Kapcsolódó társadalmak
Az elemek periódusos rendszere az emberiség egyik legnagyobb felfedezése a természetben, hiszen magában foglalja az összes építőelemet, amelyek a világegyetemünket a szívében összekötik: a legkisebb vírustól a legtávolabbi galaxisig. Legutóbb a 118. elemhez vezető nehéz útról beszéltünk. Ebben a részben a 118-as elem első szintézisét, tulajdonságait és az új elemek elnevezésének módját tekintjük át.
5. A 118-as elem első tényleges szintézise
2002-ben az oroszországi Dubnában található Joint Institute for Nuclear Research tudósaiból álló kutatócsoport az amerikai Berkeleyben található Lawrence Livermore Nemzeti Laboratóriummal közösen megkezdte az első szintetikus kísérletet a 118-as elem előállítására a kalifornium-249 kálcium-48 ionokkal való bombázásával . A kalcium-48, amelynek természetes előfordulása mindössze 0,19 %, nagyon ritka, és ennek megfelelően költséges (200 000 USD/g). Könnyű elemként (Z = 20) 28 neutronszámával rendkívül neutrongazdag, és ezért különösen alkalmas stabil, nehéz atommagok szintézisére.
A csoport 100 napon keresztül egy 10 mg 249Cf-ből (0,23 mg/cm2) álló céltárgyat másodpercenként 2-1012 nagyjából 17-szeres pozitív töltésű ionból álló kalcium-48 sugárral bombázott; a három hónapos besugárzás során összesen 2-1019 kalciumiont. Ez alatt az egész idő alatt csak egyetlen, a 118-as elemnek tulajdonítható bomlási szekvenciára kaptak bizonyítékot!
4820Ca +24998Cf → 297
A munkát 2006-ban folytatták, és a követelményeknek megfelelően további két releváns bomlási szekvenciát mutattak ki (lásd a 3. ábrát). Ezúttal számos előfeltételnek kellett teljesülnie a felfedezés elismeréséhez, amelyet a Nemzetközi Tiszta és Alkalmazott Kémiai Unió (IUPAC) és a Nemzetközi Tiszta és Alkalmazott Fizikai Unió (IUPAP) részletesen közzétett. A 118-as elemnek megfelelő bomlássorozatokat valóban megállapították, de az érintett izotópok egyike sem volt korábban ismert. Nem sikerült tehát kapcsolatot teremteni az ismert izotópokkal, így az elismerést meg kellett tagadni : “A Z = 118 elem izotópjának három elemzett bomlási sorozata jó kölcsönös összhangban van, de az ismert atommagokhoz való rögzítés hiányában az elismeréshez szükséges kritériumok nem teljesülnek.”
3. ábra. A 118. elem felfedezéséhez kapcsolódó kísérletek.
A 118. elem bomlási sorozatát azonban sikerült megerősíteni az oldalsó belépésekkel kapcsolatos független vizsgálatok révén. Így a 116. és 114. elemet független utakon, a kúrium, illetve a plutónium kalcium-48 ionokkal való bombázásával állították elő, és meghatározták bomlási sorozataikat (lásd a 3. ábrát). Ezek a bomlási sorozatok összhangban voltak a 118-as elem bomlási sorozatának megfelelő részeivel. Ennek következtében az IUPAC/IUPAP valóban pozitív ítéletet adott ki:
“Az Oganessian et al. 2006-os Dubna-Livermore kollaborációja három egybehangzó bomlási sorozatot állított elő, kezdve a 294118-cal. Ezt az eredményt 2012-ben megerősítették. Három másik független nehézelem fúziós vizsgálat szolgált a 294118 leszármazottainak 290Lv és 286Fl létezésének és bomlási tulajdonságainak azonosítására és megerősítésére, amelyek az atomszámok keresztbombázások általi összekapcsolását szolgálják. A Dubna-Livermore 2006-os kollaboráció teljesítette a felfedezés kritériumait, és állítását most már igazoltnak ismerik el.”
Így hivatalosan is elismerték, hogy a Jurij Oganesszian vezette orosz-amerikai kutatócsoport valóban felfedezte a 118-as elemet. Az IUPAC Szervetlen Osztályának elnöke ezután megfelelő javaslatot kért az új elem nevére és szimbólumára. A további szabályzatokkal összhangban az IUPAC plenáris ülése megszavazta a felfedezés elismerését és a 118-as elem elnevezését.
6. Az elemek elnevezése 113-118
Az elem felfedezőinek jogukban áll javaslatot tenni az elem nevére, de nem teljesen szabadon választhatnak. Az IUPAC és az IUPAP bizonyos alkalmazandó szabályokat dolgozott ki , és az új elem nevét kell levezetni:
- a)egy mitológiai fogalom vagy szereplő, beleértve a csillagászati objektumokat is
- b)egy ásvány vagy hasonló anyag
- c)egy hely vagy földrajzi régió
- d)az elem egy jellemzője
- e)egy tudós neve
A szabványosítás érdekében bizonyos elemek javasolt elemneveinek mindig az alábbi végződések valamelyikét kell tartalmazniuk:
- 1-16. csoport, beleértve az f-blokk elemeit is: “-ium”
- 17. csoport (halogének): 18. csoport (nemesgázok): “-ine”
- 18. csoport (nemesgázok): “-on”
Az elemnevekkel kapcsolatos döntések minden érintett félnek nehézséget okoznak: nemcsak a felfedezőnek, hanem az IUPAC/IUPAP-nak is. A felfedezők a saját egójukkal szükségszerűen egy sajátos, összetett politikai környezetben élnek, és az IUPAC/IUPAP és nemzetközi szakértői sem léteznek légüres térben. A hidegháború idején ez néha egészen groteszk vitákhoz vezetett. Így például három évtizeden keresztül a 104-es elemet az Egyesült Államokban a tankönyvekben rutherfordiumként, oroszul viszont kurcsatoviumként azonosították. Szerencsére (remélhetőleg?) ez az időszak véget ért. Ma a nehéz transzaktinidák szintézise mutatja, milyen előnyös, ha különböző országok kutatócsoportjai közös projektekben kamatoztatják szaktudásukat.
6.1. A nehéz transzaktinidák szintézise és szintézise 113. elem: Nihon (Nh)
A 113-as elemet először – többéves erőfeszítés után – a RIKEN japán csoportja állította elő Kosuke Morita vezetésével. A javasolt nevet és szimbólumot hazájuk tiszteletére tervezték: “Nihon” (a felkelő nap országa), a hozzá tartozó Nh szimbólummal.
Morita és csapata 2003-ban kezdett el cinkionokkal bombázni egy bizmut céltárgyat, és 2005 áprilisára a 113-as elem két konzisztens bomlási sorozatát mutatták ki. Ezt azonban nem tartották elegendőnek a felismeréshez. Csak 2012 augusztusában, további hét év besugárzás után figyelték meg a régóta várt harmadik bomlási sorozatot. A kutatócsoport végtelen türelmével és kitartásával megmutatta a mai technikai lehetőségek határát: két év alatt egy bomlási sorozat!”
A 2017-ben felismert három másik elem – a 115, 117 és 118-as számok – előállítása orosz (Dubna) és amerikai (Berkeley) tudósok szoros együttműködésének eredménye volt. Ennek további előnye volt, hogy az érintett felek az elnevezés kérdésében már az előkészítő fázisban békés kompromisszumot tudtak kötni.”
6.2. Az új elemek elnevezése
. A 115. elem – Moszkovium (Mc)
Az orosz főváros a Moszkovium (Mc) névvel tisztelgett, ahogyan korábban már a Moszkvától mindössze 100 km-re fekvő Dubna kutatóhelyet is megtisztelték a 105. elemmel (dubnium).
6.3. elem. 117. elem – Tennessin (Ts)
Az “ine” végződés elárulja, hogy ez az elem a periódusos rendszer 17. csoportjához tartozik: a halogénekhez (fluor, klór, bróm stb.). A javasolt név sokakat meglepett, hiszen a 117-es elem felfedezését Jurij Oganesszian Dubna/Berkeley csapatának tulajdonították. A szintézis közelebbi vizsgálata azonban megmagyarázza a hátteret:
4820Ca +24997Bk → 293 + 4n
A berkélium-249 kalcium-48 ionokkal való bombázását már régóta tervezte Oganessian csapata. A probléma az volt, hogy a Földön csak egyetlen olyan hely volt, ahol a szükséges berkéliumból néhány milligrammnyi mennyiséget elő lehetett volna állítani: az Egyesült Államok Tennessee államában található Oak Ridge Nemzeti Laboratórium (ORNL) nagy fluxusú reaktorában . Ott valóban lehetett vásárolni24997Bk-t, bár mikrogrammonként (!) 185 dollárért, csomagolás nélkül. A tervezett kísérlethez 20 mg-ra volt szükség. Nemcsak a magas árat kellett figyelembe venni, hanem a24997Bk rövid felezési idejét is: mindössze 330 nap. A 117-es elem előállítására átfogó amerikai-orosz mestertervet dolgoztak ki, amely magának a kísérletnek az időzítésére, valamint a további feldolgozásra és a több ezer kilométeres szállításra is kiterjedt.
2008 tavaszán 40 g karbium-244-et vittek be az ORNL nagyáramú reaktorába, és 23 napon át rendkívül erős neutronsugárzásnak vetették alá. Miután az üzemanyag kimerült, kicserélték, és a karbiummintát újabb 23 napig besugározták. Tizenegy ilyen ciklus után, összesen 250 nap alatt 22 mg 24997Bk-t állítottak elő, amelyet a következő hat hónap során izoláltak a kúriummintából, majd tisztítottak (lásd a 4. ábrát).
4. ábra. A tennesszinszintézis kiindulási anyaga: berkélium-249.
A kapott berkélium-klorid oldatát öt ólomtartályba helyezték, és egy kereskedelmi járaton Moszkvába szállították. A kutatók közötti együttműködés problémamentesen zajlott, azonban ugyanez nem mondható el a későbbi mintaszállításról. A berkéliumtartályokat kétszer is visszautasították az orosz határon a hiányzó vagy hiányos dokumentumok miatt, majd visszaküldték őket New Yorkba. Csak a harmadik próbálkozásra jutottak el a Dimitrovgrádi Orosz Atomreaktorkutató Intézetbe, ahol elkészítették a céllemezeket. Végül 2009. július 27-én Dubnában megkezdődhetett a tényleges kísérlet. A 117-es elem első bomlássorozatát 2009. augusztus 20-án találták meg, és a következő hat hónap során további öt bomlássorozatot rögzítettek.
6.4. Az első bomlássorozatot 2009. augusztus 20-án találták meg. 118. elem – Oganesson (Og)
A “-on” végződés arra utal, hogy ezt az elemet a “nemesgázok” (18. csoport) egyikeként ismerik el. A hozzá rendelt név tisztelgés Jurij Oganesszian (lásd az 5. ábrát) előtt, aki csak a második élő tudós lett, akiről Glenn T. Seaborg után a seaborgiummal elemet neveztek el. Amikor megkérdezték, hogy mit érez ezzel kapcsolatban, Oganessian azt válaszolta :
“Számomra ez megtiszteltetés. A 118-as elem felfedezése az oroszországi Joint Institute for Nuclear Research és az amerikai Lawrence Livermore National Laboratory tudósainak köszönhető, és a kollégáim voltak azok, akik az oganesson nevet javasolták. Gyermekeim és unokáim már évtizedek óta az Egyesült Államokban élnek, de a lányom azt írta nekem, amikor hallott róla, hogy aznap este nem tudott aludni, mert annyira sírt. Az unokáim ezzel szemben, mint minden fiatal, alig reagáltak.”
Figura 5. Jurij Oganesszian egy örmény bélyegen.
A vegyészek számára felmerül a kérdés, hogy az oganesszon nemcsak formailag nemesgáz-e, hanem fizikailag és kémiailag is úgy viselkedik-e, mint egy nemesgáz. Sok kémikus továbbra is szkeptikus a kvantumkémiai számításokkal szemben, különösen a transzaktinidákkal kapcsolatban, mivel belső elektronjaik nagy sebességét (a kopernícium esetében a fénysebesség 70 %-a, Z = 112) nehezebb figyelembe venni (relativisztikus hatások). De ha Dmitrij Mendelejev már a 19. században is képes volt bizonyos pontos és helyes előrejelzéseket tenni csupán ceruza és papír segítségével, akkor talán jobban kellene bíznunk elméleti szakembereinkben. Mindenesetre számításaik alapján a nyitókérdésre “A 118-as elem nemesgáz-e?” gyorsan válaszolhatunk: “Az oganesson garantáltan nem nemesgáz, hanem talán inkább “nemes folyadék”, 50-110 °C-os forrásponttal.”
Mégis az oganessonnak a fluorral reagálva a stabil OgF2 és OgF4 vegyületeket kellene adnia, ahol az OgF4 nem síkbeli lenne, mint a xenon tetrafluorid, hanem négyszögletes. Ezt kísérletileg még nem lehet ellenőrizni, mivel a négy szintetikus oganessonatom egyetlen milliszekundum után eltűnt. Tekintsünk tehát a stabilabb oganessonizotópok felé, és készüljünk fel arra, hogy meglepődünk a kémiájukon.
7. Hogyan tovább?
A 119-es elem szintézisét illetően a nukleáris kutatók még a startkapuknál tartanak. Hideto En’yo a japán RIKEN kutatóintézetből bejelentette a curium vanádiumionokkal való bombázását
96Cm + 23V →
és az Oganessian csoport titánionokat akar berkéliumra lőni
97Bk + 22Ti →
Szinte biztos, hogy ezek a kísérletek a jelenlegi technológia határaiba ütköznek. A még nehezebb elemek szintézise minden bizonnyal további jelentős technikai fejlesztéseket feltételez. Meg kell néznünk, hogy a szükséges előrelépések milyen idő alatt valósulnak meg. Ezért jó ötleteket és sok szerencsét kívánunk atomtudósainknak az új elemek további kereséséhez. Túl sok szerencsét azonban ne, hiszen ha hirtelen stabil izotópokra bukkannának, azt senki sem venné észre.
Ne feledjük, hogy a nehéz atommagok egyelőre csak a radioaktív nyomaik alapján ismerhetők fel. Ha tehát stabil atommagok keletkeznének, kívánjuk az atomtudósoknak, hogy egyszerre legyen technikai lehetőségük a megfelelő elemekből mérhető mennyiségek előállítására. Akkor talán lehetne tanulmányozni elektronhéjuk kémiai reakcióit. És ez izgalmas lenne, hiszen például az elméleti számítások szerint a 123-as elemnek három különböző héjban (8s2 8p 7d 6f) három részben kitöltött pályával kellene rendelkeznie. Különösen izgatottnak kell lennünk a 125-ös elem tanulmányozására, mert először lesznek benne foglalt g-orbitálisok ( 8s2 8p 6f3 5g). Pusztán a különböző 5g-orbitálisok formái késztetnek arra, hogy megvizsgáljuk kémiájukat (lásd a 6. ábrát). Kíváncsian várjuk!
6. ábra. Az 5g orbitálisok; balról jobbra és fentről lefelé :
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, április 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 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, Új elemek elnevezése (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, április 8.
K. Chapman, What it takes to make a new element, ChemistryWorld 2017, január 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.
A cikk németül megjelent:
- Ist das Element 118 ein Edelgas?
Klaus Roth,
Chem. unserer Zeit 2017, 51, 418-426.
https://doi.org/10.1002/ciuz.201700838
és fordította W. E. Russey.
New Kids on the Table: Nemesgáz-e a 118-as elem? – 1. rész
A nehéz elemek szintézise
New Kids on the Table: Is Element 118 a Noble Gas? – 2. rész
A 118. elemhez vezető nehéz út
New Kids on the Table: Is Element 118 a Noble Gas? – 3. rész
A 118-as elem első szintézise, tulajdonságai és az új elemek elnevezése
Lásd Klaus Roth hasonló cikkeit, amelyek a ChemViews Magazine-ban jelentek meg
