Noi copii pe masă: Este elementul 118 un gaz nobil? – Partea 3

Tabloul periodic al elementelor este una dintre cele mai mari descoperiri ale omenirii în natură, deoarece cuprinde toate elementele constitutive care unesc universul nostru în inima sa: de la cel mai mic virus până la cea mai îndepărtată galaxie. Data trecută, am discutat despre drumul dificil către elementul 118. În această parte, aruncăm o privire la prima sinteză a elementului 118, la proprietățile sale și la modul în care sunt denumite noile elemente.

5. Prima sinteză reală a elementului 118

În 2002, un grup de cercetare format din oameni de știință de la Institutul Comun pentru Cercetări Nucleare din Dubna, Rusia, împreună cu Laboratorul Național Lawrence Livermore din Berkeley, California, SUA, a început cu primul efort de sinteză pentru a produce elementul 118 prin bombardarea californiului-249 cu ioni de calciu-48 . Calciul-48, cu o abundență naturală de numai 0,19 %, este foarte rar și, în consecință, foarte costisitor (200 000 USD/g). Pentru un element ușor (Z = 20), este extraordinar de bogat în neutroni, cu un număr de neutroni de 28 și, din acest motiv, este deosebit de potrivit pentru sinteza de nuclee grele stabile.

Pe parcursul a 100 de zile, echipa a bombardat o țintă formată din 10 mg de 249Cf (0,23 mg/cm2) cu un fascicul de calciu-48 de 2-1012 ioni încărcați pozitiv de aproximativ 17 ori pe secundă; în decursul a trei luni de iradiere, un total de 2-1019 ioni de calciu. În toată această perioadă, ei au obținut dovezi pentru o singură secvență de dezintegrare atribuibilă elementului 118!

4820Ca +24998Cf → 297

Lucrările au fost reluate în 2006, relevând, așa cum era necesar, alte două secvențe de dezintegrare relevante (vezi Fig. 3). De data aceasta, au trebuit îndeplinite numeroase condiții prealabile pentru recunoașterea descoperirii, publicată în detaliu de către Uniunea Internațională de Chimie Pură și Aplicată (IUPAC) și Uniunea Internațională de Fizică Pură și Aplicată (IUPAP) . S-au stabilit într-adevăr suficiente serii de dezintegrare compatibile cu elementul 118, dar niciunul dintre izotopii implicați nu era cunoscut anterior. A existat, astfel, un eșec în crearea unei legături cu izotopii cunoscuți, astfel încât recunoașterea a trebuit să fie refuzată : „Cele trei serii de dezintegrare analizate pentru un izotop al elementului Z = 118 sunt în bună concordanță reciprocă, dar în absența unei ancorări la nuclee cunoscute, criteriile necesare pentru recunoaștere nu sunt îndeplinite.”

Figura 3. Experimente relevante pentru descoperirea elementului 118.

A fost posibil, totuși, să se confirme seria de dezintegrare pentru elementul 118 prin studii independente care implică intrări laterale. Astfel, elementele 116 și 114 au fost preparate pe căi independente prin bombardarea curiului și, respectiv, a plutoniului cu ioni de calciu-48, iar seriile lor de dezintegrare au fost determinate (vezi Fig. 3). S-a constatat că aceste serii de dezintegrare sunt în concordanță cu părțile corespunzătoare ale seriei de dezintegrare pentru elementul 118. În consecință, IUPAC/IUPAP a emis într-adevăr o hotărâre pozitivă:

„Colaborarea Dubna-Livermore din 2006 a lui Oganessian et al. a produs trei lanțuri de dezintegrare concordante care încep cu 294118. Acest rezultat a fost confirmat în 2012. Alte trei studii independente de fuziune a elementelor grele au servit la identificarea și confirmarea existenței și a proprietăților de dezintegrare ale descendenților 294118, 290Lv și 286Fl, servind la corelarea numerelor atomice prin bombardamente încrucișate. Colaborarea Dubna-Livermore 2006 a îndeplinit criteriile pentru descoperire, iar afirmația sa este acum recunoscută ca fiind validată.”

Așa, a fost recunoscut oficial că grupul de cercetare ruso-american sub conducerea lui Yuri Oganessian a descoperit într-adevăr elementul 118. Președintele Diviziei anorganice a IUPAC a solicitat apoi o sugestie adecvată pentru un nume și un simbol pentru noul element. În concordanță cu reglementările suplimentare, sesiunea plenară a IUPAC a votat recunoașterea descoperirii și denumirea elementului 118.

6. Denumirea elementelor 113-118

Descoperitorii unui element au dreptul de a sugera un nume pentru acesta, dar nu au o alegere complet liberă. IUPAC și IUPAP au elaborat anumite reguli aplicabile , iar numele noului element trebuie să fie derivat din acestea:

• a)un concept sau un personaj mitologic, inclusiv obiecte astronomice
• b)un mineral sau un material similar
• c)un loc sau o regiune geografică
• d)o caracteristică a elementului
• e)numele unui om de știință

În interesul standardizării, numele sugerate pentru anumite elemente trebuie să aibă întotdeauna una dintre următoarele terminații:

• Grupurile 1-16, inclusiv elementele din blocul f: „-ium”
• Grupa 17 (halogeni): „-ine”
• Grupa 18 (gaze nobile): „-on”

Deciziile privind denumirile elementelor sunt dificile pentru toate părțile implicate: nu doar pentru descoperitor, ci și pentru IUPAC/IUPAP. Descoperitorii, cu propriile lor orgolii, trăiesc în mod necesar într-un mediu politic specific și complex, iar IUPAC/IUPAP și experții lor internaționali nu există, de asemenea, într-un vid. În perioada Războiului Rece, acest lucru a dus la dispute care au fost uneori destul de grotești. Astfel, pe o perioadă de trei decenii, elementul 104 a fost identificat în manualele școlare din Statele Unite ca rutherfordium, dar în limba rusă ca kurchatovium. Din fericire (sperăm?), această perioadă s-a încheiat. Astăzi, sinteza transactinidelor grele arată cât de avantajos este atunci când grupuri de cercetare din diferite țări își aplică expertiza la proiecte comune.

6.1. Elementul 113: Nihon (Nh)

Elementul 113 a fost pregătit pentru prima dată – după ani de eforturi – de un grup japonez de la RIKEN condus de Kosuke Morita. Numele și simbolul sugerate au fost concepute pentru a onora patria lor: „Nihon” (țara soarelui răsare), cu simbolul însoțitor Nh.

Morita și echipa sa au început să bombardeze o țintă de bismut cu ioni de zinc în 2003 și, până în aprilie 2005, au detectat două serii consistente de dezintegrare pentru elementul 113. Totuși, acest lucru nu a fost considerat suficient pentru recunoaștere. Abia în august 2012, după încă șapte ani de iradiere, a fost observată cea de-a treia serie de dezintegrare mult așteptată. Cu răbdarea și tenacitatea lor nesfârșită, grupul de cercetare a arătat limita posibilităților tehnice de astăzi: o serie de dezintegrare în doi ani!

Prepararea celorlalte trei elemente recunoscute în 2017 – numerele 115, 117 și 118 – a fost rezultatul unei colaborări strânse între oamenii de știință ruși (Dubna) și americani (Berkeley). Acest lucru a avut și avantajul suplimentar că părțile implicate au reușit să convină asupra unui compromis amiabil în ceea ce privește chestiunea denumirii în etapele preliminare.

6.2. Elementul 115 – Moscovium (Mc)

Capitala rusă a fost onorată cu numele de moscovium (Mc), așa cum se întâmplase deja pentru situl de cercetare Dubna, aflat la numai 100 km de Moscova, cu elementul 105 (dubnium).

6.3. Elementul 117 – Tennessina (Ts)

Finalul „ine” relevă faptul că acest element este asociat cu cea de-a 17-a grupă din tabelul periodic: halogenii (fluor, clor, brom, etc.). Numele sugerat a fost surprinzător pentru mulți, deoarece descoperirea elementului 117 a fost atribuită echipei Dubna/Berkeley a lui Yuri Oganessian. Dar o privire mai atentă la sinteză explică contextul:

4820Ca +24997Bk → 293 + 4n

Bombardarea berkeliului-249 cu ioni de calciu-48 fusese planificată de mult timp de echipa lui Oganessian. Problema era că nu exista decât un singur loc pe Pământ unde puteau fi pregătite câteva miligrame din berkeliul necesar: în reactorul cu flux ridicat de la Oak Ridge National Laboratory (ORNL) din statul Tennessee, SUA . Acolo se putea chiar cumpăra24997Bk, deși la un preț de 185 USD pe microgram (!), fără a include ambalajul. Experimentul planificat a necesitat 20 mg. A fost necesar să se țină seama nu numai de costul ridicat, ci și de timpul de înjumătățire scurt al24997Bk: doar 330 de zile. Pentru prepararea elementului 117 a fost elaborat un masterplan americano-rus cuprinzător, care a acoperit toate aspectele legate de calendarul experimentului în sine, precum și de procesarea și transportul ulterior pe mii de kilometri.

În primăvara anului 2008, 40 g de curiu-244 au fost introduse în reactorul cu flux ridicat al ORNL și supuse la o iradiere neutronică extrem de ridicată timp de 23 de zile. După ce combustibilul a fost epuizat, acesta a fost înlocuit, iar proba de curiu a fost iradiată timp de încă 23 de zile. În urma a unsprezece astfel de cicluri, pe o durată totală de 250 de zile, s-au preparat 22 mg de 24997Bk, iar în următoarele șase luni, acesta a fost izolat din proba de curiu și apoi purificat (a se vedea Fig. 4).

Figura 4. Materia primă pentru sinteza tennessinei: berkeliu-249.

O soluție de clorură de berkeliu rezultată a fost plasată în cinci recipiente de plumb și transportată la Moscova cu un zbor comercial. Eforturile de colaborare dintre cercetători s-au desfășurat fără probleme, însă nu același lucru se poate spune și despre transportul ulterior al probelor. De două ori, recipientele de berkeliu au fost refuzate la granița rusă din cauza unor documente lipsă sau incomplete, iar apoi au fost trimise înapoi la New York. Abia la a treia încercare au ajuns la Institutul rus de Cercetare pentru Reactoare Atomice din Dimitrovgrad, unde au fost pregătite discurile-țintă. În cele din urmă, experimentul propriu-zis a putut începe la Dubna, la 27 iulie 2009. O primă serie de dezintegrare a elementului 117 a fost găsită la 20 august 2009, iar pe parcursul următoarelor șase luni, au fost înregistrate alte cinci serii de dezintegrare.

6.4. Elementul 118 – Oganesson (Og)

Terminația „-on” implică faptul că acest element este recunoscut ca fiind unul dintre „gazele nobile” (grupa 18). Numele care i-a fost atribuit este un omagiu adus lui Yuri Oganessian (vezi Fig. 5), care a devenit doar al doilea om de știință în viață pentru care un element a fost numit după Glenn T. Seaborg cu seaborgium. Când a fost întrebat care sunt sentimentele sale în legătură cu acest lucru, Oganessian a răspuns :

„Pentru mine, este o onoare. Descoperirea elementului 118 a fost realizată de oamenii de știință de la Institutul Comun pentru Cercetări Nucleare din Rusia și de la Laboratorul Național Lawrence Livermore din Statele Unite, iar colegii mei au fost cei care au sugerat numele oganesson. Copiii și nepoții mei trăiesc deja de zeci de ani în Statele Unite, dar fiica mea mi-a scris, când a auzit despre acest lucru, că nu a putut să doarmă în acea noapte pentru că plângea foarte mult. Nepoții mei, în schimb, ca toți tinerii, abia au reacționat.”

Figura 5. Yuri Oganessian pe un timbru armean.

Pentru chimiști, se pune întrebarea dacă oganessonul nu este doar formal un gaz nobil, ci și dacă se comportă fizic și chimic ca unul. Mulți chimiști rămân sceptici cu privire la calculele de chimie cuantică, în special în ceea ce privește transactinidele, deoarece vitezele mari ale electronilor lor interni (70 % din viteza luminii în cazul coperniciului, Z = 112) sunt mai greu de luat în considerare (efecte relativiste). Dar dacă Dmitri Mendeleev a reușit să facă anumite previziuni precise și corecte chiar și în secolul al XIX-lea, folosind doar creion și hârtie, poate că ar trebui să avem mai multă încredere în teoreticienii noștri. În orice caz, pe baza calculelor lor, la întrebarea inițială „Este elementul 118 un gaz nobil?” se poate răspunde rapid cu „Se garantează că oganessonul nu este un gaz nobil, ci poate mai degrabă un „lichid nobil”, cu un punct de fierbere de 50-110 °C .

Mai mult, oganessonul ar trebui să reacționeze cu fluorul pentru a da compușii stabili OgF2 și OgF4 , unde OgF4 nu ar fi planar ca tetrafluorura de xenon, ci tetraedric. Acest lucru nu poate fi încă verificat experimental, deoarece cei patru atomi sintetici de oganesson au dispărut după o singură milisecundă. Să ne îndreptăm, așadar, privirea spre izotopi mai stabili ai oganessonului și să ne pregătim să fim surprinși de chimia lor.

7. Cum se procedează de aici încolo?

În ceea ce privește sinteza elementului 119, cercetătorii nucleari sunt încă la porțile de start. Hideto En’yo de la institutul de cercetare japonez RIKEN a anunțat un bombardament al curiului cu ioni de vanadiu

96Cm + 23V →

și grupul Oganessian vrea să lanseze ioni de titan asupra berkeliului

97Bk + 22Ti →

Este aproape sigur că aceste experimente se vor lovi de limitele tehnologiei actuale. Sinteza unor elemente și mai grele presupune cu siguranță evoluții tehnice majore suplimentare. Va trebui să vedem în ce perioadă de timp vor fi realizate progresele necesare. Prin urmare, le urăm oamenilor noștri de știință din domeniul nuclear atât idei bune, cât și mult noroc în continuarea căutării de noi elemente. Totuși, nu prea mult noroc, deoarece, dacă ar da brusc peste izotopi stabili, nimeni nici măcar nu ar observa acest lucru.

Nu trebuie să uităm că nucleele grele sunt până acum recognoscibile doar pe baza urmelor lor radioactive. Așadar, dacă ar apărea nuclee stabile, ne dorim ca oamenii de știință din domeniul nuclear să aibă simultan posibilitatea tehnică de a pregăti cantități cântăribile din elementele corespunzătoare. Atunci s-ar putea studia reacțiile chimice ale învelișurilor electronice ale acestora. Iar acest lucru ar fi interesant, deoarece, de exemplu, calculele teoretice sugerează că elementul 123 ar trebui să posede trei orbitali parțial plini în trei învelișuri diferite (8s2 8p 7d 6f). Ar trebui să fim deosebit de nerăbdători să studiem elementul 125, deoarece acesta va implica pentru prima dată orbitali g ocupați ( 8s2 8p 6f3 5g). Simpla formă a diferiților orbitali 5g provoacă dorința de a examina chimia lor (vezi Fig. 6). Vom aștepta cu nerăbdare!

Figura 6. Orbitalii 5g; de la stânga la dreapta și de sus în jos :
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, Criterii care trebuie îndeplinite pentru ca descoperirea unui nou element chimic să fie recunoscută, Pure Appl. Chem. 1991, 63, 879. https://doi.org/10.1351/pac199163060879

R. C. 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, Naming of new elements (IUPAC Recommendations 2002), Pure Appl. Chem. 2002, 74, 787. https://doi.org/10.1351/pac200274050787

W. H. Koppenol et alii, 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 aprilie.

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

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, Fluoruri de radon și elementul 118, J. Chem. Soc. Chem. Comm. 1975, 760. https://doi.org/10.1039/C3975000760B

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

Articolul a fost publicat în limba germană ca:

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

și a fost tradus de W. E. Russey.

New Kids on the Table: Este elementul 118 un gaz nobil? – Partea 1

Sinteza elementelor grele

New Kids on the Table: Este elementul 118 un gaz nobil? – Partea 2

Drumul dificil spre elementul 118

New Kids on the Table: Este elementul 118 un gaz nobil? – Partea 3

Prima sinteză a elementului 118, proprietățile sale și numirea noilor elemente

Vezi articole similare de Klaus Roth publicate în revista ChemViews

.