Dmitri Iwanowitsch Mendelejew – einfach erklärt

Periodisches Gesetz und Periodensystem

Dmitri Iwanowitsch Mendelejew (8. Februar 1834–2. Februar 1907) war ein russischer Chemiker. Seine wichtigste Leistung war die Entwicklung eines Systems der chemischen Elemente, das er als periodische Gesetzmäßigkeit bezeichnete. Daraus entstand das heutige Periodensystem der Elemente (PSE). Die Grundidee lautet: Nach Atomgewicht angeordnete Elemente zeigen eine regelmäßige Wiederkehr ihrer chemischen Eigenschaften und ihres Verhaltens.

Am 6. März 1869 wurde Mendelejews System in der Russischen Chemischen Gesellschaft vorgestellt. Die damals bekannten 63 Elemente waren ansteigend nach der Atommasse in sieben Gruppen mit ähnlichen Eigenschaften angeordnet. Mendelejew berücksichtigte neben dem Atomgewicht auch die Bildung von Verbindungen, das elektrochemische Verhalten, die Wertigkeit, die Kristallform von Verbindungen und die Neigung zur Isomorphie.

Zu seinen Kernthesen gehörten:

Elemente mit ähnlichem Verhalten haben entweder fast gleiche Atomgewichte, etwa Platin, Iridium und Osmium, oder die Atomgewichte steigen gleichmäßig, etwa bei Kalium, Rubidium und Cäsium.
Die Stellung eines Elements oder einer Elementgruppe entspricht ihrer Wertigkeit und, abgesehen von einigen Ausnahmen, ihrem charakteristischen Verhalten.
Häufig vorkommende Elemente besitzen kleine Atomgewichte.
Das Atomgewicht bestimmt die Eigenschaften eines Elements, ähnlich wie die Größe eines Moleküls dessen Eigenschaften bestimmt.
Noch unbekannte Elemente und bestimmte charakteristische Eigenschaften lassen sich vorhersagen.
Atomgewichte konnten durch die Anordnung korrigiert werden. Mendelejew folgerte beispielsweise, das Atomgewicht des Tellurs müsse zwischen 123 und 126 liegen und könne nicht 128 betragen.

Freie Stellen kennzeichnete Mendelejew mit Vorsilben aus dem Sanskrit: Eka bezeichnete ein Element einen Spaltenplatz unter einem bekannten Element, Dwi zwei und Tri drei Spaltenplätze darunter. Er sagte die Eigenschaften von Eka-Aluminium, Eka-Bor und Eka-Silizium voraus. Diese Elemente wurden später als Gallium (1875; Atomgewicht 69,723), Scandium (1879; 44,956) und Germanium (1886; 72,631) entdeckt. Weitere später bestätigte Vorhersagen betrafen unter anderem Technetium, Rhenium, Polonium, Francium und Protactinium.

Das System enthielt auch die bereits von John A. R. Newlands bekannte Oktavenregel. Edelgase waren im frühen System noch nicht enthalten und wurden von Mendelejew zunächst nicht vorhergesagt. Nach ihrer Entdeckung war er unsicher, ob sie als Elemente gelten sollten, weil sie kaum Verbindungen eingingen. Erst nach einem Treffen mit William Ramsay im Jahr 1900 akzeptierte er sie als neue Hauptgruppe zwischen Halogenen und Alkalimetallen.

Mendelejew schilderte die Entwicklung als langwieriges Ordnen von Kärtchen mit Atomgewichten und Eigenschaften, wobei ihm der entscheidende Einfall im Schlaf gekommen sei. Die Forschungsgeschichte bewertet diese Darstellung unterschiedlich: Nach Bonifati Kedrow entstand das System durch einen plötzlichen Einfall am 17. Februar 1869; andere Historiker betonen eine längere Vorbereitung durch frühere Arbeiten.

Kindheit, Ausbildung und wissenschaftlicher Weg

Mendelejew wurde in Tobolsk als jüngstes von insgesamt 14 Kindern geboren; in der Literatur schwankt die Angabe bis zu 17 Kindern. Sein Vater war Gymnasialdirektor, erblindete früh und starb 1847. Seine Mutter übernahm eine Glasfabrik der Familie und gründete für deren Arbeiter eine Dorfschule und eine Kirche. Von 1841 bis 1849 besuchte Mendelejew das Gymnasium in Tobolsk. Seine Leistungen waren zunächst dürftig, besonders wegen seines geringen Interesses an Fremdsprachen und Latein. Später setzte er sich für Bildungsreformen ein.

1849 zog die Mutter mit den Kindern nach Sankt Petersburg, um seine Ausbildung zu ermöglichen. Wegen formaler Vorschriften wurde er zunächst weder an der Universität Moskau noch an der Universität Sankt Petersburg aufgenommen. Ein Medizinstudium gab er auf, nachdem er bei einer Obduktion ohnmächtig geworden war. 1850 erhielt er eine Ausnahmegenehmigung für die Aufnahme in das Pädagogische Institut in Sankt Petersburg. Im selben Jahr starb seine Mutter, sodass er Vollwaise wurde.

Zu seinen Lehrern gehörten Alexander Woskressenski, Emil Lenz und Michail Ostrogradski. Trotz häufiger Erkrankungen und einer offenen Tuberkulose wandte er sich der Chemie und Mineralogie zu. Nach seinem Abschluss 1855 erhielt er eine Medaille. Seine Kandidatenarbeit behandelte den Isomorphismus, also Zusammenhänge zwischen Kristallform und Zusammensetzung. Wegen seiner Krankheit wurde er zur Erholung und zur Ableistung seines Stipendiums zunächst als Oberlehrer auf die Krim und später nach Odessa geschickt; das mildere Klima verbesserte seine Gesundheit.

1856 legte Mendelejew in Sankt Petersburg das Magisterexamen mit einer Arbeit über spezifische Volumina ab und wurde 1857 Privatdozent für Chemie. 1860/61 arbeitete er mit einem Auslandsstipendium in Heidelberg bei Robert Bunsen und Gustav Kirchhoff und besuchte den internationalen Chemikerkongress in Karlsruhe 1860. Dort lernte er die Ideen Stanislao Cannizzaros zu Atomgewichten kennen; auch Lothar Meyer nahm an dem Kongress teil. Mendelejew beschäftigte sich mit Atomgewichten und Spektroskopie, arbeitete aber überwiegend in einem selbst eingerichteten Labor. Nach seiner Rückkehr lehrte er unter anderem organische Chemie und bereitete sein Lehrbuch Organische Chemie vor.

Professur und weitere chemische Forschung

Mendelejew wurde 1864, noch vor seiner Promotion, Professor am Technologischen Institut Sankt Petersburg und dort bis 1866 Professor. 1865 verteidigte er seine Doktorarbeit Über die Verbindung von Alkohol mit Wasser. Die Behauptung, er habe damit das bis heute übliche Mischungsverhältnis von 40:60 Teilen bei Wodka begründet, ist laut Artikel ein Mythos; er veröffentlichte nie über Wodkaherstellung.

1865 wurde er außerordentlicher und bald ordentlicher Professor für technische Chemie an der Universität Sankt Petersburg, 1867 Professor für reine Chemie. Für seinen Unterricht verfasste er ab 1868 das Lehrbuch Grundlagen der Chemie, weil ihm geeignete russische Lehrbücher fehlten. Das Werk war in Russland sehr einflussreich und erschien zu seinen Lebzeiten in acht Auflagen, zuletzt 1906. Mendelejew kannte das 1864 veröffentlichte Buch Lothar Meyers zunächst nicht, wurde aber durch die Typentheorie Charles Frédéric Gerhardts beeinflusst. Meyer veröffentlichte wenige Monate nach Mendelejews Tabelle eine fast identische Tabelle; daraus entwickelte sich später ein Prioritätsstreit.

Nach der Arbeit am Periodensystem wandte sich Mendelejew ab 1872 für mehr als ein Jahrzehnt intensiv den physikalischen Eigenschaften von Gasen zu. Er untersuchte die Zustandsgleichung von Gasen, die thermische Ausdehnung von Flüssigkeiten sowie den kritischen Punkt, unabhängig von Thomas Andrews. Außerdem befasste er sich mit Kohäsion und Kapillarität und erklärte mechanische Eigenschaften durch zwischenmolekulare Kräfte.

Für Lösungen vertrat er eine Hydrattheorie: Eine Lösung sollte eine chemische Verbindung bilden, die bei tiefen Temperaturen ausfallen kann und teilweise dissoziiert. Die Ionentheorie von Wilhelm Ostwald akzeptierte er nicht. In der organischen Chemie vertrat er zunächst Gerhardts Typentheorie und lehnte Alexander Butlerows Strukturtheorie ab; erst etwa ab 1895 schloss er sich dieser an. Mendelejews eigene Lösungstheorie von 1887 wurde noch zu seinen Lebzeiten durch die Arbeiten von Wilhelm Ostwald, Svante Arrhenius und Jacobus Henricus van ’t Hoff widerlegt.

Nach seiner Pensionierung 1885 unterrichtete er auf Bitten von Kollegen weiter. 1890 gab er die Tätigkeit auf, nachdem die bürokratische Reaktion auf Studentenunruhen ihn dazu bewogen hatte.

Wirtschaftliches und politisches Engagement

Mendelejew prägte auch die Entwicklung der russischen Ölindustrie. Er besuchte bereits in den 1860er Jahren die Ölfelder bei Baku. 1876 reiste er im Auftrag der russischen Regierung in die USA, um die Ölförderung in Pennsylvania zu untersuchen und Empfehlungen für die russischen Erdölvorkommen auszuarbeiten. Danach entwickelte er neue Verfahren zur Erdölraffination. Seine Empfehlungen veröffentlichte er in Die Erdölindustrie in Pennsylvania und im Kaukasus. Er vertrat die These eines nicht-biologischen Ursprungs von Erdöl und stand durch seine Arbeiten mit den Nobel-Brüdern in Verbindung.

Weitere Untersuchungen betrafen den Bergbau, insbesondere Kohle im Donezbecken und Eisenerz im Ural. Mendelejew arbeitete außerdem auf seinem Gut landwirtschaftlich und führte dort auch Ballonfahrten durch. Er beschäftigte sich mit Ökonomie, Schutzzöllen und Freihandel, wobei ihn die Ideen Friedrich Lists und Johann Heinrich von Thünens beeinflussten. Am russischen Zolltarif von 1891 wirkte er mit.

Politisch war Mendelejew liberal. In seinen Vorlesungen waren seit den 1860er Jahren auch Frauen zugelassen. Er setzte sich für Frauenbildung ein und förderte Julija Wsewolodowna Lermontowa, die erste Doktorandin in Chemie. In Eingaben an die Regierung kritisierte er zaristische Bürokratie und politische Repressionen. 1890 trat er aus Protest gegen die Einschränkung der universitären Autonomie als Professor zurück.

1893 wurde Mendelejew Direktor des Russischen Amts für Maße und Gewichte. In dieser Funktion führte er das metrische System in Russland ein. Außerdem beriet er das Kriegs- und Marineministerium, unter anderem zu rauchlosem Schießpulver. Er erfand dafür Pyrocollodium.

Auszeichnungen, Werke und Nachwirkung

Mendelejew wurde trotz seines Ansehens nie volles Mitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften; ein Aufnahmeversuch scheiterte 1880, teilweise aus politischen Gründen. Er war unter anderem Mitglied der Russischen Akademie der Künste und von 90 ausländischen Akademien. 1862 erhielt er den Demidow-Preis für sein Lehrbuch Organische Chemie. 1882 bekam er die Davy-Medaille, 1892 wurde er Mitglied der Royal Society und 1905 erhielt er die Copley-Medaille. Der Nobelpreis blieb ihm 1906 knapp verwehrt; im zuständigen Komitee fehlte ihm eine Stimme.

Mendelejew war zweimal verheiratet und hatte aus erster Ehe zwei, aus zweiter Ehe vier Kinder. Er starb im Januar 1907 an den Folgen einer Grippe und wurde auf dem Petersburger Wolkowo-Friedhof neben seiner Mutter bestattet. 1868 war er an der Gründung der Russischen Chemischen Gesellschaft beteiligt, die später nach ihm benannt wurde.

Zu seinen wichtigsten Veröffentlichungen gehören Organische Chemie (1861), Grundlagen der Chemie (1868–1871), Zur Frage über das System der chemischen Elemente (1871), Die periodische Gesetzmässigkeit der chemischen Elemente (1871), Zur Geschichte des periodischen Gesetzes (1880), Über die Elastizität der Gase (1875), Die Untersuchung wässriger Lösungen nach dem spezifischen Gewicht (1887), Letzte Gedanken (1904/05) und Zur Kunde Russlands (1905–1907; der letzte Ergänzungsband erschien postum). Eine Gesamtausgabe erschien in 25 Bänden, Leningrad 1934–1953.

1955 benannten Wissenschaftler der University of California, Berkeley, das 101. chemische Element nach ihm: Mendelevium. Außerdem tragen unter anderem ein Vulkan, ein unterseeischer Gebirgskamm, der Asteroid (2769) Mendeleev, der Mondkrater Mendeleev, der Mendelejew-Gletscher in der Antarktis und die Fachzeitschrift Mendeleev Communications seinen Namen.