Eine internationale Kollaboration unter Leitung eines Forschungsteams von GSI/FAIR in Darmstadt untersuchte erstmalig die chemische Stabilität eines Moleküls eines superschweren Elements. Im Fokus stand dabei der Hexacarbonyl-Komplex Sg(CO)6 des superschweren Elements Seaborgium (Sg, Element 106). Die Ergebnisse belegen: Die Bindung zwischen dem Seaborgium-Atom und einem Carbonyl-Liganden ist schwächer als aufgrund der Position im Periodensystem erwartet – verursacht durch relativistische Effekte.
Superschwere Elemente (SHE) mit Ordnungszahlen zwischen 104 und 118 werden künstlich in Kernfusionsreaktionen an Teilchenbeschleunigern hergestellt. Mit Produktionsraten von wenigen Atomen pro Tag. Aufgrund ihrer kurzen Lebensdauern im Sekundenbereich stellen chemische Analysen eine erhebliche experimentelle Herausforderung dar. Ein Hauptinteresse gilt dem Einfluss relativistischer Effekte. Durch die hohe Kernladung der SHE werden kernnahe Elektronen auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, wodurch sich nach Einsteins spezieller Relativitätstheorie ihre Masse erhöht.
Auswirkungen auf die Elektronenstruktur und Periodizität
Nach Bohrs Atommodell rücken diese Elektronen näher an den Kern und werden stärker gebunden. Entferntere Elektronen erfahren diese Massenzunahme nicht direkt, sondern werden durch die stärker gebundenen inneren Elektronen effizienter von der positiven Kernladung abgeschirmt. Dies führt zu grundlegenden Veränderungen der Elektronenstruktur superschwerer Atome und damit der chemischen Eigenschaften ihrer Verbindungen im Vergleich zu leichteren Homologen. Vergleichende Analysen identischer Molekülsorten homologer Elemente ermöglichen es, diese Gesetzmäßigkeiten des Periodensystems präzise 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 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.“
Aktuelle quantenchemische Berechnungen, die relativistische Einflüsse vollständig berücksichtigen, bestätigen diese Beobachtung. Vereinfachte Modelle ohne Relativitätseffekte sagen hingegen fälschlicherweise eine weiter ansteigende Bindungsstärke voraus.
Experimenteller Durchbruch und analytischer Aufbau
Mit Sg(CO)6 wurde vor etwa zehn Jahren erstmals eine Hexacarbonyl-Verbindung mit einem SHE synthetisiert. Aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften war sie ideal geeignet, um die Bindungsstärke zwischen Seaborgium und dem Kohlenmonoxid-Liganden zu bestimmen, wenngleich erste Versuche noch erfolglos blieben.
Der Schlüssel zum analytischen Erfolg lag in schnellen chemischen Synthesen mit hohen Ausbeuten, kombiniert mit hochsensiblen Nachweismethoden für den radioaktiven Zerfall der Einzelatome. Im Experiment bei GSI/FAIR erzeugten die Forschenden das Isotop Seaborgium-259, das zwei Kernzustände mit Halbwertszeiten unter einer halben Sekunde aufweist. Als Referenz dienten die ebenfalls kurzlebigen Wolfram-Isotope 161 und 162.
Nach Produktion und Separation im Trennsystem TASCA (TransActiniden Separator und Chemie Apparatur) wurden die Atome in einer CO-haltigen Gasatmosphäre gestoppt, um die Komplexbildung zu initiieren. Der Gasstrom spülte die Atome in einen schmalen Kanal mit zwei gekoppelten Detektoren. Unvollständig reagierte Produkte von Seaborgium und Wolfram adsorbieren im ersten Detektor. Das unreaktive, flüchtige Hexacarbonyl passiert diesen Kanal hingegen und erreicht den zweiten, tiefgekühlten Detektor, um dort kondensiert und über seinen radioaktiven Zerfall nachgewiesen zu werden.
Messergebnisse und Ausblick
Die Effizienz der Komplexbildung hängt direkt von der Bindungsstärke bei der Anlagerung des sechsten Carbonyl-Liganden ab. Die Bestimmung des Hexacarbonyl-Anteils erlaubt daher die quantitative Ermittlung der Bindungsenergie. Von insgesamt 75 registrierten Seaborgium-Atomen bildeten drei den Hexacarbonyl-Komplex; beim analog untersuchten Wolfram lag die Ausbeute hingegen bei 17 Prozent. Aus dieser geringeren Ausbeute errechnet sich für Sg(CO)6 eine um 4 kJ/mol schwächere Bindungsenergie als bei W(CO)6 – der Trend ansteigender Komplexstabilität in der Chromgruppe kehr sich beim Seaborgium folglich um.
Professor Christoph E. Düllmann 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 erfolgreichen Charakterisierung bereitet das Forschungsteam bereits weiterführende Experimente an noch schwereren Elementen vor.
Quelle
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH (10/2026)