Copernicium – een van de langstlevende superzware elementen – zou zich volgens nieuwe computersimulaties meer als een edelgas moeten gedragen dan het edelgasgroepelement in dezelfde periode, oganesson.1 Dit bewijst eens te meer dat relativiteit de periodiciteitsregels in de stijl van Mendelejev tot een steeds onbetrouwbaarder gids maakt voor de fysische en chemische eigenschappen van deze enorme elementen.
De elektronischestructuurtheorie van atomen houdt doorgaans geen rekening met relativiteit. Maar naarmate atoomkernen zwaarder worden en elektronen dichter naar zich toe trekken, naderen elektronische snelheden de lichtsnelheid en worden relativistische effecten merkbaar in de eigenschappen van elementen. In de jaren zestig bijvoorbeeld toonde Pekka Pykkö – thans aan de universiteit van Helsinki in Finland – aan dat de kenmerkende kleur van goud ontstaat doordat de energie van zijn 6s orbitaal door relativistische contractie wordt verlaagd, waardoor de 5d→6s overgang wordt verschoven van ultraviolette frequenties naar blauwe frequenties. Goud absorbeert dus blauw licht en reflecteert andere golflengtes. Verder toonden Peter Schwerdtfeger en collega’s van de Massey University in Nieuw-Zeeland in 2017 aan hoe relativiteit het smeltpunt van de buurman van goud in het periodiek systeem, kwik, met bijna 200ºC verlaagt, door bindingselektronen dichter naar de kern te trekken en metaalbinding minder efficiënt te maken. Dit verklaart waarom kwik – als enige onder de metalen – vloeibaar is bij kamertemperatuur.
Relativistische effecten zouden logischerwijze het meest uitgesproken moeten zijn in de zwaarste elementen. Helaas zijn dergelijke atomen gewoonlijk uiterst onstabiel: de halveringstijd van de zwaarste isotoop die tot nu toe is bevestigd – oganesson-294 – is minder dan een milliseconde, zodat directe chemische experimenten gewoonlijk onmogelijk zijn. De theorie heeft echter bizarre voorspellingen gedaan: de plaats van oganesson in het periodiek systeem suggereert dat het een edelgas zou moeten zijn, maar de groep van Schwerdtfeger heeft onlangs voorspeld dat het een metallische halfgeleider is.
Omgekeerd concluderen zij in hun nieuwe werk dat copernicium, dat direct onder kwik in het periodiek systeem staat, een zeer vluchtige “edelvloeistof” zou moeten zijn met een smeltpunt van ongeveer 10ºC en een kookpunt rond 67ºC. Dit komt overeen met een voorspelling uit 1975 van Kenneth Pitzer van de universiteit van Californië, Berkeley.3 In 2008 hebben Robert Eichler van het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland en collega’s echter een gasfase-interactie gemeten tussen coperniciumatomen en een goudoppervlak, wat werd gezien als bewijs voor metalliciteit.4 Het team van Schwedtfeger stelt voor dat – in tegenstelling tot de lichtere elementen in groep 12, die zich gedragen als aardalkalimetalen – copernicium moet worden beschouwd als een d-blokelement. De 6d-baan ligt in feite boven de 7s-baan in copernicium, dus de bindingselektronen zijn van d-karakter,’ zegt hoofdauteur Jan-Michael Mewes, nu aan de Universiteit van Bonn in Duitsland. Isotopen van copernicium kunnen tot 29 seconden meegaan, wat betekent dat het misschien mogelijk is om deze hypothese ooit te testen.
Eichler is onder de indruk. Hij ziet geen tegenstelling tussen de experimentele resultaten van zijn eigen groep en de theoretische modellering van Schwerdtfeger en collega’s. ‘Als je kijkt naar onze voorspelling uit 2008 krijg je in wezen dezelfde voorspelling voor de interactie-energie van copernicium met zichzelf,’ zegt Eichler. ‘Een ander metaal zoals goud kan copernicium pushen om op een metallische manier te interageren.’ Ook Pykkö vindt het model ‘overtuigend’. Hij waarschuwt er wel voor dat het ‘wat ver af staat van het experiment’, maar zegt dat ‘het een van de beste experts is om deze vragen te beantwoorden’.