Neue Kinder am Tisch: Ist das Element 118 ein Edelgas? – Teil 3

Das Periodensystem der Elemente ist eine der größten Entdeckungen der Menschheit in der Natur, denn es umfasst alle Bausteine, die unser Universum im Innersten zusammenhalten: vom kleinsten Virus bis zur entferntesten Galaxie. Letztes Mal haben wir über den schwierigen Weg zum Element 118 gesprochen. In diesem Teil werfen wir einen Blick auf die erste Synthese von Element 118, seine Eigenschaften und wie neue Elemente benannt werden.

5. Erste tatsächliche Synthese von Element 118

Im Jahr 2002 begann eine Forschergruppe, bestehend aus Wissenschaftlern des Gemeinsamen Instituts für Kernforschung in Dubna, Russland, zusammen mit dem Lawrence Livermore National Laboratory in Berkeley, Kalifornien, USA, mit dem ersten synthetischen Versuch, Element 118 durch Beschuss von Kalifornium-249 mit Kalzium-48-Ionen herzustellen. Kalzium-48, das in der Natur nur zu 0,19 % vorkommt, ist sehr selten und dementsprechend teuer (200.000 USD/g). Für ein leichtes Element (Z = 20) ist es mit einer Neutronenzahl von 28 außerordentlich neutronenreich und daher für die Synthese von stabilen, schweren Kernen besonders gut geeignet.

100 Tage lang beschoss das Team ein aus 10 mg 249Cf (0,23 mg/cm2) bestehendes Target mit einem Kalzium-48-Strahl von 2-1012 etwa 17-fach positiv geladenen Ionen pro Sekunde; im Laufe von drei Monaten Bestrahlung insgesamt 2-1019 Kalzium-Ionen. Während dieser gesamten Zeit konnten sie nur eine einzige Zerfallssequenz nachweisen, die dem Element 118 zuzuordnen ist!

4820Ca +24998Cf → 297

Im Jahr 2006 wurden die Arbeiten wieder aufgenommen, und es konnten, wie gefordert, zwei weitere relevante Zerfallssequenzen nachgewiesen werden (siehe Abb. 3). Diesmal mussten für die Anerkennung der Entdeckung, die von der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) und der International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) ausführlich veröffentlicht wurde, zahlreiche Voraussetzungen erfüllt werden. Es wurden zwar ausreichende Zerfallsreihen nachgewiesen, die mit dem Element 118 übereinstimmen, aber keines der beteiligten Isotope war zuvor bekannt. Es gelang also nicht, eine Verbindung zu bekannten Isotopen herzustellen, so dass die Anerkennung verweigert werden musste: „Die drei analysierten Zerfallsreihen für ein Isotop des Elements Z = 118 stimmen gut miteinander überein, aber in Ermangelung einer Verankerung mit bekannten Kernen sind die erforderlichen Kriterien für die Anerkennung nicht erfüllt.“

Abbildung 3. Experimente, die für die Entdeckung des Elements 118 relevant waren.

Die Zerfallsreihe für das Element 118 konnte jedoch durch unabhängige Studien mit seitlichen Eingängen bestätigt werden. So wurden die Elemente 116 und 114 auf unabhängigen Wegen durch Beschuss von Curium bzw. Plutonium mit Calcium-48-Ionen hergestellt und ihre Zerfallsreihen bestimmt (siehe Abb. 3). Es wurde festgestellt, dass diese Zerfallsreihen mit den entsprechenden Teilen der Zerfallsreihen für Element 118 übereinstimmen. Infolgedessen veröffentlichte die IUPAC/IUPAP tatsächlich ein positives Urteil:

„Die Dubna-Livermore-Kollaboration von Oganessian et al. aus dem Jahr 2006 ergab drei übereinstimmende Zerfallsketten, beginnend mit 294118. Dieses Ergebnis wurde im Jahr 2012 bestätigt. Drei weitere unabhängige Studien zur Fusion schwerer Elemente dienten der Identifizierung und Bestätigung der Existenz und der Zerfallseigenschaften der Nachkommen von 294118, 290Lv und 286Fl, die dazu dienten, die Ordnungszahlen durch Kreuzbeschuss zu verbinden. Die Dubna-Livermore-Kollaboration aus dem Jahr 2006 hat die Kriterien für eine Entdeckung erfüllt, und ihre Behauptung gilt nun als bestätigt.“

Damit wurde offiziell anerkannt, dass die russisch-amerikanische Forschungsgruppe unter der Leitung von Yuri Oganessian tatsächlich das Element 118 entdeckt hatte. Der Präsident der anorganischen Abteilung der IUPAC bat daraufhin um einen geeigneten Vorschlag für einen Namen und ein Symbol für das neue Element. In Übereinstimmung mit den zusätzlichen Vorschriften stimmte die Plenarsitzung der IUPAC über die Anerkennung der Entdeckung und die Benennung des Elements 118 ab.

6. Die Benennung der Elemente 113-118

Die Entdecker eines Elements haben das Recht, einen Namen für dieses vorzuschlagen, aber sie haben keine völlig freie Wahl. IUPAC und IUPAP haben bestimmte anwendbare Regeln entwickelt, von denen der Name des neuen Elements abgeleitet werden soll:

• a)einem mythologischen Begriff oder einer Figur, einschließlich astronomischer Objekte
• b)einem Mineral oder einem ähnlichen Material
• c)einem Ort oder einer geographischen Region
• d)einer Eigenschaft des Elements
• e)dem Namen eines Wissenschaftlers

Im Interesse der Standardisierung sollten vorgeschlagene Elementnamen für bestimmte Elemente immer eine der folgenden Endungen haben:

• Gruppen 1-16, einschließlich Elemente des f-Blocks: „-ium“
• Gruppe 17 (Halogene): „-in“
• Gruppe 18 (Edelgase): „-on“

Entscheidungen über Elementnamen sind für alle Beteiligten schwierig: nicht nur für den Entdecker, sondern auch für IUPAC/IUPAP. Entdecker mit ihrem eigenen Ego leben zwangsläufig in einem bestimmten komplexen politischen Umfeld, und auch die IUPAC/IUPAP und ihre internationalen Experten existieren nicht in einem Vakuum. In der Ära des Kalten Krieges führte dies zu Streitigkeiten, die manchmal recht grotesk waren. So wurde das Element 104 über einen Zeitraum von drei Jahrzehnten in den Schulbüchern der Vereinigten Staaten als Rutherfordium, im Russischen jedoch als Kurtschatowium bezeichnet. Glücklicherweise (hoffentlich?) ist diese Zeit vorbei. Heute zeigt die Synthese der schweren Transactinide, wie vorteilhaft es ist, wenn Forschergruppen aus verschiedenen Ländern ihr Fachwissen für gemeinsame Projekte einsetzen.

6.1. Element 113: Nihon (Nh)

Das Element 113 wurde erstmals – nach jahrelangen Bemühungen – von einer japanischen Gruppe am RIKEN unter der Leitung von Kosuke Morita vorbereitet. Der vorgeschlagene Name und das Symbol sollten ihr Heimatland ehren: „Nihon“ (Land der aufgehenden Sonne), mit dem dazugehörigen Symbol Nh.

Morita und sein Team begannen 2003 mit dem Beschuss eines Wismut-Targets mit Zink-Ionen, und im April 2005 hatten sie zwei konsistente Zerfallsreihen für das Element 113 entdeckt. Dies wurde jedoch nicht als ausreichend für die Erkennung angesehen. Erst im August 2012, nach sieben weiteren Jahren der Bestrahlung, wurde die lang ersehnte dritte Zerfallsreihe beobachtet. Mit ihrer unendlichen Geduld und Hartnäckigkeit zeigte die Forschergruppe die Grenze der heutigen technischen Möglichkeiten auf: eine Zerfallsreihe in zwei Jahren!

Die Herstellung der drei anderen 2017 erkannten Elemente – die Nummern 115, 117 und 118 – war das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit zwischen russischen (Dubna) und amerikanischen (Berkeley) Wissenschaftlern. Dies hatte den weiteren Vorteil, dass sich die beteiligten Parteien im Vorfeld auf einen gütlichen Kompromiss in der Frage der Namensgebung einigen konnten.

6.2. Element 115 – Moscovium (Mc)

Die russische Hauptstadt wurde mit dem Namen Moscovium (Mc) geehrt, so wie es bereits für den nur 100 km von Moskau entfernten Forschungsstandort Dubna mit dem Element 105 (Dubnium) der Fall war.

6.3. Element 117 – Tennessin (Ts)

Die Endung „ine“ verrät, dass dieses Element der 17. Gruppe des Periodensystems zugeordnet ist: den Halogenen (Fluor, Chlor, Brom usw.). Der vorgeschlagene Name war für viele überraschend, da die Entdeckung des Elements 117 dem Dubna/Berkeley-Team von Yuri Oganessian zugeschrieben wird. Doch ein genauerer Blick auf die Synthese erklärt den Hintergrund:

4820Ca +24997Bk → 293 + 4n

Der Beschuss von Berkelium-249 mit Calcium-48-Ionen war von Oganessians Team schon lange geplant. Das Problem war, dass es auf der Erde nur einen einzigen Ort gab, an dem einige Milligramm des benötigten Berkeliums hergestellt werden konnten: im Hochflussreaktor des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) im US-Bundesstaat Tennessee. Dort konnte man tatsächlich24997Bk kaufen, allerdings zu einem Preis von 185 USD pro Mikrogramm (!), ohne Verpackung. Für das geplante Experiment wurden 20 mg benötigt. Dabei musste nicht nur der hohe Preis, sondern auch die kurze Halbwertszeit von24997Bk berücksichtigt werden: nur 330 Tage. Für die Vorbereitung von Element 117 wurde ein umfassender amerikanisch-russischer Masterplan entwickelt, der alle Aspekte des zeitlichen Ablaufs des Experiments selbst sowie die weitere Verarbeitung und den Transport über Tausende von Kilometern umfasste.

Im Frühjahr 2008 wurden 40 g Curium-244 in den ORNL-Hochflussreaktor eingebracht und 23 Tage lang einer extrem hohen Neutronenbestrahlung ausgesetzt. Nachdem der Brennstoff erschöpft war, wurde er ausgetauscht, und die Curiumprobe wurde weitere 23 Tage bestrahlt. Nach elf solcher Zyklen über insgesamt 250 Tage waren 22 mg 24997Bk hergestellt, das in den nächsten sechs Monaten aus der Curiumprobe isoliert und anschließend gereinigt wurde (siehe Abb. 4).

Abbildung 4. Das Ausgangsmaterial für die Tennessin-Synthese: Berkelium-249.

Eine Lösung des entstandenen Berkeliumchlorids wurde in fünf Bleigefäße gefüllt und mit einem kommerziellen Flug nach Moskau transportiert. Die Zusammenarbeit zwischen den Forschern war problemlos verlaufen, was jedoch nicht für den anschließenden Probentransport galt. Zweimal wurden die Berkelium-Behälter an der russischen Grenze wegen fehlender oder unvollständiger Dokumente zurückgewiesen und dann nach New York zurückgeschickt. Erst im dritten Anlauf erreichten sie das russische Forschungsinstitut für Atomreaktoren in Dimitrovgrad, wo die Zielscheiben vorbereitet wurden. Schließlich konnte das eigentliche Experiment am 27. Juli 2009 in Dubna beginnen. Eine erste Zerfallsreihe von Element 117 wurde am 20. August 2009 gefunden, und im Laufe der nächsten sechs Monate wurden fünf weitere Zerfallsreihen aufgezeichnet.

6.4. Element 118 – Oganesson (Og)

Die Endung „-on“ deutet darauf hin, dass dieses Element als eines der „Edelgase“ (Gruppe 18) anerkannt ist. Der ihm zugewiesene Name ist eine Hommage an Juri Oganessian (siehe Abb. 5), der erst der zweite lebende Wissenschaftler ist, für den ein Element nach Glenn T. Seaborg mit Seaborgium benannt wurde. Auf die Frage, wie er sich dabei fühle, antwortete Oganessian:

„Für mich ist es eine Ehre. Die Entdeckung des Elements 118 ist Wissenschaftlern des Gemeinsamen Instituts für Kernforschung in Russland und des Lawrence Livermore National Laboratory in den Vereinigten Staaten gelungen, und es waren meine Kollegen, die den Namen Oganesson vorgeschlagen haben. Meine Kinder und Enkelkinder leben schon seit Jahrzehnten in den Vereinigten Staaten, aber meine Tochter schrieb mir, als sie davon erfuhr, dass sie in dieser Nacht nicht schlafen konnte, weil sie so sehr geweint hat. Meine Enkel hingegen haben, wie alle jungen Menschen, kaum reagiert.“

Abbildung 5. Juri Oganessian auf einer armenischen Briefmarke.

Für Chemiker stellt sich die Frage, ob Oganesson nicht nur formal ein Edelgas ist, sondern ob es sich auch physikalisch und chemisch wie eines verhält. Viele Chemiker bleiben skeptisch gegenüber quantenchemischen Berechnungen, insbesondere bei den Transactiniden, da die hohen Geschwindigkeiten ihrer inneren Elektronen (70 % der Lichtgeschwindigkeit im Falle von Copernicium, Z = 112) schwerer zu berücksichtigen sind (relativistische Effekte). Aber wenn Dmitri Mendelejew schon im 19. Jahrhundert mit Bleistift und Papier gewisse präzise und korrekte Vorhersagen machen konnte, sollten wir unseren Theoretikern vielleicht mehr Vertrauen schenken. Jedenfalls lässt sich die Eingangsfrage „Ist das Element 118 ein Edelgas?“ auf der Grundlage ihrer Berechnungen schnell mit „Oganesson ist garantiert kein Edelgas, sondern vielleicht eher eine „Edelflüssigkeit“ mit einem Siedepunkt von 50-110 °C.“

Außerdem sollte Oganesson mit Fluor zu den stabilen Verbindungen OgF2 und OgF4 reagieren, wobei OgF4 nicht planar wie Xenontetrafluorid, sondern tetraedrisch sein würde. Dies lässt sich experimentell noch nicht überprüfen, da die vier synthetischen Oganessonatome nach einer einzigen Millisekunde verschwunden waren. Halten wir also Ausschau nach stabileren Oganesson-Isotopen und lassen wir uns von ihrer Chemie überraschen.

7. Wie geht es jetzt weiter?

In Bezug auf die Synthese des Elements 119 stehen die Kernforscher noch am Anfang. Hideto En’yo vom japanischen Forschungsinstitut RIKEN hat einen Beschuss von Curium mit Vanadium-Ionen

96Cm + 23V →

angekündigt, und die Oganessian-Gruppe will Berkelium mit Titan-Ionen beschießen

97Bk + 22Ti →

Es ist fast sicher, dass diese Experimente an die Grenzen der heutigen Technik stoßen werden. Die Synthese von noch schwereren Elementen setzt sicherlich weitere große technische Entwicklungen voraus. Es bleibt abzuwarten, in welchem Zeitraum die notwendigen Fortschritte erzielt werden können. Wir wünschen unseren Atomwissenschaftlern daher gute Ideen und viel Glück bei der weiteren Suche nach neuen Elementen. Allerdings nicht zu viel Glück, denn wenn sie plötzlich über stabile Isotope stolpern würden, würde es niemandem auffallen.

Wir dürfen nicht vergessen, dass die schweren Kerne bisher nur anhand ihrer radioaktiven Spuren erkennbar sind. Sollten also stabile Kerne entstehen, so wünschen wir den Atomwissenschaftlern gleichzeitig die technische Möglichkeit, wägbare Mengen der entsprechenden Elemente herzustellen. Dann könnte man chemische Reaktionen ihrer Elektronenhüllen studieren. Und das wäre spannend, denn theoretische Berechnungen legen zum Beispiel nahe, dass das Element 123 drei teilweise gefüllte Orbitale in drei verschiedenen Schalen besitzen müsste (8s2 8p 7d 6f). Besonders gespannt sollten wir auf die Untersuchung des Elements 125 sein, da es zum ersten Mal besetzte g-Orbitale aufweisen wird (8s2 8p 6f3 5g). Allein die Formen der verschiedenen 5g-Orbitale wecken den Wunsch, ihre Chemie zu untersuchen (siehe Abb. 6). Wir warten gespannt darauf!

Abbildung 6. Die 5g-Orbitale; von links nach rechts und von oben nach unten :
z4, z3y, (x2-y2)(6z2-x2-y2), yz(3×2-y2), x4+y4, xy(x2-y2), xz(x2-3y2), xy(6z2-x2-y2), z3x.

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Der Artikel wurde auf Deutsch veröffentlicht als:

• Ist das Element 118 ein Edelgas?
  Klaus Roth,
  Chem. unserer Zeit 2017, 51, 418-426.
  https://doi.org/10.1002/ciuz.201700838

und wurde von W. E. Russey übersetzt.

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