widerspiegeln sollte. Diese Argumente werden noch zweideutiger, wenn relativistische Effekte (aufgrund der sehr hohen Geschwindigkeiten der Elektronen in der inneren Schale) beginnen, die chemische Periodizität der vom Menschen hergestellten überschweren Elemente zu beeinträchtigen.

Das wird schwer

Das ist nicht die einzige Komplikation, die die superschweren Elemente mit sich bringen. Die Verwirrung darüber, ob ein Element ein „Material“ oder ein „Konzept“ ist, rührt daher, dass sie in der Vergangenheit beides waren. Aber hat ein neues Element wirklich denselben Anspruch auf Realität, wenn es nur als eine Handvoll Atome existiert, die weniger als eine Sekunde lang stabil sind, wie es bei einigen der neuesten künstlichen Elemente, wie Tennessin, der Fall ist? Wenn Elemente zum Teil durch ihre chemischen Eigenschaften definiert sind, wo bleiben dann Elemente, die nicht lange genug existieren, um in eine sinnvolle chemische Wechselwirkung einzutreten, und die ohnehin nur als hochgeladene Ionen hergestellt werden, die nie ein vollständiges Komplement an Elektronen erhalten? In welchem Sinne sind sie Elemente, wenn sie nur ein oder zwei Millisekunden existieren?“, fragt Scerri. Ich glaube nicht, dass wir sie jemals in Flaschen abfüllen können.“

In welchem Sinne sind sie Elemente, wenn sie nur ein oder zwei Millisekunden überdauern?

Die Radiochemie hat sich schon immer ein wenig unbehaglich im Stall der Chemie gehalten. Eine gängige Art, über chemische Elemente nachzudenken, ist, sie als „konservierte Größen“ der Chemie zu betrachten. Genauso wie Masse und Energie in der Physik niemals zerstört werden (obwohl sie natürlich ineinander umgewandelt werden können), besteht die grundlegende Erhaltungsregel der Chemie darin, dass Elemente erhalten bleiben: Man verlässt eine Reaktion niemals mit weniger Kohlenstoff, als man zu Beginn hatte. In der Radiochemie, wo ein Element in ein anderes zerfallen kann, ist dies jedoch der Fall. Ob die Radiochemie damit überhaupt zur Chemie gehört, ist seit ihren Anfängen umstritten, als die Nobelpreiskomitees für Physik und Chemie darum wetteiferten, wer den Curies und Rutherford (die beide heute in den Namen der Elemente für die Chemie „reklamieren“) den Preis verleihen sollte.

Dieser Grabenkrieg ist nie beendet worden, wie die jüngsten Streitigkeiten zwischen den Internationalen Vereinigungen für reine und angewandte Physik und Chemie (Iupap und Iupac) darüber zeigen, wer über die Bestätigung neuer Elemente entscheiden darf. Die Physiker sagen, dass nur sie über das nötige Fachwissen verfügen, um die Behauptungen zu beurteilen, die in den atomaren Experimenten mit Teilchenbeschleunigern aufgestellt werden. Aber die Chemiker sind nicht glücklich darüber, dass eine andere Gruppe bestimmt, was in ihr wertvollstes Symbol, das Periodensystem, aufgenommen wird.

Wer auch immer das Urteil fällt, diese neuen Elemente sind nichts, was man in der Hand halten kann. Sie unterstreichen die neue Bedeutung von Zeitskalen. Jede Kernfusion, die länger dauert als die typische Zeitskala der Kernstreuung, etwa 10-10 s, könnte als Bildung eines neuen Elements gelten. Aber rechtfertigt eine in Nanosekunden gemessene Vereinigung dies wirklich, oder handelt es sich lediglich um eine Art Resonanz? Deshalb, so Schwarz, „sollten wir, wenn wir über Elemente sprechen, auch über Zeitskalen sprechen“. Er fragt sich, ob ein „Element“ nicht zumindest eine Einheit sein sollte, die prinzipiell in der Lage ist, Moleküle zu bilden. Chemie ist ein Handwerk und eine Wissenschaft von realen Materialien“, fügt er hinzu – aber „für Physiker ist ein Atomkern ein Element“. Iupac hat unterdessen vor kurzem neue Kriterien für die Entdeckung superschwerer Elemente bekannt gegeben, die bestätigen, dass die Zeitspanne der Existenz, um sich für den Elementstatus zu qualifizieren, nur
10-14s beträgt.

Das Ding an sich

Das Problem der Elemente zeigt, dass, wie Scerri sagt, die Chemie Philosophie braucht. Die Frage nach dem „chemischen Element“ wirft wie einige andere Fragen in der Chemie, z. B. die Begriffe „Substanz“ und „Struktur“, philosophische Fragen auf und kann daher nicht geklärt werden, ohne sich auf Ideen aus der Philosophie zu stützen“, sagt Ghibaudi. In gewisser Weise geht die Frage bis zu Platon zurück, dessen Vorstellung von „idealen“ immateriellen Formen seine Auffassung von tatsächlichen physikalischen Entitäten untermauerte. Paneths abstrakte ‚Grundsubstanz‘ wird manchmal auch in Anlehnung an Immanuel Kants Begriff des ‚Ding an sich‘ diskutiert – das ‚Ding an sich‘ oder der fundamentale Aspekt der Realität, der sich der Reichweite unserer (fehlbaren) Sinne entzieht.

Enthält die ‚grundlegende‘ Definition eines Elements alle ‚einfachen‘ Eigenschaften in sich?

Aber wenn es sich um eine philosophische Frage handelt, die nicht durch Empirie gelöst werden kann, müssen wir uns vielleicht einfach zwischen Paneths „Grundsubstanz“ und „einfacher Substanz“ als Definition eines Elements entscheiden? Einige Forscher sind dieser Meinung. Scerri schlägt unterdessen vor, dass die Natur eines Elements nicht nur doppelt, sondern dreifach ist: Was die Substanz eines Elements ausmacht, sind nicht nur die Eigenschaften des Rohmaterials, sondern auch die Eigenschaften seiner Verbindungen. Es ist schließlich eines der bleibenden Wunder der Chemie, dass in Natriumchlorid keine Spur des reaktiven grauen Metalls und des giftigen grünen Gases zurückbleibt.

Die Einführung einer eigenen Nomenklatur für die „einfachen“ und „basischen“ Definitionen, so dass Dihydrogenmoleküle nicht mehr als „das Element Wasserstoff“ angesehen werden, würde eine Reform der tief verwurzelten chemischen Sprache erfordern. Sarah Hijmans von der Université Paris-Diderot in Frankreich bezweifelt jedoch, dass wir so weit gehen müssen. Vielleicht, so schlägt sie vor, könnten wir das Wort „Element“ als eines betrachten, das von beiden Definitionen geprägt ist. Zu Lavoisiers Zeiten habe man sich für die analytische Definition entscheiden müssen, weil man so gut wie nichts darüber wisse, was die Elemente auf fundamentaler Ebene ausmache. Allmählich hat sich das Gleichgewicht mehr in Richtung einer „fundamentalen“ Definition in Bezug auf Z verschoben. Aber die empirische, „chemische“ Sichtweise hat natürlich immer noch ihren Wert, wie das Periodensystem zeigt.

Die Frage ist vielleicht, ob die beiden überhaupt in Konflikt stehen. In gewissem Sinne ist Z für Chemiker nicht sonderlich aussagekräftig, da der Kern so gut wie keine direkte Rolle im chemischen Verhalten spielt. Die Anzahl der Protonen ist nur ein Stellvertreter für das, was für die Chemie von Bedeutung ist: die Anzahl der Elektronen sowie ihre Konfiguration und ihre Energien.

Aber diese sind bei einem bestimmten Z durch die Regeln der Quantenmechanik vorgegeben. Sie können vorhergesagt werden. Und aus dieser Information wiederum können wir im Prinzip viel chemisches Verhalten vorhersagen, zum Beispiel welche Arten von Verbindungen das Element bilden wird. Wir können sogar die physikalischen Eigenschaften einiger Elemente vorhersagen: allotrope Formen, Schmelzpunkte und so weiter. Enthält die „grundlegende“ Definition eines Elements also alle „einfachen“ Merkmale, die sich mit der Verbesserung unserer Rechenfähigkeiten herausstellen werden?

Vielleicht müssen wir aber auch akzeptieren, dass der Begriff des Elements immer von einer gewissen Unbestimmtheit umgeben sein wird. Und vielleicht ist das gar nicht so schlecht. Chemiker sind schließlich daran gewöhnt – wie der Nobelpreisträger Roald Hoffmann betont hat, verwenden sie ständig Begriffe, die nicht eindeutig und genau definiert sind, wie Elektronegativität und Ionenradius, ohne dass dies ihren Wert für das Fachgebiet schmälert. Vagheit spielte eine nützliche Rolle im Denken“, sagt Mahootian. Vielleicht kommt es nicht auf die Vagheit an sich an, sondern darauf, dass es sich nicht um bloße Schlamperei handelt.

Was also ist Kohlenstoff? Die Antwort, so Schwarz, könnte davon abhängen, mit wem wir sprechen. Für unterschiedliche Zielgruppen und unterschiedliche Zwecke könnte es Ruß sein, es könnte Element sechs sein, es könnte eine natürliche Mischung von Isotopen oder ein Bestandteil von Methan sein. Eigentlich ganz elementar.

Philip Ball ist Wissenschaftsjournalist in London, UK