Los nuevos niños de la tabla: ¿Es el elemento 118 un gas noble? – Parte 3

La tabla periódica de los elementos es uno de los mayores descubrimientos de la humanidad en la naturaleza, ya que abarca todos los bloques de construcción que unen nuestro universo en su corazón: desde el virus más diminuto hasta la galaxia más lejana. La última vez, hablamos del difícil camino hacia el elemento 118. En esta parte, echamos un vistazo a la primera síntesis del elemento 118, sus propiedades y cómo se nombran los nuevos elementos.

5. Primera síntesis real del elemento 118

En 2002, un grupo de investigación formado por científicos del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Dubna, Rusia, junto con el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de Berkeley, California, Estados Unidos, comenzó con el primer esfuerzo sintético para producir el elemento 118 mediante el bombardeo de californio-249 con iones de calcio-48 . El calcio-48, con una abundancia natural de sólo el 0,19%, es muy raro y, en consecuencia, muy costoso (200.000 dólares/g). Para un elemento ligero (Z = 20), es extraordinariamente rico en neutrones, con un recuento de neutrones de 28, y por esa razón, especialmente adecuado para la síntesis de núcleos estables y pesados.

Durante 100 días, el equipo bombardeó un blanco consistente en 10 mg de 249Cf (0,23 mg/cm2) con un haz de calcio-48 de 2-1012 iones de carga positiva aproximadamente 17 por segundo; en el transcurso de tres meses de irradiación, un total de 2-1019 iones de calcio. Durante todo este período, obtuvieron pruebas de una única secuencia de desintegración atribuible al elemento 118!

4820Ca +24998Cf → 297

El trabajo se reanudó en 2006, revelando, como era necesario, otras dos secuencias de desintegración relevantes (véase la Fig. 3). Esta vez, debían cumplirse numerosos requisitos previos para el reconocimiento del descubrimiento, publicado en detalle por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) y la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP) . En efecto, se establecieron suficientes series de desintegración consistentes con el elemento 118, pero ninguno de los isótopos implicados se conocía previamente. Por lo tanto, no se pudo crear un vínculo con isótopos conocidos, por lo que hubo que denegar el reconocimiento: «Las tres series de desintegración analizadas para un isótopo del elemento Z = 118 están en buena concordancia, pero en ausencia de anclaje a núcleos conocidos, no se cumplen los criterios requeridos para el reconocimiento»

Figura 3. Experimentos relevantes para el descubrimiento del elemento 118.

Sin embargo, fue posible confirmar la serie de desintegración del elemento 118 mediante estudios independientes que incluían entradas laterales. Así, los elementos 116 y 114 se prepararon por vías independientes mediante el bombardeo de curio y plutonio, respectivamente, con iones de calcio-48, y se determinaron sus series de desintegración (véase la Fig. 3). Estas series de desintegración resultaron ser consistentes con las partes correspondientes de la serie de desintegración del elemento 118. En consecuencia, la IUPAC/IUPAP emitió un juicio positivo:

«La colaboración Dubna-Livermore de 2006 de Oganessian et al. produjo tres cadenas de desintegración concordantes que comienzan con 294118. Este resultado se confirmó en 2012. Otros tres estudios independientes de fusión de elementos pesados sirvieron para identificar y confirmar la existencia y las propiedades de desintegración de los descendientes de 294118, 290Lv y 286Fl, que sirven para relacionar los números atómicos mediante bombardeos cruzados. La colaboración Dubna-Livermore 2006 ha satisfecho los criterios de descubrimiento y su afirmación se reconoce ahora como validada»

Así, se reconoció oficialmente que el grupo de investigación ruso-americano bajo la dirección de Yuri Oganessian había descubierto efectivamente el elemento 118. El Presidente de la División Inorgánica de la IUPAC solicitó entonces una sugerencia adecuada para el nombre y el símbolo del nuevo elemento. En consonancia con el reglamento adicional, la sesión plenaria de la IUPAC votó el reconocimiento del descubrimiento y la denominación del elemento 118.

6. La denominación de los elementos 113-118

Los descubridores de un elemento tienen derecho a sugerir un nombre para el mismo, pero no tienen total libertad de elección. La IUPAC y la IUPAP han desarrollado ciertas reglas aplicables , y el nombre del nuevo elemento debe ser derivado:

• a)un concepto o personaje mitológico, incluidos los objetos astronómicos
• b)un mineral o material similar
• c)un lugar o región geográfica
• d)una característica del elemento
• e)el nombre de un científico

En aras de la estandarización, los nombres sugeridos para ciertos elementos deben tener siempre una de las siguientes terminaciones:

• Grupos 1-16, incluidos los elementos del bloque f: «-ium»
• Grupo 17 (halógenos): «-ine»
• Grupo 18 (gases nobles): «-on»

Las decisiones sobre los nombres de los elementos son difíciles para todas las partes implicadas: no sólo el descubridor, sino también la IUPAC/IUPAP. Los descubridores, con sus propios egos, viven necesariamente en un entorno político específico y complejo, y la IUPAC/IUPAP y sus expertos internacionales tampoco existen en el vacío. En la época de la Guerra Fría, esto dio lugar a disputas que a veces han sido bastante grotescas. Así, durante tres décadas, el elemento 104 se identificó en los libros de texto de Estados Unidos como rutherfordium, pero en ruso como kurchatovium. Afortunadamente (¿esperamos?), este periodo ha terminado. Hoy en día, la síntesis de los transactínidos pesados demuestra lo ventajoso que es cuando los grupos de investigación de diferentes países aplican sus conocimientos a proyectos comunes.

6.1. Elemento 113: Nihon (Nh)

El elemento 113 fue preparado por primera vez -tras años de esfuerzo- por un grupo japonés del RIKEN dirigido por Kosuke Morita. El nombre y el símbolo propuestos se diseñaron en honor a su patria: «Nihon» (tierra del sol naciente), con el símbolo Nh que lo acompaña.

Morita y su equipo comenzaron a bombardear un blanco de bismuto con iones de zinc en 2003, y en abril de 2005 habían detectado dos series de desintegración consistentes para el elemento 113. Sin embargo, esto no se consideró suficiente para el reconocimiento. Sólo en agosto de 2012, tras siete años más de irradiación, se observó la tan ansiada tercera serie de desintegración. Con su infinita paciencia y tenacidad, el grupo de investigación mostró el límite de las posibilidades técnicas actuales: ¡una serie de desintegración en dos años!

La preparación de los otros tres elementos reconocidos en 2017 -los números 115, 117 y 118- fue el resultado de una estrecha colaboración entre científicos rusos (Dubna) y estadounidenses (Berkeley). Esto tuvo la ventaja adicional de que las partes implicadas pudieron acordar un compromiso amistoso con respecto a la cuestión de la denominación en las etapas preliminares.

6.2. Elemento 115 – Moscovium (Mc)

Se honró a la capital rusa con el nombre de moscovium (Mc), al igual que ya se había hecho con el sitio de investigación Dubna, a sólo 100 km de Moscú, con el elemento 105 (dubnium).

6.3. Elemento 117 – Tennessina (Ts)

La terminación «ine» revela que este elemento se asocia al 17º grupo de la tabla periódica: los halógenos (flúor, cloro, bromo, etc.). El nombre sugerido fue sorprendente para muchos, ya que el descubrimiento del elemento 117 se atribuyó al equipo de Dubna/Berkeley de Yuri Oganessian. Pero una mirada más atenta a la síntesis explica el trasfondo:

4820Ca +24997Bk → 293 + 4n

El bombardeo del berkelio-249 con iones de calcio-48 había sido planeado por el equipo de Oganessian durante mucho tiempo. El problema era que sólo había un lugar en la Tierra donde se podían preparar unos pocos miligramos del berkelio necesario: en el reactor de alto flujo del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), en el estado de Tennessee, Estados Unidos. Allí se podía comprar 24997Bk, aunque a un precio de 185 dólares por microgramo (¡!), sin incluir el embalaje. El experimento previsto requería 20 mg. Había que tener en cuenta no sólo el elevado coste, sino también la corta vida media del24997Bk: sólo 330 días. Para la preparación del elemento 117 se elaboró un amplio plan maestro ruso-estadounidense que abarcaba todos los aspectos del calendario del propio experimento, así como su posterior procesamiento y transporte a lo largo de miles de kilómetros.

En la primavera de 2008, se introdujeron 40 g de curio-244 en el reactor de alto flujo del ORNL, y se sometieron a una irradiación neutrónica extremadamente alta durante 23 días. Una vez agotado el combustible, se sustituyó y se irradió la muestra de curio durante otros 23 días. Después de once ciclos de este tipo durante un total de 250 días, se prepararon 22 mg de 24997Bk y, durante los seis meses siguientes, se aisló de la muestra de curio y se purificó (véase la Fig. 4).

Figura 4. El material de partida para la síntesis de la tennessina: berkelio-249.

Una solución del cloruro de berkelio resultante se colocó en cinco receptáculos de plomo y se transportó a Moscú en un vuelo comercial. Los esfuerzos de colaboración entre los investigadores habían transcurrido sin problemas, sin embargo, no se podía decir lo mismo con respecto al transporte posterior de las muestras. En dos ocasiones, los contenedores de berkelio fueron rechazados en la frontera rusa por falta de documentos o por estar incompletos, y fueron devueltos a Nueva York. Sólo en el tercer intento llegaron al Instituto Ruso de Investigación de Reactores Atómicos de Dimitrovgrad, donde se prepararon los discos objetivo. Finalmente, el experimento real pudo comenzar en Dubna el 27 de julio de 2009. El 20 de agosto de 2009 se encontró una primera serie de desintegración del elemento 117, y en el transcurso de los seis meses siguientes se registraron otras cinco series de desintegración Elemento 118 – Oganesson (Og)

La terminación «-on» implica que este elemento es reconocido como uno de los «gases nobles» (grupo 18). El nombre que se le ha asignado es un homenaje a Yuri Oganessian (véase la Fig. 5), que se convirtió en el segundo científico vivo que da nombre a un elemento, después de que Glenn T. Seaborg lo hiciera con el seaborgio. Cuando se le preguntó qué sentía al respecto, Oganessian respondió :

«Para mí, es un honor. El descubrimiento del elemento 118 fue realizado por científicos del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Rusia y del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de Estados Unidos, y fueron mis colegas quienes sugirieron el nombre de oganesson. Mis hijos y mis nietos llevan ya décadas viviendo en Estados Unidos, pero mi hija me escribió cuando se enteró de ello que esa noche no pudo dormir de tanto llorar. Mis nietos, en cambio, como todos los jóvenes, apenas reaccionaron»

Figura 5. Yuri Oganessian en un sello armenio.

Para los químicos, se plantea la cuestión de si el oganesson no sólo es formalmente un gas noble, sino que también se comporta física y químicamente como tal. Muchos químicos siguen siendo escépticos respecto a los cálculos cuánticos, especialmente en lo que se refiere a los transactínidos, ya que las altas velocidades de sus electrones internos (70 % de la velocidad de la luz en el caso del copernicio, Z = 112) son más difíciles de tener en cuenta (efectos relativistas). Pero si Dimitri Mendeléyev fue capaz de hacer ciertas predicciones precisas y correctas incluso en el siglo XIX utilizando sólo lápiz y papel, quizás deberíamos confiar más en nuestros teóricos. En cualquier caso, basándose en sus cálculos, la pregunta inicial «¿Es el elemento 118 un gas noble?» puede responderse rápidamente con «Se garantiza que el oganessón no es un gas noble, sino quizás más bien un «líquido noble», con un punto de ebullición de 50-110 °C.

Además, el oganessón debería reaccionar con el flúor para dar los compuestos estables OgF2 y OgF4 , donde el OgF4 no sería planar como el tetrafluoruro de xenón, sino tetraédrico. Esto todavía no puede verificarse experimentalmente, ya que los cuatro átomos sintéticos de oganesson desaparecidos después de un solo milisegundo. Por lo tanto, miremos hacia isótopos de oganesson más estables, y preparémonos para ser sorprendidos por su química.

7. ¿Cómo proceden las cosas desde aquí?

Con respecto a la síntesis del elemento 119, los investigadores nucleares todavía están en las puertas de salida. Hideto En’yo, del instituto de investigación japonés RIKEN, ha anunciado un bombardeo de curio con iones de vanadio

96Cm + 23V →

y el grupo de Oganessian quiere disparar iones de titanio al berkelio

97Bk + 22Ti →

Es casi seguro que estos experimentos chocarán con los límites de la tecnología actual. La síntesis de elementos aún más pesados presupone, sin duda, otros grandes desarrollos técnicos. Habrá que ver en qué plazo se logran los avances necesarios. Por lo tanto, deseamos a nuestros científicos nucleares buenas ideas y buena suerte en su búsqueda de nuevos elementos. Sin embargo, no demasiada suerte, ya que si de repente tropezaran con isótopos estables, nadie se daría cuenta de ello.

No debemos olvidar que los núcleos pesados son hasta ahora reconocibles sólo en base a sus huellas radiactivas. Así que si surgieran núcleos estables, desearíamos que los científicos nucleares tuvieran simultáneamente la posibilidad técnica de preparar cantidades pesadas de los elementos correspondientes. Entonces se podrían estudiar las reacciones químicas de sus capas de electrones. Y eso sería apasionante ya que, por ejemplo, los cálculos teóricos sugieren que el elemento 123 debería poseer tres orbitales parcialmente llenos en tres cáscaras diferentes (8s2 8p 7d 6f). Deberíamos estar especialmente ansiosos por estudiar el elemento 125, porque implicará por primera vez orbitales g ocupados ( 8s2 8p 6f3 5g). Sólo las formas de los diferentes orbitales 5g provocan el deseo de examinar su química (véase la Fig. 6). Esperaremos expectantes!

Figura 6. Los orbitales 5g; de izquierda a derecha y de arriba a abajo :
z4, z3y, (x2-y2)(6z2-x2-y2), yz(3×2-y2), x4+y4, xy(x2-y2), xz(x2-3y2), xy(6z2-x2-y2), z3x.

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El artículo ha sido publicado en alemán como:

• Ist das Element 118 ein Edelgas?
  Klaus Roth,
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  https://doi.org/10.1002/ciuz.201700838

y fue traducido por W. E. Russey.

New Kids on the Table: ¿Es el elemento 118 un gas noble? – Parte 1

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El difícil camino hacia el elemento 118

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