New Kids on the Table: Czy pierwiastek 118 jest gazem szlachetnym? – Część 3

Układ okresowy pierwiastków jest jednym z największych odkryć ludzkości w przyrodzie, ponieważ obejmuje wszystkie elementy składowe, które spajają nasz wszechświat w jego sercu: od najmniejszego wirusa do najbardziej odległej galaktyki. Ostatnim razem omawialiśmy trudną drogę do pierwiastka 118. W tej części przyjrzymy się pierwszej syntezie pierwiastka 118, jego właściwościom oraz temu, jak nadawane są nazwy nowym pierwiastkom.

5. Pierwsza rzeczywista synteza pierwiastka 118

W 2002 roku grupa badawcza składająca się z naukowców z Joint Institute for Nuclear Research w Dubnej, Rosja, wraz z Lawrence Livermore National Laboratory w Berkeley, CA, USA, rozpoczęła pierwszą syntetyczną próbę produkcji pierwiastka 118 poprzez bombardowanie kalifornium-249 jonami wapnia-48 . Wapń-48, którego naturalne występowanie wynosi tylko 0,19%, jest bardzo rzadki i odpowiednio kosztowny (200 000 USD/g). Jak na lekki pierwiastek (Z = 20), jest wyjątkowo bogaty w neutrony, z liczbą neutronów 28, i z tego powodu szczególnie dobrze nadaje się do syntezy stabilnych, ciężkich jąder.

Przez 100 dni zespół bombardował cel składający się z 10 mg 249Cf (0,23 mg/cm2) wiązką jonów wapnia-48 w ilości 2-1012 w przybliżeniu 17-krotnie dodatnio naładowanych jonów na sekundę; w ciągu trzech miesięcy napromieniowania w sumie 2-1019 jonów wapnia. W całym tym okresie uzyskano dowody tylko na jedną sekwencję rozpadu przypisywaną pierwiastkowi 118!

4820Ca +24998Cf → 297

Prace wznowiono w 2006 roku, ujawniając, zgodnie z wymaganiami, dwie dodatkowe istotne sekwencje rozpadu (patrz Rys. 3). Tym razem do uznania odkrycia, opublikowanego szczegółowo przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) oraz Międzynarodową Unię Fizyki Czystej i Stosowanej (IUPAP), konieczne było spełnienie wielu warunków wstępnych. Wystarczające serie rozpadów odpowiadające pierwiastkowi 118 zostały rzeczywiście ustalone, ale żaden z izotopów, których to dotyczy, nie był wcześniej znany. Nie udało się zatem stworzyć powiązania ze znanymi izotopami, więc uznanie musiało zostać odrzucone: „Trzy analizowane serie rozpadów dla izotopu pierwiastka Z = 118 są w dobrej wzajemnej zgodności, ale wobec braku zakotwiczenia do znanych jąder, wymagane kryteria uznania nie są spełnione.”

Rysunek 3. Eksperymenty istotne dla odkrycia pierwiastka 118.

Możliwe było jednak potwierdzenie serii rozpadów pierwiastka 118 poprzez niezależne badania obejmujące wejścia boczne. Tak więc, pierwiastki 116 i 114 zostały przygotowane niezależnymi drogami poprzez bombardowanie jonami wapnia-48 odpowiednio kuru i plutonu, a następnie określono ich serie rozpadu (patrz Rys. 3). Okazało się, że te serie rozpadu są zgodne z odpowiednimi częściami serii rozpadu dla pierwiastka 118. W konsekwencji IUPAC/IUPAP rzeczywiście wydał pozytywny wyrok:

„The 2006 Dubna-Livermore collaboration of Oganessian et al. produced three concordant decay chains commencing with 294118. Wynik ten został potwierdzony w 2012 roku. Trzy inne niezależne badania fuzji pierwiastków ciężkich służyły do identyfikacji i potwierdzenia istnienia i właściwości rozpadu 294118 potomków 290Lv i 286Fl służących do łączenia liczb atomowych poprzez bombardowania krzyżowe. Współpraca Dubna-Livermore 2006 spełniła kryteria odkrycia i jej twierdzenie jest obecnie uznawane za potwierdzone.”

W ten sposób oficjalnie uznano, że rosyjsko-amerykańska grupa badawcza pod kierunkiem Jurija Oganesjana rzeczywiście odkryła pierwiastek 118. Następnie przewodniczący Wydziału Nieorganicznego IUPAC poprosił o zaproponowanie odpowiedniej nazwy i symbolu dla nowego pierwiastka. Zgodnie z dodatkowymi przepisami, na sesji plenarnej IUPAC przegłosowano uznanie odkrycia i nadanie nazwy pierwiastkowi 118.

6. The Naming of the Elements 113-118

Odkrywcy pierwiastka mają prawo zaproponować dla niego nazwę, ale nie mają całkowicie wolnego wyboru. IUPAC i IUPAP opracowały pewne obowiązujące zasady , a nazwa nowego pierwiastka ma wynikać z:

• a)mitologicznego pojęcia lub postaci, w tym obiektów astronomicznych
• b)minerału lub podobnego materiału
• c)miejsca lub regionu geograficznego
• d)cechy charakterystycznej pierwiastka
• e)nazwiska naukowca

W trosce o standaryzację, proponowane nazwy niektórych pierwiastków powinny mieć zawsze jedną z następujących końcówek:

• Grupy 1-16, w tym elementy bloku f: „-ium”
• Grupa 17 (halogeny): „-ine”
• Grupa 18 (gazy szlachetne): „-on”

Decyzje dotyczące nazw pierwiastków są trudne dla wszystkich zaangażowanych stron: nie tylko odkrywcy, ale także IUPAC/IUPAP. Odkrywcy, z własnym ego, z konieczności żyją w określonym, złożonym środowisku politycznym, a IUPAC/IUPAP i ich międzynarodowi eksperci również nie istnieją w próżni. W czasach zimnej wojny prowadziło to do sporów, które czasami były dość groteskowe. I tak, przez okres trzech dekad, pierwiastek 104 był identyfikowany w podręcznikach szkolnych w Stanach Zjednoczonych jako rutherfordium, ale w języku rosyjskim jako kurchatovium. Na szczęście (miejmy nadzieję?) ten okres mamy już za sobą. Dziś synteza ciężkich transaktynowców pokazuje, jak korzystnie jest, gdy grupy badawcze z różnych krajów wykorzystują swoją wiedzę do wspólnych projektów.

6.1. Pierwiastek 113: Nihon (Nh)

Element 113 został po raz pierwszy przygotowany – po latach starań – przez japońską grupę w RIKEN kierowaną przez Kosuke Moritę. Zaproponowana nazwa i symbol zostały zaprojektowane na cześć ich ojczyzny: „Nihon” (kraj wschodzącego słońca), z towarzyszącym symbolem Nh.

Morita i jego zespół zaczęli bombardować cel bizmutowy jonami cynku w 2003 r., a do kwietnia 2005 r. wykryli dwie spójne serie rozpadu dla pierwiastka 113. Nie było to jednak wystarczające do rozpoznania. Dopiero w sierpniu 2012 roku, po siedmiu dodatkowych latach napromieniowania, zaobserwowano długo oczekiwaną trzecią serię rozpadów. Dzięki swojej niekończącej się cierpliwości i wytrwałości grupa badawcza pokazała granicę dzisiejszych możliwości technicznych: jedna seria rozpadu w ciągu dwóch lat!

Przygotowanie trzech pozostałych pierwiastków rozpoznanych w 2017 roku – numerów 115, 117 i 118 – było wynikiem ścisłej współpracy rosyjskich (Dubna) i amerykańskich (Berkeley) naukowców. Miało to tę dodatkową zaletę, że zaangażowane strony były w stanie uzgodnić polubowny kompromis w odniesieniu do kwestii nazewnictwa na wstępnych etapach.

6.2. Pierwiastek 115 – Moscovium (Mc)

Stolica Rosji została uhonorowana nazwą moscovium (Mc), podobnie jak wcześniej miejsce badawcze Dubna, oddalone od Moskwy o zaledwie 100 km, pierwiastkiem 105 (dubnium).

6.3. Pierwiastek 117 – Tennessine (Ts)

Końcówka „ine” zdradza, że pierwiastek ten związany jest z 17 grupą w układzie okresowym: fluorowcami (fluor, chlor, brom itp.). Zaproponowana nazwa była dla wielu zaskakująca, gdyż odkrycie pierwiastka 117 przypisywano zespołowi Dubna/Berkeley Jurija Oganesjana. Jednak bliższe przyjrzenie się syntezie wyjaśnia tło:

4820Ca +24997Bk → 293 + 4n

Bombardowanie berkelium-249 jonami wapnia-48 było planowane przez zespół Oganessiana od dawna. Problem polegał na tym, że było tylko jedno miejsce na Ziemi, gdzie można było przygotować kilka miligramów potrzebnego berkelium: w reaktorze wysokostrumieniowym w Oak Ridge National Laboratory (ORNL) w stanie Tennessee, USA. Tam też można było kupić24997Bk, ale w cenie 185 USD za mikrogram (!), nie licząc opakowania. Planowany eksperyment wymagał 20 mg. Trzeba było wziąć pod uwagę nie tylko wysoki koszt, ale i krótki okres półtrwania24997Bk: zaledwie 330 dni. Opracowano kompleksowy amerykańsko-rosyjski masterplan przygotowania pierwiastka 117, obejmujący wszystkie aspekty związane z terminem samego eksperymentu, jak również z dalszą obróbką i transportem na odległość tysięcy kilometrów.

Wiosną 2008 r. do reaktora wysokostrumieniowego ORNL wprowadzono 40 g kuru-244 i poddano go ekstremalnie wysokiemu napromieniowaniu neutronami przez 23 dni. Po wyczerpaniu paliwa, zostało ono wymienione, a próbka kuru była napromieniowywana przez kolejne 23 dni. Po jedenastu takich cyklach, trwających łącznie 250 dni, przygotowano 22 mg 24997Bk, który w ciągu następnych sześciu miesięcy został wyizolowany z próbki curium, a następnie oczyszczony (patrz Rys. 4).

Rys. 4. Materiał wyjściowy do syntezy tennessyny: berkelium-249.

Roztwór otrzymanego chlorku berkelium został umieszczony w pięciu ołowianych pojemnikach i przewieziony do Moskwy lotem komercyjnym. Współpraca między badaczami przebiegała bez problemów, jednak nie można było tego samego powiedzieć o późniejszym transporcie próbek. Dwukrotnie pojemniki z berkelium zostały odrzucone na granicy rosyjskiej z powodu braku lub niekompletnych dokumentów, a następnie odesłane z powrotem do Nowego Jorku. Dopiero przy trzeciej próbie dotarły do Rosyjskiego Instytutu Badań Reaktorów Atomowych w Dimitrovgradzie, gdzie przygotowano tarcze. Wreszcie 27 lipca 2009 r. w Dubnej można było rozpocząć właściwy eksperyment. Pierwszą serię rozpadu pierwiastka 117 znaleziono 20 sierpnia 2009 roku, a w ciągu następnych sześciu miesięcy zarejestrowano pięć dodatkowych serii rozpadów.

6.4. Pierwiastek 118 – Oganesson (Og)

Końcówka „-on” sugeruje, że pierwiastek ten jest uznawany za jeden z „gazów szlachetnych” (grupa 18). Przypisana mu nazwa jest hołdem dla Jurija Oganessiana (patrz Rys. 5), który stał się dopiero drugim żyjącym naukowcem, dla którego nazwano pierwiastek, po Glennie T. Seaborgu z seaborgium. Zapytany, jakie są jego odczucia z tym związane, Oganessian odpowiedział :

„Dla mnie jest to zaszczyt. Odkrycia pierwiastka 118 dokonali naukowcy z Joint Institute for Nuclear Research w Rosji i Lawrence Livermore National Laboratory w Stanach Zjednoczonych, a to właśnie moi koledzy zaproponowali nazwę oganesson. Moje dzieci i wnuki mieszkają w Stanach Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat, ale moja córka napisała do mnie, kiedy się o tym dowiedziała, że nie mogła spać tej nocy, bo tak bardzo płakała. Natomiast moje wnuki, jak wszyscy młodzi ludzie, prawie nie zareagowały.”

Ryc. 5. Jurij Oganessian na ormiańskim znaczku.

Dla chemików pojawia się pytanie, czy oganesson jest nie tylko formalnie gazem szlachetnym, ale czy zachowuje się również fizycznie i chemicznie jak on. Wielu chemików pozostaje sceptycznych wobec obliczeń kwantowo-chemicznych, zwłaszcza w odniesieniu do transaktynowców, ponieważ duże prędkości ich wewnętrznych elektronów (70 % prędkości światła w przypadku kopernicji, Z = 112) są trudniejsze do uwzględnienia (efekty relatywistyczne). Ale jeśli Dymitr Mendelejew był w stanie dokonać pewnych precyzyjnych i poprawnych przewidywań jeszcze w XIX wieku, używając jedynie ołówka i papieru, to być może powinniśmy mieć więcej zaufania do naszych teoretyków. W każdym razie, na podstawie ich obliczeń, na otwierające pytanie „Czy pierwiastek 118 jest gazem szlachetnym?” można szybko odpowiedzieć „Oganesson na pewno nie jest gazem szlachetnym, ale może raczej „szlachetną cieczą”, o temperaturze wrzenia 50-110 °C .

Co więcej, oganesson powinien reagować z fluorem, dając stabilne związki OgF2 i OgF4 , gdzie OgF4 nie byłby planarny jak tetrafluorek ksenonu, ale tetraedryczny. Nie można tego jeszcze zweryfikować doświadczalnie, gdyż cztery syntetyczne atomy oganessonu zniknęły po jednej milisekundzie. Spójrzmy zatem w stronę bardziej stabilnych izotopów oganessonu i przygotujmy się na niespodzianki związane z ich chemią.

7. Jak dalej potoczą się sprawy?

W odniesieniu do syntezy pierwiastka 119, naukowcy zajmujący się energią jądrową są nadal na początku drogi. Hideto En’yo z japońskiego instytutu badawczego RIKEN zapowiedział bombardowanie kuru jonami wanadu

96Cm + 23V →

, a grupa Oganessiana chce wystrzelić jony tytanu w berkelium

97Bk + 22Ti →

Jest niemal pewne, że eksperymenty te zderzą się z ograniczeniami obecnej technologii. Synteza jeszcze cięższych pierwiastków z pewnością zakłada dodatkowy duży postęp techniczny. Trzeba będzie zobaczyć, w jakim okresie czasu uda się osiągnąć niezbędny postęp. Dlatego życzymy naszym naukowcom zajmującym się energią jądrową zarówno dobrych pomysłów, jak i powodzenia w dalszych poszukiwaniach nowych pierwiastków. Jednak nie za dużo szczęścia, gdyż gdyby nagle natknęli się na stabilne izotopy, nikt by tego nawet nie zauważył.

Nie wolno nam zapominać, że ciężkie jądra są jak dotąd rozpoznawalne tylko na podstawie ich śladów promieniotwórczych. Gdyby więc pojawiły się stabilne jądra, życzylibyśmy naukowcom zajmującym się energetyką jądrową jednocześnie technicznej możliwości przygotowania ważących ilości odpowiednich pierwiastków. Wtedy można by badać reakcje chemiczne ich powłok elektronowych. A to byłoby ekscytujące, gdyż np. z obliczeń teoretycznych wynika, że pierwiastek 123 powinien posiadać trzy częściowo wypełnione orbitale w trzech różnych powłokach (8s2 8p 7d 6f). Powinniśmy być szczególnie zainteresowani badaniem pierwiastka 125, ponieważ po raz pierwszy będzie on posiadał zajęte orbitale g (8s2 8p 6f3 5g). Już same formy różnych 5g-orbitali wywołują chęć zbadania ich chemii (patrz Rys. 6). Będziemy czekać z niecierpliwością!

Rysunek 6. Orbitale 5g; od lewej do prawej i od góry do dołu :
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, Nazewnictwo nowych pierwiastków (zalecenia IUPAC 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, January 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, Fluorki radonu i pierwiastka 118, J. Chem. Soc. Chem. Comm. 1975, 760. https://doi.org/10.1039/C3975000760B

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

Artykuł został opublikowany w języku niemieckim jako:

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

i został przetłumaczony przez W. E. Russey’a.

New Kids on the Table: Czy pierwiastek 118 jest gazem szlachetnym? – Część 1

Synteza ciężkich pierwiastków

New Kids on the Table: Czy pierwiastek 118 jest gazem szlachetnym? – Część 2

Trudna droga do pierwiastka 118

New Kids on the Table: Czy pierwiastek 118 jest gazem szlachetnym? – Część 3

Pierwsza synteza pierwiastka 118, jego właściwości i nadawanie nazw nowym pierwiastkom

Zobacz podobne artykuły Klausa Rotha opublikowane w ChemViews Magazine

.