Nye børn på bordet: Er grundstof 118 en ædelgas? – Del 3

Det periodiske system af grundstoffer er en af menneskehedens største opdagelser i naturen, da det omfatter alle de byggesten, der binder vores univers sammen i dets kerne: fra den mindste virus til den fjerneste galakse. Sidste gang diskuterede vi den vanskelige vej til grundstof 118. I denne del ser vi på den første syntese af grundstof 118, dets egenskaber, og hvordan nye grundstoffer får navne.

5. Første faktiske syntese af grundstof 118

I 2002 påbegyndte en forskningsgruppe bestående af forskere fra Joint Institute for Nuclear Research i Dubna, Rusland, sammen med Lawrence Livermore National Laboratory i Berkeley, CA, USA, det første syntetiske forsøg på at fremstille grundstof 118 ved at bombardere californium-249 med calcium-48-ioner . Calcium-48 er med en naturlig forekomst på kun 0,19 % meget sjældent og tilsvarende dyrt (200.000 USD/g). For et let grundstof (Z = 20) er det ekstraordinært neutronrigt med et neutrontal på 28, og derfor er det særligt velegnet til syntese af stabile, tunge kerner.

I 100 dage bombarderede holdet et mål bestående af 10 mg 249Cf (0,23 mg/cm2) med en calcium-48 stråle på 2-1012 ca. 17-foldigt positivt ladede ioner pr. sekund; i løbet af tre måneders bestråling blev der i alt 2-1019 calciumioner. I hele denne periode opnåede de kun beviser for en enkelt henfaldssekvens, der kan tilskrives element 118!

4820Ca +24998Cf → 297

Arbejdet blev genoptaget i 2006 og afslørede, som krævet, yderligere to relevante henfaldssekvenser (se fig. 3). Denne gang skulle en lang række forudsætninger opfyldes for at få opdagelsen, der blev offentliggjort i detaljer af International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) og International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) , anerkendt. Der blev ganske vist fastlagt tilstrækkelige henfaldsserier, der var i overensstemmelse med grundstof 118, men ingen af de involverede isotoper var tidligere kendt. Det var således ikke lykkedes at skabe en forbindelse til kendte isotoper, hvorfor anerkendelse måtte nægtes : “De tre analyserede henfaldsserier for en isotop af grundstof Z = 118 er i god indbyrdes overensstemmelse, men i mangel af forankring til kendte kerner er de nødvendige kriterier for anerkendelse ikke opfyldt.”

Figur 3. Eksperimenter, der er relevante for opdagelsen af grundstof 118.

Det var dog muligt at bekræfte henfaldsserien for grundstof 118 via uafhængige undersøgelser, der involverer laterale poster. Således blev element 116 og 114 fremstillet ad uafhængige veje ved bombardement af henholdsvis curium og plutonium med calcium-48-ioner, og deres henfaldsserier blev bestemt (se fig. 3). Disse henfaldsserier viste sig at være i overensstemmelse med de tilsvarende dele af henfaldsserien for element 118. Som følge heraf har IUPAC/IUPAP faktisk udsendt en positiv dom:

“The 2006 Dubna-Livermore collaboration of Oganessian et al. produced three concordant decay chains starting with 294118. Dette resultat blev bekræftet i 2012. Tre andre uafhængige undersøgelser af fusion af tunge grundstoffer tjente til at identificere og bekræfte eksistensen og henfaldsegenskaberne af 294118’s efterkommere 290Lv og 286Fl, der tjener til at forbinde atomnumre gennem krydsbombardementer. Dubna-Livermore-samarbejdet fra 2006 har opfyldt kriterierne for opdagelse, og dets påstand er nu anerkendt som værende valideret.”

Derved blev det officielt anerkendt, at den russisk-amerikanske forskningsgruppe under ledelse af Yuri Oganessian rent faktisk havde opdaget grundstof 118. Formanden for IUPAC’s uorganiske afdeling anmodede derefter om et passende forslag til et navn og et symbol for det nye grundstof. I overensstemmelse med yderligere bestemmelser stemte IUPAC’s plenarforsamling om anerkendelse af opdagelsen og navngivningen af grundstof 118.

6. Navngivning af elementerne 113-118

Den, der har opdaget et element, har ret til at foreslå et navn til det, men de har ikke et helt frit valg. IUPAC og IUPAP har udarbejdet visse gældende regler , og navnet på det nye grundstof skal udledes af :

• a)et mytologisk begreb eller en mytologisk figur, herunder astronomiske objekter
• b)et mineral eller lignende materiale
• c)et sted eller geografisk område
• d)en egenskab ved grundstoffet
• e)navnet på en videnskabsmand

Af hensyn til standardiseringen skal foreslåede grundstofnavne for visse grundstoffer altid have en af følgende endelser:

• Grupper 1-16, herunder elementer i f-blokken: “-ium”
• Gruppe 17 (halogener): “-ine”
• Gruppe 18 (ædelgasser): “-ine”
• Gruppe 18 (ædelgasser): “-on”

Beslutninger om grundstofnavne er vanskelige for alle involverede parter: ikke kun for opdageren, men også for IUPAC/IUPAP. Opdagerne, med deres egne egoer, lever nødvendigvis i et specifikt komplekst politisk miljø, og IUPAC/IUPAP og deres internationale eksperter eksisterer heller ikke i et vakuum. I den kolde krigs tid førte dette til stridigheder, som undertiden har været ret groteske. I en periode på tre årtier blev element 104 således i skolebøgerne i USA identificeret som rutherfordium, men på russisk som kurchatovium. Heldigvis (forhåbentlig?) er denne periode nu forbi. I dag viser syntesen af de tunge transactinider, hvor fordelagtigt det er, når forskergrupper fra forskellige lande anvender deres ekspertise på fælles projekter.

6.1. Element 113: Nihon (Nh)

Element 113 blev først fremstillet – efter mange års indsats – af en japansk gruppe ved RIKEN under ledelse af Kosuke Morita. Det foreslåede navn og symbol blev udformet for at ære deres hjemland: “Nihon” (den opgående sols land) med det tilhørende symbol Nh.

Morita og hans hold begyndte at bombardere et bismuth-mål med zinkioner i 2003, og i april 2005 havde de påvist to konsistente henfaldsserier for grundstof 113. Dette blev dog ikke anset for at være tilstrækkeligt til anerkendelse. Først i august 2012, efter yderligere syv års bestråling, blev den længe ventede tredje henfaldsserie observeret. Med deres uendelige tålmodighed og vedholdenhed viste forskergruppen grænsen for nutidens tekniske muligheder: én henfaldsserie på to år!

Fremstillingen af de tre andre elementer, der blev genkendt i 2017 – nummer 115, 117 og 118 – var resultatet af et tæt samarbejde mellem russiske (Dubna) og amerikanske (Berkeley) forskere. Dette havde den yderligere fordel, at de involverede parter var i stand til at nå til enighed om et mindeligt kompromis med hensyn til spørgsmålet om navngivning i de indledende faser.

6.2. Element 115 – Moscovium (Mc)

Den russiske hovedstad blev hædret med navnet moscovium (Mc), ligesom det allerede havde været tilfældet for forskningsstedet Dubna, kun 100 km fra Moskva, med element 105 (dubnium).

6.3. Grundstof 117 – Tennessin (Ts)

Endelsen “ine” afslører, at dette grundstof er forbundet med den 17. gruppe i det periodiske system: halogenerne (fluor, klor, brom osv.). Det foreslåede navn var overraskende for mange, da grundstof 117’s opdagelse blev tilskrevet Dubna/Berkeley-holdet under Yuri Oganessian. Men et nærmere kig på syntesen forklarer baggrunden:

4820Ca +24997Bk → 293 + 4n

Bombardementet af berkelium-249 med calcium-48-ioner havde været planlagt af Oganessians hold i lang tid. Problemet var, at der kun var ét sted på Jorden, hvor man kunne fremstille nogle få milligram af det nødvendige berkelium: i højfluxreaktoren på Oak Ridge National Laboratory (ORNL) i staten Tennessee, USA . Der kunne man faktisk købe24997Bk, dog til en pris på 185 USD pr. mikrogram (!), uden emballage. Det planlagte forsøg krævede 20 mg. Det var nødvendigt at tage hensyn til ikke blot den høje pris, men også til24997Bk’s korte halveringstid: kun 330 dage. Der blev udarbejdet en omfattende amerikansk-russisk masterplan for forberedelsen af element 117, som omfattede alle aspekter af timingen af selve eksperimentet samt den videre forarbejdning og transport over tusindvis af kilometer.

I foråret 2008 blev 40 g curium-244 indført i ORNL’s højfluxreaktor og udsat for ekstremt høj neutronbestråling i 23 dage. Efter at brændslet var udtømt, blev det udskiftet, og curiumprøven blev bestrålet i yderligere 23 dage. Efter elleve sådanne cyklusser over i alt 250 dage var der fremstillet 22 mg 24997Bk, og i løbet af de næste seks måneder blev det isoleret fra curiumprøven og derefter renset (se fig. 4).

Figur 4. Udgangsmaterialet til tennessinsyntesen: berkelium-249.

En opløsning af det fremkomne berkeliumchlorid blev anbragt i fem blybeholdere og transporteret til Moskva med et kommercielt fly. Samarbejdet mellem forskerne var forløbet uden problemer, men det samme kunne ikke siges med hensyn til den efterfølgende transport af prøverne. To gange blev berkeliumbeholderne afvist ved den russiske grænse på grund af manglende eller ufuldstændige dokumenter, hvorefter de blev sendt tilbage til New York. Først i tredje forsøg nåede de frem til det russiske forskningsinstitut for atomreaktorer i Dimitrovgrad, hvor målskiverne blev forberedt. Endelig kunne det egentlige eksperiment begynde i Dubna den 27. juli 2009. En første henfaldsserie af grundstof 117 blev fundet den 20. august 2009, og i løbet af de næste seks måneder blev der registreret yderligere fem henfaldsserier.

6.4. Grundstof 118 – Oganesson (Og)

Endelsen “-on” antyder, at dette grundstof er anerkendt som en af “ædelgasserne” (gruppe 18). Det navn, der er tildelt det, er en hyldest til Yuri Oganesson (se fig. 5), som kun blev den anden nulevende videnskabsmand, efter hvem et grundstof blev opkaldt efter Glenn T. Seaborg med seaborgium. Da han blev spurgt, hvad han følte ved dette, svarede Oganessian :

“For mig er det en ære. Opdagelsen af grundstof 118 blev opnået af forskere fra Joint Institute for Nuclear Research i Rusland og Lawrence Livermore National Laboratory i USA, og det var mine kolleger, der foreslog navnet oganesson. Mine børn og børnebørn har allerede boet i USA i årtier, men min datter skrev til mig, da hun hørte om det, at hun ikke kunne sove den nat, fordi hun græd så meget. Mine børnebørn reagerede derimod, som alle unge mennesker, knap nok.”

Figur 5. Yuri Oganessian på et armensk frimærke.

For kemikere rejser spørgsmålet sig, om oganesson ikke kun formelt set er en ædelgas, men om den også opfører sig fysisk og kemisk som en sådan. Mange kemikere er fortsat skeptiske over for kvantekemiske beregninger, især med hensyn til transactiniderne, da deres indre elektroners høje hastigheder (70 % af lysets hastighed i tilfældet med copernicium, Z = 112) er vanskeligere at tage hensyn til (relativistiske virkninger). Men hvis Dmitri Mendelejev allerede i det 19. århundrede var i stand til at lave visse præcise og korrekte forudsigelser med blyant og papir, bør vi måske have mere tillid til vores teoretikere. Under alle omstændigheder kan det indledende spørgsmål “Er grundstof 118 en ædelgas?” på grundlag af deres beregninger hurtigt besvares med “Oganesson er med garanti ikke en ædelgas, men måske snarere en “ædelvæske” med et kogepunkt på 50-110 °C .

Oganesson skulle desuden reagere med fluor for at give de stabile forbindelser OgF2 og OgF4 , hvor OgF4 ikke ville være plan som xenontetrafluorid, men tetraedrisk. Dette kan endnu ikke verificeres eksperimentelt, da de fire syntetiske oganessonatomer var væk efter et enkelt millisekund. Lad os derfor se mod mere stabile oganesson-isotoper og forberede os på at blive overrasket af deres kemi.

7. Hvordan går det videre herfra?

Med hensyn til syntesen af grundstof 119 er atomforskerne stadig ved startskuddet. Hideto En’yo fra det japanske forskningsinstitut RIKEN har annonceret et bombardement af curium med vanadium-ioner

96Cm + 23V →

og Oganessia-gruppen vil affyre titanium-ioner på berkelium

97Bk + 22Ti →

Det er næsten sikkert, at disse eksperimenter vil støde på grænserne for den nuværende teknologi. Syntesen af endnu tungere grundstoffer forudsætter helt sikkert yderligere store tekniske fremskridt. Vi må se, over hvilken tidsperiode de nødvendige fremskridt vil blive opnået. Vi ønsker derfor vores atomforskere både gode ideer og held og lykke i deres videre søgen efter nye grundstoffer. Dog ikke for meget held, for hvis de pludselig skulle snuble over stabile isotoper, ville ingen overhovedet bemærke det.

Vi må ikke glemme, at de tunge kerner indtil videre kun kan genkendes på baggrund af deres radioaktive spor. Så hvis der skulle opstå stabile kerner, ønsker vi, at atomforskere samtidig har den tekniske mulighed for at fremstille vejbare mængder af de tilsvarende grundstoffer. Så vil man måske kunne studere kemiske reaktioner i deres elektronskaller. Og det ville være spændende, da teoretiske beregninger f.eks. tyder på, at grundstof 123 skulle besidde tre delvist fyldte orbitaler i tre forskellige skaller (8s2 8p 7d 6f). Vi burde være særligt spændte på at studere element 125, fordi det for første gang vil involvere besatte g-orbitaler ( 8s2 8p 6f3 5g). Alene formen af de forskellige 5g-orbitaler giver anledning til et ønske om at undersøge deres kemi (se fig. 6). Vi venter spændt!

Figur 6. 5g-orbitalerne; fra venstre mod højre og fra top til bund :
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 et al, 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, januar 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, Fluorider af radon og element 118, J. Chem. Soc. Chem. Comm. 1975, 760. https://doi.org/10.1039/C3975000760B

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

Artiklen er blevet udgivet på tysk som:

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

og blev oversat af W. E. Russey.

New Kids on the Table: Er grundstof 118 en ædelgas? – Del 1

Syntesen af tunge grundstoffer

New Kids on the Table: Er grundstof 118 en ædelgas? – Del 2

Den vanskelige vej mod grundstof 118

New Kids on the Table: Er grundstof 118 en ædelgas? – Del 3

Den første syntese af grundstof 118, dets egenskaber og navngivning af nye grundstoffer

Se lignende artikler af Klaus Roth udgivet i ChemViews Magazine