DARMSTADT / LONDON (IT BOLTWISE) – Ein Experiment am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung misst erstmals die Bindungsstärke im Seaborgium-Hexacarbonyl Sg(CO)6. Dabei zeigt sich: Die letzte Metall-CO-Bindung ist beim superschweren Element etwas schwächer als beim Vergleichswert für Wolfram. Die Differenz liegt bei 4 Kilojoule pro Mol, mit einer Unsicherheit von 2 Kilojoule pro Mol. Verantwortlich machen die Forschenden vor allem relativistische Effekte auf 6d-Orbitale.
Im Periodensystem folgt vieles scheinbar festen Mustern: Innerhalb einer Metallgruppe nimmt die Bindungsstärke in bestimmten Komplexen von Chrom über Molybdän bis Wolfram typischerweise zu. Genau dieses „Gruppengefühl“ hilft normalerweise beim Abschätzen chemischer Eigenschaften, selbst wenn man nicht jeden Stoff im Labor misst. Bei superschweren Elementen wie Seaborgium (Ordnungszahl 106) kippt dieser Automatismus jedoch, weil die Elektronenbahnen dort so stark von der Wirkung des Atomkerns geprägt werden, dass Einsteins Relativitätstheorie nicht mehr als Randkorrektur taugt. Das GSI-Team hat daher nicht einfach nur einen weiteren Komplex untersucht, sondern eine konkrete Bindung im Seaborgium-Hexacarbonyl experimentell quantifiziert und direkt mit Wolfram verglichen.
Technisch setzt die Arbeit bei einem gut untersuchten „Testfall“ an: Chrom, Molybdän und Wolfram können jeweils sogenannte Hexacarbonyle bilden, also Verbindungen, in denen ein Metallatom von sechs Kohlenmonoxid-Liganden (CO) umgeben ist. Entscheidender Vergleichsanker ist die Energie, die nötig ist, um die erste CO-Gruppe zu lösen. In der leichten bis mittleren Reihe steigt dieser Wert zunächst an – ein Trend, der beim schwereren Ende aber nicht zwangsläufig „durchlaufen“ muss. Für Seaborgium war damit die Frage besonders spannend, ob sich die Bindungsstärke im selben Muster weiter erhöht oder ob relativistische Effekte den Trend umkehren. Genau hier setzt das Experiment an, weil es die Bindungsstärke zwischen dem zentralen Seaborgium-Atom und einem CO-Liganden aus der beobachteten Komplexbildung ableitet.
Damit solche Messungen überhaupt möglich sind, musste das Team zwei große Hürden gleichzeitig adressieren: Seaborgium wird nur künstlich erzeugt, und seine Atomkerne zerfallen rasch. Die Forscher am Beschleuniger stellten daher das Seaborgium-Isotop 259 sowie Wolfram-Isotope 161 und 162 her, trennten anschließend die gesuchten Atome mithilfe des Separators TASCA von anderen Reaktionsprodukten und brachten sie dann mit Kohlenmonoxidgas zusammen. So konnten sich Metallkomplexe mit unterschiedlichen Zahlen an CO-Gruppen bilden, was im Experiment bedeutet: Nicht nur der „vollständige“ Sechsfach-CO-Komplex ist relevant, sondern auch die unvollständigen Zwischenprodukte. Die Steuerung dieser Chemie atomar im Gasstrom ist der Kern der Methode, weil man im Gegensatz zu klassischen Synthesen keine „Masse“ im chemischen Sinn zur Verfügung hat, sondern statistisch beobachtet, welche Komplexe den Weg durch das Detektorsystem schaffen.
Im Messaufbau entschieden zwei hintereinandergeschaltete Detektoren über die Aussagekraft. Unvollständige, reaktionsfreudigere Komplexe blieben bereits im ersten Detektorabschnitt haften, während das im Vergleich vergleichsweise flüchtige Hexacarbonyl den Weg bis in den zweiten, gekühlten Detektor nahm. Dort identifizierten die Forschenden die einzelnen Atome anhand ihres radioaktiven Zerfalls. Juha Uusitalo von der University of Jyvaskylä beschreibt diesen Prozess mit Blick auf die Selektivität: „Mit dem TASCA-Separator wurden die Seaborgium-Atome von anderen Reaktionsprodukten getrennt und zur chemischen Analyse weitergeleitet“. Genau diese Trennung ist entscheidend, weil sie verhindert, dass die spätere Detektion nur die Summe vieler Reaktionspfade widerspiegelt. Die Statistik ist dabei anspruchsvoll: Insgesamt wies das Team 75 Seaborgium-Atome nach, aber nur drei davon erreichten den zweiten Detektor als Seaborgium-Hexacarbonyl, also rund vier Prozent. Beim Wolfram lag der Anteil des entsprechenden vollständigen Komplexes dagegen bei etwa 17 Prozent.
Aus diesen Bildungshäufigkeiten und einem Modell zur Reaktionsgeschwindigkeit leitete das Team dann die Stärke der letzten Metall-CO-Bindung ab. Für das Seaborgium-Hexacarbonyl ergab sich eine Bindungsdissoziationsenergie von 188 Kilojoule pro Mol, während die Wolfram-Verbindung auf 192 Kilojoule pro Mol kommt. Damit liegt die Abweichung bei vier Kilojoule pro Mol – die Unsicherheit beträgt allerdings zwei Kilojoule pro Mol. Zusätzlich weisen die Einzelwerte größere Unsicherheiten auf, was sich laut Darstellung daraus ergibt, dass die Referenzmessung im Modellgeschehen mit größeren Fehlerbereichen eingeht (neun beziehungsweise acht Kilojoule pro Mol). Die physikalische Kernaussage bleibt dennoch: Das superschwere Element zeigt in diesem Bindungsabschnitt nicht den erwarteten weiteren „Anstieg“, sondern eine leichte Abschwächung gegenüber Wolfram. Alexander Yakushev fasst die Relevanz der Messung so zusammen: „Zum ersten Mal ist es uns gelungen, die Stärke einer chemischen Bindung in der Verbindung eines superschweren Elements zu messen, nämlich zwischen dem zentralen Seaborgium-Atom und einem Kohlenmonoxid-Liganden. Anschließend haben wir sie mit derselben Bindung im Hexacarbonyl des leichteren Elements Wolfram verglichen“.
Für die Einordnung ist der Blick auf die theoretische Erwartung zentral: Moderne quantenchemische Berechnungen, die relativistische Effekte berücksichtigen, passen zum beobachteten Trend. Modelle ohne solche Effekte sagen dagegen eine zunehmend stärkere Bindung voraus. Nach den Rechnungen verändern relativistische Beiträge beim Seaborgium insbesondere die Energien sowie die räumlichen Eigenschaften der 6d-Orbitale. Dadurch wird der Elektronenaustausch zwischen dem Metallatom und den CO-Gruppen geschwächt – und genau dieser Mechanismus liefert eine Erklärung dafür, warum die Bindung im Hexacarbonyl am schweren Ende nicht wie erwartet fester wird. Yakushev formuliert das als Gegenbewegung zum Gruppentrend: „Von Chrom über Molybdän bis Wolfram nimmt die Bindungsstärke in den Hexacarbonyl-Verbindungen zu, weshalb sie beim Seaborgium eigentlich noch größer sein müsste. Die Messungen zeigen jedoch, dass die hohe Ordnungszahl des Seaborgiums seine Elektronenhülle verändert, diesen Trend umkehrt und die Bindung schwächt“. Gerade dieser Punkt macht die Arbeit aus Sicht der KI-freien Grundlagenchemie interessant, aber auch für datengetriebene Materialmodellierung: Wenn relativistische Effekte nicht nur Korrekturen sind, sondern den Trend sogar umdrehen, müssen Modelle ihre Annahmen entsprechend robust machen.
In der Praxis bedeutet das für den Forschungsalltag zweierlei. Erstens zeigt die Studie, dass sich relativitätsgetriebene Änderungen chemischer Bindungen an superschweren Elementen experimentell überprüfen lassen – bisher war das wegen der extremen Bedingungen und der geringen Trefferzahlen schwer zugänglich. Zweitens bleibt die Messstrategie eng an die Statistik gebunden: Nur drei vollständige Komplexe liefern die direkte Basis für die Bindungsenergieausleitung, und die Energie folgt daraus indirekt. Die Forschenden wollen deshalb die Methode auf noch schwerere Elemente ausdehnen, bei denen sich chemische Eigenschaften möglicherweise noch stärker vom „gewohnten“ Periodensystem lösen. Für die Fachwelt heißt das: Je weiter man das Periodensystem nach hinten treibt, desto weniger darf man sich auf reine Gruppentrends verlassen – und desto wichtiger werden präzise Experimente, die die theoretischen Bausteine wie relativistische Orbitalverteilungen wirklich am Objekt testen.
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