Das PSE – Periodensystem der Elemente

Arbeitsmaterial:

Geschichte des PSE (Broschüre der GdCh)

Die Suche nach den Bausteinen unserer Welt

In Darmstadt (Deutschland) wurde und wird auch heute noch nach den Bausteinen des Universums gesucht. Hier entdeckte man Elemente durch ein fantastisches Experiment in einem Teilchenbeschleuniger.

Welche Informationen man im PSE findet und wozu man diese nutzt erfahrt ihr hier …

Einen sehr schön gestalteten Kurs „PSE“ findet man auch bei Studiflix.de. LiNK

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Wasserstoff – Hydrogenium (H) – Element 1

Arbeitsblatt zum Wasserstoff
Arbeitsblatt Wasserstoff Herstellung

Wie funktioniert ein Wasserstoffauto?

Entdeckt wurde Wasserstoff vom englischen Chemiker und Physiker Henry Cavendish im Jahre 1766, als er mit Quecksilber und Säuren experimentierte. Als er die beiden Substanzen zusammenbrachte, entstanden im Gemisch kleine Gasbläschen.

Das Element (die Atomart) Wasserstoff (Symbol: H) bildet als Elementsubstanz ein geruchloses, farbloses und brennbares Gas, welches aus Molekülen mit der Formel H2 aufgebaut ist.

Wasserstoff hat eine Dichte von 0,084 g/l und ist damit das „leichteste“ Element. Bei -253°C wird es flüssig und erstarrt bei -259°C  zum Feststoff. In Gemischen mit Luft oder Sauerstoff reagiert Wasserstoff explosionsartig. Dieses Gemisch nennt der Chemiker Knallgas . Bei höheren Temperaturen reagiert es mit vielen Metallen und Nichtmetallen heftig, wobei die entsprechenden Hydride gebildet werden. In Magnesiumhydrid \( (MgH_2) \) lösen sich 800 Liter Wasserstoff pro kg Hydrid. Damit wird es für die Nutzung als Energiespeicher interessant, da diese Energiedichte größer als die der gegenwärtigen Batterien ist. In Wasser ist Wasserstoff nur sehr wenig löslich. Eine besondere Eigenschaft von Wasserstoff ist, in Metalle einzudringen (diffundieren)  und mit ihnen „nicht stöchiometrische Metallhydride“ zu bilden.

Cavendishs Apparatur zur Darstellung von Gasen findet in weiterentwickelter Form noch heute statt.
Das pneumatische Auffangen von wenig wasserlöslichen Gasen ist ein Standardverfahren im Labor.

Die industrielle Produktion von Wasserstoff erfolgt zum großen Teil aus Erdöl, Erdgas und Biomasse. Dort wird im Dampfreforming -Verfahren der Wasserstoff gewonnen. Die Weltproduktion von Wasserstoff liegt bei ca. 350 Milliarden Tonnen pro Jahr. Wasserstoff wird für technische Hydrierungen und die verschiedensten chemischen Synthesen eingesetzt. Sein Einsatz zur Herstellung von Ammoniak hat die Hochdruckchemieindustrie begründet. Das Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniaksynthese wird seit 1913 betrieben.
Auch in der Metallurgie kommt der Wasserstoff zum Einsatz. Zur Gewinnung von Metallen wie Wolfram und Chrom, werden die Erze mit Wasserstoff zu den Metallen reduziert.

36km weit flog der erste bemannte mit Wasserstoff gefüllte Ballon der Welt. Charles und Nicolas Robert flogen damit am 1. Dezember 1783, also 17 Jahre nach der Entdeckung des Elements.
Bis 1937 wurde der Wasserstoff in immer größeren Projekten wie Ballons und später auch in Luftschiffen als Füllgas eingesetzt. Dabei kam es aber immer wieder zu Katastrophen, die Menschenleben kosteten. Diese gipfelten im Absturz des mit 200.000m³ Wasserstoff gefüllten Zeppelins „Hindenburg“.

Der Einsatz von Wasserstoff ist bis heute immer mit einem Risiko belastet …
Eine Liste von Unglücken mit Luftschiffen gibt es hier!

Wasserstoff ist heute wieder im Gespräch nachdem dieser Stoff lange als zu gefährlich und unkontrollierbar galt. Nun tankt man Wasserstoff wieder in Busse, PKW und einige andere Fahrzeuge. Für Füllungen von Wetterbalonen und unbemannten Luftschiffen ist er immer noch eine preisgünstige Variante.

Wasserstoff ist natürlich im Chemieunterricht hergestellt eine spektakuläre Substanz, die mit der Knallgasprobe nachgewiesen werden kann. Die Bildung von explosiven Gemischen aus Sauerstoff der Luft und Wasserstoff wird hier genutzt.

Mehr?

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Sauerstoff – Oxygenium

Bild von Arek Socha auf Pixabay

Nach dem Sauerstoff wurde lange Zeit in der Chemie gesucht und geforscht. Phlogiston hieß der Stoff, dem man zutraute, für die Brände, die immer wieder ausbrachen verantwortlich zu sein, zweifellos eine Substanz der Götter. Viele berühmte Wissenschaftler der der noch jungen Chemie suchten bis ins Jahr 1777 nach einer Erklärung für dieses bis dahin himmlischen Phänomen.
Carl Wilhelm Scheele , ein Apotheker aus Stralsund, suchte 1771 bis 1773 in verschiedenen Experimenten nach dem Stoff. Er publizierte in seinem Buch „Abhandlungen von der Luft und dem Feuer“ seine Erkenntnisse über „Feuerluft“ und „schlechte Luft“.
Er konnte durch Erhitzen von Braunstein – Manganoxid, wie wir heut wissen – ein Gas erzeugen, welches die Verbrennung verstärkt. Auch der Kristall Kaliumpermanganat (bekannt seit 1659, Johann Rudolph Glauber )zeigte dieses Verhalten.

Viele chemische Verbindungen…

enthalten Sauerstoff, der so durch chemische Reaktionen verfügbar wird. Im Chemieunterricht stellen wir Sauerstoff durch die Zerlegung von Wasserstoffperoxid \(H_2 O_2\) oder die thermische Zersetzung von Kaliumpermanganat \(KMnO_4\)her.
Da wir technisch den Sauerstoff jedoch in großen Mengen brauchen, nutzen wir das Verfahren der Luftverflüssigung nach Linde .

Herstellung und Nachweis:

Hier wird das violette Salz Kaliumpermanganat \(KMnO_4\) erwärmt. Dabei wird der Kristall instabil und Sauerstoffatome verlassen das Salz. Es wird zersetzt. Das sieht man auch an der Farbänderung des Salzes nach dem Experiment. Der entstehende freie Sauerstoff wird pneumatisch aufgefangen.

Die Glimmspanprobe ist die Nachweismethode für das brandfördernde Gas Sauerstoff. Dabei wird ein glimmender Holzspan in ein Gefäß (hier ein Reagenzglas) getaucht. Ist Sauerstoff enthalten, so flammt der Span auf. Aus dem Glimmen wird eine Flamme.
Andere Gase zeigen diesen Effekt bezüglich eines Glimmspans nicht.

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Dimitri I. Mendelejew

Dimitri Iwanowitsch Mendelejew

wurde am 8. Februar 1834 geboren. Am 6. März des Jahres 1869 stellte er der Welt seine Tabelle der Elemente vor. Die Welt kannte damals 63 Elemente. Dimitri I. Mendelejew ahnte jedoch, dass da noch was kommt.
Heute(2020) kennen wir 118 Elemente. Mendelejew ließ in seiner Tabelle einfach „ein paar Lücken“. An den richtigen Stellen!

Die von Mendelejew vorausgesagten Elemente Gallium, Scandium und Germanium wurden schon Jahre später entdeckt. Schon 4 Jahre nach der Voraussage(1871) von Eka-Aluminium entdeckte Paul Émile Lecoq de Boisbaudran das bei 29,8°C schmelzende Metall Gallium. 1879 fand der Schwede Lars Fredrik Nilson das vorhergesagte Eka-Boron und benannte es als „Scandium„. Im Jahr 1886 fand Clemens Winkler das Element Eka-Silicium und nannte es aus Liebe zu seinem Heimatland „Germanium„. Die gefundenen Elemente bestätigten die mit hoher Genauigkeit vorhergesagten Eckdaten wie Aussehen, Dichte, Schmelz- und Siedepunkte, Formeln von Verbindungen und deren chemisches Verhalten.

Hier mal ein Vergleich der vorausgesagten und der gefundenen Werte:

Wissenschaftler der Universität of California, Berkeley benannten das künstlich erzeugt Element 101 nach dem Begründer des PSE und gaben ihm den Namen „Mendelejevium„.
Weltweit genießt dieser große Geist Anerkennung und Verehrung. Ein Vulkan, ein Asteroid und ein Gletscher mit seinem Namen kann man finden. In Russland wurden und werden Städte, U-Bahnstationen, Dörfer und Gegenden nach ihm benannt.

Mendelejew und das Periodensystem

Die Geschichte der Ordnung der Elemente – Das Periodensystem

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