Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einsteins Relativitätstheorie erklärt fundamentale Eigenschaften von Gold

30.10.2015

Heidelberger Chemiker vergleichen Atome von Gold, Silber und Kupfer in Verbindungen mit ansonsten identischer Struktur

Einige fundamentale Eigenschaften der Münzmetall-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.


Foto: Matthias W. Hussong, Organisch-Chemisches Institut

Lösungen der drei Metallcarben-Komplexe von Kupfer, Silber und Gold (v.l.n.r.)

Das konnten Chemiker der Universität Heidelberg mit ihren Untersuchungen an sogenannten Gold-, Silber- und Kupfercarbenen zeigen. Für den Vergleich der drei Elemente haben sie jeweils nur einzelne der Münzmetall-Atome in den Blick genommen. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten unter der Leitung von Prof. Dr. Bernd Straub wurden in der deutschsprachigen und der internationalen Ausgabe der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlicht.

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 Kupfermetall, Silbermetall und Goldmetall mit ihren extrem vielen benachbarten Metallatomen war und ist kein Problem, da die reinen Metalle seit Jahrtausenden zugänglich sind“, erläutert Prof. Straub, der am Organisch-Chemischen Institut lehrt und forscht. 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 Heidelberger Wissenschaftler gingen von Goldcarbenen aus, mit einer üblicherweise instabilen, weil hochreaktiven Doppelbindung zwischen Kohlenstoff und Gold. Prof. 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 der Münzmetall-Gruppe Kupfer, Silber und Gold 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 sogenannte relativistische Effekte bestimmt werden. Diese Effekte kommen dann zum Tragen, wenn sich ein Phänomen in der Physik nicht mehr „klassisch“ erklären lässt. In der Chemie gilt dies für die Eigenschaften bestimmter Elemente.

Die relativistischen Effekte gehen auf Albert Einsteins Relativitätstheorie mit der bekannten Formel E = mc2 zurück. Damit hat Einstein den Zusammenhang zwischen Energie, Masse und Lichtgeschwindigkeit hergestellt. „Bei Gold sind die vorausgesagten relativistischen Effekte von allen stabilen Elementen am stärksten ausgeprägt“, so Prof. 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 nahe der Lichtgeschwindigkeit (c), dass zusätzliche Bewegungsenergie (E) nicht mehr zu einer wesentlichen Geschwindigkeitssteigerung führen kann. Stattdessen nehmen die betreffenden Elektronen an Masse (m) 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 der Münzmetall-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.

Die Forschungserkenntnisse der Heidelberger Chemiker bestätigen, dass Einsteins Relativitätstheorie nicht nur in der Astronomie und Raumfahrt mit ihren sehr großen Entfernungen eine entscheidende Rolle spielt, sondern auch in der Welt der Elektronen, Atome und Moleküle, wie Prof. Straub deutlich macht.

Originalpublikation:
M.W. Hussong, W.T. Hoffmeister, F. Rominger, B.F. Straub: Kupfer- und Silber-Carbenkomplexe ohne Heteroatom-Stabilisierung: Struktur, Spektroskopie und relativistische Effekte. Angewandte Chemie 2015, 127, 10472-10476, doi: 10.1002/ange.201504117

Kontakt:
Prof. Dr. Bernd F. Straub
Organisch-Chemisches Institut
Telefon (06221) 54-6239
straub@oci.uni-heidelberg.de

Kommunikation und Marketing
Pressestelle, Telefon (06221) 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Weitere Informationen:

http://www.uni-heidelberg.de/fakultaeten/chemgeo/oci/akstraub/index.html

Marietta Fuhrmann-Koch | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher beschreiben neuartigen Antikörper als möglichen Wirkstoff gegen Alzheimer
22.08.2017 | Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

nachricht Virus mit Eierschale
22.08.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer IPM präsentiert »Deep Learning Framework« zur automatisierten Interpretation von 3D-Daten

22.08.2017 | Informationstechnologie

Globale Klimaextreme nach Vulkanausbrüchen

22.08.2017 | Geowissenschaften

RWI/ISL-Containerumschlag-Index erreicht neuen Höchstwert

22.08.2017 | Wirtschaft Finanzen