Waar had je Lr (en Lu) willen hebben?

Lawrencium ioniseren kost verrassend weinig energie. En dat doet de discussie oplaaien over de plek waar het hoort te staan in het Periodiek Systeem, schrijft Nature.

De vraag is dan of lawrencium (atoomnummer 103) rechtsonder in het losse balkje met lanthaniden en actiniden (het ‘f-blok’) hoort, of in de linkerkolom van de nevenreekselementen (het ‘d-blok’) onder scandium en yttrium. Voor lutetium, dat boven lawrencium staat, geldt hetzelfde. Een derde mogelijkheid is om dat hele losse f-blok onder scandium in het d-blok te zetten.

Het probleem met dat lawrencium is dat het in de natuur niet voorkomt. Je kunt het wel in het lab maken, bijvoorbeeld door californium (nummer 96) te bestoken met boorkernen (nummer 5). Maar het valt vrijwel meteen weer uit elkaar; lawrencium-256, de isotoop waarvan die ionisatie-energie is bepaald, heeft een halfwaardetijd van 27 seconden.

Dat het überhaupt is gelukt om er aan te meten, is dan ook een absoluut hoogstandje van de voornamelijk Japanse en Duitse auteurs van de Nature-publicatie. Hun proefopzet deed sterk denken aan die van een massaspectrometer. De zojuist uit californium gevormde lawrenciumatomen werden in een gaswolk door een buis van tantaal geblazen, die tot 2.700 K was opgewarmd - ruim voldoende om zo’n atoom te ioniseren. Die ionen werden vervolgens in een magneetveld afgebogen naar een detector.

Uit de resultaten viel af te leiden dat het slechts 4,96 elektronvolt kost om Lr+ te maken van Lr. In het hele bekende gedeelte van het Periodiek Systeem zitten slechts vier elementen daar onder: kalium, rubidium, cesium en francium. Helemáál linksonder dus.

Je kunt dan redeneren dat die lage ionisatiepotentiaal, die een hoge chemische reactiviteit belooft, meer doet denken aan scandium dan aan de overige actiniden. D-blok dus. Maar je kunt ook stellen dat dat Lr zich voor de rest nog steeds gewoon als een f-blokker gedraagt. Voor beide mogelijke posities in het PS is dus iets te zeggen.

Om het nog ingewikkelder te maken laten verdere berekeningen zien dat het afgesplitste elektron uit een p-orbitaal komt. Volgens het Periodiek Systeem moet dat helemaal niet kunnen als Lr in het f- of in het d-blok staat - en in het p-blok belandt het nooit van zijn leven. De verklaring wordt gezocht in relativistische effecten, veroorzaakt doordat een deel van de elektronenwolk voldoende dicht tegen de lichtsnelheid aan zit.

De Nature-nieuwsredactie heeft het nog even nagevraagd bij Jan Reedijk, voorzitter van de divisie anorganische chemie van de internationale chemiekoepel IUPAC, en die benadrukt dat zijn organisatie officieel geen voorkeur heeft voor een van beide standpunten. Mogelijk wordt er deze zomer een commissie op gezet.

bron: Nature, C&EN