Leitartikel

Wenn Daten das „neue Öl unserer Weltwirtschaft“ sind, werden deren Relevanz, Verfügbarkeit, Validität und Korrelierbarkeit, aber auch die Vertraulichkeit zum Dreh- und Angelpunkt des wirtschaftlichen Erfolgs einer Gesellschaft. Doch was hat das mit Chemie – insbesondere der analytischen Chemie – und der Chemikerausbildung zu tun? Sehr viel. Oft sind Innovationen in der analytischen Chemie die Grundlage wissensgetriebener Produktinnovation und Technologiesprünge. So ist sie fest verankert, etwa in der Weiterentwicklung von Produkten, Lebensmitteln oder Medikamenten, in der Produktsicherheit, aber auch der klinischen Diagnostik, Toxikologie und nicht zuletzt der Kriminaltechnik.Der digitale Wandel verändert sowohl Produktions- als auch Geschäftsprozesse der chemischen Industrie hin zur Industrie 4.0. In diesem Umbruch steht die analytische Chemie mit im Zentrum der Weiterentwicklung. Sie beschleunigt Wege zu neuen Produkten und Prozessen, indem durch modellgestützte Simulation und statistische Versuchsplanung weniger – aber zielführendere – Experimente im Labor durchgeführt werden. Echtzeitdaten aus On-line-Analytik und In-Prozess-Kontrolle in Produktion und Lieferkette bis hin zum Endkunden steuern Stoffströme, deren Qualität und Verfügbarkeit ressourcenschonender als bisher. Analytische Daten und zugehörige Metadaten, die mit Machine-Learning- und Data-Mining-Ansätzen nach Gesetzmäßigkeiten durchsucht werden, liefern die Grundlage stetig besserer Modelle. Sollten wir also nicht eher von Big Analytics sprechen statt von Big Data?Digitalisierung und Industrie 4.0 ändern Berufsbilder und damit die Anforderungen an Berufsanfänger. Verlangt werden zunehmend Qualifikationen und Kompetenzen aus der Data Science wie statistische Versuchsplanung, multivariate Datenanalyse, Simulation, Modelling und Chemometrik. Dies gilt für die chemische und pharmazeutische Industrie genauso wie für staatliche Untersuchungsämter, aber auch in der (akademischen) Forschung. Dazu müssen einige unserer aktuellen Chemiestudiengänge weiterentwickelt werden. Denn wer soll die Kenntnisse vermitteln, an deren Grundlagen weiter forschen und die ob ihres Multiplikatoreffekts so wichtige analytische Innovation treiben, wenn nicht die Analytiker?Aber von denen gibt es leider immer weniger. Der aktuelle European Survey for European Chemists 2017 zeigt wie auch schon der vorhergehende im Jahr 2015, dass die analytische Chemie unter den vier großen Disziplinen (neben anorganischer, organischer und physikalischer Chemie) als einzige signifikant weniger Absolventen hervorbringt als der Arbeitsmarkt benötigt. Trotz deutlicher Warnungen und Appelle über die letzten zwei Jahrzehnte wurden viele Professuren und Institute für analytische Chemie in Deutschland nicht wiederbesetzt, geschlossen oder anderen Disziplinen zugeschlagen, wie es aktuell in Saarbrücken geschieht.Diese Entwicklung müssen wir umkehren. Wirtschaft und Gesellschaft benötigen mehr, nicht weniger analytische Chemie in Haupt- und Nebenfächern, um die Anforderungen aus dem digitalen Wandel durch Grundlagenforschung und in der Ausbildung zu adressieren.Universitäten und Hochschulen sind keine Dienstleister für die Industrie oder andere Arbeitgeber. Allerdings haben Ausbildungseinrichtungen eine Sorgfaltspflicht gegenüber ihren Absolventen und deren Konkurrenzfähigkeit auf einem globalen Arbeitsmarkt. Und abgesehen von wenigen erstklassigen Ausnahmen entspricht in dieser Hinsicht das Profil vieler akademischer Ausbildungseinrichtungen noch immer einer überkommenen Struktur, die mit den aktuellen Herausforderungen an ihre Absolventen nicht mehr Schritt hält.Es ist jetzt die Zeit, gemeinsam Lösungen zu finden. Ich unterstütze gerne dabei. BBDr. Joachim Richert Competence Center Analytics, BASF, Ludwigshafen<div><img src="https://media.graphcms.com/AeWpxjwgTB2DxjtN1aSK">

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Meinungsbeitrag

Big Data ist Big Analytics

Wenn Daten das „neue Öl unserer Weltwirtschaft“ sind, werden deren Relevanz, Verfügbarkeit, Validität und Korrelierbarkeit, aber auch die Vertraulichkeit zum Dreh- und Angelpunkt des wirtschaftlichen Erfolgs einer Gesellschaft. Doch was hat das mit Chemie – insbesondere der analytischen Chemie –...

Wissenschaft & Forschung

Im Jahr 2010 war es soweit: Physiker und Chemiker synthetisierten das Element 117 und vervollständigten damit die siebte Reihe des Periodensystems. Wie stellt man superschwere Elemente her und wie kommen sie zu ihren Namen?
Superschwere Elemente, also die Elemente mit Ordnungszahlen größer 103, sind relativ instabil (typische Lebensdauern sind Millisekunden bis Sekunden) und bisher nur in Laboratorien erzeugt und nachgewiesen worden.1) Nuklide dieser Elemente entstehen durch Kernfusionsreaktionen. Sie werden synthetisiert, indem etwa 0,4 µm dünne Trägerfolien, die mit Targetelementen bedampft sind, mit beschleunigten, vielfach positiv geladenen Ionenstrahlen beschossen werden. Dabei wird zwischen der kalten und der heißen – bei einem 48Ca-Ionenstrahl auch warm genannten Kernfusion unterschieden (Abbildung 1).<figure><img src="https://media.graphcms.com/feHxvoMTQ2GQ7FwCaYPB"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Kalte und heiße Fusion am Beispiel von Nihonium. Grün: neu entstandener, angeregter Compoundkern. Bei kalter Fusion wird meist nur ein Neutron (grüne Tropfen) emittiert, bei heißer Fusion können mehrere Neutronen abdampfen. Trotzdem sind neutronenreiche Nuklide, die nach einer vorhergesagten „Insel der Stabilität“ besonders lange Lebensdauern haben sollen (Halbwertszeiten bis zu 10 000 oder 100 000 Jahre)3), durch die heiße Fusion eher zugänglich. Element 113 ist durch beide Fusionsarten zugänglich.2)</figcaption></figure>
Um die Coulomb-Barriere zu überwinden, die auftritt, wenn sich zwei positiv geladene Atomkerne einander nähern, sind hohe Energien nötig. Der neu entstandene Compoundkern befindet sich daher nach der Fusion in einem angeregten Zustand und kühlt unter anderem durch Neutronenemission ab. Für kalte Fusionen sind nukleare Anregungsenergien von 10 bis 15 MeV typisch, heiße Fusionen haben Anregungsenergien von 40 bis 50 MeV.2a,3)Bei kalten Fusionen wird ein 208Pb- oder 209Bi-Target mit mittelschweren Projektilen wie 70Zn beschossen. Der dabei entstandene Compoundkern kühlt sich unter Emission von üblicherweise ein bis zwei Neutronen ab (Abbildung 1). Die Elemente 104 bis 113 wurden hauptsächlich mit dieser Methode hergestellt.Bei heißen Fusionen werden radioaktive Actinoiden-Targets wie 243Am oder 249Bk mit leichter bis mittelschwerer Ionenstrahlung etwa von 18O, 26Mg oder 48Ca beschossen, wobei bis zu fünf Neutronen aus dem angeregten heißen Compoundkern frei werden (Abbildung 1).2a) Separatoren, die ähnlich wie ein Massenspektrometer funktionieren, trennen anschließend die Ionen der superschweren Elemente (Abbildung 2).<figure><img src="https://media.graphcms.com/QSSXjoctRH2qyNi6LF2u"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Links: Foto des gasgefüllten Rückstoßseparators (transactinide separator and chemistry apparatus gas-filled recoil separator, GFRS) in Darmstadt, an dem Experimente durchgeführt wurden, welche die Existenz der vier neuen Elemente bestätigten. Rechts: Modifizierte Abbildung des GFRS in Dubna. Ein Ionenstrahl trifft auf eine rotierende Scheibe mit dem Targetelement. Die entstandenen schwereren Fusionsprodukte werden dann von target- und ionenstrahlähnlichen störenden Ionen in der gasgefüllten Kammer abgetrennt, passieren zwei Quadrupolmagneten und treffen schließlich auf den Detektor. <named-content>Foto: G. Otto, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung; Abbildung rechts mit freundlicher Genehmigung des Joint Institute for Nuclear Research JINR</named-content></figcaption></figure>
Die so erzeugten radioaktiven Nuklide sind nicht direkt nachweisbar, sondern nur über ihren Zerfall. Dafür messen hochempfindliche Detektoren die abgestrahlte α-Strahlung. Durch bekannte Tochternuklide und deren Zerfallshalbwertszeiten innerhalb der typischen Zerfallsreihen lässt sich nachweisen, welches Element vorlag (Abbildung 3).4)<figure><img src="https://media.graphcms.com/vnOHewimShOg7OfWgiVo"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Vereinfachter Ausschnitt einer Nuklidkarte (der Übersichtlichkeit halber ohne Ordnungszahlen und Halbwertszeiten der Isotope).5) Schwarzer Rand: Beispiele von Zerfallsreihen, welche die Existenz der vier neuen Elemente belegen. Für Nihonium sind zwei Zerfallsreihen gezeigt: von Isotopen aus kalter (278Nh) und heißer Fusion (282Nh). Neue Isotope werden ab und an entdeckt, daher wird die Nuklidkarte stetig erweitert. Eingeblendetes Bild: per Hand erweiterte Nuklidkarte in den Gängen der Zyklotronanlage im Lawrence Berkeley Lab. <named-content>Foto: Lena Daumann</named-content></figcaption></figure>
α-Teilchen sind zweifach positiv geladene Heliumkerne. Treten sie aus dem Mutterkern, verringern sie dessen Kernladungszahl um zwei und die Massezahl um vier (Abbildung 3). Auch die neugebildeten Tochterkerne sind meist radioaktiv, wodurch die typischen Zerfallsreihen resultieren. Eine weitere Form des radioaktiven Zerfalls ist die spontane Spaltung (spontaneous fission, SF), bei der sich ohne äußere Einwirkung meist zwei mittelschwere Nuklide aus einem Mutterkern bilden.<h2>Die neuen Elemente</h2>Zur Entdeckung der Elemente 115, 117 und 118 führte eine Partnerschaft des Joint Institute for Nuclear Research (JINR) in Dubna, Russland, und des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Livermore, USA.6) In den Jahren 2004 bis 2012 bestrahlten die Forscher Targets aus Americium mit 48Ca-Ionen.7) Dazu nutzten sie ein U400-Zyklotron mit einem wasserstoffgefüllten Rückstoßseparator (gas-filled recoil separator, GFRS) (Abbildung 2).3) Hierbei entstanden vier Isotope des Elements 115, Moscovium. Element 113, Nihonium, entstand als Tochterprodukt. Allerdings war es ein Forscherteam unter der Leitung von Kosuke Morita am Institute of Physical and Chemical Research (Riken) in Wako, Japan, das Nihonium erstmals synthetisierte und gemäß den Kriterien der International Union of Pure and Applied Chemistry (Iupac) charakterisierte, und zwar im Jahr 2004.2b) Das Element entstand in einer kalten Fusion, für die ein Bismuttarget zwanzig Wochen mit Zinkkernen bestrahlt wurde. Die Dauer des Experiments ist hierbei nicht ungewöhnlich: Je schwerer der Fusionskern, desto schwieriger ist er herzustellen. Denn schon die Startelemente sind schwieriger zu synthetisieren und die Wahrscheinlichkeit für eine Fusion sinkt ebenso wie die Stabilität. Eine Ausbeute von einem Atom pro Monat ist nicht ungewöhnlich.1b,2a) Ein weiteres Isotop von Nihonium entdeckten Yuri Oganessian (englische Transliteration, im Deutschen Juri Oganesjan) und Mitarbeiter im Jahr 2007 bei einer heißen Fusion von Neptunium und Calcium (Abbildung 3).8)Das Element 118, Oganesson, ist das zurzeit schwerste bekannte Element des Periodensystems. Hergestellt und identifiziert hat das bisher einzige nachgewiesene Isotop (294Og) die Dubna-Livermore-Kooperation im Jahr 2006.9) Die Zerfallsreihe des Elements verläuft in mehreren α-Zerfallsschritten über das 290Lv-, das 286Fl- und das 282Cn-Isotop, bei dem anschließend eine spontane Kernspaltung auftritt (Abbildung 3). Element 118 war angeblich bereits einige Jahre vorher in Berkeley hergestellt worden, die Ergebnisse ließen sich allerdings nicht reproduzieren – möglicherweise waren die Daten gefälscht.Im Jahr 2010 füllten Oganessian und Mitarbeiter die letzte Lücke in der siebten Periode des Periodensystems, indem sie zwei Isotope des Elements 117, Tenness, in der Fusionsreaktion von 48Ca mit 249Bk synthetisierten.10)<h2>Neue Elemente benennen</h2>Ist das Gebiet der superschweren Elemente Chemie oder Physik? Chemie ist notwendig, um die Startelemente herzustellen, aus denen die schweren Elemente synthetisiert werden. Ein Beispiel ist Berkelium, das zudem aufwendig von anderen Isotopen zu trennen ist. Hauptquelle für dieses Element ist der Hochflussreaktor des Oak Ridge National Laboratory im US-Bundesstaat Tennessee. Die bei der Synthese von superschweren Elementen verwendeten Teilchenbeschleuniger gehören zum physikalischen Aspekt.Da das Forschungsgebiet interdisziplinär ist, haben die Iupac und die International Union of Pure and Applied Physics (Iupap) eine gemeinsame Arbeitsgruppe gegründet. Sie hat klare Regeln, was Entdeckung und Benennung neuer Elemente angeht.Damit ein neu entdecktes Element sein Symbol und seinen Namen zugeteilt bekommt, muss die Iupac-Iupap-Arbeitsgruppe zunächst den Anspruch der Wissenschaftler anerkennen, dass dieses Element generiert wurde. Ein wichtiges Kriterium: Der Kern muss mindestens für 10–14 s existieren. Das neue Element muss entweder chemisch oder physikalisch charakterisiert werden. Der Präsident der anorganischen Abteilung der Iupac – bei den vier neuen Elementen der Niederländer Jan Reedijk, Professor an der Universität Leiden – lädt die Entdecker daraufhin ein, Elementnamen und Symbol vorzuschlagen. Hierbei sollen sich die Entdecker an Traditionen halten: Neue Elemente werden benannt nach<list list-type="simple"><list-item></list-item></list>einem mythologischen Konzept, astronomischen Objekt oder Charakter, wie Niob, Tantal, Promethium,<list-item>nach einem Mineral, Beispiel Zirkonium,</list-item><list-item>nach einem Ort oder einer Region, etwa Hassium, Berkelium, Darmstadtium …,</list-item><list-item>einer Elementeigenschaft, wie Phosphor, Rubidium … oder</list-item><list-item>nach einem Wissenschaftler, etwa Meitnerium, Curium, Seaborgium.</list-item>Zudem empfiehlt die Iupac seit 2016 im englischen Sprachgebrauch die Endung -ium für Elemente der Gruppen 1 bis 16, -ine für Halogene und -on für Edelgase.11)Entgegen der verbreiteten Annahme, jeder könne einen Elementnamen vorschlagen, haben dieses Recht ausschließlich die Entdecker. Das gilt auch für das Elementsymbol. Die Vorschläge begutachtet die anorganische Abteilung der Iupac, und es gibt eine fünfmonatige öffentliche Überprüfung (public review).12) Petitionen, die forderten, die neuen Elemente nach verstorbenen Musikern wie David Bowie (Bowieum) oder Lemmy Kilmister (Lemmium) zu benennen, waren allerdings zwecklos, denn die Öffentlichkeit darf die Vorschläge der Entdecker lediglich kommentieren.12,13)<h2>113 bis 117: Namensfindung</h2>Element 113 wurde von Forschern des japanischen Riken-Instituts Nihonium genannt, eine Hommage an ihr Heimatland Japan (Nihon: das Land der aufgehenden Sonne). Es ist das erste Element, das in Asien entdeckt und nach einem asiatischen Land benannt ist. Der Name Moscovium für Element 115 soll an die Region erinnern, in der sich das Joint Institute for Nuclear Research befindet. Da die Elemente 113 und 115 zu den Gruppen 1 bis 16 gehören, enden sie mit dem Suffix -ium.Element 117 bereitete besonders bei seiner Übersetzung ins Deutsche und bei der Findung des Elementsymbols Kopfzerbrechen.14) Das Element ist nach dem Staat Tennessee benannt, in dem sich das Oak Ridge National Laboratory befindet, und erhielt den englischen Namen Tennessine. Die Endung -ine weist auf die Zugehörigkeit zu den Halogenen hin. Da im Deutschen die Halogene diese Endung jedoch nicht tragen (z.B. Fluorine – Fluor), wurde der Name traditionsgemäß zu Tenness abgekürzt.14)Als Elementsymbol erscheint zum Beispiel Tn logisch, jedoch wird dieses Kürzel seit langem für Thoron verwendet, das 220Rn-Isotop. Die Kürzel Te und Ti sind an andere Elemente vergeben. Es bliebe Ts, was Chemiker nutzen, um die Tosylgruppe abzukürzen. Wie die Iupac argumentierte, erschließen sich aber auch bei Pr (Praseodym, Propylgruppe) und Ac (Actinium, Acetylgruppe) die Bedeutungen durch den Kontext, sodass es bei Ts blieb.Das Element 118 heißt zu Ehren Yuri Oganessians Oganesson – für seine Beiträge zu den superschweren Elementen. Es ist erst das erste Element nach Seaborgium, das nach einem noch lebenden Wissenschaftler benannt wurde. Die Endung -on zeigt zudem seine Zugehörigkeit zur Gruppe der Edelgase.<h2>Und nun?</h2>Die siebte Reihe unseres Periodensystems ist komplett. Wie geht es weiter? Zunächst müssen die Elemente chemisch charakterisiert werden, was bei „one atom at a time“ schwierig werden dürfte. Es ist zu klären, welchen Einfluss relativistische Effekte auf die Elementeigenschaften haben. Elemente jenseits der Ordnungszahl 118 herzustellen, hängt davon ab, wie sich die technischen Möglichkeiten entwickeln. Unternehmungen, die achte Reihe des Periodensystems zu füllen, sind bereits seit etwa sechs Jahren im Gange – nicht nur in Japan, Russland und den USA, sondern zum Beispiel auch am Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, wo Hofmann und Mitarbeiter versuchen, das Element 120 herzustellen.15)Für eine Übersicht über die Geschichte der Entdeckung von Element 118 siehe Lit. 1b.<h2>Provisorische Elementnamen</h2>Den meisten wird aus der Schule wohl noch die Version des Periodensystems bekannt sein, in der die Elemente 113, 115, 117 und 118 mit den systematischen Namen Ununtrium (Uut), Ununpentium (Uup), Ununseptium (Uus) und Ununoctium (Uuo) bezeichnet wurden. Die provisorischen Namen und Drei-Buchstaben-Abkürzungen der Elemente sind festgelegt [J. Chatt, Pure Appl. Chem 1979, 51, 381]. Sie setzen sich aus den einzelnen Zahlen der Ordnungszahl zusammen (0 = nil, 1 = un, 2= bi, 3 = tri, 4 = quad, 5 = pent, 6 = hex, 7 = sept, 8= oct, 9 = enn). Demnach würden die Elemente 120 und 202 also als Unbinilium (Ubn) und Binilbium (Bnb) bezeichnet. Früher bediente man sich einer Vorsilbe mit den Zahlen aus Sanskrit. Dabei bezeichnete Eka das Element in der vorhergehenden Periode, dwi das zwei Perioden vorher und so weiter.Blickpunkt Anorganik berichtet über neue präparative Techniken, den richtigen Umgang mit gefährlichen Stoffen, neue Analysetechniken, Reinigungsverfahren und mehr. Die Beiträge zur Serie verfasst dieses Jahr Lena Daumann.<h2>Vitakasten</h2>Lena Daumann, Jahrgang 1983, studierte in Heidelberg Chemie und promovierte von 2010 bis 2013 an der University of Queensland in Australien über pestizidabbauende Enzyme. Es folgte ein Postdocaufenthalt bei Ken Raymond an der University of California in Berkeley. Seit Mai 2016 ist sie W2-Professorin mit Tenure Track für bioanorganische Chemie an der LMU München. Ihre Gruppe beschäftigt sich unter anderem mit der essenziellen Rolle von Seltenerdelementen in biologischen Prozessen. Bei diesem Beitrag wurde sie unterstützt von ihrer Masterandin Violeta Vetsova.<div><img src="https://media.graphcms.com/BGwMb0F0SpOfRTHs60OK">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 a) M. Schädel, Phil. Trans. R. Soc. A 2015, 373, 20140191; b) K. Roth, Chem. Unserer Zeit 2017, 51, 418.</li><li>
2 a) M. Schädel, Angew. Chem. 2006, 118, 378–414; b) K. Morita, K. Morimoto, D. Kaji et al, J. Phys. Soc. Jpn. 2004, 73, 2593; c) Y. T. Oganessian, Radiochim. Acta 2011, 99, 429.</li><li>
3 Y. T. Oganessian, Pure Appl. Chem. 2006, 78, 889.</li><li>
4 A. F. Holleman, N. Wiberg, Anorganische Chemie (Band 1 und 2), 103. Auflage, De Gruyter, Berlin, 2016.</li><li>
5 J. H. Hamilton, S. Hofmann, Y. T. Oganessian, Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 2013, 63, 383–405.</li><li>
6 Collaboration Expands the Periodic Table, One Element at a Time, K. Walter, 2010, <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://str.llnl.gov/OctNov10/pdfs/10.10.7.pdf" target="_blank">https://str.llnl.gov/OctNov10/pdfs/10.10.7.pdf</a> (Zugriff am 6. April 2018)</ext-link>.</li><li>
7 Y. T. Oganessian, V. K. Utyonkov, Y. V. Lobanov et al., Phys. Rev. C 2004, 69, 021601.</li><li>
8 Y. T. Oganessian, V. K. Utyonkov, Y. V. Lobanov et al., Phys. Rev. C 2007, 76, 011601.</li><li>
9 Y. T. Oganessian,V. K. Utyonkov, Y. V. Lobanov et al., Phys. Rev. C 2006, 74, 044602.</li><li>
10 Y. T. Oganessian, F. S. Abdullin, P. D. Bailey et al., Phys. Rev. Lett. 2010, 104, 142502.</li><li>
11 a) W. H. Koppenol, J. Corish, J. García-Martínez, J. Meija, J. Reedijk, Pure Appl. Chem. 2016, 88, 401–405; b) L. Öhrström, J. Reedijk, Pure Appl. Chem. 2016, 88, 1225–1229.</li><li>
12 J. Reedijk, Chemistry International 2017, 39, 30–32.</li><li>
13 C. Remenyi, Nachr. Chem. 2017, 65, 396–396.</li><li>
14 K. H. Hellwich, H. G. Weinig, Nachr. Chem. 2017, 65, 738–739.</li><li>
15 S. Hofmann, S. Heinz, R. Mann et al., Eur. Phys. J. A 2016, 52, 180.</li></ul>

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