New Kids on the Table: O Elemento 118 é um gás nobre? – Parte 3

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A tabela periódica dos elementos é uma das maiores descobertas da natureza da humanidade, pois engloba todos os blocos de construção que ligam o nosso universo no seu coração: desde o mais pequeno vírus até à galáxia mais distante. Da última vez, discutimos o difícil caminho em direção ao elemento 118. Nesta parte, temos um olhar sobre a primeira síntese do elemento 118, suas propriedades, e como novos elementos são nomeados.

5. Primeira Síntese Real do Elemento 118

Em 2002, um grupo de pesquisa formado por cientistas do Instituto Conjunto de Pesquisa Nuclear de Dubna, Rússia, juntamente com o Laboratório Nacional Lawrence Livermore em Berkeley, CA, EUA, começou com o primeiro esforço sintético para produzir o elemento 118 por bombardeio de califórnio-249 com íons cálcio-48 . O cálcio-48, com uma abundância natural de apenas 0,19 %, é muito raro, e correspondentemente caro (USD 200.000/g). Para um elemento leve (Z = 20), é extraordinariamente rico em neutrões com uma contagem de neutrões de 28, e por isso, especialmente bem adaptado à síntese de núcleos estáveis e pesados.

Durante 100 dias, a equipa bombardeou um alvo constituído por 10 mg de 249Cf (0,23 mg/cm2) com um feixe de cálcio-48 de 2-1012 aproximadamente 17 vezes iões de carga positiva por segundo; no decurso de três meses de irradiação, um total de 2-1019 iões de cálcio. Durante todo esse período, eles obtiveram evidências de apenas uma única seqüência de decaimento atribuível ao elemento 118!

4820Ca +24998Cf → 297

O trabalho foi retomado em 2006, revelando, conforme necessário, duas seqüências de decaimento adicionais relevantes (ver Fig. 3). Desta vez, numerosos pré-requisitos tiveram que ser cumpridos para o reconhecimento da descoberta, publicada em detalhe pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) e pela União Internacional de Física Pura e Aplicada (IUPAP) . De facto, foram estabelecidas séries de decaimento suficientes consistentes com o elemento 118, mas nenhum dos isótopos envolvidos era previamente conhecido. Houve, portanto, uma falha na criação de uma ligação com isótopos conhecidos, por isso o reconhecimento teve que ser negado: “As três séries de decaimento analisadas para um isótopo do elemento Z = 118 estão em bom acordo mútuo, mas na ausência de ancoragem a núcleos conhecidos, os critérios necessários para o reconhecimento não são cumpridos”

Figure 3. Experiências relevantes para a descoberta do elemento 118.

Foi possível, no entanto, confirmar a série de decaimento para o elemento 118 através de estudos independentes envolvendo entradas laterais. Assim, os elementos 116 e 114 foram preparados via caminhos independentes por bombardeamento de cúrio e plutônio, respectivamente, com íons cálcio-48, e suas séries de decaimento foram determinadas (ver Fig. 3). Estas séries de decaimento foram consideradas consistentes com as partes correspondentes da série de decaimento do elemento 118. Como consequência, a IUPAC/IUPAP de facto lançou um julgamento positivo:

“A colaboração Dubna-Livermore 2006 de Oganessian et al. produziu três cadeias de decaimento concordantes a partir de 294118. Este resultado foi confirmado em 2012. Três outros estudos independentes de fusão de elementos pesados serviram para identificar e confirmar a existência e propriedades de decaimento de 294118 descendentes de 290Lv e 286Fl servindo para ligar números atômicos através de bombardeamentos cruzados. A colaboração Dubna-Livermore 2006 satisfez os critérios de descoberta e sua alegação é agora reconhecida como validada”

Assim, foi oficialmente reconhecido que o grupo de pesquisa russo-americano sob a direção de Yuri Oganessian tinha de fato descoberto o elemento 118. O Presidente da Divisão Inorgânica da IUPAC solicitou então uma sugestão apropriada para um nome e símbolo para o novo elemento. De acordo com os regulamentos adicionais, a sessão plenária da IUPAC votou sobre o reconhecimento da descoberta e o nome do elemento 118.

6. O Nome dos Elementos 113-118

Os descobridores de um elemento têm o direito de sugerir um nome para ele, mas eles não têm uma escolha completamente livre. A IUPAC e a IUPAP desenvolveram algumas regras aplicáveis , e o nome do novo elemento deve ser derivado do mesmo:

• a)um conceito ou caráter mitológico, incluindo objetos astronômicos
• b)um mineral ou material similar
• c)um lugar ou região geográfica
• d)uma característica do elemento
• e)o nome de um cientista

No interesse da padronização, os nomes sugeridos para certos elementos devem ter sempre uma das seguintes finalidades:

• Grupos 1-16, incluindo elementos do bloco f: “-ium”
• Grupo 17 (halógenos): “-ine”
• Grupo 18 (gases nobres): “-on”

Decisões sobre nomes de elementos são difíceis para todas as partes envolvidas: não só o descobridor, mas também a IUPAC/IUPAP. Os descobridores, com os seus próprios egos, vivem necessariamente num ambiente político específico e complexo, e a IUPAC/IUPAP e os seus especialistas internacionais também não existem num vácuo. Na época da Guerra Fria, isto levou a disputas que por vezes têm sido bastante grotescas. Assim, durante um período de três décadas, o elemento 104 foi identificado nos livros escolares dos Estados Unidos como rutherfordium, mas em russo como kurchatovium. Felizmente (esperemos?), este período acabou. Hoje, a síntese das transações pesadas mostra como é vantajoso quando grupos de pesquisa de diferentes países aplicam seus conhecimentos em projetos comuns.

6.1. Elemento 113: Nihon (Nh)

Element 113 foi preparado pela primeira vez – após anos de esforço – por um grupo japonês no RIKEN liderado por Kosuke Morita. O nome e símbolo sugeridos foram concebidos para honrar a sua pátria: “Nihon” (terra do sol nascente), com o símbolo Nh.

Morita e sua equipe começaram a bombardear um alvo de bismuto com íons de zinco em 2003, e em abril de 2005, eles haviam detectado duas séries consistentes de decadência para o elemento 113. Isto, porém, não foi considerado suficiente para o reconhecimento. Apenas em agosto de 2012, após sete anos adicionais de irradiação, foi observada a série de decaimento, há muito desejada para a terceira série. Com sua paciência e tenacidade infinitas, o grupo de pesquisa mostrou o limite das possibilidades técnicas atuais: uma série de decaimento em dois anos!

Preparação dos outros três elementos reconhecidos em 2017 – números 115, 117 e 118 – foi o resultado de uma estreita colaboração entre cientistas russos (Dubna) e americanos (Berkeley). Isto teve a vantagem adicional de que as partes envolvidas conseguiram chegar a um acordo amigável no que diz respeito à questão da nomeação nas fases preliminares.

6.2. Elemento 115 – Moscovium (Mc)

A capital russa foi homenageada com o nome moscovium (Mc), tal como já tinha sido o caso do local de pesquisa Dubna, a apenas 100 km de Moscou, com o elemento 105 (dubnium).

6.3. Elemento 117 – Tennessine (Ts)

O “ine” final revela que este elemento está associado ao 17º grupo da tabela periódica: os halógenos (flúor, cloro, bromo, etc.). O nome sugerido foi surpreendente para muitos, já que a descoberta do elemento 117 foi atribuída à equipe Dubna/Berkeley de Yuri Oganessian. Mas um olhar mais atento à síntese explica o fundo:

4820Ca +24997Bk → 293 + 4n

O bombardeamento do berkelium-249 com íons de cálcio-48 havia sido planejado pela equipe de Oganessian por muito tempo. O problema era que havia apenas um lugar na Terra onde alguns miligramas do berquelium necessário poderiam ser preparados: no reactor de alto fluxo no Oak Ridge National Laboratory (ORNL), no estado do Tennessee, EUA. Lá se poderia realmente comprar24997Bk, embora a um preço de USD 185 por micrograma (!), sem incluir a embalagem. O experimento planejado exigia 20 mg. Foi necessário ter em conta não só o custo elevado, mas também a curta meia-vida de24997Bk: apenas 330 dias. Para a preparação do elemento 117 foi desenvolvido um plano mestre abrangente americano-russo, cobrindo todos os aspectos do tempo do próprio experimento, bem como o processamento e o transporte posterior ao longo de milhares de quilômetros.

Na primavera de 2008, 40 g de cúrio-244 foi introduzido no reator ORNL de alto fluxo, e submetido a uma irradiação de nêutrons extremamente elevada durante 23 dias. Depois de esgotado o combustível, foi substituído, e a amostra de cúrio foi irradiada por mais 23 dias. Após onze ciclos deste tipo ao longo de um total de 250 dias, 22 mg de 24997Bk foram preparados, e nos seis meses seguintes, foi isolada da amostra de cúrio e depois purificada (ver Fig. 4).

Figure 4. O material de partida para a síntese da tennessina: berkelium-249.

Uma solução do cloreto de berkelium resultante foi colocada em cinco recipientes de chumbo e transportada para Moscovo num voo comercial. Os esforços de colaboração entre os investigadores tinham prosseguido sem problemas, no entanto, o mesmo não se podia dizer em relação ao transporte subsequente de amostras. Por duas vezes, os recipientes de berkelium foram recusados na fronteira russa por falta ou documentos incompletos, e depois enviados de volta para Nova Iorque. Somente na terceira tentativa chegaram ao Instituto Russo de Pesquisa para Reatores Atômicos em Dimitrovgrad, onde os discos alvo foram preparados. Finalmente, a experiência real poderia começar em Dubna, em 27 de julho de 2009. Uma primeira série de decaimento do elemento 117 foi encontrada em 20 de agosto de 2009, e ao longo dos seis meses seguintes, cinco séries de decaimento adicionais foram registradas.

6.4. Elemento 118 – Oganesson (Og)

O final “-on” implica que este elemento é reconhecido como um dos “gases nobres” (grupo 18). O nome atribuído a ele é uma homenagem a Yuri Oganessian (ver Fig. 5), que se tornou apenas o segundo cientista vivo para quem um elemento recebeu o nome de Glenn T. Seaborg com seaborgium. Quando lhe perguntaram quais eram seus sentimentos sobre isso, Oganessian respondeu :

“Para mim, é uma honra. A descoberta do elemento 118 foi feita por cientistas do Instituto Conjunto de Pesquisa Nuclear da Rússia e do Laboratório Nacional Lawrence Livermore nos Estados Unidos, e foram meus colegas que sugeriram o nome oganesson. Meus filhos e netos já moram nos Estados Unidos há décadas, mas minha filha me escreveu quando soube que não conseguia dormir naquela noite porque estava chorando muito. Os meus netos, em contraste, como todos os jovens, mal reagiram”

Figure 5. Yuri Oganessian sobre um selo armênio.

Para os químicos, surge a questão se oganesson não é apenas formalmente um gás nobre, mas se ele também se comporta física e quimicamente como um. Muitos químicos permanecem céticos quanto aos cálculos quânticoquímicos, especialmente no que diz respeito aos transtinídeos, já que as altas velocidades dos seus electrões internos (70 % da velocidade da luz no caso do copernicium, Z = 112) são mais difíceis de ter em conta (efeitos relativistas). Mas se Dmitri Mendeleev foi capaz de fazer certas previsões precisas e correctas mesmo no século XIX utilizando apenas lápis e papel, talvez devêssemos depositar mais confiança nos nossos teóricos. Em qualquer caso, baseado em seus cálculos, a pergunta inicial “O elemento 118 é um gás nobre?” pode ser respondida rapidamente por “Oganesson é garantido não ser um gás nobre, mas talvez um “líquido nobre”, com um ponto de ebulição de 50-110 °C .

Mais ainda, oganesson deve reagir com flúor para dar aos compostos estáveis OgF2 e OgF4 , onde OgF4 não seria planar como o tetrafluoreto de xenônio, mas sim tetraédrico. Isto ainda não pode ser verificado experimentalmente, já que os quatro átomos sintéticos de oganesson desapareceram após um único milissegundo. Vamos, portanto, olhar para isótopos de oganesson mais estáveis, e preparar-nos para sermos surpreendidos pela sua química.

7. Como é que as coisas procedem a partir daqui?

Com respeito à síntese do elemento 119, os investigadores nucleares ainda estão nos portões de partida. Hideto En’yo do instituto de pesquisa japonês RIKEN anunciou um bombardeio de cúrio com íons de vanádio

96Cm + 23V →

e o grupo Oganês quer disparar íons de titânio em berkelium

97Bk + 22Ti →

É quase certo que estes experimentos irão colidir com os limites da tecnologia atual. A síntese de elementos ainda mais pesados pressupõe certamente grandes desenvolvimentos técnicos adicionais. Teremos de ver ao longo de que período de tempo serão alcançados os progressos necessários. Desejamos, portanto, aos nossos cientistas nucleares boas idéias e boa sorte na sua busca de novos elementos. No entanto, não muita sorte, pois se de repente tropeçassem em isótopos estáveis, ninguém notaria.

Não podemos esquecer que os núcleos pesados são até agora reconhecíveis apenas com base em seus rastros radioativos. Portanto, se os núcleos estáveis surgirem, desejamos aos cientistas nucleares, simultaneamente, a possibilidade técnica de preparar quantidades pesadas dos elementos correspondentes. Então, poderíamos ser capazes de estudar as reacções químicas das suas conchas de electrões. E isso seria emocionante já que, por exemplo, cálculos teóricos sugerem que o elemento 123 deveria possuir três orbitais parcialmente preenchidos em três cascas diferentes (8s2 8p 7d 6f). Devemos estar especialmente ansiosos para estudar o elemento 125, pois ele envolverá g-orbitais ocupados pela primeira vez ( 8s2 8p 6f3 5g). Apenas as formas dos vários g-orbitais causam um desejo de examinar a sua química (ver Fig. 6). Vamos esperar com expectativa!

Figure 6. Os orbitais 5g; da esquerda para a direita e de cima para baixo:
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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O artigo foi publicado em alemão como:

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

e foi traduzido por W. E. Russey.

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