voorspelde metallische eigenschappen voor astatine

Het is een van de meest mysterieuze chemische elementen. Iedereen weet dat astatine, element 85, onderaan de halogeengroep zit, maar niemand weet hoe het eruit ziet. Astatine is het zeldzaamste natuurlijk voorkomende element, en heeft geen stabiele isotopen: de langst levende heeft een halfwaardetijd van slechts 8,1 uur. Dus niemand heeft er ooit genoeg van gekregen om met het blote oog zichtbaar te zijn.

als dat ooit gebeurt, voorspellen nieuwe first-principles berekeningen gepubliceerd in Physical Review Letters dat het een metalen vaste stof zal zijn. Dat is misschien niet zo verwonderlijk gezien het feit dat jodium, het halogeen erboven in het periodiek systeem, zelf een donkere zilverachtige vaste stof is (hoewel zelf niet echt metallisch) en dat het smeltpunt van astatine 302oC is. Maar de echte verrassing van de nieuwe resultaten is dat de vaste stof niet zou bestaan uit diatomaire moleculen, zoals alle andere halogenen, maar monatomair zou zijn. De berekeningen werden uitgevoerd door Andreas Hermann, nu aan de Universiteit van Edinburgh in Schotland, en ervaren theoretici Roald Hoffmann en Neil Ashcroft van Cornell University in Ithaca, New York.theoretisch natuurkundige Yanming Ma van de Jilin Universiteit in Changchun, China, die heeft gewerkt aan hogedruk vaste fasen van de andere halogenen, noemt dit ‘ een prachtig artikel.’De auteurs presenteren overtuigend bewijs van dit verrassende gedrag van vaste astatine, ‘zegt hij, eraan toevoegend dat de verrassing tweeledig is:’ de niet-moleculaire vorm en de metalliciteit bij omgevingsdruk.”

Dit gedrag zou gemakkelijk te missen zijn, omdat het zich alleen manifesteert wanneer de berekeningen volledig rekening houden met de effecten van de speciale relativiteit op de elektronische structuur van de zeer zware atomen: de toename van de effectieve massa van snel bewegende elektronen dicht bij de massieve kern. Het is bekend dat dergelijke effecten aanzienlijke gevolgen hebben voor zware elementen, waardoor goud zijn gele tint krijgt en kwik zijn lage smeltpunt.

belang van spinbaankoppeling

bij dichtheidsfunctionele berekeningen van de elektronische structuur van moleculen en materialen worden relativistische effecten gewoonlijk in twee componenten gesplitst. De zogenaamde scalaire benadering houdt alleen rekening met de effecten van de zeer hoge snelheid van de elektronen, terwijl hun energie ook wordt beïnvloed door spin-Baan koppeling tussen de elektronspin en het magnetische veld dat wordt gecreëerd door elektronenbewegingen rond de kern. Hermann en collega ‘ s vonden dat een scalair-relativistische berekening voorspelde een diatomaire grond staat voor astatine, terwijl de monatomaire vorm verscheen alleen met spin-orbit koppeling opgenomen. ‘Deze effecten beïnvloeden de neiging van de atomen om bepaalde bindingen en kristalstructuren te vormen, meestal door het verminderen van moleculaire bindingsenergieën’, zegt Hermann. Eerdere berekeningen hebben erop gewezen dat in de gasfase astatine nog een zwak gebonden diatomaire molecule zou vormen.

De volledig relativistische vaste stof heeft geen bandspleet tussen de valentie-en geleidingselektronen: het is een metaal zelfs bij omgevingsdruk. In feite, naar analogie met hogedrukjodium, zeggen de onderzoekers dat astatine zelfs een supergeleider kan zijn.

Element 117, Onder astatine, werd in 2010 gesynthetiseerd en zou naar verwachting nog sterkere relativistische effecten ervaren. ‘Ik denk dat het een zwak gebonden monatomaire metal zou zijn’, zegt Hermann. Maar ik ben klaar om verrast te worden.”

of de voorspellingen ooit experimenteel zullen worden getest, valt nog te bezien. Astatine moet in het algemeen kunstmatig gesynthetiseerd worden door nucleaire reacties – het werd voor het eerst op deze manier gemaakt in 1940 door wetenschappers aan de Universiteit van Californië in Berkeley. Het is zo radioactief dat een klomp vaste astatine bijna onmiddellijk verdampt zou worden. Maar Hermann blijft optimistisch. “Met actieve koeling van het substraat kan men een dunne film lang genoeg stabiliseren”, zegt hij.

You might also like

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.