New Kids on the Table: L’elemento 118 è un gas nobile? – Parte 3

La tavola periodica degli elementi è una delle più grandi scoperte dell’umanità in natura, poiché racchiude tutti i mattoni che legano il nostro universo nel suo cuore: dal più piccolo virus alla galassia più lontana. L’ultima volta, abbiamo discusso il difficile cammino verso l’elemento 118. In questa parte, diamo un’occhiata alla prima sintesi dell’elemento 118, alle sue proprietà e a come vengono nominati i nuovi elementi.

5. Prima sintesi effettiva dell’elemento 118

Nel 2002, un gruppo di ricerca composto da scienziati del Joint Institute for Nuclear Research di Dubna, Russia, insieme al Lawrence Livermore National Laboratory di Berkeley, CA, USA, ha iniziato il primo sforzo sintetico per produrre l’elemento 118 mediante bombardamento del californio-249 con ioni calcio-48 . Il calcio-48, con un’abbondanza naturale di solo lo 0,19%, è molto raro, e corrispondentemente costoso (200.000 USD/g). Per essere un elemento leggero (Z = 20), è straordinariamente ricco di neutroni con un numero di neutroni di 28, e per questo motivo, particolarmente adatto alla sintesi di nuclei stabili e pesanti.

Per 100 giorni, il team ha bombardato un bersaglio costituito da 10 mg di 249Cf (0,23 mg/cm2) con un fascio di calcio-48 di 2-1012 ioni a carica positiva circa 17 volte al secondo; nel corso di tre mesi di irradiazione, un totale di 2-1019 ioni di calcio. Durante tutto questo periodo, hanno ottenuto l’evidenza di una sola sequenza di decadimento attribuibile all’elemento 118!

4820Ca +24998Cf → 297

Il lavoro è stato ripreso nel 2006, rivelando, come richiesto, due ulteriori sequenze di decadimento rilevanti (vedi Fig. 3). Questa volta, numerosi prerequisiti hanno dovuto essere soddisfatti per il riconoscimento della scoperta, pubblicata in dettaglio dall’Unione internazionale di chimica pura e applicata (IUPAC) e dall’Unione internazionale di fisica pura e applicata (IUPAP). Furono effettivamente stabilite serie di decadimenti sufficienti e coerenti con l’elemento 118, ma nessuno degli isotopi coinvolti era precedentemente noto. C’era, quindi, un fallimento nel creare un legame con gli isotopi noti, quindi il riconoscimento doveva essere negato: “Le tre serie di decadimento analizzate per un isotopo dell’elemento Z = 118 sono in buon accordo reciproco, ma in assenza di ancoraggio a nuclei noti, i criteri necessari per il riconoscimento non sono soddisfatti.”

Figura 3. Esperimenti rilevanti per la scoperta dell’elemento 118.

È stato possibile, tuttavia, confermare la serie di decadimenti per l’elemento 118 attraverso studi indipendenti che coinvolgono voci laterali. Così, gli elementi 116 e 114 sono stati preparati attraverso percorsi indipendenti dal bombardamento di curio e plutonio, rispettivamente, con ioni calcio-48, e le loro serie di decadimento sono state determinate (vedi Fig. 3). Queste serie di decadimento sono state trovate coerenti con le parti corrispondenti della serie di decadimento dell’elemento 118. Di conseguenza, IUPAC/IUPAP ha effettivamente rilasciato un giudizio positivo:

“La collaborazione Dubna-Livermore del 2006 di Oganessian et al. ha prodotto tre catene di decadimento concordanti che iniziano con 294118. Questo risultato è stato confermato nel 2012. Altri tre studi indipendenti sulla fusione di elementi pesanti sono serviti a identificare e confermare l’esistenza e le proprietà di decadimento dei discendenti 294118 290Lv e 286Fl che servono a collegare i numeri atomici attraverso bombardamenti incrociati. La collaborazione Dubna-Livermore 2006 ha soddisfatto i criteri per la scoperta e la sua affermazione è ora riconosciuta come convalidata.”

Quindi, fu ufficialmente riconosciuto che il gruppo di ricerca russo-americano sotto la direzione di Yuri Oganessian aveva effettivamente scoperto l’elemento 118. Il presidente della divisione inorganica IUPAC richiese allora un suggerimento appropriato per un nome e un simbolo per il nuovo elemento. Conformemente ai regolamenti aggiuntivi, la sessione plenaria della IUPAC votò il riconoscimento della scoperta e la denominazione dell’elemento 118.

6. La denominazione degli elementi 113-118

Gli scopritori di un elemento hanno il diritto di suggerire un nome per esso, ma non hanno una scelta completamente libera. IUPAC e IUPAP hanno sviluppato alcune regole applicabili, e il nome del nuovo elemento deve essere derivato da:

• a)un concetto o personaggio mitologico, compresi gli oggetti astronomici
• b)un minerale o materiale simile
• c)un luogo o una regione geografica
• d)una caratteristica dell’elemento
• e)il nome di uno scienziato

Nell’interesse della standardizzazione, i nomi suggeriti per alcuni elementi dovrebbero sempre avere una delle seguenti finali:

• Gruppi 1-16, compresi gli elementi del blocco f: “-ium”
• Gruppo 17 (alogeni): “-ine”
• Gruppo 18 (gas nobili): “-on”

Le decisioni riguardanti i nomi degli elementi sono difficili per tutte le parti coinvolte: non solo lo scopritore, ma anche IUPAC/IUPAP. Gli scopritori, con i loro ego, vivono necessariamente in un ambiente politico complesso specifico, e anche IUPAC/IUPAP e i loro esperti internazionali non esistono nel vuoto. Nell’era della guerra fredda, questo ha portato a dispute che a volte sono state piuttosto grottesche. Così, per un periodo di tre decenni, l’elemento 104 è stato identificato nei libri scolastici negli Stati Uniti come rutherfordium, ma in russo come kurchatovium. Fortunatamente (speriamo?), questo periodo è finito. Oggi, la sintesi dei transactinidi pesanti mostra quanto sia vantaggioso quando gruppi di ricerca di diversi paesi applicano le loro competenze a progetti comuni.

6.1. Elemento 113: Nihon (Nh)

L’elemento 113 fu preparato per la prima volta, dopo anni di sforzi, da un gruppo giapponese al RIKEN guidato da Kosuke Morita. Il nome suggerito e il simbolo sono stati progettati per onorare la loro patria: “Nihon” (terra del sole nascente), con il simbolo di accompagnamento Nh.

Morita e il suo team hanno iniziato a bombardare un bersaglio di bismuto con ioni di zinco nel 2003, ed entro aprile 2005, avevano rilevato due serie di decadimento coerente per l’elemento 113. Questo non era considerato sufficiente per il riconoscimento, tuttavia. Solo nell’agosto 2012, dopo altri sette anni di irradiazione, è stata osservata la terza serie di decadimento a lungo attesa. Con la loro infinita pazienza e tenacia, il gruppo di ricerca ha mostrato il limite delle possibilità tecniche di oggi: una serie di decadimenti in due anni!

La preparazione degli altri tre elementi riconosciuti nel 2017 – i numeri 115, 117 e 118 – è stata il risultato di una stretta collaborazione tra scienziati russi (Dubna) e statunitensi (Berkeley). Questo ha avuto l’ulteriore vantaggio che le parti coinvolte sono state in grado di concordare un compromesso amichevole per quanto riguarda la questione della denominazione nelle fasi preliminari.

6.2. Elemento 115 – Moscovium (Mc)

La capitale russa fu onorata con il nome moscovium (Mc), così come era già stato fatto per il sito di ricerca Dubna, a soli 100 km da Mosca, con l’elemento 105 (dubnium).

6.3. Elemento 117 – Tennessina (Ts)

La finale “ine” rivela che questo elemento è associato al 17° gruppo della tavola periodica: gli alogeni (fluoro, cloro, bromo, ecc.). Il nome suggerito è stato sorprendente per molti, poiché la scoperta dell’elemento 117 è stata attribuita al team Dubna/Berkeley di Yuri Oganessian. Ma uno sguardo più attento alla sintesi spiega lo sfondo:

4820Ca +24997Bk → 293 + 4n

Il bombardamento del berkelium-249 con ioni calcio-48 era stato pianificato dal team di Oganessian per molto tempo. Il problema era che c’era solo un posto sulla Terra dove si potevano preparare pochi milligrammi del berkelium richiesto: nel reattore ad alto flusso dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) nello stato del Tennessee, USA. Lì si potrebbe effettivamente comprare24997Bk, anche se al prezzo di 185 dollari per microgrammo (!), senza includere l’imballaggio. L’esperimento previsto richiedeva 20 mg. Era necessario prendere in considerazione non solo l’alto costo, ma anche la breve emivita del24997Bk: solo 330 giorni. Un piano generale americano-russo è stato sviluppato per la preparazione dell’elemento 117, coprendo tutti gli aspetti della tempistica dell’esperimento stesso, così come l’ulteriore lavorazione e il trasporto per migliaia di chilometri.

Nella primavera del 2008, 40 g di curio-244 sono stati introdotti nel reattore ad alto flusso ORNL, e sottoposti a un’irradiazione neutronica estremamente elevata per 23 giorni. Dopo che il combustibile si è esaurito, è stato sostituito, e il campione di curio è stato irradiato per altri 23 giorni. Dopo undici di questi cicli per un totale di 250 giorni, erano stati preparati 22 mg di 24997Bk, e nei sei mesi successivi, è stato isolato dal campione di curio e poi purificato (vedi Fig. 4).

Figura 4. Il materiale di partenza per la sintesi della tennessina: berkelium-249.

Una soluzione del cloruro di berkelium risultante è stata messa in cinque recipienti di piombo e trasportata a Mosca con un volo commerciale. Gli sforzi di collaborazione tra i ricercatori erano proceduti senza problemi, tuttavia, lo stesso non si poteva dire per quanto riguarda il successivo trasporto del campione. Per due volte, i contenitori di berkelio sono stati rifiutati al confine russo a causa di documenti mancanti o incompleti, e poi rispediti a New York. Solo al terzo tentativo raggiunsero l’Istituto russo di ricerca sui reattori atomici a Dimitrovgrad, dove furono preparati i dischi bersaglio. Infine, l’esperimento vero e proprio ha potuto iniziare a Dubna il 27 luglio 2009. Una prima serie di decadimento dell’elemento 117 è stata trovata il 20 agosto 2009, e nel corso dei sei mesi successivi sono state registrate altre cinque serie di decadimento.

6.4. Elemento 118 – Oganesson (Og)

La terminazione “-on” implica che questo elemento è riconosciuto come uno dei “gas nobili” (gruppo 18). Il nome assegnatogli è un omaggio a Yuri Oganessian (vedi Fig. 5), che è diventato solo il secondo scienziato vivente per il quale un elemento è stato chiamato dopo Glenn T. Seaborg con seaborgium. Quando gli fu chiesto quali fossero i suoi sentimenti al riguardo, Oganessian rispose :

“Per me, è un onore. La scoperta dell’elemento 118 è stata fatta dagli scienziati del Joint Institute for Nuclear Research in Russia e del Lawrence Livermore National Laboratory negli Stati Uniti, e sono stati i miei colleghi a suggerire il nome oganesson. I miei figli e nipoti vivono negli Stati Uniti già da decenni, ma mia figlia mi scrisse, quando lo seppe, che quella notte non riuscì a dormire perché piangeva tanto. I miei nipoti, al contrario, come tutti i giovani, hanno reagito a malapena.”

Figura 5. Yuri Oganessian su un francobollo armeno.

Per i chimici, si pone la questione se l’oganesson non è solo formalmente un gas nobile, ma se si comporta anche fisicamente e chimicamente come tale. Molti chimici rimangono scettici sui calcoli quantistici, soprattutto per quanto riguarda i transactinidi, poiché le alte velocità dei loro elettroni interni (70 % della velocità della luce nel caso del copernico, Z = 112) sono più difficili da prendere in considerazione (effetti relativistici). Ma se Dmitri Mendeleev riuscì a fare certe previsioni precise e corrette anche nel XIX secolo usando solo carta e penna, dovremmo forse avere più fiducia nei nostri teorici. In ogni caso, sulla base dei loro calcoli, alla domanda iniziale “L’elemento 118 è un gas nobile?” si può rispondere rapidamente con “L’oganesson è garantito non essere un gas nobile, ma forse piuttosto un “liquido nobile”, con un punto di ebollizione di 50-110 °C .

Inoltre, l’oganesson dovrebbe reagire con il fluoro per dare i composti stabili OgF2 e OgF4 , dove OgF4 non sarebbe planare come il tetrafluoruro di xeno, ma tetraedrico. Questo non può ancora essere verificato sperimentalmente, poiché i quattro atomi sintetici di oganesson sono spariti dopo un solo millisecondo. Guardiamo, quindi, verso isotopi di oganesson più stabili, e prepariamoci ad essere sorpresi dalla loro chimica.

7. Come si procede da qui?

Per quanto riguarda la sintesi dell’elemento 119, i ricercatori nucleari sono ancora ai cancelli di partenza. Hideto En’yo dell’istituto di ricerca giapponese RIKEN ha annunciato un bombardamento del curio con ioni di vanadio

96Cm + 23V →

e il gruppo di Oganessian vuole sparare ioni di titanio al berkelium

97Bk + 22Ti →

È quasi certo che questi esperimenti si scontreranno con i limiti della tecnologia attuale. La sintesi di elementi ancora più pesanti presuppone certamente ulteriori grandi sviluppi tecnici. Bisognerà vedere in quale periodo di tempo saranno raggiunti i progressi necessari. Noi, quindi, auguriamo ai nostri scienziati nucleari sia buone idee che buona fortuna nella loro ulteriore ricerca di nuovi elementi. Tuttavia, non troppa fortuna, poiché se dovessero improvvisamente imbattersi in isotopi stabili, nessuno se ne accorgerebbe.

Non dobbiamo dimenticare che i nuclei pesanti sono finora riconoscibili solo sulla base delle loro tracce radioattive. Quindi, se dovessero emergere nuclei stabili, vorremmo che gli scienziati nucleari avessero contemporaneamente la possibilità tecnica di preparare quantità pesabili degli elementi corrispondenti. Allora si potrebbero studiare le reazioni chimiche dei loro gusci di elettroni. E questo sarebbe eccitante poiché, per esempio, i calcoli teorici suggeriscono che l’elemento 123 dovrebbe possedere tre orbitali parzialmente riempiti in tre gusci diversi (8s2 8p 7d 6f). Dovremmo essere particolarmente ansiosi di studiare l’elemento 125, perché coinvolgerà orbitali g occupati per la prima volta ( 8s2 8p 6f3 5g). Già solo le forme dei vari 5g-orbitali provocano il desiderio di esaminare la loro chimica (vedi Fig. 6). Aspettiamo con ansia!

Figura 6. Gli orbitali 5g; da sinistra a destra e dall’alto in basso:
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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L’articolo è stato pubblicato in tedesco come:

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

ed è stato tradotto da W. E. Russey.

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