Kemien i den tunge ende af det periodiske system er ikke helt normal

Kemien for supertunge atomer er mere kompliceret, end de fleste sikkert umiddelbart forestiller sig.

I atomer med 100 eller flere protoner i kernen er elektronerne nemlig bundet så kraftigt, at de suser rundt om kernen med en hastighed på op til 80 pct. af lysets hastighed.

Den høje hastighed giver ifølge den specielle relativitetsteori elektronerne en masseforøgelse på rundt regnet 50 pct.

Det forandrer hele atomets struktur, så et supertungt atom ikke nødvendigvis har samme egenskaber som de grundstoffer, der sidder direkte ovenover i det periodiske system.

Grundstof opkaldt efter den amerikanske kemiker og nobelpristager Glenn Seaborg (1912-1999). Dannet første gang i 1974 først af russiske forskere og senere samme år af amerikanske forskere.

En kemisk forbindelse mellem seaborgium, oxygen og chlor i form af SgCl2O2 blev fremstillet allerede i 1997. Denne forbindelse mindede meget om tilsvarende forbindelser for wolfram og molybdæn og bekræftede den kemiske lighed mellem seaborgium og disse grundstoffer. Men i denne forbindelse indgår alle de yderste elektroner i kovalente kemiske bindinger, og det maskerer de relativistiske effekter.

Derfor har det været vigtigt at studere andre kemiske forbindelser med seaborgium, som det nu er tilfældet.

Grundstof nr. 114, flerovium, opfører sig eksempelvis på mange måder som bly, som det ligger lige under i det periodiske system, men det har også egenskaber, der minder meget mere om ædelgasserne.

Der er derfor stor interesse for at studere kemien for de supertunge grundstoffer mere indgående.

Det kompliceres dog af, at disse atomer er radioaktive med halveringstider, der måles i millisekunder til minutter, og de skal produceres kunstigt. Forskerne får ofte kun adgang til et nyt supertungt atom med mellemrum på timer eller uger.

Det er derfor noget af en præsta­tion, at en international forskergruppe med tysk-japansk dominans nu har dannet en kemisk forbindelse af grundstof nr. 106, seaborgium, hvor relativistiske effekter har betydning.

Forskerne har dannet carbonylforbindelser af seaborgium og sammenlignet dem med tilsvarende carbonylforbindelser af de naturligt forekommende atomer wolfram og molybdæn.

Eksperimenterne er udført med en lineær accelerator og en særlig ion-separator ved det japanske forskningsanlæg Riken, efter at forsøgene har været forberedt med mindre forsøg i Tyskland gennem fire år.

Atomer fordeles i 18 grupper

Det periodiske system er ikke blot en opremsning af atomerne i rækkefølge efter antallet af protoner i kernen eller vægt.

Opdelingen af atomer i 18 grupper, som udgør kolonnerne i det periodiske system, er foretaget ud fra de kemiske egenskaber, som er bestemt af antallet af elektroner, der kan deltage i kemiske bindinger.

Længere nede i det periodiske system bliver tingene dog mere rodede. Her findes yderligere to grupper hver med 15 grundstoffer kaldet henholdsvis lanthaniderne og acti­niderne efter det første grundstof i hver gruppe. Man kan enten argumentere for, at de alle tilhører gruppe 3 sammen med scandium og yttrium, eller at de udgør en separat gruppe.

I den allertungeste ende af det periodiske system efter actiniderne fra og med grundstof nr. 104, rutherfordium, til og med grundstof 118, som endnu ikke har fået et officielt navn, findes kunstigt fremstillede atomer, som i alle fremstillinger af det periodiske system er fordelt i grupperne 4 til 18.

Orbitalerne ændrer sig

Paulis udelukkelsesprincip siger, at elektroner i et atom ikke kan have samme kvantetilstand.

Elektronerne befinder sig derfor i skaller rundt om atomkernen. Den inderste skal kan indeholde to elektroner i en såkaldt s-orbital – den ene med spin op og den anden med spin ned.

Lithium, som er grundstof nr. 3, har således to 1s-elektroner, dvs. to elektroner i skal 1, og en 2s-elektron i skal 2. Lithium har derfor strukturen 1s22s1.

Yderlige elektroner i anden skal findes i en såkaldt p-orbital, og kulstof med atomnummer 6 har følgende struktur 1s22s22p2.

I en p-orbital kan der maksimalt være seks elektroner. I atomer med mange elektroner kan elektroner i de ydre skaller befinde sig i andre orbitaler, som kaldes d og f. Jern har eksempelvis strukturen 1s22s22p63s23p63d64s2, hvor elektronerne findes i fire skaller.

De relativistiske effekter i de supertunge atomer bevirker en sammentrækning og stabilisering af de inderste s- og p-orbitaler og en udvidelse og destabilisering af de yderste d- og f-orbitaler.

Desuden sker der en såkaldt spin-orbital splitting, så de seks elektroner, der kan findes i en p-orbital, bliver opdelt i henholdsvis en p1/2- og en p3/2-orbital med henholdsvis to og fire elektroner.

Kulilte binder sig til metallerne ved to former for bindinger mellem kulstof og metallet, der henholdsvis omfatter s- eller p-orbitaler og d-orbitalerne. I takt med, at de relativistiske effekter ændrer stabiliteten af orbitalerne, vil metal-kulstof-bindingen derfor også ændres.

Både wolfram og molybdæn binder sig til seks CO-grupper og teoretiske beregninger fra midten af 1990’erne viser, at det samme burde være tilfældet for seaborgium, der som wolfram og molybdæn er placeret i gruppe 6.

Julia Even fra Helmholtz-Institut Mainz i Tyskland har nu, baseret på sine indledende forsøg i Tyskland, designet et ekspe­riment, hvor seaborgium, der dannes ved beskydning af et mål af curium (grundstof nr. 96) med neon (grundstof nr. 10) i varianten Sg-265.

Dette atom findes i to udgaver med en levetid på henholdsvis 8,4 og 14,4 sekunder, før det henfalder til Rf-261.

Under et uafbrudt forsøg i to uger blev i alt 18 seaborgium-atomer detekteret. Disse blev sendt ind i et kammer, hvor de reagerer med kulilte, hvorved der kan dannes Sg(CO)­6

Forsøgene bekræfter, at seabor­gium med fuld ret tilhører gruppe 6 som wolfram og molybdæn, men forskerne lægger op til, at de i den kommende tid mere indgående vil karakterisere bindingerne til s/p-orbitalerne og d-orbitalen og derved betydningen af de relativistiske effekter.

Forskerne skriver om deres forsøg i den videnskabelige artikel i Science, at metoden også kan bruges til at danne carbonylforbindelser med grundstofferne 107, 108 og 109.

Walther Loveland fra Oregon State University mener, at det ikke mindst vil være interessant at bruge metoden for meitnerium (grundstof 109), hvis kemi aldrig tidligere har været studeret.