het periodiek systeem der elementen is sinds vorig jaar weer vier elementen rijker: nihonium (nh), moscovium (mc), tennessine (ts) en oganesson (og). de succesvolle synthese van deze nieuwe elementen werd bestempeld als ‘belangrijker dan olympisch goud’. maar ook die medaille heeft een keerzijde. met elke nieuwe toevoeging aan de chemische ‘hall of fame’ vertoont de tabel van mendelejev meer scheurtjes. staat het koninkrijk der elementen op instorten?
De val van het koninkrijk der elementen?
Op 30 december 2015 verscheen een persbericht van de International Union for Pure and Applied Chemistry (IUPAC), het internationale orgaan dat toezicht houdt op de ontdekking en naamgeving van nieuwe chemische elementen. Het bestaansrecht van de elementen 113, 115, 117 en 118 was officieel erkend. Daarmee namen de vier zwaargewichten ununtrium (Uut), ununpentium (Uup), ununseptium (Uus) en ununoctium (Uuo) ook definitief hun intrek in de befaamde tabel van Mendelejev, het icoon van de moderne scheikunde. Traditiegetrouw vraagt IUPAC aan de ontdekkers om een naam en bijpassend tweelettersymbool voor te stellen voor de nieuwe elementen. In afwachting van die officiële naam blijven ze nog even vernoemd naar hun atoomnummer. Zo is ununtrium (Uut) een samentrekking van de Latijnse telwoorden un (één) en tri (drie) met de klassieke metaaluitgang -ium en dus potjeslatijn voor 113-ium. Na veel speculatie over de mogelijke elementennamen in de media werden de vier elementen op 8 november 2016 officieel nihonium (Nh), moscovium (Mc), tennessine (Ts) en oganesson (Og) gedoopt. Ook Japan behoorde deze keer tot de ontdekkers en drukte met nihonium (afgeleid van Nihon, een oude naam voor Japan) voor de eerste keer zijn stempel op de tabel. Oganesson werd vernoemd naar de Russische fysicus Yuri Oganessian die aan het hoofd staat van het Flerov Laboratorium voor Nucleaire Reacties in Dubna (Rusland). Moscovium en tennessine verwijzen naar de Russische hoofdstad Moskou en naar de Amerikaanse staat Tennessee.
De chemische elementen onderscheiden zich van elkaar op basis van het aantal protonen in hun kern
Ten eerste is er de praktische bovengrens. De chemische elementen onderscheiden zich van elkaar op basis van het aantal protonen in hun kern. Dit aantal wordt ook wel het atoomnummer Z genoemd. Waterstof heeft Z = 1 en is daarmee het eerste en tevens ook het lichtste element in de tabel van Mendelejev. Nihonium, moscovium, tennessine en oganesson daarentegen bevatten respectievelijk 113, 115, 117 en 118 protonen in de kern, en horen daarmee tot het andere uiterste van de tabel. Protonen zijn echter positief geladen deeltjes en positieve ladingen stoten elkaar af. Hoe hoger het atoomnummer, hoe meer protonen in de kern, en hoe groter de onderlinge afstotingskrachten. De kernen van de transuranen (de elementen na uranium met atoomnummer Z > 92) zijn hierdoor bijzonder instabiel en hebben de neiging om uiteen te vallen in kleinere, stabielere fragmenten. Door dit radioactieve karakter komen ze ook niet langer op natuurlijke wijze voor op aarde, en moeten ze dus op kunstmatige wijze worden aangemaakt in deeltjesversnellers. Dit gebeurt doorgaans via het proces van kernfusie: een lichtere kern wordt versneld tot een paar miljoen km/uur en wordt vervolgens tegen een zwaardere kern geknald in de hoop dat de twee kernen versmelten en een nieuwe kern vormen. Zo werd voor de synthese van nihonium (element 113) een laagje bismut gebombardeerd met zinkionen als projectiel. Bismut heeft Z = 83, en zink Z = 30. Bij een succesvolle fusie, krijg je dus een nuclide met 113 protonen in de kern. Dit is natuurlijk gemakkelijker gezegd dan gedaan. Is de snelheid van het projectiel te groot, of zit de oriëntatie verkeerd, dan spatten de twee kernen gewoon uiteen. Slechts één in de zoveel biljoen botsingen leidt tot fusie. Zo werd een californiumdoelwit gedurende vier maanden lang beschoten met een straal calciumatomen ter vorming van slechts vier kernen van het element 118. Daarenboven lieten deze kernen na 0,89 milliseconden ook alweer het leven.
Dit brengt me tot een tweede praktisch probleem: de zwaardere elementen hebben bijzonder kleine halfwaardetijden (lees: levensduur). Eenmaal gevormd zijn ze in een oogwenk weer verdwenen. Dit bemoeilijkt de detectie uiteraard enorm. Ook voor de toekomstige synthese van de superzware elementen vormt dit een probleem. Zwaardere elementen vereisen immers zwaardere projectielen en doelwitten. Uiteindelijk zullen deze laatste twee zo zwaar worden dat ze zelf reeds radioactief zijn. Of er dan nog voldoende tijd zal zijn om het projectiel tot de juiste snelheid te versnellen is niet duidelijk. Theoretische bovengrens of niet, het zou dus best kunnen dat men op een praktische bovengrens zal stoten en dat ons vermogen om nieuwe elementen te synthetiseren eindig is. Toch blijven de meeste wetenschappers optimistisch. ‘I think we’re a long way off from the end of the periodic table’, zegt Eric Scerri, een wereldautoriteit op het vlak van de tabel van Mendelejev. ‘The limiting factor right now seems to be human ingenuity.’
De IUPAC-jury erkent een element pas als het langer dan een honderdduizendste van een miljardste seconde (10-14 seconde) blijft bestaan
Een tweede grens is de conceptuele bovengrens. De voorgaande discussie leidt ook tot vragen over de definitie van een element: hoe lang moet een nuclide eigenlijk intact blijven om over het bestaan van een nieuw element te kunnen spreken? De IUPAC-jury erkent een element pas als het langer dan een honderdduizendste van een miljardste seconde (10-14 seconde) blijft bestaan. Gegeven dat de halfwaardetijd van oganesson (element 118) 10-3 seconde bedraagt, kunnen we wat dat betreft dus nog wel even verder. Een kern is echter nog geen volmaakt atoom. Een neutraal geladen atoom bevat immers ook een elektronenwolk die de kern omgeeft. Men kan zich dan ook de vraag stellen of het voldoende is de naakte kern van een nieuw element te vormen. Of moet men een volledig atoom vormen? Radioactieve kernen met een halfwaardetijd kleiner dan 10-11 seconden hebben niet de tijd om elektronen rond de kern te verzamelen. Maar voor IUPAC is de synthese van de kern voldoende.
Als we de praktische en conceptuele problemen even terzijde schuiven, rijst ook de vraag naar het mogelijke bestaan van een theoretische bovengrens. Een atoom wordt op twee manieren gedestabiliseerd. Als de kernlading te hoog oploopt, wordt de kern onstabiel. Ook de elektronenwolk kan worden verstoord door relativistische effecten. Hoe hoger de kernlading, hoe groter de afstotingskrachten en hoe minder stabiel de kern is. Het berekenen van de potentiële stabiliteit van de superzware nucliden is echter allesbehalve gemakkelijk. De berekeningen zijn computationeel enorm veeleisend, en bovendien begeven nucleaire fysici zich hier op onbekend terrein. Afhankelijk van de gebruikte theoretische modellen durven de resultaten ook sterk te verschillen.
En dan is er nog het eiland van stabiliteit. De Amerikaanse kernfysicus Glenn Seaborg voorspelde als eerste het bestaan van dit mysterieuze eiland, Atlantis genaamd, waarbij de superzware kernen genieten van een toename in stabiliteit. Zijn redenering hiervoor ging als volgt: de elektronen in een atoom zijn gerangschikt over verschillende elektronenschillen. Een volzette elektronenschil geeft aanleiding tot een stabiel (lees: chemisch inert) atoom. Dit is het geval bij de edelgassen. Seaborg dacht dat hetzelfde ook gold binnen de kern, waar bepaalde ‘magische’ aantallen aan protonen en neutronen de protonen- en neutronenschillen vervolledigen. Wie koers wil zetten naar Atlantis, moet dus achterhalen wat deze magische getallen zijn. De meningen hierover lopen sterk uiteen. Sommige verwachten dat Atlantis reeds zal opduiken rond element 120. Anderen lokaliseren het eiland rond element 126. Het is ook niet duidelijk hoeveel stabieler de elementen van Atlantis zullen zijn.
De befaamde fysicus en bongospeler, Richard Feynman, maakte als eerste gebruik van de speciale relativiteitstheorie om de ultieme grens van het periodiek systeem in kaart te brengen. Hoe groter de kernlading, zo redeneerde hij, hoe groter de aantrekkingskracht op de elektronenwolk en hoe sneller de elektronen rond de kern moeten cirkelen om er niet spiraalsgewijs op neer te storten. Een snelle berekening op een bierviltje toonde aan dat de elektronen vanaf element 137 de lichtsnelheid zouden moeten overschrijden. Maar volgens Albert Einstein is dit onmogelijk. Feynman plaatste de kritische grens dus bij het hypothetische element 137, officieel untriseptium genaamd maar ook wel feynmanium gedoopt. Merk trouwens op dat 137 (niet toevallig) het inverse is van de fijnstructuurconstante α. Maar Feynman baseerde zijn berekeningen op het simplistische atoommodel van Bohr en beschouwde de kern daarom als een puntmassa. In werkelijkheid heeft de kern echter een zeker volume. Door dit in beschouwing te nemen verschuift de limiet naar element 173.
Bovendien hield Feynman geen rekening met mogelijke kwantumeffecten. Vreemd genoeg bestaat er volgens de kwantumelektrodynamica helemaal geen ultieme limiet, maar wordt de situatie vanaf element 173 wel bijzonder vreemd. De energie van de binnenste elektronen duikt dan immers in het negatieve. Dit is technisch wel toegestaan, maar heeft mysterieuze gevolgen. Paul Dirac had het bestaan van deze anomale kwantumtoestanden met negatieve energie reeds in 1930 aangetoond. Hij voorspelde op basis hiervan het bestaan van antimaterie: voor elk deeltje bestaat er een corresponderend antideeltje. Zo is het antideeltje van een (negatief geladen) elektron, een (positief geladen) positron. Wanneer nu element 173 één van haar binnenste elektronen verliest via ionisatie, dan wordt er onmiddellijk een elektron-positronpaar uit het vacuüm gezogen (een schijnbare creatio ex nihilo). En terwijl dat nieuwe elektron het gat in de binnenste schil opvult, wordt het positron door het atoom uitgespuwd. Tot op heden is de emissie van dergelijke positronen wel nog niet experimenteel waargenomen. Het blijft dus raadselachtig wat er bij Z > 173 zal gebeuren.
Tot slot is er de voorspellende bovengrens. Wanneer de chemische elementen volgens toenemend atoomnummer worden gerangschikt, valt het op dat hun chemische en fysische eigenschappen periodiek terugkeren. Dit is Mendelejevs befaamde periodieke wet en laat toe om de chemische elementen in groepen onder te brengen. Het resultaat is het periodiek systeem. Nu blijkt echter dat de superzware elementen steeds minder goed passen binnen de groepen waarin ze worden ondergebracht. Hun eigenschappen komen niet meer overeen met de eigenschappen van de andere elementen in dezelfde groep. De reden hiervoor is een toename in relativistische effecten. Die komen reeds voor bij de lichtere elementen. Zo is de kleur van goud een relativistisch effect. Goud bezit een relatief hoge kernlading (met 79 protonen in de kern) waardoor de elektronen aan meer dan de helft van de lichtsnelheid moeten rondcirkelen om niet op de kern in te vallen. Bij hoge snelheden neemt ook de massa toe. Als gevolg hiervan worden de elektronen dichter naar de kern getrokken. De elektronenbanen komen met andere woorden dichter bij elkaar. Hierdoor absorbeert goud niet langer in het ultraviolette licht, maar in het blauwe. En dit bezorgt goud zijn karakteristieke goudgele glans. Zonder deze relativistische effecten zou goud zilverkleurig zijn. Ook de vloeibare toestand van kwik is een logisch gevolg van gelijkaardige relativistische effecten.
Hoe zwaarder de elementen worden, hoe meer uitgesproken de relativistische effecten. Reeds vanaf element 104 (rutherfordium) liep hierdoor de boel in het honderd. Ondanks het feit dat rutherfordium onder hafnium staat in de tabel, gedraagt het zich meer als plutonium. Dezelfde problemen deden zich voor met element 105 (dubnium). Mendelejevs tabel leek dus steeds minder periodiek. De paniek was echter van korte duur. Zowel seaborgium (element 106) als bohrium (element 107) pasten opnieuw naadloos in de tabel. Scheikundigen schreven over de ‘Oddly Ordinary Seaborgium’ en ‘Boring Bohrium’. Maar vanaf hassium (element 108) liep de periodiciteit weer spaak. De korte levensduur van deze elementen bemoeilijkt bovendien de studie van hun chemische en fysische eigenschappen. Toch lijkt copernicium (element 112) een schizofreen karakter te hebben. De ene keer gedraagt het zich als een metaal, dan weer als een edelgas. Ook oganesson (element 118) dat zich onder radon bevindt, en zich dus als edelgas zou moeten gedragen, lijkt meer op een metaal.
Hoe verder we doordringen in het koninkrijk der elementen, hoe meer het periodiek systeem aan voorspellende kracht verliest
Hoe verder we doordringen in het koninkrijk der elementen, hoe meer het periodiek systeem aan voorspellende kracht verliest. Hoe de periodieke wet zal varen in deze contreien is dus niet geheel duidelijk, al ziet het er niet rooskleurig uit. Ook naar de ultieme grens van de tabel, zij het praktisch of theoretisch, blijft het raden. En of we binnenkort voet zullen zetten op de kust van Atlantis weet ook niemand. Maar wat de toekomst ook in petto heeft, Mendelejevs tabel zal de hoeksteen blijven van de moderne scheikunde. ‘De tabel is nog altijd iconisch’, schreef Luuk Visscher, hoogleraar theoretische chemie aan de Vrije Universiteit Amsterdam. ‘Dat de systematiek voor superzware atomen niet meer helemaal opgaat, is geen reden [haar] weg te gooien.’ Integendeel, hoe groter de anomalieën, hoe meer we kunnen en zullen leren over de inwoners van het periodieke koninkrijk. En dat is uiteindelijk nog steeds de belangrijkste drijfveer in dit onderzoek.
IUPAC, ‘Discovery and Assignment of Elements with Atomic Numbers 113, 115, 117 and 118’, persbericht van 30 december 2015.
Lars Öhrström en Jan Reedijk, ‘Names and Symbols of the Elements with Atomic Numbers 113, 115, 117 and 118’, in: Pure and Applied Chemistry, (2016).
Deze tekst is grotendeels gebaseerd op mijn artikel ‘Op weg naar Atlantis’ dat in 2016 in Eos (33, 3, 28-33) verscheen.
Pieter Thyssen is als chemicus verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License