Gibt es im Periodensystem ein mysteriöses Element, das der Öffentlichkeit unbekannt ist?

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Wenn es um Chemie geht, haben die meisten Menschen wahrscheinlich automatisch eine Reihe schillernder und komplexer Gleichungen im Kopf oder haben sogar Angst vor Chemie. Tatsächlich ist die Chemie gar nicht so beängstigend, sie ist unserem täglichen Leben sehr nah. Vom Sauerstoff, den wir täglich einatmen, und dem Kohlendioxid, das wir ausatmen, über das „Trinken von mehr heißem Wasser“ und das Einweichen unserer Füße für die Gesundheit bis hin zu den verschiedenen Accessoires, die wir tragen, den verschiedenen Transportmitteln, die wir fahren oder benutzen usw. gibt es „Spuren“ von Chemie. Man kann sagen, dass die materielle Welt aus chemischen Elementen besteht.

Seit der berühmte russische Chemiker Mendelejew im Jahr 1869 das Periodensystem der Elemente vorschlug, sind insgesamt 118 Elemente erfasst, darunter natürliche und künstliche Elemente. Als Wissenschaftler dieses Periodensystem wiederholt untersuchten, begannen sie auch, mehr darüber nachzudenken, ob es ein mysteriöses Element 0 gibt.

Beginnen wir mit der Struktur der Atome

In der Mittelschule haben wir gelernt, dass Atome aus einem Kern und extranuklearen Elektronen bestehen und die kleinste Einheit bei chemischen Reaktionen sind. Unter ihnen besteht der Atomkern aus Protonen und Neutronen, die durch die starke Wechselwirkungskraft (die einzigartige Anziehung zwischen Protonen und Neutronen) verbunden sind.

Die Anzahl der Protonen steht in direktem Zusammenhang mit den chemischen Eigenschaften des Elements selbst, und die Anzahl der Protonen im Kern ist ein wichtiges Merkmal zur Unterscheidung der Elementtypen. Die gleiche Anzahl an Protonen repräsentiert das gleiche Element. Elemente mit der gleichen Anzahl an Protonen und Neutronen werden als Nuklide bezeichnet, und Elemente mit der gleichen Anzahl an Protonen, aber unterschiedlicher Anzahl an Neutronen werden als Isotope bezeichnet.

Atombau

(Bildquelle: vom Autor gezeichnet)

Das bekannte Element Nr. 1 - Wasserstoff

Ich glaube, jeder kennt das Element Nr. 1 im Periodensystem – Wasserstoff. Wasserstoff kommt in der Natur in großen Mengen vor. Wasser, das für das menschliche Leben unerlässlich ist, besteht aus zwei Elementen: Wasserstoff und Sauerstoff.

Das am häufigsten vorkommende Wasserstoffnuklid ist 1H, das nur aus einem Proton und einem extranuklearen Elektron besteht. Durch Zugabe eines Neutrons entsteht das Isotop Deuterium 2H, das den Hauptrohstoff für Wasserstoffbomben darstellt. Da sich im Kern von 1H kein Neutron befindet, entspricht das Wasserstoffion einem freien Proton, wenn das 1H-Atom seine Elektronen verliert. Wenn im Wasser eine große Anzahl von Wasserstoffionen vorhanden ist, wird die wässrige Lösung sauer. Dies ist der Prozess der Säureionisierung im Wasser.

Wir alle wissen beispielsweise, dass viele Säuren stark ätzend sind. Sogar Essig, ein weit verbreitetes Gewürz, kann chemisch mit Kalk, Nägeln usw. reagieren. Dies ist die grundlegendste Manifestation der chemischen Eigenschaften von Protonen.

Schematische Darstellung des Wasserstoffmoleküls

(Quelle: pixabay.com)

Existiert Element 0 wirklich?

Viele Menschen sind möglicherweise verwirrt, wenn sie zum ersten Mal vom Element 0 hören. Steht im Chemiebuch nicht „Wasserstoff, Helium, Lithium, Beryllium, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor, Neon“? Kann es sein, dass mein Gedächtnis mich täuscht? Keine Panik! Tatsächlich gibt es im Periodensystem kein Element 0. Was also genau ist dieses mysteriöse Element 0?

Das Fehlen des Elements 0 im Periodensystem bedeutet nicht, dass das Element 0 nicht existiert. Wenn ein Proton ohne Neutron ein eigenständiges Element sein kann, warum kann das ein Neutron nicht ohne Proton sein? Unterschiedliche Protonenzahlen repräsentieren unterschiedliche Elementtypen. Daher werden Elemente ohne Protonen, also Element 0, auch Neutronenelemente genannt.

Schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts gab der Physiker Andropow dem freien Neutron den Namen „Element 0“ und platzierte es an die erste Stelle des Periodensystems – direkt über Helium, also dem Element mit der geringsten Protonenzahl, und stellte es mit dem Symbol Nu dar.

Abgesehen von einigen wenigen Fällen, in denen Nuklide oder Isotope besprochen werden, ist Element 0 jedoch nicht im Periodensystem enthalten. Daher ist es normal, dass wir das Element 0 noch nie im Periodensystem gesehen haben.

Neutronenstern

(Bildquelle: pixabay.com)

Alternde Sterne trugen zur Entstehung des Elements 0 bei

Element 0 entsteht durch den Alterungsprozess von Sternen. Wenn alternde Sterne kollabieren, entsteht ein enormer Druck, der die Elektronen außerhalb des Wasserstoffkerns in die Protonen drückt und so elektrisch neutrale Neutronenteilchen bildet. Seine Struktur ist nicht stabil. Die Halbwertszeit eines freien Neutrons beträgt nur etwa zehn Minuten. Unter Normaldruck verwandelt es sich wieder in ein Proton und setzt ein Antielektron-Neutrino frei.

Daher kommt Element 0 derzeit hauptsächlich in extrem massereichen Neutronensternen vor. Es ist diese Hochdruckumgebung, die dem Partikel eine stabile Existenz ermöglicht. In diesem Stadium ist es für uns unter normalen Bedingungen schwierig, die chemischen Eigenschaften des Elements 0 zu erforschen.

Vier Subsysteme

(Bildquelle: www.nature.com)

Obwohl wir unter normalen Umständen keine Neutronen erhalten können, ergab die wissenschaftliche Forschung vor 20 Jahren, dass es möglicherweise ein ladungsloses Kernsystem mit vier Neutronen gibt. Allerdings wiesen die damaligen Instrumente und Geräte große Fehler auf und innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft kam es zu erheblichen Kontroversen hinsichtlich der experimentellen Ergebnisse.

Mit dem kontinuierlichen Fortschritt in Wissenschaft und Technik wurde jedoch kürzlich berichtet, dass ein ladungsloses Kernsystem mit vier Neutronen existieren kann. Dies ist das erste Mal, dass schlüssige experimentelle Beweise für die Existenz eines Vier-Neutronen-Kernsystems vorliegen. Derzeit befindet sich die Forschung zu den Eigenschaften des Elements 0 noch im explorativen Stadium. Diese Studien werden eine wichtige Rolle bei der Erforschung des Ursprungs des Universums, der subatomaren Struktur und anderer Bereiche spielen.

Die Frage ist: Gibt es, da Element 0 existiert, noch andere neue Elemente, die nicht im Periodensystem verzeichnet sind?

Werden dem Periodensystem neue Elemente hinzugefügt?

Die komplexen Wechselwirkungen innerhalb des Zellkerns sind ein wichtiger Faktor für die stabile Existenz des Zellkerns. Berechnungen zufolge nimmt die Stabilität des Elements mit zunehmender Ordnungszahl, mit Eisen (Ordnungszahl 26) als Grenze, zunächst zu und dann ab. Das heißt: Wenn alle Elemente in einer Reihe angeordnet sind, ist ein Element umso instabiler, je weiter es vom Eisen entfernt ist.

Die Entdeckung neuer Elemente konzentriert sich in der heutigen Zeit eher auf superschwere Elemente mit Ordnungszahlen über 110. Diese superschweren Elemente können durch Atomkollisionen künstlich synthetisiert werden, sind radioaktiv und haben eine kurze Lebensdauer. Im Jahr 2010 wurde mit der Synthese des Elements 117 die siebte Periode des Periodensystems offiziell gefüllt. Im Laufe des folgenden Jahrzehnts hörten die Wissenschaftler nie auf, die Elemente der achten Periode zu erforschen.

Aufgrund der Instabilität superschwerer Elemente wurden von der IUPAC bisher jedoch keine neuen Elemente der achten Periode anerkannt. Die Forscher sagten jedoch, dass sie durch eine systematischere Erforschung der Wechselwirkungen zwischen mikroskopischen Partikeln davon überzeugt seien, dass in Zukunft neue Synthesemethoden vorgeschlagen werden könnten, um die „Insel der Stabilität“ der superschweren Elemente zu erreichen und Elemente der achten Periode zu konstruieren. Zu diesem Zeitpunkt steht eine neue Ära des Periodensystems unmittelbar bevor.

Quellen:

【1】Labarca M. Ein Element mit der Ordnungszahl Null? [J]. New Journal of Chemistry, 2016, 40(11): 9002-9006.

[2] Marqués FM, Labiche M, Orr NA, et al. Nachweis von Neutronenclustern[J]. Physical Review C, 2002, 65(4): 044006.

[3]Duer M, Aumann T, Gernhäuser R, et al. Beobachtung eines korrelierten freien Vier-Neutronen-Systems[J]. Nature, 2022, 606(7915): 678-682.