Transactiniden


Was sind Transactiniden?

Wie macht man Transactiniden?

Wie betreibt man Chemie mit einzelnen Atomen?

Was kann man dabei überhaupt herausfinden?

Warum ist das interessant?


Was sind Transactiniden?

Transactiniden sind die Elemente im Periodensystem mit der Ordnungszahl 104 oder höher. Mit Element 103, Lawrencium, ist die 5f-Schale aufgefüllt. Die bekannten Transactiniden (Elemente 104 bis 112) bilden die 4. Übergangsmetallreihe im Periodensystem. Die jüngst von der IUPAC empfohlenen Namen lauten:

Für die Elemente 110, 111, 112 gibt es noch keine offiziellen Namensvorschläge. Ein paar Einzelheiten über die Elemente finden sich hier.

Wie macht man Transactiniden?

Transactiniden erzeugt man in einer Schwerionenreaktion. Das geht zum Beispiel bei der GSI Darmstadt oder am Paul Scherrer Institut in Villigen oder am Lawrence Berkeley Laboratory. Dabei entsteht jeweils nur ein einziges Atom gleichzeitig. Da diese recht schnell wieder zerfallen, ist man bei chemischen Untersuchungen tatsächlich auf Chemie mit einzelnen Atomen angewiesen.

Wie betreibt man Chemie mit einzelnen Atomen?

Betreibt man Chemie mit einzelnen Atomen, so stellt sich von der Theorie her die Frage, ob sich einzelne Atome überhaupt genauso verhalten wie makroskopische Mengen. Sehr oft besteht ja bei makroskopischen Mengen irgendeine Art von Gleichgewicht. Zum Beispiel ist ein Teil des Stoffs in Lösung, teils ist er ausgefallen; eine Flüssigkeit verdampft langsam (also liegt ein Teil gasförmig vor);schwache Säuren sind teils dissoziiert, teils nicht usw.

Es erhebt sich also die Frage: Was tut ein einzelnes Atom in so einem Fall? Schließlich kann es ja nur einen Zustand gleichzeitig einnehmen. Was geschieht zum Beispiel mit den Konzentrationsangaben in einem Massenwirkungsgesetz? Guillaumont hat gezeigt, daß sie in diesem Falle in Wahrscheinlichkeiten übergehen, das Atom in diesem oder jenem Zustand zu finden. Das bedeutet im Klartext: Falls ich Bedingungen schaffe, unter denen ein Gleichgewicht sich schnell einstellen kann, so sind die Eigenschaften eines einzelnen Atoms tatsächlich repräsentativ für das Element.

Ideal für solche Untersuchungen sind also chromatographische Methoden (HPLC). Wegen der vergleichsweise niedrigen Aktivierungsenergie von Adsorption und Desorption in einem chromatographischen Experiment stellt sich ein Gleichgewicht sehr schnell ein. Ein einzelnes Atom befindet sich also in einer HPLC-Säule abwechselnd in der mobilen und stationären Phase, so daß der Elutionszeitpunkt das chemische Verhalten des Atoms widerspiegelt. In der Praxis verwendet man zum Beispiel eine automatisierte Chromatographieapparatur, ARCA.

Was kann man dabei überhaupt herausfinden?

Wegen der kurzen Lebensdauer der Atome ist die Anzahl der möglichen chemischen Aussagen natürlich beschränkt. Die ersten Untersuchungen von Transactiniden sollten zunächst Aufschluß darüber geben, ob sich das Element so verhält wie man aufgrund der Ordnungszahl erwarten würde, ob es sich also in die entsprechende Gruppe des Periodensystems einordnen läßt. Der nächste logische Schritt ist die Untersuchung, welchem Element der Gruppe das schwere Element am meisten ähnelt.

Konkrete untersuchte Eigenschaften sind zum Beispiel die Flüchtigkeiten der Halogenide, das Extraktionsverhalten auf verschiedenen extraktionschromatographischen Säulen und Ionenaustauschern. Daraus läßt sich dann wiederum ableiten, in welcher stöchiometrischen Verbindung das Element gerade vorliegt.

Warum ist das interessant?

Die Quantentheorie ist in der Lage, Vorhersagen über das Verhalten schwerer Elemente zu treffen. Es geht also unter anderem bei der chemischen Untersuchung von Transactiniden um die Überprüfung der Theorie. Insbesondere ist die Auswirkung der relativistischenEffekte interessant, die bei schweren Atomen auftreten:

Durch die hohe Kernladung "kreisen" die Elektronen (im klassischen Bild) so schnell um den Atomkern, daß sie Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit erreichen. (Dies gilt für die inneren Schalen, aber auch für die Valenzelektronen). Infolge der Relativitätstheorie erhöht sich dadurch ihre Masse. Das bedingt wiederum, daß sich die Größe des Atoms (bzw. der Atomorbitale) ändert und damit einige Eigenschaften. Dieser "relativistische Effekt" tritt schon in der vorhergehenden Periode auf und bedingt unter anderem die unter den Metallen einzigartige Farbe von Gold oder auch die Tatsache, daß Quecksilber flüssig ist. Für die schweren Transactiniden ist sogar zu erwarten, daß die relativistischen Effekte so groß werden, daß eine Einordnung ins Periodensystem an Bedeutung verliert.

Bisherige Informationen über die chemischen Eigenschaften der Elemente 104,105 und 106 sind zu entnehmen aus:

Neueste Ergebnisse betreffen Element 106:


Links:


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September 1997 by Erik Strub.