Relativitätstheorie erklärt Eigenschaften von Gold

  • 03. November 2015

Relativistischer Massenzuwachs von Elektronen führt zu stärkeren Bindungen.

Einige fundamentale Eigenschaften der Elemente Gold, Silber und Kupfer, wie chemisches Verhalten oder Farben, sind bereits in ihren Atomen angelegt. Dabei lassen sich die einzigartigen Eigenschaften von Gold zum großen Teil mit der Relativitäts­theorie von Albert Einstein erklären. Das konnten Forscher der Uni Heidelberg jetzt mit einer Untersuchungen an Gold-, Silber- und Kupfer­carbenen zeigen. Für den Vergleich der drei Elemente haben sie jeweils nur einzelne der Atome in den Blick genommen.

Carbene

Abb.: Lösungen der drei Metallcarben-Komplexe von Kupfer, Silber und Gold (v.l.n.r., Bild: M. W. Hussong, U. Heidelberg)

Die Eigenschaften von chemischen Elementen wiederholen sich periodisch, da verwandte Elemente die gleiche Zahl relevanter Außen­elektronen besitzen und sich nur durch zusätzliche innere Elektronen­schalen unterscheiden. Kupfer, Silber und Gold befinden sich in einer solchen Verwandtschafts­beziehung. „Der Vergleich von Kupfer, Silber und Gold mit ihren extrem vielen benachbarten Metall­atomen war und ist kein Problem, da die reinen Metalle seit Jahr­tausenden zugänglich sind“, erläutert Bernd Straub. Die Unterschiede konnten der Chemiker und sein Team jedoch nun an jeweils einzelnen Atomen festmachen – in einem ansonsten identischen Molekül, bei dem die Metall­atome sehr stark über zwei Bindungen mit einem Kohlenstoff­atom wechselwirken.

Die Untersuchungen der Wissenschaftler gingen von Goldcarbenen aus, mit einer üblicherweise instabilen, weil hoch­reaktiven Doppel­bindung zwischen Kohlenstoff und Gold. Straub und sein Team haben jedoch mit einem chemischen Trick einen Weg gefunden, um einen stabilen Goldcarben-Komplex für die Forschung herzustellen und zu isolieren. In weiteren Schritten ist es ihnen gelungen, auch ein Kupfercarben und ein Silbercarben mit sonst identischer Struktur herzustellen und zu charakterisieren, auch wenn beide Verbindungen sehr viel empfindlicher und labiler sind als das Goldcarben. Dennoch boten sie den Wissenschaftlern die Möglichkeit, die drei Elemente auf der Größen­ebene eines Moleküls im Detail zu vergleichen. Dabei konnte mit der Kristallisation des besonders instabilen Silbercarbens über eine Röntgen­struktur­analyse die Bindungs­länge zwischen Silber und dem doppelt gebundenen Kohlenstoff bestimmt werden, um diese dann mit der kürzeren und stärkeren Bindung zwischen Gold und Kohlenstoff zu vergleichen.

Aus ihren Beobachtungen ziehen die Forscher den Schluss, dass die Eigenschaften von Gold entscheidend durch relativistische Effekte bestimmt werden. „Bei Gold sind die voraus­gesagten relativistischen Effekte von allen stabilen Elementen am stärksten ausgeprägt“, so Straub. Ein bekanntes Beispiel dafür ist der auffällige Farbunter­schied von gelbem Goldmetall und farblosem Silbermetall. Wie der Wissenschaftler erläutert, erreichen negativ geladene Elektronen von Gold durch die Anziehung des 79-fach positiv geladenen Gold-Atomkerns so hohe Geschwindigkeiten, dass zusätzliche Bewegungs­energie nicht mehr zu einer wesentlichen Geschwindigkeits­steigerung führen kann. Stattdessen nehmen die betreffenden Elektronen an Masse zu. Dieser Effekt wirkt sich bis in die äußerste Elektronen­schale aus, die aktiv und damit für chemisches Verhalten, Farben und Eigenschaften der Münzmetalle verantwortlich ist. Bei Gold führt dies dazu, dass seine Bindungen stärker werden. Damit sind die Verbindungen von Gold besser in der Lage, beispielsweise Dreifach­bindungen zwischen zwei Kohlenstoff­atomen zu aktivieren. Der Vergleich Elemente Gold, Silber und Kupfer mit dem jeweils doppelt gebundenen Kohlenstoff hat dabei gezeigt, dass das atomare Verhalten von Gold eher dem des Kupfers und weniger dem des Silber ähnelt, obwohl Silber der direkte Nachbar im Perioden­system ist.

RKU / RK

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