Gaschemische Untersuchungen in situ gebildeter flüchtiger Oxide des Rutheniums, Osmiums und Hassiums

Das CALLISTO-Projekt (Continuously Working Arrangement for CLusterLess Transport of In-SiTu Produced Volatile Oxides), ein gemeinsames Forschungsprojekt des Instituts für Kernchemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der Gesellschaft für Schwerionenforschung, Darmstadt, und JAERI, Japan, wurde 1998 mit der Zielsetzung begonnen, einen Beitrag zum Verständnis der Chemie des Elementes 108, Hassium, zu leisten. Die chemischen Eigenschaften dieses Elementes, welches bei der GSI Darmstadt entdeckt und nach dem Bundesland Hessen benannt wurde, waren zum damaligen Zeitpunkt unbekannt. Aus quantenchemischen Vorhersagen und der Stellung dieses Elementes im Periodensystem ließ sich allerdings vermuten, daß es ähnliche chemische Eigenschaften wie seine Homologen Ruthenium und Osmium aufweisen sollte.
Gemeinsam ist diesen Elementen, daß sie ein flüchtiges Tetroxid zu bilden vermögen. Diese wesentliche Eigenschaft läßt sich ausnutzen, wenn man die in einer Kernreaktion hergestellten Atome in einer sauerstoffhaltigen Gasmischung abbremst, wobei in situ flüchtige Oxide gebildet werden. Diese können in gasförmiger Form durch eine Teflonkapillare transportiert und in einer externen Apparatur einer chemischen Untersuchung unterzogen werden. Die realisierbare Transportausbeute wird dabei von einer Reihe von Faktoren beeinflußt, die im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurden.
Die Abscheidung der flüchtigen Verbindungen kann durch Cryodeposition, bei welcher auf einer gekühlten Oberfläche abgeschieden wird, erfolgen. Dafür sind allerdings sehr hohe Anforderungen an die Reinheit der eingesetzten Gase erforderlich.
Ein anderer Weg, um die gasförmigen Verbindungen zu deponieren und somit einer Detektion zugänglich zu machen, besteht in einer direkten chemischen Reaktion mit einem angebotenen Substrat. Diese Reaktivgaschemie wurde in der vorliegenden Arbeit intensiv untersucht, wobei sich in vielen Vorexperimenten am Beschleuniger der GSI als optimales Abscheidematerial mit einem dünnen Natriumhydroxidlayer überzogene Edelstahlplättchen herauskristallisierten. Auf diesen ist sowohl eine effiziente Abscheidung als auch eine gute Detektion durch -Spektroskopie möglich.
Die Untersuchung von Hassium selbst ist nicht unaufwendig, da durch die Kernreaktion 248Cm(26Mg,5n)269Hs nur wenige Atome pro Tag gebildet werden können. Es war daher notwendig, eine Apparatur zu konstruieren, die die kontinuierliche Arbeit einer 18-köpfigen Gruppe von Experimentatoren am Beschleuniger über mehrere Wochen Experimentdauer ermöglicht. Diesem Umstand wurde durch die Konstruktion eines speziellen Depositions- und Detektionssystems Rechnung getragen, welches sich in CALLISTOs Hassiumstrahlzeit vom 22.10.2002 bis 11.11.2002 hervorragend zur Abscheidung und zum Nachweis der flüchtigen Verbindungen bewährt hat. Die gefundenen Zerfallsketten belegen, daß Hassium wie auch Osmium und Ruthenium einer In-situ-Verflüchtigung unterliegt und auf einer hydroxydischen Oberfläche abgeschieden werden kann. In Analogie zum Osmium kann davon ausgegangen werden, daß die Abscheidung unter Bildung eines Hassates(VIII) der Stöchiometrie Na2[HsO4(OH)2] erfolgte. Damit wurde erstmals eine chemische Reaktion des Hassiumtetroxids durchgeführt, in der gezeigt werden konnte, daß es als Säureanhydrid fungiert. Überdies ergeben sich aus den Experimenten Anhaltspunkte dafür, daß Hassiumtetroxid eine geringere Reaktivität als Osmiumtetroxid unter diesen Bedingungen aufzuweisen scheint.
Die Kernaussage des CALLISTO-Projektes ist daher: Ruthenium, Osmium und Hassium vermögen in situ flüchtige Oxide zu bilden, die durch direkte Reaktion mit alkalischen Oberflächen abgeschieden werden können. Dabei wurde erstmals durch eine Reaktion von Hassiumtetroxid und NaOH ein Salz des Hassiums, ein Hassat(VIII), hergestellt.