We denken meestal aan relativiteit als iets dat gebeurt in de buurt van zwarte gaten. Of in deeltjesversnellers. Ver weg. Niet in de fles aceton op je bureau. Maar de vreemde ideeën van Albert Einstein zijn dichterbij dan je denkt. Veel dichterbij.
In zware atomen bewegen elektronen zo snel dat ze de effecten van de speciale relativiteitstheorie voelen.
Lai-Sheng Wang van de Brown University en zijn team hebben dit zojuist op heterdaad betrapt. Voor de eerste keer. Ze keken naar een molecuul gemaakt van bismut en koolstof. Bismut is zwaar. Het bevindt zich aan de onderkant van het periodiek systeem. De elektronen eromheen snellen niet alleen maar mee; ze gaan zo snel dat de standaardregels van de kwantummechanica beginnen te vervagen.
Speciale relativiteitstheorie is niet alleen meer het buigen van tijd en ruimte. Het hervormt chemische bindingen.
De Sigma Pi-puinhoop
Hier ziet u hoe het meestal werkt. Je hebt twee atomen verbonden. De elektronen daartussen vormen bindingen. Beschouw sigma-obligaties als frontaal overlappende obligaties. Als een handdruk. Pi-obligaties overlappen elkaar naast elkaar. Zoals naast elkaar staan en de armen met elkaar verbinden. Het is een overzichtelijk beeld. Schoon. Voorspelbaar.
Het team van Wang bracht de elektronenverdeling in het bismut-koolstofmolecuul in kaart. Ze verwachtten drie obligaties. Eén sigma. Twee pi. Standaard tarief.
Ze keken naar de gegevens. Het was verkeerd.
In plaats van duidelijke sigma- of pi-vormen zagen ze een waas. Twee van de obligaties waren rommelige hybriden. Een mix van alles. “Hun karakters verschillen van normaal begrip,” zei Wang. Je zou ze niet eens sigma of pi kunnen noemen.
Waarom? De bismutkern is enorm. Het trekt hard aan die innerlijke elektronen. Zo hard zelfs dat de elektromagnetische interactie de elektronen tot relativistische snelheden dwingt.
Kirk Peterson van de Washington State University voerde de cijfers uit. Hij bevestigde het. Deze vermenging vond plaats omdat de elektronen in de buurt van bismut zich dicht genoeg bij de lichtsnelheid bewogen om zich iets van Einsteins wiskunde aan te trekken. Peterson noemt de experimentele gegevens ‘een luxe’. Hij merkt op hoe moeilijk het is om goede gegevens voor zware elementen te verkrijgen.
Koud en helder
Er was een truc om dit duidelijk te zien. Je kunt geen trillende elektronen hebben. Wang koelde de moleculen drastisch af. Heel koud.
Dit doodde de jitter. Geen thermische ruis. Geen vervaging. Gewoon een scherpe kaart van waar de elektronen wilden zijn. Zonder die stap zou de relativistische vervorming in de ruis verloren zijn gegaan.
Je vraagt je af waarom we de relativiteitstheorie in de chemieklasse zo vaak negeren.
Trond Saue van de Universiteit van Toulouse zegt het duidelijk: de standaard kwantummechanica valt onderaan de tafel. Je hebt relativiteit nodig om het te laten werken. Dit is in theorie geen nieuw nieuws. Goud is hierdoor geel in plaats van zilverwit. Kwik is een vloeistof in plaats van een vast blok. Maar zien hoe het actief verandert hoe atomen zich binden? Dat is zeldzaam.
Pekka Pyykkö uit Helsinki zegt dat dit belangrijk is voor de chemie. Als je bismut gebruikt in organische reacties, kan de relativistische draai aan de bindingen het gedrag ervan veranderen. Het zou het een betere katalysator kunnen maken. Of een ergere. Recente studies aan het Max Planck Instituut suggereren al dat relativistische effecten bismut tot een goede versneller maken voor bepaalde chemische processen.
Dus de obligatiestructuur stortte in? Niet precies. Het is gewoon veranderd.
Wang wil weten wanneer. Precies op welk punt in het periodiek systeem de traditionele obligaties volledig falen. Ze ruilen bismut voor buren om de grenzen te testen.
Het voelt alsof we nog maar het oppervlak van de chemie van zware elementen betreden. Waarschijnlijk zijn de oude leerboeken inmiddels verouderd. Maar nog niemand heeft de covers bijgewerkt.
Het moeilijkste is het gebrek aan echt goede experimentele gegevens.
Dat verandert vandaag. Misschien gedraagt de koolstof in jouw hok zich morgen ook vreemd. Waarschijnlijk niet. Maar waarom aannemen van niet?
