Wie wahrscheinlich ist es, dass noch neue chemische Elemente auf der Erde oder im Universum entdeckt werden? Welche Eigenschaften werden sie voraussichtlich haben?
Wenn wir über chemische Elemente reden, die entdeckt werden sollen, ist die Wahrscheinlichkeit dazu relativ gering.
Das chemische Periodensystem ist heute zwischen Element 1 „Wasserstoff“ und Element 118 „Oganesson“ lückenlos gefüllt - siehe
Chemisches Element – Wikipedia
Periodensystem der Elemente Ein chemisches Element ist ein Reinstoff , der mit chemischen Methoden nicht mehr in andere Stoffe zerlegt werden kann. Die Elemente sind die Grundstoffe der chemischen Reaktionen . Die kleinste mögliche Menge eines Elements ist das Atom . Alle Atome eines Elements haben dieselbe Anzahl an Protonen im Atomkern (die Ordnungszahl ). Daher haben sie den gleichen Aufbau der Elektronenhülle und verhalten sich folglich auch chemisch gleich. Ein Element wird durch ein Elementsymbol bezeichnet, eine Abkürzung, die meist vom lateinischen Namen des Elements (beispielsweise Pb von plumbum , Fe von ferrum ) abgeleitet ist. Die Elemente werden im Periodensystem nach steigender Kernladungszahl angeordnet. Insgesamt sind bis heute 118 Elemente nachgewiesen worden. Davon kommen die Elemente mit Ordnungszahl von 1 bis 94 auf der Erde natürlich vor, allerdings oft in Form von chemischen Verbindungen und zum Teil nur in äußerst geringen Spuren, z. B. als kurzlebige Zwischenprodukte im radioaktiven Zerfall . 80 der 118 bekannten chemischen Elemente haben mindestens ein stabiles Nuklid . Geschichte Begriffsgeschichte Der Begriff chemisches Element (von lateinisch elementum im Sinne eines aristotelischen Elements als „nicht weiter Teilbares“ [1] ) entstand ab dem 17. Jahrhundert, als zunehmend erkannt wurde, dass der Elementbegriff der Alchemie untauglich für eine wissenschaftliche Aufklärung der vielfältigen Eigenschaften von Stoffen und ihren Reaktionen miteinander ist. [2] Einen maßgeblichen Schritt tat Etienne de Clave , der 1641 die Definition gab, Elemente seien „einfache Stoffe, aus denen die gemischten Stoffe zusammengesetzt sind und in welche die gemischten Stoffe letztlich wieder zerlegt werden können“. Robert Boyle veröffentlichte 1661 unter dem Titel The Sceptical Chymist eine einflussreiche Kritik an den Unzulänglichkeiten der Alchemie. Darin führte er aus, dass man unter chemischen Elementen diejenigen primitiven Stoffe verstehen sollte, „die weder aus anderen Substanzen noch auseinander entstanden sind, sondern die Bestandteile bilden, aus denen gemischte Stoffe bestehen“. Beide Forscher stellten sich damit einerseits in Gegensatz zur herrschenden Vier-Elemente-Lehre der Alchemisten , die alle Stoffe durch unterschiedliche Mischungen von Feuer , Wasser , Luft und Erde zu erklären suchte, und machten den Begriff Element überhaupt der näheren experimentellen Erforschung zugänglich. Andererseits blieben sie der Alchemie verhaftet, indem sie annahmen, einzeln könnten diese Elemente nicht in der Wirklichkeit vorkommen, vielmehr sei jeder reale Stoff eine Mischung sämtlicher Elemente gleichzeitig. Boyle bezweifelte, dass es solche Elemente überhaupt gibt. Ganz im Geist der damals aufkommenden Mechanik nahm er an, die einheitlich erscheinenden Stoffe bestünden aus einheitlichen kleinen Teilchen , die ihrerseits in jeweils wohlbestimmter Weise aus kleinsten Korpuskeln zusammengesetzt sind. Die Vielfalt der Stoffe und ihrer Reaktionen
https://de.wikipedia.org/wiki/Chemisches_Element
Wenn wir also von chemischen Elementen reden und nicht von Isotopen (gleiche Zahl von Protonen im Kern und Elektronen in der Elektronenschale, aber verschiedene Zahlen von Neutronen im Kern), dann könnten neu zu entdeckende Element nur jenseits der Protonen/Eletronenzahl 118 liegen.
Jetzt muss man wissen, dass die Physik der Atomkerne dazu führt, dass es für Elemente schwerer als Blei (Protonenzahl 82) keine Atomkerne mehr gibt, die nicht Radioaktiv zerfallen - siehe das letzt schwarze Kästchen auf der Nuklidkarte
Nuklidkarte – Wikipedia
Nuklidkarte in Segrè-Darstellung mit farblicher Kennzeichnung der Zerfallsarten Nuklidkarte in gespiegelter Segrè-Darstellung mit farblich gekennzeich­neter Größen­ordnung der Halbwertszeit Eine Nuklidkarte (auch Isotopenkarte , Isotopentafel ) ist eine grafische Darstellung aller bekannten Nuklide (Atomsorten). Sie ist für die Kernphysik von ähnlicher Bedeutung wie das Periodensystem der Elemente für die Chemie . Ein Nuklid ist durch die Anzahlen seiner Protonen und Neutronen bestimmt. Daher bietet sich eine zweidimensionale Darstellung aus kleinen Schriftfeldern an, in denen Namen und wichtige Eigenschaften genannt werden. Es sind verschiedene Anordnungen der Felder möglich. In der meist verwendeten Form nach Segrè wird die Anzahl der Protonen nach oben zunehmend, die der Neutronen nach rechts zunehmend aufgetragen. Nuklidkarten listen jeweils einige Eigenschaften der Nuklide auf, wie die Massenzahl , Häufigkeit im natürlichen Element, Halbwertszeit , Zerfallsarten und Zerfallsenergien. Oft werden die Nuklide nach ihren Zerfallseigenschaften (stabil, radioaktiv, Zerfallsart, Halbwertszeit-Größenordnung) farbig markiert. Kernisomere lassen sich darstellen, indem das jeweilige Feld in Spalten unterteilt wird. Weitverbreitet ist die Karlsruher Nuklidkarte . Zerfallsarten eines Radionuklids in der Segrè-Darstellung der Nuklidkarte. senkrecht: Ordnungszahl Z waagerecht: Neutronenzahl N Verschiedene Gruppen von verwandten Nukliden sind in der Segrè-Nuklidkarte leicht beschreibbar: Isotope sind Nuklide mit gleicher Ordnungszahl (Protonenzahl bzw. Kernladungszahl). Sie stehen jeweils in einer Zeile nebeneinander . Sie gehören zu ein und demselben chemischen Element und besitzen daher sehr ähnliche chemische Eigenschaften. Isotone sind Nuklide mit gleicher Neutronenzahl. Sie stehen jeweils in einer Spalte untereinander . Isobare sind Nuklide mit gleicher Nukleonenzahl (Massenzahl, Protonenzahl + Neutronenzahl). Sie stehen jeweils in einer Diagonalen von links oben nach rechts unten . Isodiaphere sind Nuklide mit gleichem Neutronenüberschuss. Sie stehen jeweils in einer Diagonalen von links unten nach rechts oben . Zerfallsarten eines Radionuklids in der hier verwendeten Darstellung. senkrecht: Neutronenzahl N horizontal: Ordnungszahl Z Die Segrè-Anordnung ist optimiert für die Querformat-Darstellung, wie sie für Wandkarten oder Bilder üblich ist. Als vergleichsweise großes Diagramm ist aber auf Computermonitoren in Verbindung mit dem üblichen vertikalem Scrollen die Hochformatdarstellung günstiger. Daher ist hier die „von links unten nach rechts oben“ verlaufende Segrè-Anordnung gedreht worden, indem die Protonenzahl ( Ordnungszahl des Elements) nach rechts ansteigend und die Neutronenzahl nach unten ansteigend angeordnet ist. Die Darstellung ist also gegenüber der Segrè-Anordnung um 90 Grad im Uhrzeigersinn gedreht. Die Nuklide mit gleicher Ordnungszahl (Protonenzahl, Kernladungszahl) stehen in Spalten, die Nuklide mit gleicher Neutronenzahl in Zeilen.
https://de.wikipedia.org/wiki/Nuklidkarte
Alle chemischen Elemente schwerer als Uran, die sogenannten „Transurane“ müssen in technischen Anlagen künstlich erzeugt werden, weil deren radioaktive Zerfallszeiten so kurz sind, dass man sie auf der Erde wenn überhaupt nur in minimalen Spuren finden kann.
Transurane – Wikipedia
Die Transurane sind die Elemente mit einer höheren Ordnungszahl als Uran (größer als 92). Alle bekannten Transurane sind radioaktiv mit Halbwertszeiten zwischen einigen 10 Millionen Jahren (selten, z. B. Plutonium-244 ) über Minuten bis zu Bruchteilen einer Sekunde (häufig). Einige Isotope der leichteren Transurane von Neptunium bis Curium haben Halbwertszeiten von einigen Jahrmillionen, Jahrtausenden oder Jahrhunderten. Sie entstehen in Kernreaktoren und machen einen Teil der langlebigen radioaktiven Abfälle aus. Im Periodensystem der Elemente beginnt nach dem Uran mit der Ordnungszahl 92 die Reihe der Transurane mit dem Neptunium (Element 93). Neben dem für die Kernspaltung bedeutenden Element Plutonium (94) gehören auch Americium (95), Curium (96), Berkelium (97), Californium (98), Einsteinium (99), Fermium (100), Mendelevium (101), Nobelium (102) und Lawrencium (103) sowie alle weiteren schwereren Elemente ( Transactinoide ) zu den Transuranen. Die hier namentlich genannten Transurane wurden in der Arbeitsgruppe um Glenn T. Seaborg hergestellt und charakterisiert; Seaborg erhielt dafür 1951 den Nobelpreis für Chemie . Bis einschließlich des Elements 103, des Lawrenciums , gehören sie zusammen mit Thorium (90), Protactinium (91) und Uran (92) zur Gruppe der Actinoide . Aufgrund dieser Tatsache sind die Transurane, welche gleichzeitig Actinoide sind, chemisch sehr ähnlich zueinander und auch zu den Lanthanoiden was bei der Trennung dieser Elemente voneinander zu Forschungszwecken oder bei der Wiederaufarbeitung Probleme bereitet, insbesondere da viele Spaltprodukte Lanthanoide sind. Die chemischen und makroskopischen physikalischen Eigenschaften der kurzlebigen schwereren Elemente sind zum Teil nur wenig bekannt, da deren Herstellung aufwendig und teuer ist, und die kurze Halbwertszeit verbunden mit der Zerfallswärme Beobachtungen erschwert. Die Entdeckung längerlebiger Isotope mit höheren Neutronenüberschuss , welche von einigen Wissenschaftlern postuliert wird, könnte derartige Beobachtungen künftig erleichtern. Schematische Darstellung des Abbrands eines Brennelements in einem Leichtwasserreaktor. Es entstehen Transurane und Spaltprodukte. Aufgrund der geologisch gesehenen kurzen Halbwertszeiten kommen Transurane in der Natur nicht oder nur in Spuren vor, die durch Neutroneneinfang und nachfolgenden Beta-Zerfall des Urans entstehen, z. B.: 92 238 U + 0 1 n ⟶ 92 239 U → 23 , 5 m i n β − 93 239 N p → 2 , 3565 d β − 94 239 P u {\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23,5\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2,3565\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} } Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten . Einzige Ausnahme bildet das Plutonium 244 Pu, das noch aus der Entstehungszeit des Sonnensystems stammt. [1] Transurane lassen sich technisch aus Uran oder anderen Elementen mit hoher Ordnungszahl herstellen. Dazu werden solche Atomkerne mit Neutronen oder anderen Atomkernen
https://de.wikipedia.org/wiki/Transurane
Die „leichten“ Transurane wie Plutonium können dabei in Kernreaktoren „erbrütet“ werden, schwerere Elemente jenseits Element 100 (diese Zahl ist eine Schätzung) werden in Forschungs-Beschleunigeranlagen erzeugt, in dem man Ionenstrahlen eines Elements auf dünne Folien eines anderen Elements schießt. Bei diesem Beschuss passiert es mit einer sehr kleinen Wahrscheinlichkeit, dass Atomkerne von Projektil und Ziel miteinander verschmelzen und einen schweren Atomkern bilden.
Die Wahrscheinlichkeit für eine solche Verschmelzungsreaktion ist allerdings extrem klein und wird mit einer steigenden Protonenzahl des Verschmelzungsprodukt im kleiner. So wüssten Anlagen wie das Institut, an dem ich arbeite für mehrere Monate dauerhaft Folien mit Ionenstahlen beschießen um einige wenige der gesuchten Atomkerne zu erzeugen, die dann nur winzige Bruchteile von Sekunden leben, bevor sie wieder zerfallen.
Allerdings erwarten Kernphysiker, dass die Lebensdauern der erzeugten Kerne bei der sogenannten „Insel der Stabilität“ wieder in den Bereich von Sekunden ansteigen. Kernphysikalische Rechnungen sagen diese „Insel“ im Bereich von Protonenzahlen von 124 voraus, und tatsächlich sieht man bei den allerschwersten Elementen, dass die Zerfallszeiten wieder ansteigen.
Die Insel der Stabilität
Typischerweise kennen wir das Periodensystem als geometrische, farbige Tabelle. Doch man kann die Welt der Elemente auch als Landkarte betrachten. Darin bilden die stabilen, langlebigen Atomsorten den festen Kontinent, dessen Küsten von Schwermetallen wie Quecksilber und Blei gesäumt werden. Der Landmasse vorgelagert sind flache, sumpfige Untiefen – radioaktive Elemente mit längeren Halbwertszeiten von einigen Jahren […]
https://www.scinexx.de/dossierartikel/die-insel-der-stabilitaet/
Allerdings ist es extrem schwierig, zu dieser vorhergesagten „Insel“ zu kommen, denn um die Kerne dort zu erzeugen, müsste man Kerne aufeinander schießen, die ihrerseits radioaktiv und relativ selten sind. Insofern ist die Wahrscheinlichkeit für neue Entdeckungen zwar nicht Null, aber mit sehr großem technischen Aufwand verbunden.
Wie bis hierher beschrieben, ist die Erzeugung neuer chemischer Element und extrem aufwändig - und teuer. Je nachdem wovon wir reden, hat man dann am Ende nur einige wenige Atomkerne erzeugt - zu wenig, um deren chemisches Verhalten zu studieren.
Um einen Überblick über den Stand der Forschung zu erhalten empfehle ich einen Artikel von Prof. Christoph Düllmann und Prof. Michael Block (beides Kollegen von mir) im Spektrum der Wissenschaft:
Elementsynthese: Insel der Schwergewichte
Wissenschaftler erzeugen Atome mit immer mehr Kernbausteinen und erweitern so das Periodensystem
https://www.spektrum.de/news/insel-der-schwergewichte/1608418