Tvivl om to tunge grundstoffers korrekte placering i det periodiske system

Med en måleteknisk bedrift har forskere fra det japanske atomenergiagentur i Tokai, Japan målt, hvor megen energi der skal til for at løsrive en elektron fra grundstof nr. 103, lawrencium. Deres resultat har givet fornyet debat om den mest korrekte placering af visse grundstoffer i det periodiske system.

Kemien for supertunge grundstoffer, som ikke forekommer direkte i naturen, er vanskelig at bestemme. Atomerne skal fremstilles kunstigt, de er alle radioaktive og har i mange tilfælde halveringstider, der skal måles i sekunder eller dele heraf.

I en artikel i Nature forklarer Tetsuya Sato sammen med flere øvrige forskere, hvordan de har fremstillet isotoper af lawrencium med 103 protoner og 153 neutroner. Denne isotop har en halveringstid på 27 sekunder.

Lawrenciumatomerne dannes ved at beskyde et mål af californium-249 (grundstof nr. 98) med en strøm af atomer af bor-11 (grundstof nr. 5). Herved dannes ca. hvert andet sekund et atom af lawrencium-256 og fire løse neutroner. I alt fremstillede forskerne nogle få tusinde atomer til deres målinger.

Lawrenciumatomerne føres bort med en heliumgas indeholdende små partikler af cadmiumiodid (CdI2), hvorpå lawrenciumatomerne samler sig. Blandingen føres til en enhed, der ioniserer lawrenciumatomerne ved høj temperatur, og da cadmiumiodid fordamper ved denne temperatur, påvirker det ikke ioniseringsprocessen og de efterfølgende målinger.

Herved er det lykkedes for forskerne at bestemme det første ioniseringspotentiale, som svarer til fjernelse af den svagest bundne elektron, til at være 4,96 elektronvolt. Forskerne har ydermere lavet en beregning, der giver samme værdi.

En sådan beregning for supertunge atomer som lawrencium kompliceres af relativistiske effekter. På grund af den høje positive ladning i atomkernen vil de inderste elektroner i lawrencium bevæge sig så hurtigt, at de får forøget deres masse i henhold til Einsteins specielle relativitetsteori.

Det betyder, at de inderste elektroner bliver kraftigere bundet. Til gengæld bliver de ydre orbitaler destabiliseret. Derfor er det kompliceret beregning, der skal til, for at bestemme strukturen for atomer som lawrencium.

Dette atoms yderste elektroner består af en 5f-orbital, som er helt fyldt med 14 elektroner, en relativistisk stabil 7s-orbital med to elektroner og en løst bundet 7p-elektron.

Lawrencium adskiller sig fra de øvrige actinider

Det interessante resultat fra Sato og Co. er, at lawrencium har et meget lavere ioniseringspotentiale end alle andre actinider.

Gennem årtier har det været diskuteret, om lutetium og lawrencium retteligt hører hjemme som en del af henholdsvis lanthaniderne og actiniderne, eller om de skulle placeres direkte i gruppe 3 under yttrium. Lanthaniderne og actiniderne skulle så placeres mellem gruppe 2 og gruppe 3.

Kemikeren William B. Jensen, der i dag er tilknyttet University of Cincinnati i Ohio, USA, argumenterede allerede i 1982 for, at dette skulle være tilfældet i en artikel i Journal of Chemical Education.

Han har så sent som i marts i år gentaget dette argument i en artikel i Foundations of Chemistry.

Han siger til Nature News, at den nye undersøgelse fra Japan understøtter denne opfattelse.

De færreste kemikere kender til diskussionen

Matthias Schädel, som er medforfatter på den japanske artikel i Nature, men nyligt pensioneret, siger dog til Nature, at målingerne bekræfter, at lawrencium hører til f-blokken i det periodiske system som en del af actiniderne.

Tetsuya Sato mener til gengæld ikke, at målingerne klart kan tages til indtægt for det ene eller andet synspunkt.

Jan Reedijk, der er præsident for divisionen for uorganisk kemi under IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), er enig i, at den nye artikel kan være med til på ny at sætte gang i diskussionen om placeringen af lutetium og lawrencium i det periodiske system. Han tilføjer, at organisationen muligvis vil tage emnet op på et møde til sommer.

William Jensen peger på, at de fleste kemikere slet ikke er klar over, at der findes en kontrovers.

»Det er en skam, for de burde bekymre sig om at have en periodisk system, der er konsistent,« siger han.

Emner : Kemi