Il copernico – uno degli elementi superpesanti più longevi – dovrebbe comportarsi più come un gas nobile dell’elemento del gruppo dei gas nobili nello stesso periodo, oganesson, secondo nuove simulazioni al computer.1 La scoperta fornisce ulteriori prove che la relatività rende le regole di periodicità stile Mendeleev una guida sempre più inaffidabile per le proprietà fisiche e chimiche di questi enormi elementi.
La teoria della struttura elettronica degli atomi generalmente non tiene conto della relatività. Tuttavia, quando i nuclei atomici diventano più pesanti, avvicinando gli elettroni, le velocità elettroniche si avvicinano alla velocità della luce e gli effetti relativistici diventano evidenti nelle proprietà degli elementi. Negli anni ’60, per esempio, Pekka Pykkö – ora all’Università di Helsinki in Finlandia – ha dimostrato che il colore distintivo dell’oro deriva dal fatto che l’energia del suo orbitale 6s è ridotta dalla contrazione relativistica, causando lo spostamento della transizione 5d→6s dalle frequenze ultraviolette a quelle blu. L’oro assorbe quindi la luce blu e riflette le altre lunghezze d’onda. Inoltre, nel 2017, Peter Schwerdtfeger e colleghi della Massey University in Nuova Zelanda hanno mostrato come la relatività abbassi il punto di fusione del vicino dell’oro nella tavola periodica, il mercurio, di quasi 200ºC, attirando gli elettroni di legame più vicino al nucleo e rendendo meno efficiente il legame metallico. Questo spiega perché il mercurio – unico tra i metalli – è liquido a temperatura ambiente.
Gli effetti relativistici dovrebbero logicamente essere più pronunciati negli elementi più pesanti. Sfortunatamente, tali atomi sono di solito estremamente instabili: l’emivita dell’isotopo più pesante ancora confermato – l’oganesson-294 – è inferiore al millisecondo, quindi gli esperimenti chimici diretti sono di solito impossibili. La teoria, tuttavia, ha fatto previsioni bizzarre: la collocazione dell’oganesson nella tavola periodica suggerisce che dovrebbe essere un gas nobile, ma il gruppo di Schwerdtfeger ha recentemente predetto che è un semiconduttore metallico.
Conversamente, nel loro nuovo lavoro concludono che il copernico, che si trova direttamente sotto il mercurio nella tavola periodica, dovrebbe essere un “liquido nobile” altamente volatile con un punto di fusione di circa 10ºC e un punto di ebollizione intorno ai 67ºC. Questo è coerente con una previsione del 1975 di Kenneth Pitzer dell’Università della California, Berkeley.3 Tuttavia, nel 2008, Robert Eichler dell’Istituto Paul Scherrer in Svizzera e colleghi hanno misurato un’interazione in fase gassosa tra gli atomi di copernico e una superficie d’oro, che è stata vista come prova di metallicità.4 Il team di Schwedtfeger propone che – a differenza degli elementi più leggeri del gruppo 12, che si comportano come metalli alcalino-terrosi – il copernico dovrebbe essere considerato un elemento di blocco d. L’orbitale 6d è effettivamente sopra l’orbitale 7s nel copernico, quindi gli elettroni di legame sono di carattere d”, dice l’autore principale Jan-Michael Mewes, ora all’Università di Bonn in Germania. Gli isotopi del copernico possono durare fino a 29 secondi, il che significa che un giorno potrebbe essere possibile testare questa ipotesi.
Eichler è impressionato. Non vede alcuna contraddizione tra i risultati sperimentali del suo gruppo e la modellazione teorica di Schwerdtfeger e colleghi. Se si guarda la nostra previsione del 2008, si ottiene essenzialmente la stessa previsione per l’energia di interazione del copernico con se stesso”, dice Eichler. Un altro metallo come l’oro può spingere il copernico ad interagire in modo metallico”. Pykkö trova anche il modello ‘convincente’. Egli avverte, tuttavia, che è ‘un po’ lontano dall’esperimento’, ma dice che ‘ è uno dei migliori esperti per rispondere a queste domande’.