Chemische Bindung mit superschwerem Element bei GSI/FAIR untersucht
14.10.2026 |
Eine internationale Kollaboration unter Leitung eines Forschungsteams von GSI/FAIR in Darmstadt hat erstmalig die chemische Stabilität eines Moleküls eines superschweren Elements untersucht. Im Fokus stand dabei der Hexacarbonyl-Komplex Sg(CO)6des superschweren Elements Seaborgium (Sg, Element 106). Das Ergebnis: Die Bindung zwischen dem Seaborgium-Atom und einem Carbonyl-Liganden ist schwächer als aufgrund der Position im Periodensystem erwartet. Verantwortlich dafür sind relativistische Effekte. Die Ergebnisse sind im Fachjournal Nature veröffentlicht.
Superschwere Elemente (SHE) mit Ordnungszahlen zwischen 104 und 118 werden künstlich in Kernfusionsreaktionen an Teilchenbeschleunigern hergestellt – mit Produktionsraten von wenigen Atomen pro Tag. Aufgrund der kurzen Lebensdauern, maximal im Sekundenbereich, sind chemische Untersuchungen eine Herausforderung. Ein Hauptinteresse besteht darin, den Einfluss relativistischer Effekte nachzuvollziehen: Durch die hohe Kernladung der SHE werden Elektronen in der Nähe des Atomkerns auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Nach Einsteins berühmter spezieller Relativitätstheorie werden Objekte, die sich nahe der limitierenden Lichtgeschwindigkeit bewegen, schwerer.
Bohrs Atommodell besagt, dass die Elektronen somit näher an den Kern rücken und stärker gebunden sind. Entferntere Elektronen unterliegen der relativistischen Massenzunahme nicht und sind sogar noch weiter entfernt, weil die stärker gebundenen Elektronen die positive Kernladung besser abschirmen. Beides führt zu Veränderungen in der Elektronenstruktur superschwerer Atome und damit auch in den chemischen Eigenschaften ihrer Verbindungen im Vergleich zu ihren leichteren Homologen. Vergleichende Untersuchungen solcher identischer Molekülsorten homologer Elemente ermöglichen es somit, grundlegende Zusammenhänge des Periodensystems der Elemente zu ergründen.
„Wir konnten erstmalig die Stärke der chemischen Bindung einer Verbindung mit einem superschweren Element messen, nämlich zwischen dem zentralen Seaborgium-Atom und einem Kohlenmonoxid-Liganden. Dies haben wir dann mit der Stärke der gleichen Bindung im Hexacarbonyl des leichteren Homologen Wolfram verglichen“, erläutert Dr. Alexander Yakushev von GSI/FAIR, Sprecher der Kollaboration. „Von Chrom über Molybdän zu Wolfram steigt die Bindungsstärke an, sollte also eigentlich in Seaborgium am stärksten sein. Die Messung zeigt jedoch, dass die hohe Kernladungszahl des Seaborgiums seine Elektronenstruktur verändert, was den Trend umkehrt und zu einer schwächeren Bindung führt.“ Kürzliche quantenchemische Berechnungen, die den Einfluss der Relativität vollständig miteinbeziehen, erklären die Beobachtung. Einfachere Modelle, welche die Relativität vernachlässigen, sagen eine weiter ansteigende Bindungsstärke voraus.
Mit Sg(CO)₆ wurde vor etwa zehn Jahren am RIKEN Nishina Center in Japan im Rahmen eines Experiments unter der Leitung von Wissenschaftler*innen der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und von GSI/FAIR erstmals eine Hexacarbonyl-Verbindung mit einem SHE synthetisiert. Sie erwies sich aufgrund ihrer Bindungseigenschaften sofort als geeignet, die Stärke einer chemischen Bindung zwischen dem zentralen Seaborgium-Atom und einem Kohlenmonoxid-Liganden zu messen. Erste Versuche blieben jedoch erfolglos.
Ein Schlüssel zum experimentellen Erfolg sind schnelle chemische Synthesen mit hohen Ausbeuten, kombiniert mit ausgeklügelten Methoden zur Messung des radioaktiven Zerfalls für die Identifikation der Einzelatome. Im Experiment bei GSI/FAIR stellten die Forschenden das Isotop Seaborgium-259 her, für das zwei Kernzustände mit unterschiedlichen, kurzen Lebensdauern unter einer halben Sekunde bekannt sind. Zum Vergleich wurden die ebenfalls kurzlebigen Wolfram-Isotope 161 und 162 hergestellt.
Nach Produktion und Isolation im Experimentaufbau TASCA (TransActiniden Separator und Chemie Apparatur) stoppten die Atome in einer Gasatmosphäre, die Kohlenstoffmonoxid enthielt, was zur Bildung der Komplexe führte. Das Gas spülte alle Atome in einen schmalen Kanal mit zwei Detektoren, um jedes Atom durch den Nachweis seines radioaktiven Zerfalls zu registrieren. Produkte der Reaktion von Seaborgium und Wolfram mit Kohlenstoffmonoxid bleiben chemisch reaktiv und adsorbieren im ersten Detektor – es sei denn, sie bilden das unreaktive und flüchtige Hexacarbonyl, das den ersten Kanal überfliegt und den zweiten Detektor erreicht. Dieser ist auf tiefe Temperaturen abgekühlt, die niedrig genug sind, um diese Verbindungen zu adsorbieren.
Die Effizienz, mit der ein Hexacarbonyl-Komplex gebildet wird, hängt entscheidend von der Stärke der Bindung beim Andocken des sechsten Kohlenstoffmonoxid-Liganden und des zentralen Atoms ab. Eine Bestimmung des Anteils aller Atome, die als Hexacarbonyl-Komplex vorliegen, erlaubt demnach einen Rückschluss auf die Stärke der chemischen Bindung. Insgesamt wurden 75 Seaborgium-Atome registriert, drei davon im Hexacarbonyl-Detektor. Beim Wolfram bildeten aber 17 Prozent aller Atome die analoge Verbindung. Aus der deutlich geringeren Ausbeute von Sg(CO)6 folgte, dass dessen Bindungsstärke um 4 kJ/mol geringer ist als bei W(CO)₆. Der Trend der ansteigenden Stabilität des Hexacarbonyls in der Chromgruppe von Chrom über Molybdän zu Wolfram dreht sich somit zum Seaborgium hin.
Professor Christoph E. Düllmann, Leiter der Abteilungen für die Chemie superschwerer Elemente bei GSI/FAIR und am Helmholtz-Institut Mainz sowie Professor an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, betont: „Dieses bahnbrechende Experiment wäre ohne interdisziplinäre und internationale Zusammenarbeit von Forschungseinrichtungen rund um die Welt nicht möglich gewesen. Es ergänzt die internationalen Wissenschaftsprogramme bei GSI und FAIR, in denen der Ursprung der Elemente in unserem Universum und ihre Eigenschaften untersucht werden.“
Nach dieser ersten erfolgreichen Detailuntersuchung der Bindung in Molekülen mit superschweren Elementen bereiten die Forschenden bereits Experimente mit noch schwereren Elementen als Seaborgium vor. (CP/BP)
Weitere Informationen
Wissenschaftliche Veröffentlichung im Fachmagazin Nature
