New Kids on the Table: Je prvek 118 vzácný plyn? – Část 3

Periodická tabulka prvků je jedním z největších objevů lidstva v přírodě, protože zahrnuje všechny stavební kameny, které spojují náš vesmír v jeho srdci: od nejmenšího viru až po nejvzdálenější galaxii. Minule jsme se zabývali obtížnou cestou k prvku 118. V tomto díle se podíváme na první syntézu prvku 118, na jeho vlastnosti a na to, jak se nové prvky pojmenovávají.

5. Prvek 118 se objevuje ve vesmíru. První skutečná syntéza prvku 118

V roce 2002 začala výzkumná skupina složená z vědců ze Spojeného ústavu jaderných výzkumů v ruské Dubně spolu s Lawrence Livermore National Laboratory v Berkeley (Kalifornie, USA) s prvním syntetickým pokusem o výrobu prvku 118 bombardováním kalifornia-249 ionty vápníku-48 . Vápník-48, jehož přirozený výskyt je pouze 0,19 %, je velmi vzácný a odpovídajícím způsobem nákladný (200 000 USD/g). Na lehký prvek (Z = 20) je mimořádně bohatý na neutrony s počtem neutronů 28, a proto je obzvláště vhodný pro syntézu stabilních, těžkých jader.

Po dobu 100 dní tým bombardoval terč sestávající z 10 mg 249Cf (0,23 mg/cm2) svazkem vápníku-48 s 2-1012 zhruba 17krát kladně nabitými ionty za sekundu; v průběhu tří měsíců ozařování celkem 2-1019 vápenatých iontů. Během celého tohoto období získali důkaz pouze jedné rozpadové sekvence připadající na prvek 118!

4820Ca +24998Cf → 297

Práce byla obnovena v roce 2006 a odhalila podle potřeby další dvě relevantní rozpadové sekvence (viz obr. 3). Tentokrát musely být splněny četné předpoklady pro uznání objevu, který podrobně publikovaly Mezinárodní unie čisté a aplikované chemie (IUPAC) a Mezinárodní unie čisté a aplikované fyziky (IUPAP) . Byly skutečně stanoveny dostatečné rozpadové řady odpovídající prvku 118, ale žádný z příslušných izotopů nebyl dříve znám. Nepodařilo se tedy vytvořit vazbu na známé izotopy, takže uznání muselo být odmítnuto : „Tři analyzované rozpadové řady pro izotop prvku Z = 118 jsou v dobré vzájemné shodě, ale vzhledem k absenci ukotvení ke známým jádrům nejsou splněna požadovaná kritéria pro uznání.“

Obrázek 3: Rozpadová řada pro izotop prvku Z = 118 v dobré vzájemné shodě. Experimenty relevantní pro objev prvku 118.

Rozpadovou řadu pro prvek 118 však bylo možné potvrdit prostřednictvím nezávislých studií zahrnujících boční vstupy. Prvky 116 a 114 tak byly připraveny nezávislými cestami bombardováním curia, resp. plutonia ionty vápníku-48 a byly určeny jejich rozpadové řady (viz obr. 3). Bylo zjištěno, že tyto rozpadové řady jsou v souladu s odpovídajícími částmi rozpadové řady pro prvek 118. V důsledku toho IUPAC/IUPAP skutečně vydala pozitivní posudek:

„V roce 2006 ve spolupráci Dubna-Livermore Oganessian a kol. vytvořili tři shodné rozpadové řady začínající číslem 294118. Tento výsledek byl potvrzen v roce 2012. Tři další nezávislé studie fúze těžkých prvků posloužily k identifikaci a potvrzení existence a rozpadových vlastností potomků 294118 290Lv a 286Fl sloužících k propojení atomových čísel prostřednictvím křížového bombardování. Spolupráce Dubna-Livermore 2006 splnila kritéria pro objev a její tvrzení je nyní uznáno za potvrzené.“

Tím bylo oficiálně uznáno, že rusko-americká výzkumná skupina pod vedením Jurije Oganesjana skutečně objevila prvek 118. V roce 2006 byl objev potvrzen. Prezident anorganické divize IUPAC poté požádal o vhodný návrh názvu a symbolu pro nový prvek. V souladu s dalšími předpisy se na plenárním zasedání IUPAC hlasovalo o uznání objevu a pojmenování prvku 118.

6. Pojmenování prvků 113-118

Objevitelé prvku mají právo navrhnout pro něj název, ale nemají zcela svobodnou volbu. IUPAC a IUPAP vypracovaly určitá platná pravidla , z nichž je třeba název nového prvku odvodit:

• a)mytologický pojem nebo postava, včetně astronomických objektů
• b)minerál nebo podobný materiál
• c)místo nebo zeměpisná oblast
• d)vlastnost prvku
• e)jméno vědce

V zájmu standardizace by navrhované názvy některých prvků měly mít vždy jednu z následujících koncovek:

• Skupiny 1-16, včetně prvků bloku f: „-ium“
• Skupina 17 (halogeny): Skupina 18 (vzácné plyny): „-in“
• Skupina 18 (vzácné plyny): „-in“
• : „(-on)

Rozhodování o názvech prvků je obtížné pro všechny zúčastněné strany: nejen pro objevitele, ale také pro IUPAC/IUPAP. Objevitelé se svým vlastním egem nutně žijí ve specifickém složitém politickém prostředí a IUPAC/IUPAP a jejich mezinárodní experti také neexistují ve vakuu. V období studené války to vedlo ke sporům, které byly někdy až groteskní. Tak byl po dobu tří desetiletí prvek 104 ve školních učebnicích ve Spojených státech označován jako rutherfordium, ale v ruštině jako kurčatovium. Naštěstí (doufejme?) je toto období u konce. Dnešní syntéza těžkých transaktinidů ukazuje, jak výhodné je, když výzkumné skupiny z různých zemí uplatní své odborné znalosti ve společných projektech.

6.1. Syntéza těžkých transaktinidů Prvek 113: Nihon (Nh)

První přípravu prvku 113 – po letech úsilí – provedla japonská skupina v RIKEN pod vedením Kosuke Mority. Navržený název a symbol byly navrženy na počest jejich vlasti: „

Morita a jeho tým začali v roce 2003 bombardovat terč z bismutu ionty zinku a v dubnu 2005 zjistili dvě konzistentní rozpadové řady prvku 113.

Morita a jeho tým začali bombardovat terč z bismutu ionty zinku. To však nebylo považováno za dostatečné pro rozpoznání. Teprve v srpnu 2012, po dalších sedmi letech ozařování, byla pozorována dlouho očekávaná třetí rozpadová řada. Výzkumná skupina svou nekonečnou trpělivostí a vytrvalostí ukázala hranici dnešních technických možností: jedna rozpadová řada za dva roky!“

Příprava dalších tří prvků rozpoznaných v roce 2017 – čísel 115, 117 a 118 – byla výsledkem úzké spolupráce ruských (Dubna) a amerických (Berkeley) vědců. To mělo další výhodu v tom, že se zúčastněné strany dokázaly v předběžných fázích dohodnout na smírném kompromisu, pokud jde o otázku pojmenování.

6.2. Vymezení prvků, které byly identifikovány v roce 2017. Prvek 115 – moskovium (Mc)

Ruské hlavní město bylo poctěno názvem moskovium (Mc), stejně jako tomu již bylo v případě výzkumné lokality Dubna, vzdálené jen 100 km od Moskvy, s prvkem 105 (dubnium).

6.3. Prvek 117 – tennessin (Ts)

Koncovka „ine“ prozrazuje, že tento prvek je spojen se 17. skupinou periodické tabulky: halogeny (fluor, chlor, brom atd.). Navržený název byl pro mnohé překvapivý, protože objev prvku 117 byl připisován týmu Dubna/Berkeley Jurije Oganesjana. Bližší pohled na syntézu však vysvětluje pozadí:

4820Ca +24997Bk → 293 + 4n

Bombardování berkelia-249 ionty vápníku-48 plánoval Oganessianův tým již dlouho. Problém spočíval v tom, že na Zemi existovalo pouze jediné místo, kde bylo možné připravit několik miligramů potřebného berkelia: ve vysokoproudém reaktoru v Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ve státě Tennessee v USA . Tam se skutečně dalo koupit24997Bk, i když za cenu 185 USD za mikrogram (!), bez započtení obalu. Plánovaný experiment vyžadoval 20 mg. Bylo nutné vzít v úvahu nejen vysokou cenu, ale také krátký poločas rozpadu24997Bk: pouze 330 dní. Pro přípravu prvku 117 byl vypracován komplexní americko-ruský masterplán, který zahrnoval všechny aspekty načasování samotného experimentu i dalšího zpracování a přepravy na vzdálenost tisíců kilometrů.

Na jaře 2008 bylo do vysokoproudého reaktoru ORNL zavedeno 40 g kurium-244, které bylo po dobu 23 dnů vystaveno extrémně vysokému neutronovému ozáření. Po vyčerpání paliva bylo palivo vyměněno a vzorek curia byl ozařován dalších 23 dní. Po jedenácti takových cyklech v celkové délce 250 dní bylo připraveno 22 mg 24997Bk, který byl v průběhu následujících šesti měsíců izolován z kuriového vzorku a následně přečištěn (viz obr. 4).

Obrázek 4. Výchozí materiál pro syntézu tennessinu: berkelium-249.

Roztok vzniklého chloridu berkeliového byl umístěn do pěti olověných nádob a dopraven do Moskvy komerčním letem. Spolupráce mezi výzkumníky probíhala bez problémů, totéž se však nedalo říci o následné přepravě vzorků. Dvakrát byly nádoby s berkeleiem odmítnuty na ruských hranicích kvůli chybějícím nebo neúplným dokumentům a následně odeslány zpět do New Yorku. Teprve na třetí pokus se dostaly do ruského Výzkumného ústavu pro atomové reaktory v Dimitrovgradu, kde byly připraveny terčíky. Nakonec mohl 27. července 2009 v Dubně začít vlastní experiment. První rozpadová řada prvku 117 byla nalezena 20. srpna 2009 a v průběhu následujících šesti měsíců bylo zaznamenáno dalších pět rozpadových řad.

6.4. Prvek 118 – Oganesson (Og)

Koncovka „-on“ naznačuje, že tento prvek je uznáván jako jeden ze „vzácných plynů“ (skupina 18). Název, který mu byl přidělen, je poctou Juriji Oganessianovi (viz obr. 5), který se stal teprve druhým žijícím vědcem, po němž byl prvek pojmenován po Glennu T. Seaborgovi seaborgiem. Na otázku, co si o tom myslí, Oganessian odpověděl :

„Pro mě je to čest. Objevu prvku 118 dosáhli vědci ze Spojeného ústavu jaderných výzkumů v Rusku a Lawrence Livermore National Laboratory ve Spojených státech a byli to moji kolegové, kteří navrhli název oganesson. Moje děti a vnoučata žijí ve Spojených státech už desítky let, ale moje dcera mi napsala, když se to dozvěděla, že tu noc nemohla spát, protože tolik plakala. Moje vnoučata naproti tomu, stejně jako všichni mladí lidé, téměř nereagovala.“

Obrázek č. 5. Jurij Oganesjan na arménské známce.

Pro chemiky vyvstává otázka, zda je oganesson nejen formálně vzácným plynem, ale zda se tak i fyzikálně a chemicky chová. Mnozí chemici zůstávají skeptičtí ke kvantověchemickým výpočtům, zejména pokud jde o transaktinidy, protože vysoké rychlosti jejich vnitřních elektronů (70 % rychlosti světla v případě kopericia, Z = 112) se obtížněji zohledňují (relativistické efekty). Jestliže však Dmitrij Mendělejev dokázal i v 19. století provést určité přesné a správné předpovědi pouze pomocí tužky a papíru, měli bychom snad našim teoretikům důvěřovat více. V každém případě lze na základě jejich výpočtů na úvodní otázku „Je prvek 118 vzácný plyn?“ rychle odpovědět: „Oganesson zaručeně není vzácný plyn, ale možná spíše „vzácná kapalina“ s bodem varu 50-110 °C .

Oganesson by navíc měl reagovat s fluorem za vzniku stabilních sloučenin OgF2 a OgF4 , přičemž OgF4 by nebyl planární jako tetrafluorid xenonu, ale tetraedrický. To zatím nelze experimentálně ověřit, protože čtyři syntetické atomy oganessonu zanikly po jediné milisekundě. Podívejme se tedy směrem ke stabilnějším izotopům oganessonu a připravme se na překvapení z jejich chemie.

7. Jak to bude dál?

Co se týče syntézy prvku 119, jsou jaderní výzkumníci stále ještě u startovní brány. Hideto En’yo z japonského výzkumného ústavu RIKEN oznámil bombardování curia ionty vanadu

96Cm + 23V →

a Oganessova skupina chce vystřelovat ionty titanu na berkelium

97Bk + 22Ti →

Je téměř jisté, že tyto experimenty narazí na limity současné technologie. Syntéza ještě těžších prvků jistě předpokládá další významný technický vývoj. Budeme muset sledovat, v jakém časovém období bude potřebného pokroku dosaženo. Přejeme proto našim jaderným vědcům dobré nápady i štěstí při dalším hledání nových prvků. Ne však příliš mnoho štěstí, neboť kdyby náhle narazili na stabilní izotopy, nikdo by si toho ani nevšiml.

Nesmíme zapomínat, že těžká jádra jsou zatím rozpoznatelná pouze na základě jejich radioaktivních stop. Pokud by se tedy objevila stabilní jádra, přejeme jaderným vědcům současně technickou možnost připravit vážitelné množství příslušných prvků. Pak by bylo možné studovat chemické reakce jejich elektronových obalů. A to by bylo vzrušující, protože například teoretické výpočty naznačují, že prvek 123 by měl mít tři částečně zaplněné orbitaly ve třech různých slupkách (8s2 8p 7d 6f). Zvláště netrpělivě bychom měli studovat prvek 125, protože ten bude poprvé zahrnovat obsazené g-orbitály ( 8s2 8p 6f3 5g). Už samotné tvary různých 5g-orbitálů vyvolávají touhu prozkoumat jejich chemii (viz obr. 6). Budeme s očekáváním čekat!“

Obrázek 6. Orbitaly 5g; zleva doprava a shora dolů :
z4, z3y, (x2-y2)(6z2-x2-y2), yz(3×2-y2), x4+y4, xy(x2-y2), xz(x2-3y2), xy(6z2-x2-y2), z3x.

Y. T. Oganessian a další, Results from the First 249Cf+48Ca Experiment, Lawrence Livermore National Laboratory Report 2003.

Y. T. Oganessian, Superheavy elements, Pure. Appl. Chem. 2004, 76, 1715. https://doi.org/10.1351/pac200476091715

R. Gray, Mr Element 118: The only living person on the periodic table, New Scientist 2017, April 15, 40.

Y. T. Oganessian et al, Synthesis of the isotopes of elements 118 and 116 in the 249Cf and 245Cm+48Ca fusion reactions, Phys. Rev. C 2006, 74, 044602. https://doi.org/10.1103/PhysRevC.74.044602

A. H. Wapstra, Criteria that must be satisfied for the discovery of a new chemical element to be recognized, Pure Appl. Chem. 1991, 63, 879. https://doi.org/10.1351/pac199163060879

R. C. Barber et al., Discovery of the transfermium elements, Pure Appl. Chem. 1993, 65, 1757. https://doi.org/10.1351/pac199365081757

P. J. Karol et al., Discovery of the element with atomic number Z = 118 completing the 7th row of the periodic table, Pure Appl. Chem. 2016, 88, 155. https://doi.org/10.1515/pac-2015-0501

W. H. Koppenol, Naming of new elements (IUPAC Recommendations 2002), Pure Appl. Chem. 2002, 74, 787. https://doi.org/10.1351/pac200274050787

W. H. Koppenol et al., How to name new chemical elements (IUPAC Recommendations 2016), Pure Appl. Chem. 2016, 88, 401. https://doi.org/10.1515/pac-2015-0802

J. S. Bardi, An Atom At The End Of The Material World, Inside Science 2010, April 8.

K. Chapman, What it takes to make a new element, ChemistryWorld 2017, January 22.

C. S. Nash, Atomic and Molecular Properties of Elements 112, 114, and 118, J. Phys. Chem. A 2005, 109, 3493. https://doi.org/10.1021/jp050736o

Y.-K. Han, Y. S. Lee, Structures of RgFn (Rg = Xe, Rn, and Element 118. n = 2, 4.) Calculated by Two-component Spin-Orbit Methods. A Spin-Orbit Induced Isomer of (118)F4, J. Phys. Chem. A 1999, 103, 1104. https://doi.org/10.1021/jp983665k

K. S. Pitzer, Fluorides of radon and element 118, J. Chem. Soc. Chem. Comm. 1975, 760. https://doi.org/10.1039/C3975000760B

M. Winter, The Orbitron, winter.group.shef.ac.uk.

Článek byl publikován v němčině jako:

• Ist das Element 118 ein Edelgas?
  Klaus Roth,
  Chem. unserer Zeit 2017, 51, 418-426.
  https://doi.org/10.1002/ciuz.201700838

a byl přeložen W. E. Russey.

New Kids on the Table: Je prvek 118 vzácný plyn? – Část 1

Syntéza těžkých prvků

New Kids on the Table: Je prvek 118 vzácný plyn? – Část 2

Složitá cesta k prvku 118

New Kids on Table: Je prvek 118 vzácný plyn? – Část 3

První syntéza prvku 118, jeho vlastnosti a pojmenování nových prvků

Viz podobné články Klause Rotha publikované v časopise ChemViews

.