Un equipo de investigación internacional mide por primera vez la fuerza de un enlace químico con seaborgio; los resultados se publican en la revista “Nature”
Un equipo de investigación internacional, liderado por científicos del Centro Helmholtz de Investigación de Iones Pesados del GSI y del FAIR en Darmstadt, ha logrado una medición extraordinaria: por primera vez, se ha determinado experimentalmente la fuerza de un enlace químico en un compuesto con un elemento superpesado. Los resultados aportan nuevos conocimientos sobre cómo cambian las propiedades químicas de los elementos en condiciones extremas.
El objeto de la investigación fue el elemento seaborgio (Sg), producido artificialmente y con número atómico 106. Los científicos examinaron un compuesto formado por un átomo de seaborgio y seis grupos de monóxido de carbono, el llamado complejo hexacarbonílico Sg(CO)₆.
El sorprendente resultado: el enlace químico es más débil de lo esperado según la posición del elemento en la tabla periódica. Esto se debe a efectos que pueden explicarse mediante la teoría de la relatividad de Einstein. Los resultados de la investigación se publicaron en la prestigiosa revista científica «Nature».
Cuando la teoría de la relatividad de Einstein influye en la química
Los elementos superpesados con números atómicos entre 104 y 118 no se encuentran en la naturaleza en cantidades suficientes para este tipo de investigaciones. Deben producirse artificialmente mediante reacciones de fusión nuclear en aceleradores de partículas.
Se trata de un proceso complejo: a menudo, solo se producen unos pocos átomos al día. Además, los núcleos atómicos resultantes son extremadamente inestables y se desintegran radiactivamente en muy poco tiempo.
En el seaborgio, la elevada carga positiva del núcleo atómico influye notablemente en el movimiento de los electrones. Los electrones cercanos al núcleo alcanzan velocidades en las que los efectos relativistas desempeñan un papel importante.
Esto modifica la estructura electrónica del átomo. A su vez, esto afecta la forma en que el elemento forma enlaces químicos con otros átomos o moléculas.
Seaborgio se está comportando de manera diferente a lo esperado
En la tabla periódica, el seaborgio pertenece al mismo grupo de elementos que el cromo, el molibdeno y el tungsteno. Dentro de este grupo, la fuerza del enlace químico estudiado aumenta desde el cromo, pasando por el molibdeno, hasta el tungsteno.
Siguiendo este patrón, cabría esperar que el enlace correspondiente fuera particularmente fuerte en el Seaborgio, que es aún más pesado.
Sin embargo, las mediciones mostraron lo contrario.
“Desde el cromo hasta el molibdeno y el tungsteno, la fuerza del enlace aumenta, por lo que debería ser más fuerte en el seaborgio. Sin embargo, la medición muestra que el elevado número atómico del seaborgio modifica su estructura electrónica, lo que invierte la tendencia y da lugar a un enlace más débil”, explica el Dr. Alexander Yakushev de GSI/FAIR, portavoz de la colaboración internacional en investigación.
Los cálculos de química cuántica que tienen en cuenta los efectos relativistas pueden explicar esta observación. Por otro lado, los modelos más sencillos que no consideran estos efectos habrían predicho un aumento adicional en la fuerza del enlace.
Para el estudio solo se necesitaron 75 átomos de seaborgio
La investigación experimental planteó a los investigadores desafíos particulares, ya que los átomos de seaborgio producidos solo existen durante fracciones de segundo.
El isótopo Seaborgio-259 fue producido en GSI/FAIR en Darmstadt. Los estados nucleares estudiados tienen vidas medias inferiores a medio segundo.
Utilizando el montaje experimental TASCA, el separador de transactinidos y el aparato químico, los átomos generados fueron aislados y posteriormente introducidos en una atmósfera de gas que contenía monóxido de carbono.
Los compuestos químicos investigados pudieron formarse allí. Dos detectores dispuestos uno detrás del otro sirvieron para registrar la desintegración radiactiva de los átomos individuales y para distinguir entre los diferentes productos de reacción.
En total, los investigadores detectaron 75 átomos de seaborgio. Solo tres de ellos fueron registrados por el detector para el compuesto hexacarbonílico.
A modo de comparación, el equipo también examinó isótopos de tungsteno de corta duración. En estos, el 17 por ciento de los átomos formaron el compuesto correspondiente.
A partir de esta diferencia, los científicos pudieron deducir que el enlace estudiado es aproximadamente cuatro kilojulios por mol más débil en el seaborgio que en el tungsteno.
Años de investigación conducen al éxito
El compuesto Sg(CO)₆ se sintetizó por primera vez hace unos diez años en el Centro RIKEN Nishina de Japón. Científicos de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia y del GSI/FAIR participaron en el experimento en aquel entonces.
Incluso entonces, el compuesto se consideraba prometedor para investigar la fuerza de los enlaces químicos. Sin embargo, los primeros intentos de determinar dicha fuerza resultaron infructuosos.
Solo la combinación de métodos de síntesis química rápidos, altos rendimientos y métodos de detección sensibles para las desintegraciones radiactivas ha hecho posible realizar mediciones con éxito.
La cooperación internacional como base
El profesor Christoph E. Düllmann, jefe de los departamentos de química de elementos superpesados en GSI/FAIR y en el Instituto Helmholtz de Maguncia, así como profesor en la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia, subraya la importancia de la cooperación internacional.
“Este experimento pionero no habría sido posible sin la colaboración interdisciplinaria e internacional entre instituciones de investigación de todo el mundo”, explica Düllmann.
Este estudio complementa los programas de investigación del GSI y del FAIR, que tratan, entre otras cosas, sobre el origen de los elementos en el universo y sus propiedades básicas.
Tras el éxito del experimento, los científicos ya están preparando nuevas investigaciones. En el futuro, también planean explorar compuestos químicos con elementos incluso más pesados que el seaborgio.
(DARMSTADT – ROJO/GSI)
Imagen destacada: Montaje experimental detrás del separador TASCA: el primer detector detrás de la cámara de reacción, rodeado por dos detectores de germanio. Foto: GSI
