لأول مرة على الإطلاق، تم إثبات وجود رابطة كيميائية بين عنصر فائق الثقل وذرة الكربون

وتمهد نتائج البحث طرقا جديدة لدراسة مضامين النظرية النسبية لأينشتاين فيما يتعلق ببنية الجدول الدوري.

[ترجمة د.نحماني موشيه]
لأول مرة على الإطلاق، تم إثبات وجود رابطة كيميائية بين عنصر فائق الثقل وذرة الكربون. وتمهد نتائج البحث طرقا جديدة لدراسة مضامين النظرية النسبية لأينشتاين فيما يتعلق ببنية الجدول الدوري.

أدى تعاون دولي بقيادة مجموعة بحثية من مدينتي ماينز ودارمشتات في ألمانيا، إلى تخليق عائلة جديدة من المركبات الكيميائية تعتمد على عناصر فائقة الثقل في معهد أبحاث ياباني. لأول مرة على الإطلاق، تم إثبات وجود رابطة كيميائية بين عنصر فائق الثقل يسمى سيبورجيوم (العنصر رقم 106، سيبورجيوم) وذرة الكربون. تم تحويل ثمانية عشر ذرة من السيبورجيوم إلى مركب السيبورجيوم هيكساكربونيل، والذي يتكون من ستة جزيئات أول أكسيد الكربون مرتبطة بذرة سايبورجيوم مشتركة.

تمت دراسة الخواص الغازية وقدرة المركبات على الامتصاص على سطح ثاني أكسيد السيليكون ومقارنتها بمركبات مماثلة من العناصر المجاورة في نفس المجموعة من العناصر في الجدول الدوري. وتمهد الدراسة الطريق لإجراء المزيد من الدراسات التفصيلية حول السلوك الكيميائي للعناصر الموجودة في نهاية الجدول الدوري، والتي يكون تأثير النسبية على الخواص الكيميائية هو الأهم فيها.

تمثل التجارب الكيميائية مع العناصر فائقة الثقل - تلك العناصر التي يزيد عددها الذري عن 104 - تحديًا خاصًا: أولاً، العنصر الذي يتعين على الباحثين تحضيره صناعيًا باستخدام معجل الجسيمات. الحد الأقصى لمعدل الإنتاج يكون عند مستوى بضع ذرات مفردة في اليوم، في أحسن الأحوال، ويكون أقل بالنسبة للعناصر الأثقل. ثانيًا، تتحلل الذرات الناتجة بسرعة من خلال العمليات الإشعاعية - في الحالة الحالية خلال 10 ثوانٍ، مما يزيد من تعقيد التجارب.

يكمن الدافع الجدي لمثل هذه الدراسات الصعبة في حقيقة أن العدد الكبير من البروتونات موجبة الشحنة داخل النواة الذرية تعمل على تسريع الإلكترونات الموجودة في الأغلفة الذرية إلى سرعات عالية جدًا - حوالي 80٪ من سرعة الضوء. وفقا للنظرية النسبية لأينشتاين، تصبح الإلكترونات أثقل مما كانت عليه عندما تكون في حالة الراحة.

ونتيجة لذلك، قد تختلف مساراتها عن مسارات إلكترونات العناصر الأخف، حيث تكون الإلكترونات أبطأ بكثير. عادةً ما يتم إجراء التجارب الكيميائية على العناصر فائقة الثقل على مركبات موجودة بالفعل في الحالة الغازية عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا.

تسمح هذه الحالة بمرورها السريع عبر الحالة الغازية، مما يوفر العملية السريعة المطلوبة في مثل هذه الأعمار القصيرة. حتى اليوم، تم اختيار المركبات التي تحتوي على الهالوجينات والأكسجين فقط، على سبيل المثال، في الماضي تمت دراسة مركب السايبورجيوم الذي يحتوي على ذرتي كلور وذرتين أكسجين - وهو مركب مستقر للغاية وذو درجة عالية من التطاير. ومع ذلك، في مثل هذه المركبات، تشارك جميع الإلكترونات التي تشغل المدارات الخارجية في رابطة تساهمية، مما قد يخفي تأثيرات النسبية. ولهذا السبب، استمر البحث لسنوات عديدة بحثًا عن أنظمة أكثر تقدمًا، تتضمن مركبات ذات خصائص ربط أخرى، تلك التي توضح تأثيرات النسبية بشكل أكثر وضوحًا. "إن التحدي الكبير في التجارب من هذا النوع هو شعاع التسارع القوي الذي يدمر المركبات الكيميائية المستقرة. وللتغلب على هذه المشكلة قمنا أولا بتمرير عنصر التنغستن، وهو الجار الأثقل لعنصر الموليبدينوم، من خلال فاصل مغناطيسي وفصله عن الشعاع. وفي هذه المرحلة، قمنا بإجراء التجارب الكيميائية خلف الفاصل، حيث تكون الظروف مثالية أيضًا للبحث عن عائلات جديدة من المركبات." كان التركيز على تكوين اتحادات سداسي الكربونيل. وتنبأت الدراسات النظرية التي أجريت في أوائل التسعينيات بأن هذه المركبات قد تكون مستقرة. في هذه المركبات، ترتبط ذرة واحدة من السايبورجيوم بستة جزيئات من أول أكسيد الكربون من خلال روابط كربون فلزية، بالطريقة الشائعة في المركبات العضوية الفلزية، حيث يظهر الكثير منها حالة الترابط الإلكتروني المطلوبة التي كان يبحث عنها الكيميائيون الذين يتعاملون مع العناصر فائقة الثقل. .

ويوضح الباحث المسؤول عن إنتاج المركبات: "خلال الطرق المعتادة لتكوين العناصر فائقة الثقل، عادة ما تتداخل كميات كبيرة من المنتجات الثانوية مع اكتشاف الذرات المفردة للعناصر فائقة الثقل مثل السايبورجيوم. وباستخدام الفاصل، تمكنا أخيرًا من تحديد علامات العنصر وتقييم معدلات إنتاجه وخصائص اضمحلاله. وفي الخطوة التالية، كانت المؤسسة جاهزة للأبحاث الكيميائية للجيل القادم."

في عام 2013، اقترب العلماء من تجربة كان هدفها اختبار ما إذا كان من الممكن تصنيع مركب من نوع سداسي الكربونيل سيبورجيوم. وخلال أسبوعين من التجارب المحمومة، تمكن الباحثون من تحديد موقع 18 مركبًا من هذا القبيل. تمت دراسة خواص الغاز وكذلك قدرة المركب على الارتباط بأسطح ثاني أكسيد السيليكون ووجد أنها مشابهة للمركبات المتماثلة لسداسي كربونيل موليبدينوم/التنغستن - وهي مركبات مميزة للمجموعة 6 في الجدول الدوري، مما يضيف تأكيدًا على وجود مركب سداسي كربونيل السيبورجيوم، وهو العنصر فائق الثقل الموجود في نفس المجموعة. وقد تبين أن الخصائص المقاسة تتوافق مع الحسابات النظرية، والتي تم فيها تضمين تأثيرات النسبية أيضًا. "تمثل تجربتنا علامة فارقة في الدراسات الكيميائية للعناصر فائقة الثقل، وتظهر أن العديد من المركبات المتقدمة في متناول اليد من حيث التجارب العملية في المختبر. إن النافذة التي تفتحها لنا مثل هذه التجارب للحصول على رؤى إضافية حول طبيعة الروابط الكيميائية، وليس فقط للعناصر فائقة الثقل، هي رائعة ومثيرة للاهتمام.
أخبار الدراسة