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Relativität schwächt chemische Bindung im superschweren Seaborgium
Innerhalb einer Gruppe des Periodensystems werden bestimmte Metallbindungen von Chrom über Molybdän bis Wolfram zunehmend fester. Beim superschweren Seaborgium kehrt sich dieser Trend offenbar um, wie ein Experiment mit einzelnen Atomen zeigt. In einer Seaborgium-Verbindung ist die Bindung zu Kohlenmonoxid schwächer als beim leichteren Wolfram. Der Befund stimmt mit Vorhersagen überein, die relativistische Effekte berücksichtigen.
Darmstadt (Deutschland). Das Periodensystem ordnet Elemente nach ihren Eigenschaften und lässt dadurch auch Rückschlüsse auf ihre chemischen Verbindungen zu. Besonders bei den schwersten Elementen stößt die Vorhersage nach bekannten Gruppentrends aber an Grenzen. Denn die starke Anziehung ihrer Atomkerne verändert die Bewegungen und Energien der Elektronen so deutlich, dass Effekte aus Einsteins Relativitätstheorie eine Rolle spielen.
Ein Beispiel liefern Chrom, Molybdän und Wolfram. Alle drei können mit sechs Kohlenmonoxid-Molekülen sogenannte Hexacarbonyle bilden, in denen ein Metallatom von sechs CO-Gruppen umgeben ist. Die Energie, die zum Abspalten der ersten dieser Gruppen nötig ist, nimmt in dieser Reihe zu. Für das noch schwerere Seaborgium mit der Ordnungszahl 106 war deshalb besonders interessant, ob sich dieser Anstieg fortsetzt.
Forscher des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung (GSI) um Dr. Alexander Yakushev haben nun die Bindungsstärke im Seaborgium-Hexacarbonyl Sg(CO)₆ experimentell bestimmt. Als Vergleich diente die entsprechende Verbindung des Wolframs. Weil Seaborgium künstlich erzeugt wird und seine Atomkerne rasch zerfallen, musste das Team seine Chemie Atom für Atom verfolgen.
Für das Experiment erzeugten die Wissenschaftler am Beschleuniger das Seaborgium-Isotop 259 sowie die Wolfram-Isotope 161 und 162. Mithilfe des Separators TASCA trennten sie die gesuchten Atome von anderen Reaktionsprodukten und brachten sie anschließend mit Kohlenmonoxidgas zusammen. Dabei konnten sich Metallkomplexe mit unterschiedlich vielen CO-Gruppen bilden.
„Mit dem TASCA-Separator wurden die Seaborgium-Atome von anderen Reaktionsprodukten getrennt und zur chemischen Analyse weitergeleitet“, erläutert Juha Uusitalo von der University of Jyväskylä (JYU).
Entscheidend war, welche Reaktionsprodukte in zwei hintereinandergeschalteten Detektoren registriert wurden. Unvollständige, reaktionsfreudigere Komplexe blieben bereits im ersten Abschnitt haften. Das vergleichsweise flüchtige Hexacarbonyl gelangte dagegen bis zum zweiten, gekühlten Detektor, wo die Forscher die einzelnen Atome anhand ihres radioaktiven Zerfalls identifizierten.
Insgesamt wies das Team 75 Seaborgium-Atome nach. Nur drei davon erreichten den zweiten Detektor als Seaborgium-Hexacarbonyl, also rund vier Prozent. Beim Wolfram lag der Anteil des entsprechenden vollständigen Komplexes dagegen bei etwa 17 Prozent. Aus den unterschiedlichen Bildungshäufigkeiten und einem Modell der Reaktionsgeschwindigkeit leitete das Team die Stärke der letzten Metall-CO-Bindung ab.
Für das Seaborgium-Hexacarbonyl ergab sich eine Bindungsdissoziationsenergie von 188 Kilojoule pro Mol, für die Wolfram-Verbindung beträgt der Vergleichswert 192 Kilojoule pro Mol. Der abgeleitete Unterschied liegt bei vier Kilojoule pro Mol mit einer Unsicherheit von zwei Kilojoule pro Mol. Die Einzelwerte besitzen wegen der zugrunde liegenden Referenzmessung größere Unsicherheiten von neun beziehungsweise acht Kilojoule pro Mol.
„Zum ersten Mal ist es uns gelungen, die Stärke einer chemischen Bindung in der Verbindung eines superschweren Elements zu messen, nämlich zwischen dem zentralen Seaborgium-Atom und einem Kohlenmonoxid-Liganden. Anschließend haben wir sie mit derselben Bindung im Hexacarbonyl des leichteren Elements Wolfram verglichen“, erklärt Dr. Alexander Yakushev.