Velen van ons krijgen vaak te horen dat we een gelijkenis vertonen met een ander lid van onze familie - bijvoorbeeld, dat we de neus van onze moeder of de ogen van onze vader hebben.

Chemische elementen op het periodiek systeem hebben ook familiegelijkenissen die voorspellend inzicht kunnen geven in de manier waarop elementen op elkaar inwerken, leidende wetenschappers tot nog niet bedachte toepassingen.

In het geval van één element, protactinium, chemische overeenkomsten geproduceerd door de configuratie van de buitenste elektronen verbinden twee families van elementen:de stabiele en bekende overgangsmetalen en de meer exotische actiniden.

In een nieuwe studie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Universiteit van Lille in Frankrijk, scheikundigen hebben de veelvoudige gelijkenissen van protactinium onderzocht om de relatie tussen de overgangsmetalen en de complexe chemie van de vroege actinide-elementen beter te begrijpen.

De belangrijkste waarde van Protactinium zit niet in het commerciële gebruik, maar in het verschaffen van nieuwe fundamentele inzichten in de chemie van de elementen. Protactinium is een actinide-element en zit tussen thorium en uranium in het periodiek systeem. Echter, protactinium lijkt ook sterk op niobium en tantaal, beide zijn overgangsmetalen die worden gebruikt in een reeks chemische en metallurgische toepassingen. Wanneer scheikundigen hun overeenkomsten in meer detail begrijpen, ze kunnen nieuwe en nog onontdekte toepassingen ontdekken voor deze en andere verwante elementen.

"Protactinium staat op een punt in het periodiek systeem, " zei studie auteur en Argonne chemicus Richard Wilson. "De vraag hoe we het periodiek systeem samenstellen, vormt echt de kern van ons denken over protactinium."

Het antwoord op de vraag of protactinium meer als een actinide of als een overgangsmetaal werkt, ligt in de buitenste elektronenschillen van een protactiniumatoom. Wetenschappers duiden elke schaal aan met zowel een nummer (1 t/m 7) als een letter (s, P, d of f). Welke schil de buitenste elektronen van een element bewonen, qua aantal en letter, definieert zijn familie en helpt bij het bepalen van een breed scala van zijn chemische en fysieke gedrag.

Het verschil tussen de overgangsmetalen en de actiniden ligt in welke buitenste schil als eerste wordt gevuld met beschikbare elektronen. Protactinium, Wilson merkte op, is vooral belangrijk omdat het de grens vertegenwoordigt waarop een 'd'-orbitaal en een 'f'-orbitaalverandering energetisch plaatsvinden. Dit bepaalt hoe de orbitalen worden gevuld en hoe ze interageren of zich verbinden met hun buren.

"De 'd'-orbitalen in overgangsmetalen nemen op een zeer directe manier deel aan chemische binding, en ze kunnen zich organiseren in redelijk voorspelbare structuren, Wilson zei. 'De actiniden vormen niet zo gemakkelijk dezelfde soort bindingen.'

Volgens Wilson, scheikundigen die actiniden bestuderen die hebben geprobeerd protactinium over te halen om zich te gedragen als zijn neven met overgangsmetaal, hebben beperkt succes ondervonden. "Kunnen we protactinium laten gedragen als niobium en tantaal? Het antwoord experimenteel is 'nog niet, '" zei Wilson. "Maar werken aan de theorie van dit unieke element zou ons een nieuwe kijk kunnen geven op hoe het precies op dit belangrijke chemische en energetische kruispunt kan zitten."

De veranderingen in elektronenorbitalen en bindingsgedrag binnen de zware elementen nemen alleen maar toe naarmate het periodiek systeem vordert. In de zwaarste elementen, Wilson zei, relativistische effecten beginnen ons klassieke begrip van hoe bepaalde elementen zich "zouden" te gedragen, te vervangen, zelfs tot het punt waarop een verondersteld element tegelijkertijd op zowel een inert edelgas als een zeer actief metaal zou kunnen lijken.

"We beginnen te begrijpen dat protactinium de drempel is waarop de binding in het periodieke systeem begint te veranderen, " zei Wilson. "We zijn aan het boren naar wat het periodiek systeem echt doet tikken."

De studie, "Protactinium en de kruising van actinide en overgangsmetaalchemie, " verscheen in het online nummer van 12 februari van Natuurcommunicatie .