Copernicium – eines der langlebigsten überschweren Elemente – sollte sich neuen Computersimulationen zufolge eher wie ein Edelgas verhalten als das Element der Edelgasgruppe in derselben Periode, Oganesson.1 Das Ergebnis ist ein weiterer Beweis dafür, dass die Relativitätstheorie die Mendelejewschen Periodizitätsregeln zu einem immer unzuverlässigeren Leitfaden für die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser riesigen Elemente macht.
Die Theorie der elektronischen Struktur von Atomen berücksichtigt die Relativitätstheorie im Allgemeinen nicht. Wenn jedoch die Atomkerne schwerer werden und die Elektronen näher zusammenrücken, nähern sich die elektronischen Geschwindigkeiten der Lichtgeschwindigkeit an und relativistische Effekte machen sich in den Eigenschaften der Elemente bemerkbar. In den 1960er Jahren zeigte beispielsweise Pekka Pykkö – heute an der Universität Helsinki in Finnland -, dass die charakteristische Farbe von Gold darauf zurückzuführen ist, dass die Energie des 6s-Orbitals durch die relativistische Kontraktion verringert wird, wodurch der Übergang 5d→6s von ultravioletten zu blauen Frequenzen verschoben wird. Gold absorbiert daher blaues Licht und reflektiert andere Wellenlängen. Darüber hinaus zeigten Peter Schwerdtfeger und Kollegen von der Massey University in Neuseeland 2017, wie die Relativitätstheorie den Schmelzpunkt von Quecksilber, dem Nachbarn von Gold im Periodensystem, um fast 200 °C senkt, indem sie die Bindungselektronen näher an den Kern zieht und die metallische Bindung weniger effizient macht. Dies erklärt, warum Quecksilber – als einziges unter den Metallen – bei Raumtemperatur flüssig ist.
Relativistische Effekte sollten logischerweise bei den schwersten Elementen am stärksten ausgeprägt sein. Leider sind diese Atome in der Regel extrem instabil: Die Halbwertszeit des schwersten bisher nachgewiesenen Isotops – Oganesson-294 – liegt unter einer Millisekunde, so dass direkte chemische Experimente in der Regel unmöglich sind. Die Theorie hat jedoch bizarre Vorhersagen gemacht: Oganessons Platz im Periodensystem legt nahe, dass es ein Edelgas sein sollte, aber Schwerdtfegers Gruppe hat kürzlich vorhergesagt, dass es ein metallischer Halbleiter ist.
Umgekehrt kommen sie in ihrer neuen Arbeit zu dem Schluss, dass Copernicium, das im Periodensystem direkt unter Quecksilber steht, eine hochflüchtige „Edelflüssigkeit“ mit einem Schmelzpunkt von etwa 10ºC und einem Siedepunkt von etwa 67ºC sein sollte. Dies entspricht einer Vorhersage von Kenneth Pitzer von der Universität von Kalifornien in Berkeley aus dem Jahr 1975.3 Im Jahr 2008 haben Robert Eichler vom Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz und Kollegen jedoch eine Gasphasenwechselwirkung zwischen Copernicium-Atomen und einer Goldoberfläche gemessen, was als Beweis für Metallizität angesehen wurde.4 Schwedtfegers Team schlägt vor, dass Copernicium – anders als die leichteren Elemente der Gruppe 12, die sich wie Erdalkalimetalle verhalten – als d-Block-Element betrachtet werden sollte. Das 6d-Orbital liegt bei Copernicium über dem 7s-Orbital, so dass die Bindungselektronen d-Charakter haben“, sagt der Hauptautor Jan-Michael Mewes, der jetzt an der Universität Bonn in Deutschland arbeitet. Isotope von Copernicium können bis zu 29 Sekunden lang bestehen, so dass es eines Tages möglich sein könnte, diese Hypothese zu testen.
Eichler ist beeindruckt. Er sieht keinen Widerspruch zwischen den experimentellen Ergebnissen seiner Gruppe und der theoretischen Modellierung von Schwerdtfeger und Kollegen. Wenn man sich unsere Vorhersage aus dem Jahr 2008 ansieht, erhält man im Wesentlichen die gleiche Vorhersage für die Wechselwirkungsenergie von Copernicium mit sich selbst“, sagt Eichler. Ein anderes Metall wie Gold kann Copernicium dazu bringen, auf metallische Weise zu wechselwirken. Auch Pykkö findet das Modell „überzeugend“. Er gibt jedoch zu bedenken, dass es „etwas weit vom Experiment entfernt ist“, sagt aber, dass es „einer der besten Experten ist, um diese Fragen zu beantworten“.