Periodiek systeem houdt stand

Het Periodiek Systeem geldt ook voor de superzware elementen. Verbindingen van Bohrium-267 gedragen zich op een manier die aansluit bij zijn buren.

Het Periodiek Systeem staat nog altijd als een huis, ondanks theoretische twijfels aan de houdbaarheid van het systeem bij extreem zware elementen. Een internationale groep chemici concludeert dat op grond van metingen aan een unieke chemische verbinding van een recent ontdekte isotoop van het element bohrium (Bh-267). Vorig jaar slaagden de scheikundigen er in om in het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland zes moleculen bohriumoxychloride te maken en aan de hand daarvan de vluchtigheid ervan te bepalen. Daarmee werd een vergelijking mogelijk met soortgelijke verbindingen van elementen die in het Periodiek Systeem boven bohrium staan. Uit die vergelijking blijkt dat de ordeningsregels zoals die ooit door Mendelejev in 1869 werden opgesteld, ook daar nog steeds gelden.

De rangschikking van elementen in het Periodiek Systeem weerspiegelt overeenkomsten in hun (chemische) eigenschappen. Modelberekeningen wijzen echter uit dat dit misschien niet voor de allerzwaarste elementen (zoals bohrium) opgaat. Om die hypothese te kunnen testen zijn dit soort complexe experimenten op zes moleculen nodig zoals die nu door Robert Eichler en zijn collega's zijn gedaan hard nodig. In een artikel in Nature (7 september) leggen zij uit hoe ze de metingen hebben uitgevoerd en ook waarom de uitkomst ervan hen niet verraste.

oerknal

Alle materie om ons heen is opgebouwd uit tweeënnegentig verschillende elementen: van waterstof tot uranium. Allemaal komen ze van nature op aarde voor, al zijn ze van buitenaardse oorsprong en werden ze ooit in het heelal, tijdens de Oerknal of in de laatste levensfase van het leven van sterren gevormd. De elementen zwaarder dan uranium daarentegen zijn instabiel en ontstaan kortstondig tijdens kernreacties en vervallen onder het uitzenden van radioactieve straling. De laatste paar jaar zijn er op instituten in Darmstadt en Dubna (Rusland) technieken ontwikkeld om superzware elementen te maken, atomen met meer dan honderd protonen in de kern en minstens honderdvijftig neutronen. Die worden gevormd wanneer twee verschillende `gewone' atomen met precies de juiste energie tegen elkaar botsen en fuseren. Het bohrium werd op deze manier ontdekt in 1981, te midden van de brokstukken van botsingen van chroom- en bismutatomen. Het komt in verschillende gedaantes (isotopen) voor, die zich onderscheiden door de aantallen neutronen in de kern. Het als eerste ontdekte Bh-262 (107 protonen en 155 neutronen) was erg instabiel en leefde maar een paar milliseconden. Onlangs werd echter een isotoop ontdekt met een veel langere levensduur. Nu is zeventien seconden nog steeds niet erg lang, maar desondanks leek het Bh-267 een goede kandidaat om de chemie van het bohrium te bestuderen.

Het was echter niet eenvoudig te maken. Er is berkelium voor nodig, een hoog radioactief element dat in heel Europa niet te krijgen was. Gelukkig bracht een gift van het Lawrence Berkeley National Laboratory in de VS uitkomst. Vorig jaar werd gedurende een volle maand de iets minder dan een milligram berkelium bestookt met neonatomen, die in een versneller tot hoge energie waren opgejaagd. Per dag werden op deze manier welgeteld drie atomen van de gewenste bohrium isotoop gemaakt. Samen met alle andere nucleaire reactieproducten die van het doelwit terugspatten, werden deze geadsorbeerd aan het oppervlak van koolstofdeeltjes. Zo werden ze overgebracht naar een oventje, waar ze bij zo'n duizend graden Celsius werden blootgesteld aan de reactieve gassen waterstofchloride en zuurstof. De hierbij gesynthetiseerde moleculen kwamen na het passeren van een dun kwartskolommetje uiteindelijk terecht op een plastic folie, waar met speciale detectoren het radioactieve verval kon worden gevolgd. Omdat de keten van vervalsprodukten voor het Bh-267 bekend is, kon de aanwezigheid van moleculen BhO3Cl onomstotelijk worden vastgesteld. Hoevéél moleculen van deze verbinding de hele voorbehandeling overleven, hangt sterk af van de temperatuur. Naarmate die hoger is, zullen moleculen BhO3Cl er minder lang over doen om door de kwartskolom te komen, waardoor de kans groter wordt dat ze het plastic plaatje bereiken. Uiteindelijk werden er bij honderdtachtig graden Celsius vier moleculen waargenomen, bij honderdvijftig graden Celsius twee, en bij vijfenzeventig geen enkel. Uit die zes meetpunten kon een idee worden verkregen van de vluchtigheid van het BhO3Cl.

lichtsnelheid

Nu is het niet zo dat de eigenschappen van dit soort zware atomen en hun verbindingen uitsluitend worden bepaald door hun plaats in het Periodiek Systeem. Vreemd genoeg kunnen in dit soort zware atomen relativistische effecten een rol gaan spelen. De elektronen in de laag gelegen banen worden door de sterk positieve kern zodanig versneld dat ze de lichtsnelheid benaderen. Hierdoor komen ze dichter bij de kern en schermen de kernlading veel beter af voor de meer naar buiten gelegen elektronen. En dat zijn juist degenen die bij chemische reacties zijn betrokken. Modelberekeningen van dit soort relativistische effecten wijzen echter voor bohrium in precies dezelfde richting als de `klassieke' chemische trends: het BhO3Cl zou minder vluchtig moeten zijn dan soortgelijke verbindingen van de elementen rhenium en technetium, die in het Periodiek Systeem direct boven bohrium staan. Deze hypothese werd door het gedrag van de zes moleculen bevestigd. Eenzelfde conclusie gold drie jaar geleden de chemie van element 106, seaborgium. Ook dat bleek volgens Nature `opvallend gewoon'. Hoewel grote verrassingen dus opnieuw zijn uitgebleven, heeft bohrium door deze eerste chemische reactie officieel zijn plaats in het Periodiek Systeem ingenomen.