New Kids on the Table: Onko alkuaine 118 jalokaasu? – Osa 3

Elementtien jaksollinen järjestelmä on yksi ihmiskunnan suurimmista luonnonlöydöksistä, sillä se käsittää kaikki ne rakennuspalikat, jotka yhdistävät maailmankaikkeutemme ytimessä toisiinsa: pienimmästä hiukkasviruksesta kaukaisimpaan galaksiin. Viime kerralla keskustelimme vaikeasta tiestä kohti alkuaine 118. Tässä osassa tutustumme alkuaine 118:n ensimmäiseen synteesiin, sen ominaisuuksiin ja siihen, miten uudet alkuaineet nimetään.

5. Alkuaineen 118 ensimmäinen varsinainen synteesi

Vuonna 2002 tutkimusryhmä, joka koostui tiedemiehistä Dubnassa, Venäjällä sijaitsevasta Joint Institute for Nuclear Research -instituutista, aloitti yhdessä Berkeleyssä, Kaliforniassa, USA:ssa sijaitsevan Lawrence Livermoren kansallisen laboratorion kanssa ensimmäisen synteettisen yrityksen tuottaa alkuaine 118 pommittamalla kalifornium-249:ää kalsium-48-ioneilla . Kalsium-48, jonka luonnollinen esiintyvyys on vain 0,19 prosenttia, on hyvin harvinainen ja vastaavasti kallis (200 000 dollaria/g). Kevyeksi alkuaineeksi (Z = 20) se on poikkeuksellisen neutronirikas, sillä sen neutroniluku on 28, ja siksi se soveltuu erityisen hyvin vakaiden raskaiden ytimien synteesiin.

Ryhmä pommitti 100 päivän ajan kohdetta, joka koostui 10 mg:sta 249Cf:ää (0,23 mg/cm2), kalsium-48-säteellä, joka sisälsi 2-1012 noin 17-kertaisesti positiivisesti varattua ionia sekunnissa; kolmen kuukauden säteilytyksen aikana yhteensä 2-1019 kalsiumionia. Koko tänä aikana he saivat todisteita vain yhdestä alkuaineelle 118 kuuluvasta hajoamissekvenssistä!

4820Ca +24998Cf → 297

Työskentelyä jatkettiin vuonna 2006, jolloin paljastui vaaditulla tavalla kaksi muuta relevanttia hajoamissekvenssiä (ks. kuva 3). Tällä kertaa oli täytettävä lukuisia edellytyksiä, jotta löytö voitiin tunnustaa, ja Kansainvälinen puhtaan ja sovelletun kemian liitto (IUPAC) ja Kansainvälinen puhtaan ja sovelletun fysiikan liitto (IUPAP) julkaisivat sen yksityiskohtaisesti. Alkuaineen 118 kanssa yhteensopivat riittävät hajoamissarjat oli tosiaankin todettu, mutta yhtäkään kyseisistä isotoopeista ei tunnettu aiemmin. Yhteyttä tunnettuihin isotooppeihin ei siis pystytty luomaan, joten tunnustaminen oli evättävä : ”Alkuaineen Z = 118 isotoopin kolme analysoitua hajoamissarjaa ovat hyvässä keskinäisessä yhteisymmärryksessä, mutta koska ankkurointia tunnettuihin ytimiin ei ole tehty, tunnustamiskriteerit eivät täyty.”

Kuva 3. Alkuaineen 118 löytämisen kannalta merkitykselliset kokeet.

Alkuaineen 118 hajoamissarja voitiin kuitenkin vahvistaa riippumattomilla tutkimuksilla, joissa käytettiin lateraalisia merkintöjä. Niinpä alkuaineita 116 ja 114 valmistettiin riippumattomia polkuja pitkin pommittamalla curiumia ja plutoniumia kalsium-48-ioneilla, ja niiden hajoamissarjat määritettiin (ks. kuva 3). Näiden hajoamissarjojen todettiin olevan yhdenmukaisia alkuaineen 118 hajoamissarjan vastaavien osien kanssa. Tämän seurauksena IUPAC/IUPAP tosiaan julkaisi myönteisen tuomion:

”Dubna-Livermore-yhteistyössä vuonna 2006 Oganessian et al. tuottivat kolme yhtenevää hajoamissarjaa, jotka alkoivat numerolla 294118. Tämä tulos vahvistettiin vuonna 2012. Kolmen muun riippumattoman raskaan alkuaineen fuusiotutkimuksen avulla tunnistettiin ja vahvistettiin 294118:n jälkeläisten 290Lv:n ja 286Fl:n olemassaolo ja hajoamisominaisuudet, jotka palvelevat atomilukujen yhdistämistä ristipommitusten avulla. Dubna-Livermore 2006 -yhteistyö on täyttänyt löydön kriteerit, ja sen väite tunnustetaan nyt vahvistetuksi.”

Siten tunnustettiin virallisesti, että Juri Oganessianin johtama venäläis-amerikkalainen tutkimusryhmä oli todellakin löytänyt alkuaineen 118. Tämän jälkeen IUPAC:n epäorgaanisen osaston puheenjohtaja pyysi sopivaa nimi- ja symboliehdotusta uudelle alkuaineelle. Lisämääräysten mukaisesti IUPAC:n täysistunto äänesti löydön tunnustamisesta ja alkuaineen 118 nimeämisestä.

6. IUPAC:n täysistunto äänesti alkuaineen 118 nimeämisestä. Alkuaineiden nimeäminen 113-118

Alkuaineen löytäjillä on oikeus ehdottaa sille nimeä, mutta heillä ei ole täysin vapaata valinnanvaraa. IUPAC ja IUPAP ovat kehittäneet tietyt sovellettavat säännöt , ja uuden alkuaineen nimi on johdettava:

• a)mytologisesta käsitteestä tai hahmosta, mukaan lukien tähtitieteelliset kohteet
• b)mineraalista tai vastaavasta aineesta
• c)paikasta tai maantieteellisestä alueesta
• d)alkuaineen ominaispiirteestä
• e)jonkun tiedemiehen nimestä

>
Tietyille alkuaineille ehdotetuilla alkuaineen nimillä tulee standardoinnin vuoksi olla aina jokin seuraavista pääteistä:

• Ryhmät 1-16, mukaan lukien f-lohkon elementit: ”-ium”
• Ryhmä 17 (halogeenit): ”-ine”
• Ryhmä 18 (jalokaasut): ”-on”

Päätökset alkuaineiden nimistä ovat vaikeita kaikille osapuolille: löytäjän lisäksi myös IUPAC/IUPAP:lle. Löytäjät omine egoineen elävät väistämättä tietyssä monimutkaisessa poliittisessa ympäristössä, eivätkä IUPAC/IUPAP ja niiden kansainväliset asiantuntijat myöskään elä tyhjiössä. Kylmän sodan aikana tämä johti kiistoihin, jotka ovat joskus olleet varsin irvokkaita. Niinpä kolmen vuosikymmenen ajan alkuaine 104 tunnettiin Yhdysvalloissa koulukirjoissa nimellä rutherfordium, mutta venäjäksi nimellä kurchatovium. Onneksi (toivottavasti?) tämä ajanjakso on ohi. Nykyään raskaiden transaktinidien synteesi osoittaa, kuinka edullista on, kun eri maiden tutkimusryhmät soveltavat asiantuntemustaan yhteisiin hankkeisiin.

6.1. Raskas transaktinidi. Elementti 113: Nihon (Nh)

Elementti 113 valmistettiin ensimmäisen kerran – vuosien ponnistelujen jälkeen – Kosuke Moritan johtamassa RIKENin japanilaisessa ryhmässä. Ehdotettu nimi ja symboli suunniteltiin kunnioittamaan heidän kotimaataan: ”Nihon” (nousevan auringon maa) ja siihen liittyvä symboli Nh.

Morita ja hänen ryhmänsä alkoivat pommittaa vismuttikohtaa sinkki-ioneilla vuonna 2003, ja huhtikuuhun 2005 mennessä he olivat havainneet alkuaineelle 113 kaksi johdonmukaista hajoamissarjaa. Tätä ei kuitenkaan pidetty riittävänä tunnistamiseen. Vasta elokuussa 2012, seitsemän lisävuoden säteilytyksen jälkeen, havaittiin kauan kaivattu kolmas hajoamissarja. Loputtomalla kärsivällisyydellään ja sitkeydellään tutkijaryhmä osoitti nykyisten teknisten mahdollisuuksien rajan: yksi hajoamissarja kahdessa vuodessa!

Kolmen muun vuonna 2017 tunnistetun alkuaineen – numerot 115, 117 ja 118 – valmistaminen oli venäläisten (Dubna) ja yhdysvaltalaisten (Berkeley) tutkijoiden tiiviin yhteistyön tulos. Tästä oli lisäksi se etu, että osapuolet pystyivät sopimaan sovinnollisesta kompromissista nimeämiskysymyksen suhteen jo alkuvaiheessa.

6.2. Alkuaine 115 – Moscovium (Mc)

Venäjän pääkaupunkia kunnioitettiin nimellä moscovium (Mc), aivan kuten oli jo aiemmin tehty vain 100 kilometrin päässä Moskovasta sijaitsevalle tutkimuspaikalle Dubnalle, jossa oli alkuaine 105 (dubnium).

6.3. Alkuaine 115 – Moscovium (Mc)

. Alkuaine 117 – Tennessiini (Ts)

Pääte ”ine” paljastaa, että tämä alkuaine liittyy jaksollisen järjestelmän 17. ryhmään: halogeeneihin (fluori, kloori, bromi jne.). Ehdotettu nimi oli monille yllättävä, sillä alkuaineen 117 löytäminen on liitetty Juri Oganessianin Dubnan/Berkeleyn ryhmään. Mutta synteesin tarkempi tarkastelu selittää taustan:

4820Ca +24997Bk → 293 + 4n

Berkelium-249:n pommittamista kalsium-48-ioneilla oli Oganessianin tiimi suunnitellut jo pitkään. Ongelmana oli se, että maapallolla oli vain yksi paikka, jossa tarvittavaa berkeliumia voitaisiin valmistaa muutama milligramma: Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa (ORNL) Tennesseen osavaltiossa Yhdysvalloissa sijaitsevassa suurvirtausreaktorissa . Sieltä saattoi itse asiassa ostaa24997Bk:ta, vaikkakin hintaan 185 Yhdysvaltain dollaria mikrogrammaa kohti (!), pakkausta lukuun ottamatta. Suunnitellussa kokeessa tarvittiin 20 mg. Oli otettava huomioon paitsi korkea hinta myös24997Bk:n lyhyt puoliintumisaika: vain 330 päivää. Elementin 117 valmistamiseksi laadittiin kattava amerikkalais-venäläinen yleissuunnitelma, joka kattoi kaikki itse kokeen ajoitukseen sekä jatkokäsittelyyn ja tuhansien kilometrien pituiseen kuljetukseen liittyvät näkökohdat.

Keväällä 2008 ORNL:n korkeavirtausreaktoriin syötettiin 40 g curium-244:ää, ja sitä säteilytettiin erittäin voimakkaalla neutronisäteilytyksellä 23 päivän ajan. Kun polttoaine oli käytetty loppuun, se vaihdettiin, ja curium-näytettä säteilytettiin toiset 23 päivää. Yhdentoista tällaisen, yhteensä 250 päivää kestäneen syklin jälkeen oli valmistettu 22 mg 24997Bk:ta, ja seuraavien kuuden kuukauden aikana se eristettiin kuriumnäytteestä ja puhdistettiin (ks. kuva 4).

Kuva 4. Tennessiinisynteesin lähtöaine: berkelium-249.

Tuloksena saadun berkeliumkloridin liuos sijoitettiin viiteen lyijyastiaan ja kuljetettiin Moskovaan kaupallisella lennolla. Tutkijoiden välinen yhteistyö oli sujunut ongelmitta, mutta samaa ei voitu sanoa myöhemmästä näytekuljetuksesta. Kahdesti berkelium-astiat hylättiin Venäjän rajalla puuttuvien tai puutteellisten asiakirjojen vuoksi, minkä jälkeen ne lähetettiin takaisin New Yorkiin. Vasta kolmannella yrittämällä ne pääsivät Dimitrovgradissa sijaitsevaan Venäjän atomireaktoreiden tutkimuslaitokseen, jossa kohdelevyt valmistettiin. Lopulta varsinainen koe voitiin aloittaa Dubnassa 27. heinäkuuta 2009. Ensimmäinen alkuaineen 117 hajoamissarja löydettiin 20. elokuuta 2009, ja seuraavien kuuden kuukauden aikana kirjattiin viisi muuta hajoamissarjaa.

6.4. Alkuaineen 117 ensimmäinen hajoamissarja löydettiin 20. elokuuta 2009. Alkuaine 118 – Oganesson (Og)

Pääte ”-on” viittaa siihen, että tämä alkuaine tunnustetaan yhdeksi ”jalokaasuista” (ryhmä 18). Sille annettu nimi on kunnianosoitus Juri Oganessille (ks. kuva 5), josta tuli vasta toinen elossa oleva tiedemies, jolle alkuaine on nimetty Glenn T. Seaborgin jälkeen seaborgiumilla. Kun häneltä kysyttiin, mitä mieltä hän oli siitä, Oganessian vastasi :

”Minulle se on kunnia. Alkuaineen 118 löytäminen onnistui Venäjällä sijaitsevan Joint Institute for Nuclear Researchin ja Yhdysvalloissa sijaitsevan Lawrence Livermoren kansallisen laboratorion tiedemiehiltä, ja juuri kollegani ehdottivat nimeä oganesson. Lapseni ja lapsenlapseni ovat asuneet Yhdysvalloissa jo vuosikymmeniä, mutta tyttäreni kirjoitti minulle kuultuaan asiasta, että hän ei pystynyt nukkumaan sinä yönä, koska hän itki niin paljon. Lapsenlapseni sen sijaan, kuten kaikki nuoret, tuskin reagoivat.”

Kuva 5. Juri Oganessian armenialaisessa postimerkissä.

Kemistien kannalta herää kysymys, onko oganesson paitsi muodollisesti jalokaasu, myös käyttäytyykö se fysikaalisesti ja kemiallisesti sen tavoin. Monet kemistit suhtautuvat edelleen epäilevästi kvanttikemiallisiin laskelmiin erityisesti transaktinidien osalta, koska niiden sisäisten elektronien suuria nopeuksia (70 % valonnopeudesta kopernikiumin tapauksessa, Z = 112) on vaikeampi ottaa huomioon (relativistiset vaikutukset). Mutta jos Dmitri Mendelejev pystyi jo 1800-luvulla tekemään tarkkoja ja oikeita ennusteita pelkän kynän ja paperin avulla, meidän pitäisi ehkä luottaa enemmän teoreetikoihimme. Joka tapauksessa heidän laskelmiensa perusteella avauskysymykseen ”Onko alkuaine 118 jalokaasu?” voidaan nopeasti vastata: ”Oganesson ei taatusti ole jalokaasu, vaan ehkä pikemminkin ”jaloneste”, jonka kiehumispiste on 50-110 °C .

Lisäksi oganessonin pitäisi reagoida fluorin kanssa muodostaen stabiileja yhdisteitä OgF2 ja OgF4 , joissa OgF4 ei olisi ksenontetrafluoridin tapaan planaarinen vaan tetraedrinen. Tätä ei voida vielä todentaa kokeellisesti, koska neljä synteettistä oganessoniatomia hävisi yhden millisekunnin kuluttua. Katsokaamme siis kohti vakaampia oganessonin isotooppeja ja valmistautukaa yllättymään niiden kemiasta.

7. Miten tästä eteenpäin?

Alkuaineen 119 synteesin osalta ydintutkijat ovat vielä lähtökuopissa. Hideto En’yo japanilaisesta tutkimuslaitoksesta RIKENistä on ilmoittanut pommittavansa curiumia vanadiumioneilla

96Cm + 23V →

ja Oganessin ryhmä haluaa ampua titaani-ioneilla berkeliumia

97Bk + 22Ti →

On melkein varmaa, että näissä kokeissa tullaan törmäämään nykytekniikan rajoituksiin. Vielä raskaampien alkuaineiden synteesi edellyttää varmasti lisää suurta teknistä kehitystä. Meidän on nähtävä, millä aikavälillä tarvittava edistys saavutetaan. Toivotammekin ydintutkijoillemme hyviä ideoita ja onnea uusien alkuaineiden etsinnässä. Ei kuitenkaan liikaa onnea, sillä jos he yhtäkkiä törmäisivät stabiileihin isotooppeihin, kukaan ei edes huomaisi sitä.

Me emme saa unohtaa, että raskaat ytimet ovat toistaiseksi tunnistettavissa vain niiden radioaktiivisten jälkien perusteella. Jos siis stabiileja ytimiä syntyisi, toivomme ydintutkijoille samanaikaisesti teknistä mahdollisuutta valmistaa punnittavia määriä vastaavia alkuaineita. Silloin voitaisiin tutkia niiden elektronikuorien kemiallisia reaktioita. Ja se olisi jännittävää, sillä esimerkiksi teoreettisten laskelmien mukaan alkuaineella 123 pitäisi olla kolme osittain täytettyä orbitaalia kolmessa eri kuoressa (8s2 8p 7d 6f). Meidän pitäisi olla erityisen innokkaita tutkimaan alkuainetta 125, koska siinä on ensimmäistä kertaa miehitettyjä g-orbitaaleja ( 8s2 8p 6f3 5g). Pelkästään eri 5g-orbitaalien muodot aiheuttavat halun tutkia niiden kemiaa (ks. kuva 6). Odotamme innolla!

Kuva 6. 5g-orbitaalit; vasemmalta oikealle ja ylhäältä alas :
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 ym, 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 (Herra alkuaine 118: ainoa elävä ihminen jaksollisessa järjestelmässä), New Scientist 2017, 15.4.40.

Y. T. Oganessian et al., Synteesi alkuaineiden 118:n ja 116:n isotoopeista 249Cf- ja 245Cm+48Ca-fuusioreaktioissa, 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, Uusien alkuaineiden nimeäminen (IUPAC Recommendations 2002), Pure Appl. Chem. 2002, 74, 787. https://doi.org/10.1351/pac200274050787

W. H. Koppenol et al., Kuinka nimetä uusia kemiallisia alkuaineita (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, 8.4.

K. Chapman, What it takes to make a new element, ChemistryWorld 2017, 22.1.

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, Radonin ja alkuaineen 118 fluoridit, J. Chem. Soc. Chem. Comm. 1975, 760. https://doi.org/10.1039/C3975000760B

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

Artikkeli on julkaistu saksaksi nimellä:

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

ja sen on kääntänyt W. E. Russey.

New Kids on the Table: Onko alkuaine 118 jalokaasu? – Osa 1

Raskaiden alkuaineiden synteesi

New Kids on the Table: Onko alkuaine 118 jalokaasu? – Osa 2

Vaikea tie kohti alkuaine 118

New Kids on the Table: Is Element 118 a Noble Gas? – Osa 3

Elementin 118 ensimmäinen synteesi, sen ominaisuudet ja uusien alkuaineiden nimeäminen

Katso Klaus Rothin samankaltaisia artikkeleita, jotka on julkaistu ChemViews Magazinessa