New Kids on the Table: Is 118 een edelgas? – Deel 3

Het periodiek systeem der elementen is een van de grootste ontdekkingen van de mensheid in de natuur, aangezien het alle bouwstenen omvat die ons universum in zijn kern samenbinden: van het kleinste virus tot het verste sterrenstelsel. De vorige keer bespraken we de moeilijke weg naar element 118. In dit deel kijken we naar de eerste synthese van element 118, zijn eigenschappen, en hoe nieuwe elementen hun naam krijgen.

5.

In 2002 begon een onderzoeksgroep, bestaande uit wetenschappers van het Joint Institute for Nuclear Research in Dubna, Rusland, samen met het Lawrence Livermore National Laboratory in Berkeley, CA, USA, met de eerste synthetische poging om element 118 te produceren door het bombarderen van californium-249 met calcium-48 ionen. Calcium-48, met een natuurlijke abondantie van slechts 0,19 %, is zeer zeldzaam, en dienovereenkomstig kostbaar (200.000 USD/g). Voor een licht element (Z = 20) is het buitengewoon neutronenrijk met een neutronentelling van 28, en om die reden bijzonder geschikt voor de synthese van stabiele, zware kernen.

Het team heeft gedurende 100 dagen een doelwit bestaande uit 10 mg 249Cf (0,23 mg/cm2) gebombardeerd met een calcium-48 bundel van 2-1012 ruwweg 17-voudig positief geladen ionen per seconde; in de loop van drie maanden bestraling, een totaal van 2-1019 calciumionen. Gedurende deze gehele periode verkregen zij bewijs voor slechts één vervalreeks toe te schrijven aan element 118!

4820Ca +24998Cf → 297

Het werk werd hervat in 2006, waarbij, zoals vereist, twee aanvullende relevante vervalreeksen werden onthuld (zie Fig. 3). Ditmaal moest aan talrijke voorwaarden worden voldaan voor de erkenning van de ontdekking, die in detail werd gepubliceerd door de International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) en de International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) . Er werden inderdaad voldoende vervalreeksen vastgesteld die in overeenstemming zijn met element 118, maar geen van de betrokken isotopen was eerder bekend. Er werd dus geen verband gelegd met bekende isotopen, zodat erkenning moest worden geweigerd: “De drie geanalyseerde vervalreeksen voor een isotoop van element Z = 118 komen onderling goed overeen, maar bij gebrek aan verankering met bekende kernen is niet voldaan aan de vereiste criteria voor erkenning.”

Figuur 3. Experimenten die relevant waren voor de ontdekking van element 118.

Het was echter mogelijk om de vervalreeks voor element 118 te bevestigen via onafhankelijke studies waarbij laterale ingangen werden gebruikt. Zo werden de elementen 116 en 114 bereid via onafhankelijke paden door bombardement van respectievelijk curium en plutonium met calcium-48 ionen, en hun vervalreeksen werden bepaald (zie Fig. 3). Deze vervalreeksen bleken consistent te zijn met de overeenkomstige delen van de vervalreeks voor element 118. Als gevolg hiervan heeft de IUPAC/IUPAP inderdaad een positieve uitspraak gedaan:

“De 2006 Dubna-Livermore samenwerking van Oganessian et al. produceerde drie concordante vervalreeksen beginnend met 294118. Dit resultaat werd in 2012 bevestigd. Drie andere onafhankelijke fusiestudies met zware elementen hebben het bestaan en de vervaleigenschappen van 290Lv en 286Fl, de afstammelingen van 294118, geïdentificeerd en bevestigd en zo atoomnummers door kruisbombardementen aan elkaar gekoppeld. De samenwerking Dubna-Livermore 2006 heeft voldaan aan de criteria voor ontdekking en haar claim wordt nu als gevalideerd erkend.”

Dus werd officieel erkend dat de Russisch-Amerikaanse onderzoeksgroep onder leiding van Yuri Oganessian inderdaad element 118 had ontdekt. De voorzitter van de Anorganische Afdeling van de IUPAC verzocht vervolgens om een passende suggestie voor een naam en symbool voor het nieuwe element. In overeenstemming met aanvullende voorschriften stemde de plenaire zitting van de IUPAC over de erkenning van de ontdekking en de naamgeving van element 118.

6. De naamgeving van de elementen 113-118

De ontdekkers van een element hebben het recht een naam ervoor voor te stellen, maar zij hebben niet de volledige vrije keuze. De IUPAC en de IUPAP hebben bepaalde toepasselijke regels ontwikkeld, waaruit de naam van het nieuwe element moet worden afgeleid:

• a)een mythologisch concept of personage, met inbegrip van astronomische objecten
• b)een mineraal of soortgelijk materiaal
• c)een plaats of geografisch gebied
• d)een kenmerk van het element
• e)de naam van een wetenschapper

In het belang van de standaardisatie moeten de voorgestelde namen voor bepaalde elementen altijd een van de volgende eindes hebben:

• Groepen 1-16, inclusief elementen van het f-blok: “-ium”
• Groep 17 (halogenen): “-ine”
• Groep 18 (edelgassen): “-on”

Beslissingen over elementnamen zijn moeilijk voor alle betrokken partijen: niet alleen voor de ontdekker, maar ook voor IUPAC/IUPAP. De ontdekkers, met hun eigen ego’s, leven noodzakelijkerwijs in een specifieke complexe politieke omgeving, en IUPAC/IUPAP en hun internationale deskundigen bestaan ook niet in een vacuüm. In het tijdperk van de Koude Oorlog heeft dit geleid tot geschillen die soms grotesk waren. Zo werd element 104 gedurende een periode van drie decennia in de schoolboeken in de Verenigde Staten aangeduid als rutherfordium, maar in het Russisch als kurchatovium. Gelukkig (hopelijk?) is deze periode voorbij. Vandaag laat de synthese van de zware transactiniden zien hoe voordelig het is wanneer onderzoeksgroepen uit verschillende landen hun expertise inzetten voor gemeenschappelijke projecten.

6.1. Element 113: Nihon (Nh)

Element 113 werd voor het eerst – na jarenlange inspanningen – voorbereid door een Japanse groep van het RIKEN onder leiding van Kosuke Morita. De voorgestelde naam en het symbool werden ontworpen om hun vaderland te eren: “Nihon’ (land van de rijzende zon), met het bijbehorende symbool Nh.

Morita en zijn team begonnen in 2003 een bismuttarget te bombarderen met zinkionen, en in april 2005 hadden ze twee consistente vervalreeksen ontdekt voor element 113. Dit werd echter niet voldoende geacht voor erkenning. Pas in augustus 2012, na nog eens zeven jaar bestraling, werd de langverwachte derde vervalreeks waargenomen. Met hun eindeloze geduld en vasthoudendheid toonde de onderzoeksgroep de grens van de huidige technische mogelijkheden: één vervalreeks in twee jaar!

Preparatie van de drie andere in 2017 herkende elementen – de nummers 115, 117 en 118 – was het resultaat van een nauwe samenwerking tussen Russische (Dubna) en Amerikaanse (Berkeley) wetenschappers. Dit had als bijkomend voordeel dat de betrokken partijen het eens konden worden over een minnelijk compromis met betrekking tot de kwestie van de naamgeving in de voorbereidende stadia.

6.2. Element 115 – Moscovium (Mc)

De Russische hoofdstad werd vereerd met de naam moscovium (Mc), zoals dat ook al het geval was geweest voor de onderzoekslocatie Dubna, op slechts 100 km afstand van Moskou, met element 105 (dubnium).

6.3. Element 117 – Tennessine (Ts)

De uitgang “ine” verraadt dat dit element wordt geassocieerd met de 17e groep in het periodiek systeem: de halogenen (fluor, chloor, broom, enz.). De voorgestelde naam was voor velen verrassend, aangezien de ontdekking van element 117 werd toegeschreven aan het Dubna/Berkeley-team van Yuri Oganessian. Maar een nadere beschouwing van de synthese verklaart de achtergrond:

4820Ca +24997Bk → 293 + 4n

Het bombarderen van berkelium-249 met calcium-48 ionen was al lange tijd gepland door Oganessian’s team. Het probleem was dat er slechts één plaats op aarde was waar een paar milligram van het benodigde berkelium kon worden bereid: in de hoge-flux reactor van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in de staat Tennessee, USA . Daar kon men inderdaad24997Bk kopen, zij het tegen een prijs van 185 USD per microgram (!), verpakking niet inbegrepen. Voor het geplande experiment was 20 mg nodig. Er moest niet alleen rekening worden gehouden met de hoge kosten, maar ook met de korte halfwaardetijd van24997Bk: slechts 330 dagen. Er werd een uitgebreid Amerikaans-Russisch masterplan ontwikkeld voor de bereiding van element 117, dat alle aspecten omvatte van de timing van het experiment zelf, alsmede de verdere verwerking en het vervoer over duizenden kilometers.

In het voorjaar van 2008 werd 40 g curium-244 in de hogefluxreactor van ORNL gebracht en gedurende 23 dagen aan extreem hoge neutronenbestraling onderworpen. Nadat de splijtstof uitgeput was, werd ze vervangen en werd het curiummonster nog eens 23 dagen bestraald. Na elf van dergelijke cycli gedurende in totaal 250 dagen was 22 mg 24997Bk bereid, en in de daaropvolgende zes maanden werd het uit het curiummonster geïsoleerd en vervolgens gezuiverd (zie fig. 4).

Figuur 4. Het uitgangsmateriaal voor de tennessine-synthese: berkelium-249.

Een oplossing van het resulterende berkeliumchloride werd in vijf loden houders gedaan en met een commerciële vlucht naar Moskou vervoerd. De samenwerking tussen de onderzoekers was zonder problemen verlopen, maar dat kon niet worden gezegd van het daaropvolgende vervoer van de monsters. Tweemaal werden de berkeliumcontainers aan de Russische grens geweigerd wegens ontbrekende of onvolledige documenten, en vervolgens teruggezonden naar New York. Pas bij de derde poging bereikten zij het Russische Onderzoeksinstituut voor Atoomreactoren in Dimitrovgrad, waar de doelschijven werden voorbereid. Uiteindelijk kon het eigenlijke experiment in Dubna beginnen op 27 juli 2009. Een eerste vervalreeks van element 117 werd gevonden op 20 augustus 2009, en in de loop van de volgende zes maanden werden nog eens vijf vervalreeksen geregistreerd.

6.4. Element 118 – Oganesson (Og)

De uitgang “-on” impliceert dat dit element wordt erkend als een van de “edelgassen” (groep 18). De naam die eraan is gegeven is een eerbetoon aan Yuri Oganessian (zie fig. 5), die met seaborgium pas de tweede levende wetenschapper is geworden voor wie een element is genoemd, naar Glenn T. Seaborg. Op de vraag wat zijn gevoelens daarover waren, antwoordde Oganessian :

“Voor mij is het een eer. De ontdekking van element 118 werd gedaan door wetenschappers van het Joint Institute for Nuclear Research in Rusland en het Lawrence Livermore National Laboratory in de Verenigde Staten, en het waren mijn collega’s die de naam oganesson voorstelden. Mijn kinderen en kleinkinderen wonen al tientallen jaren in de Verenigde Staten, maar mijn dochter schreef me, toen ze het hoorde, dat ze die nacht niet kon slapen omdat ze zo huilde. Mijn kleinkinderen daarentegen reageerden nauwelijks, zoals alle jonge mensen.”

Figuur 5. Yuri Oganessian op een Armeense postzegel.

Voor chemici rijst de vraag of oganesson niet alleen formeel een edelgas is, maar of het zich ook fysisch en chemisch als een edelgas gedraagt. Veel chemici blijven sceptisch over quantumchemische berekeningen, vooral met betrekking tot de transactiniden, omdat de hoge snelheden van hun binnenste elektronen (70 % van de lichtsnelheid in het geval van copernicium, Z = 112) moeilijker in aanmerking kunnen worden genomen (relativistische effecten). Maar als Dmitri Mendelejev reeds in de 19e eeuw in staat was met potlood en papier bepaalde precieze en correcte voorspellingen te doen, dan moeten wij misschien meer vertrouwen stellen in onze theoretici. In ieder geval kan op basis van hun berekeningen de openingsvraag “Is element 118 een edelgas?” snel worden beantwoord met “Oganesson is gegarandeerd geen edelgas, maar misschien eerder een “edelvloeistof”, met een kookpunt van 50-110 °C .

Bovendien zou oganesson met fluor moeten reageren om de stabiele verbindingen OgF2 en OgF4 te geven, waarbij OgF4 niet vlak zou zijn zoals xenon-tetrafluoride, maar tetrahedraal. Dit kan nog niet experimenteel worden geverifieerd, omdat de vier synthetische oganessonatomen na één milliseconde verdwenen waren. Laat ons daarom kijken naar meer stabiele oganesson isotopen, en ons voorbereiden om verrast te worden door hun chemie.

7. Hoe gaat het verder vanaf hier?

Wat de synthese van element 119 betreft, staan de nucleaire onderzoekers nog steeds aan de startpoort. Hideto En’yo van het Japanse onderzoeksinstituut RIKEN heeft een bombardement van curium met vanadium-ionen aangekondigd

96Cm + 23V →

en de Oganessian-groep wil titanium-ionen afvuren op berkelium

97Bk + 22Ti →

Het is vrijwel zeker dat deze experimenten tegen de grenzen van de huidige technologie aan zullen lopen. De synthese van nog zwaardere elementen veronderstelt zeker nog andere belangrijke technische ontwikkelingen. We zullen moeten afwachten in welke periode de nodige vooruitgang zal worden geboekt. Wij wensen onze kernwetenschappers daarom zowel goede ideeën als veel geluk bij hun verdere zoektocht naar nieuwe elementen. Maar niet te veel geluk, want als zij plotseling op stabiele isotopen zouden stuiten, zou niemand het merken.

We moeten niet vergeten dat de zware kernen tot nu toe alleen herkenbaar zijn op basis van hun radioactieve sporen. Dus als er stabiele kernen zouden ontstaan, zouden we willen dat kernwetenschappers tegelijkertijd de technische mogelijkheid hebben om weegbare hoeveelheden van de overeenkomstige elementen te bereiden. Dan zou men misschien chemische reacties van hun elektronenschillen kunnen bestuderen. En dat zou opwindend zijn, omdat theoretische berekeningen bijvoorbeeld suggereren dat element 123 drie gedeeltelijk gevulde banen in drie verschillende schillen zou moeten bezitten (8s2 8p 7d 6f). We zouden vooral graag element 125 bestuderen, omdat het voor de eerste keer bezette g-banen zal hebben ( 8s2 8p 6f3 5g). Alleen al de vormen van de verschillende 5g-orbitalen wekken de wens om hun chemie te onderzoeken (zie fig. 6). We wachten met spanning af!

Figuur 6. De 5g orbitalen; van links naar rechts en van boven naar beneden :
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 e.a., 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, 15 april, 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 waaraan moet worden voldaan om de ontdekking van een nieuw chemisch element te kunnen erkennen, Pure Appl. Chem. 1991, 63, 879. https://doi.org/10.1351/pac199163060879

R. C. Barber e.a., 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, Naamgeving van nieuwe elementen (IUPAC Aanbevelingen 2002), Pure Appl. Chem. 2002, 74, 787. https://doi.org/10.1351/pac200274050787

W. H. Koppenol e.a., 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, 8 april.

K. Chapman, What it takes to make a new element, ChemistryWorld 2017, 22 januari.

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, Fluoriden van radon en element 118, J. Chem. Soc. Chem. Comm. 1975, 760. https://doi.org/10.1039/C3975000760B

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

Het artikel is in het Duits gepubliceerd als:

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

en is vertaald door W. E. Russey.

New Kids on the Table: Is Element 118 een edelgas? – Deel 1

De synthese van zware elementen

New Kids on the Table: Is 118 een edelgas? – Deel 2

De moeizame weg naar element 118

New Kids on the Table: Is element 118 een edelgas? – Deel 3

De eerste synthese van element 118, zijn eigenschappen, en het benoemen van nieuwe elementen

Zie soortgelijke artikelen van Klaus Roth gepubliceerd in ChemViews Magazine