Je herinnert je waarschijnlijk nog wel uit je schooltijd dat alle materie is opgebouwd uit een beperkt aantal ‘elementen’. Een ‘element’ is een stof die op geen enkele wijze met chemische middelen nog verder in andere stoffen kan opgesplitst worden. Een element bestaat slechts uit één enkel soort atomen. Ene Dmitri Mendelejev (1834 – 1907), een Russische scheikundige, rangschikte de toen bekende elementen in een overzichtelijke tabel, waaruit eveneens de eigenschappen van de elementen af te leiden zijn. Deze tabel werd naar hem de ‘tabel van Mendelejev’ genoemd, beter bekend als het ‘periodiek systeem van de elementen’.
Op dit ogenblik zijn er zo’n 118 elementen bekend. Er zitten stoffen tussen waarmee we bijna dagelijks in aanraking komen, denk maar aan metalen als ijzer en aluminium. Ook vele gassen uit de tabel komen vrijwel overal voor, bijvoorbeeld zuurstof en stikstof. Toch staan er ook elementen in de tabel waarvan je waarschijnlijk nog nooit hebt gehoord. Wat zegt jou bijvoorbeeld ‘promethium’? Of hoe zou een element als ‘oganesson’ eruitzien? Het blijkt dat vele zeldzame elementen in de tabel van Mendelejev radioactief zijn, een korte levensduur bezitten en alleen maar synthetisch gemaakt kunnen worden. Hieronder vind je een lijstje van de 10 minst voorkomende scheikundige elementen.
10. Neptunium
Neptunium staat in het periodiek systeem van de elementen op plaats 93 en wordt aangegeven met de afkorting Np. In de tabel komt neptunium precies na een veel bekender element, namelijk uranium. Uranium was genoemd naar de planeet Uranus. Wetenschappers vonden er niets beter op dan het eerstvolgende element in de tabel te noemen naar de planeet die in ons zonnestelsel volgt op Uranus, namelijk Neptunus.
Neptunium werd in 1940 ontdekt, tijdens een experiment waarbij uraniumkernen werden gebombardeerd met neutronen. Het eerste neptunium dat wetenschappers onderzochten, was dus synthetisch gemaakt in een laboratorium. Later bleek dat neptunium in heel kleine hoeveelheden ook in de vrije natuur voorkomt. Het is een metaal, dat ontstaat door reacties in uraniumertsen. Bij de productie van plutonium, gebruikt in kernwapens, komt neptunium voor als bijproduct. Over heel de wereld wordt er jaarlijks zo’n 60.000 kilogram neptunium als bijproduct aangemaakt.
9. Curium
In de benaming ‘curium’ (scheikundig symbool Cm) herken je de achternaam van Pierre en Marie Curie, beiden befaamde onderzoekers van radioactieve stoffen. Curium is een radioactief element op plaats 96 in het periodiek systeem. In 1944 maakten medewerkers van de universiteit van Berkeley voor de eerste maal het element curium. Dit deden ze door plutonium te bombarderen met zogenaamde alfadeeltjes. Deze experimenten met radioactieve stoffen vonden plaats tijdens de Tweede Wereldoorlog, in het kader van het Manhattenproject. Het doel van het zeer geheime Manhattenproject was het ontwikkelen van de eerste atoombom. Daarom was de ontdekking van het element curium in 1944 aanvankelijk ‘top secret’. Curium komt in de natuur in slechts heel geringe hoeveelheden voor. Alleen in uraniumertsen treft men sporen van het element aan. Van curium worden enkele kilogrammen per jaar synthetisch geproduceerd.
8. Americium
Bionerd/wikimedia/CC BY 3.0
Americium (symbool Am) is nog zo’n zeldzaam element dat behoort tot de familie van radioactieve stoffen, die vaak als ‘bijproduct’ van nucleaire reacties tot stand komen. Americium staat in Mendelejevs tabel op plaats 95, precies tussen curium en plutonium in. Americium ontstaat als je plutonium in een kernreactor bombardeert met neutronen.
Onderzoekers van het Argonne National Laboratory in Illinois (VS) slaagden er in 1944 voor het eerst in om americium synthetisch te produceren. Ze noemden het element naar het continent Amerika (er bestaat ook een element europium, genoemd naar Europa). Americium is hoogradioactief. Wist je overigens dat americium wordt gebruikt in rookdetectors (in heel geringe hoeveelheden natuurlijk)? De gammastraling die americium voortbrengt, vindt toepassing in medische apparatuur en in de industrie.
De halveringstijd van americium is afhankelijk van het americium-isotoop waarover het gaat. De halveringstijd geeft aan na hoeveel tijd de helft van een bepaalde hoeveelheid van een instabiel radioactief element is vervallen tot een ander element. Voor americium ligt deze halveringstijd tussen 432 jaar en 7370 jaar. Het is daarom begrijpelijk dat americium in de vrije natuur nog nooit is aangetroffen. Tot nu toe kent men americium alleen maar als eindproduct van een nucleaire reactie. Jaarlijks maakt men enkele kilogrammen americium synthetisch aan.
7. Californium
Op positie 98 in het periodiek systeem prijkt californium met het symbool Cf. Het is alweer een synthetisch geproduceerd element, ontstaan door de beschieting van curium met alfadeeltjes. Het lukte medewerkers van de universiteit van Californië – Berkeley in 1950 voor het eerst om californium te produceren. Uit dankbaarheid tegenover de universiteit waarvoor zij werkten, doopten ze het nieuw ontstane element ‘californium’. Op aarde is het element nog nooit in de natuur aangetroffen. Toch slaagden astronomen erin om californium te detecteren in de resten van supernova’s in het heelal. Californium is een radioactieve bron die neutronen uitstraalt en vindt daarom toepassing in de geneeskunde. Het element wordt onder meer gebruikt voor medische beeldvorming en bij radiotherapie. Ongeveer 500 gram wordt er per jaar geproduceerd.
En hoe vervoer je zo’n extreem radioactieve stof? Op bovenstaande foto staat een transportvat van 50.000 kilogram, hiermee werd 1 gram Californium vervoerd!
6. Promethium – 500 gram
Het is onwaarschijnlijk dat je ooit hebt gehoord van een geheimzinnig element als promethium (behalve dan misschien de film), met atoomnummer 61 en chemisch symbool Pm. Het bestaan van promethium was al voorspeld voordat wetenschappers het element daadwerkelijk ontdekten. In 1941 beschoten onderzoekers van de Ohio State University de elementen neodymium en praseodymium met allerlei nucleaire deeltjes. Een van de producten die daarbij ontstonden, was promethium. Het nieuwe element werd genoemd naar Prometheus, een figuur uit de Griekse mythologie. Het duurde nog tot 1945 tot promethium in geïsoleerde vorm synthetisch kon worden aangemaakt. Promethium is een radioactieve bron van zogenaamde bètastraling, een vorm van straling die uit elektronen bestaat. Deze bètastraling wordt in de industrie onder meer gebruikt om de dikte van materialen te meten en de wanden van vliegtuigen te controleren. Wetenschappers vermoeden dat er zich in de complete aardkorst slechts zo’n 500 gram promethium voorkomt.
5. Protactinium – 125 gram
Protactinium is een hoogradioactieve en zeer giftige stof. In het periodiek systeem neemt protactinium, met scheikundig symbool Pa, plaats nummer 91 in. Protactinium is een vervalproduct van uranium, dat vrijwel alleen maar synthetisch wordt geproduceerd. Toch komt Pa in de natuur in zeer kleine hoeveelheden voor: in uraniumertsen treft men zo’n 0,01 deeltjes per miljoen deeltjes aan. Wegens de hoge giftigheid en radioactiviteit kent protactinium geen praktische toepassingen. Op elk moment komt er op de wereld slechts zo’n 125 gram protactinium voor.
4. Francium – 30 gram
Dit stukje Uraniniet bevat ongeveer 100,000 atomen 100,000 atomen (3.3×10−20 g) francium-223
Wetenschappers van het Curie-instituut in Parijs ontdekten het element francium (Fr) in het jaar 1939. Francium was het laatste element in de geschiedenis dat eerst in de vrije natuur werd waargenomen, voordat het synthetisch kon worden aangemaakt. Omdat het element was ontdekt op Franse bodem, kreeg het de benaming ‘francium’.
Francium komt in de tabel van Mendelejev op de 87ste plaats. Francium kan men synthetisch maken door het element thorium te bombarderen met protonen. In de natuur komt francium voor, maar in erg kleine hoeveelheden. Wetenschappers schatten de totale hoeveelheid francium in de aardkorst slecht op zo’n 20 tot 30 gram. Er bestaan weinig of geen industriële toepassingen van het element.
3. Berkelium
Het was de Californische universiteit van Berkeley die haar naam gaf aan het element berkelium (Bk). Medewerkers van de universiteit slaagden erin om berkelium te produceren door het element americium te beschieten met elektronen. Berkelium staat in de tabel van Mendelejev op plaats 97, tussen curium en californium. Sinds zijn ontdekking heeft men niet meer dan één gram berkelium synthetisch geproduceerd. Praktische toepassingen van het element zijn er niet. In de aardbodem komt berkelium niet of nauwelijks voor.
2. Oganesson – 1 gram
Wat moet je je voorstellen bij een element met de naam ‘oganesson’? De vreemde benaming is afgeleid van de achternaam van de Russische-Armeense fysicus Joeri Oganesjan. Oganesson (Og) werd pas in 2006 waargenomen, bij botsingen tussen californium- en calciumatomen. Het element neemt plaats 118 in in het periodiek systeem van de elementen.
Oganesson is erg instabiel: na slechts 0,89 milliseconden (!) is al de helft van het aantal atomen vervallen tot andere elementen. In de vrije natuur komt dit element niet voor, en synthetisch heeft men alleen maar sporen van enkele atomen waargenomen. Sinds de ontdekking is er slechts één gram oganesson in de Verenigde Staten synthetisch geproduceerd.
1. Astaat
Van alle elementen die we tot nu toe kennen, is astaat (At) de zeldzaamste stof. Wetenschappers schatten dat er minder dan één gram astaat in de totale aardkorst aanwezig is. Astaat neemt ‘hokje’ 85 in beslag in de tabel van Mendelejev. De benaming zelf (afkomstig van het Griekse ‘astatos’, wat instabiel betekent) geeft al aan dat het element geen lang leven beschoren is.
Het element kan kunstmatig aangemaakt worden door bismuthatomen te beschieten met alfadeeltjes. Na de opwekking van astaat-210 (een isotoop van astaat) is al na 8,1 uur de helft van de atomen vervallen tot andere elementen. Niemand weet overigens hoe astaat er eigenlijk uit ziet: er is nooit genoeg astaat geproduceerd geweest om het element met het blote oog te kunnen waarnemen.
