Nya barn på bordet: Är grundämne 118 en ädelgas? – Del 3

Det periodiska systemet över grundämnena är en av mänsklighetens största upptäckter i naturen, eftersom det omfattar alla byggstenar som binder samman vårt universum i dess hjärta: från det minsta virus till den mest avlägsna galaxen. Förra gången diskuterade vi den svåra vägen mot grundämne 118. I den här delen tar vi en titt på den första syntesen av grundämne 118, dess egenskaper och hur nya grundämnen namnges.

5. Första faktiska syntesen av grundämne 118

År 2002 inledde en forskargrupp bestående av forskare från Joint Institute for Nuclear Research i Dubna, Ryssland, tillsammans med Lawrence Livermore National Laboratory i Berkeley, CA, USA, det första syntetiska försöket att framställa grundämne 118 genom att bombardera kalifornium-249 med kalcium-48-joner . Kalcium-48, med en naturlig förekomst på endast 0,19 %, är mycket sällsynt och följaktligen dyrt (200 000 US-dollar/g). För att vara ett lätt grundämne (Z = 20) är det utomordentligt neutronrikt med ett neutronantal på 28, och är därför särskilt väl lämpat för syntes av stabila, tunga kärnor.

Under 100 dagar bombarderade teamet ett mål bestående av 10 mg 249Cf (0,23 mg/cm2) med en kalcium-48-stråle av 2-1012 ungefär 17-faldigt positivt laddade joner per sekund; under tre månaders bestrålning totalt 2-1019 kalciumjoner. Under hela denna period fick de bevis för endast en enda sönderfallssekvens som kan tillskrivas element 118!

4820Ca +24998Cf → 297

Arbetet återupptogs 2006 och avslöjade, som krävdes, ytterligare två relevanta sönderfallssekvenser (se fig. 3). Den här gången var många förutsättningar tvungna att uppfyllas för att upptäckten skulle erkännas och publiceras i detalj av International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) och International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP) . Tillräckliga sönderfallsserier som stämmer överens med grundämne 118 har faktiskt fastställts, men ingen av de berörda isotoperna var tidigare känd. Man misslyckades alltså med att skapa en koppling till kända isotoper, så erkännandet måste nekas : ”De tre analyserade sönderfallsserierna för en isotop av grundämne Z = 118 stämmer väl överens, men i avsaknad av förankring till kända atomkärnor är de nödvändiga kriterierna för erkännande inte uppfyllda.”

Figur 3. Experiment som är relevanta för upptäckten av element 118.

Det var dock möjligt att bekräfta sönderfallsserien för element 118 via oberoende studier som involverar laterala poster. Sålunda framställdes grundämnena 116 och 114 via oberoende vägar genom bombardering av curium respektive plutonium med kalcium-48-joner, och deras sönderfallsserier bestämdes (se fig. 3). Dessa sönderfallsserier befanns överensstämma med motsvarande delar av sönderfallsserien för grundämne 118. Som en följd av detta utfärdade IUPAC/IUPAP faktiskt en positiv dom:

”The 2006 Dubna-Livermore collaboration of Oganessian et al. produced three concordant decay chains commencing with 294118. Detta resultat bekräftades 2012. Tre andra oberoende fusionsstudier av tunga element tjänade till att identifiera och bekräfta existensen och sönderfallsegenskaperna hos 294118:s ättlingar 290Lv och 286Fl som tjänar till att koppla ihop atomnummer genom korsbombningar. Dubna-Livermore-samarbetet 2006 har uppfyllt kriterierna för upptäckt och dess påstående erkänns nu som validerat.”

Därmed erkändes officiellt att den rysk-amerikanska forskargruppen under ledning av Yuri Oganessian verkligen hade upptäckt grundämne 118. Ordföranden för IUPAC:s oorganiska avdelning begärde därefter ett lämpligt förslag till namn och symbol för det nya grundämnet. I enlighet med ytterligare bestämmelser röstade IUPAC:s plenarmöte om erkännandet av upptäckten och namngivningen av grundämne 118.

6. Namngivning av elementen 113-118

Den som upptäcker ett element har rätt att föreslå ett namn för det, men de har inte ett helt fritt val. IUPAC och IUPAP har utarbetat vissa tillämpliga regler , och namnet på det nya grundämnet ska härledas från:

• a)ett mytologiskt begrepp eller en mytologisk karaktär, inklusive astronomiska objekt
• b)ett mineral eller liknande material
• c)en plats eller ett geografiskt område
• d)ett kännetecken för grundämnet
• e)namnet på en vetenskapsman

Med tanke på standardiseringen bör föreslagna grundämnesnamn för vissa grundämnen alltid ha en av följande ändelser:

• Grupper 1-16, inklusive element i f-blocket: ”-ium”
• Grupp 17 (halogener): Grupp 18 (ädelgaser): ”-ine”
• Grupp 18 (ädelgaser): ”-ine”
• : ”Beslut om elementnamn är svåra för alla inblandade parter: inte bara för upptäckaren, utan också för IUPAC/IUPAP. Upptäckarna, med sina egna egon, lever nödvändigtvis i en specifik komplex politisk miljö, och IUPAC/IUPAP och deras internationella experter existerar inte heller i ett vakuum. Under det kalla krigets tid ledde detta till tvister som ibland har varit ganska groteska. Under en period av tre decennier identifierades element 104 i skolböcker i Förenta staterna som rutherfordium, men på ryska som kurchatovium. Lyckligtvis (förhoppningsvis?) är denna period över. Idag visar syntesen av de tunga transactiniderna hur fördelaktigt det är när forskargrupper från olika länder tillämpar sin expertis på gemensamma projekt.

  6.1. Element 113: Nihon (Nh)

  Element 113 framställdes först – efter år av ansträngningar – av en japansk grupp vid RIKEN under ledning av Kosuke Morita. Det föreslagna namnet och symbolen utformades för att hedra deras hemland: ”Nihon” (den uppstigande solens land), med den medföljande symbolen Nh.

  Morita och hans grupp började bombardera ett mål i bismut med zinkjoner 2003, och i april 2005 hade de upptäckt två konsekventa sönderfallsserier för grundämne 113. Detta ansågs dock inte vara tillräckligt för ett erkännande. Först i augusti 2012, efter ytterligare sju års bestrålning, observerades den länge efterlängtade tredje sönderfallsserien. Med sitt oändliga tålamod och sin uthållighet visade forskargruppen gränsen för dagens tekniska möjligheter: en sönderfallsserie på två år!

  Förberedelsen av de tre andra grundämnena som erkändes 2017 – nummer 115, 117 och 118 – var resultatet av ett nära samarbete mellan ryska (Dubna) och amerikanska (Berkeley) forskare. Detta hade den ytterligare fördelen att de inblandade parterna kunde enas om en vänskaplig kompromiss när det gäller frågan om namngivning i de inledande skedena.

  6.2. Element 115 – Moscovium (Mc)

  Den ryska huvudstaden hedrades med namnet moscovium (Mc), precis som det redan hade varit fallet med forskningsplatsen Dubna, bara 100 km från Moskva, med element 105 (dubnium).

  6.3. Grundämne 117 – Tennessin (Ts)

  Avslutningen ”ine” avslöjar att detta grundämne är förknippat med den 17:e gruppen i det periodiska systemet: halogenerna (fluor, klor, brom, etc.). Det föreslagna namnet var överraskande för många, eftersom element 117:s upptäckt tillskrivs Yuri Oganessians Dubna/Berkeley-team. Men en närmare titt på syntesen förklarar bakgrunden:

  4820Ca +24997Bk → 293 + 4n

  Bombardemanget av berkelium-249 med kalcium-48-joner hade planerats av Oganessians team under lång tid. Problemet var att det bara fanns en plats på jorden där några milligram av det nödvändiga berkeliumet kunde framställas: i högflödesreaktorn vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL) i delstaten Tennessee, USA . Där kunde man faktiskt köpa24997Bk, om än till ett pris av 185 dollar per mikrogram (!), exklusive förpackning. Det planerade experimentet krävde 20 mg. Det var nödvändigt att ta hänsyn inte bara till den höga kostnaden utan också till24997Bk:s korta halveringstid: endast 330 dagar. En omfattande amerikansk-ryskt masterplan utarbetades för beredningen av element 117, som omfattade alla aspekter av tidsplanen för själva experimentet samt vidare bearbetning och transport över tusentals kilometer.

  Under våren 2008 fördes 40 g curium-244 in i ORNL:s högflödesreaktor och utsattes för extremt hög neutronbestrålning i 23 dagar. När bränslet var uttömt byttes det ut och curiumprovet bestrålades i ytterligare 23 dagar. Efter elva sådana cykler under totalt 250 dagar hade 22 mg 24997Bk framställts, och under de följande sex månaderna isolerades det från curiumprovet och renades sedan (se figur 4).

  

  Figur 4. Utgångsmaterialet för tennessinsyntesen: berkelium-249.

  En lösning av den resulterande berkeliumkloriden placerades i fem blybehållare och transporterades till Moskva med ett kommersiellt flyg. Samarbetet mellan forskarna hade gått utan problem, men detsamma kunde inte sägas om den efterföljande provtransporten. Två gånger vägrades berkeliumbehållarna vid den ryska gränsen på grund av saknade eller ofullständiga dokument och skickades sedan tillbaka till New York. Först vid det tredje försöket nådde de det ryska forskningsinstitutet för atomreaktorer i Dimitrovgrad, där målskivorna förbereddes. Slutligen kunde det egentliga experimentet inledas i Dubna den 27 juli 2009. En första sönderfallsserie av grundämne 117 hittades den 20 augusti 2009, och under de följande sex månaderna registrerades ytterligare fem sönderfallsserier.

  6.4. Grundämne 118 – Oganesson (Og)

  Den avslutande ändelsen ”-on” innebär att detta grundämne erkänns som en av ”ädelgaserna” (grupp 18). Det namn som tilldelats det är en hyllning till Yuri Oganessian (se fig. 5), som bara blev den andra levande vetenskapsmannen för vilken ett grundämne namngavs efter Glenn T. Seaborg med seaborgium. På frågan vad han kände inför detta svarade Oganessian :

  ”För mig är det en ära. Upptäckten av grundämne 118 gjordes av forskare från Joint Institute for Nuclear Research i Ryssland och Lawrence Livermore National Laboratory i USA, och det var mina kolleger som föreslog namnet oganesson. Mina barn och barnbarn har bott i Förenta staterna i årtionden, men min dotter skrev till mig när hon hörde om det att hon inte kunde sova den natten eftersom hon grät så mycket. Mina barnbarn däremot, som alla unga människor, reagerade knappt.”

  

  Figur 5. Yuri Oganessian på ett armeniskt frimärke.

  För kemister uppstår frågan om oganesson inte bara formellt sett är en ädelgas, utan om den också beter sig fysiskt och kemiskt som en sådan. Många kemister förblir skeptiska till kvantkemiska beräkningar, särskilt när det gäller transactiniderna, eftersom de höga hastigheterna hos deras inre elektroner (70 % av ljusets hastighet i fallet copernicium, Z = 112) är svårare att ta hänsyn till (relativistiska effekter). Men om Dmitri Mendelejev kunde göra vissa exakta och korrekta förutsägelser redan på 1800-talet med hjälp av penna och papper, borde vi kanske lita mer på våra teoretiker. I vilket fall som helst kan den inledande frågan ”Är grundämne 118 en ädelgas?” utifrån deras beräkningar snabbt besvaras med ”Oganesson är garanterat inte en ädelgas, utan kanske snarare en ”ädelvätska”, med en kokpunkt på 50-110 °C .

  För övrigt bör oganesson reagera med fluor för att ge de stabila föreningarna OgF2 och OgF4 , där OgF4 inte skulle vara plana som xenontetrafluorid, utan tetraedrisk. Detta kan ännu inte verifieras experimentellt, eftersom de fyra syntetiska oganessonatomerna försvann efter en enda millisekund. Låt oss därför se fram emot mer stabila oganessonisotoper och förbereda oss på att bli överraskade av deras kemi.

  7. Hur går det vidare härifrån?

  Med avseende på syntesen av grundämne 119 står kärnforskarna fortfarande vid startgroparna. Hideto En’yo från det japanska forskningsinstitutet RIKEN har meddelat att man vill bombardera curium med vanadiumjoner

  96Cm + 23V →

  och Oganessiagruppen vill avfyra titanjoner mot berkelium

  97Bk + 22Ti →

  Det är så gott som säkert att dessa experiment kommer att stöta på gränserna för dagens teknik. Syntesen av ännu tyngre grundämnen förutsätter säkerligen ytterligare stor teknisk utveckling. Vi får se under vilken tidsperiod de nödvändiga framstegen kommer att uppnås. Vi önskar därför våra kärnkraftsforskare både goda idéer och lycka till i sitt fortsatta sökande efter nya grundämnen. Dock inte alltför mycket tur, för om de plötsligt skulle snubbla över stabila isotoper skulle ingen ens märka det.

  Vi får inte glömma att de tunga atomkärnorna än så länge bara går att känna igen på grundval av deras radioaktiva spår. Så om stabila kärnor skulle dyka upp önskar vi kärnforskare samtidigt den tekniska möjligheten att framställa vägbara mängder av motsvarande grundämnen. Då skulle man kanske kunna studera kemiska reaktioner i deras elektronskal. Och det skulle vara spännande eftersom t.ex. teoretiska beräkningar tyder på att grundämne 123 borde ha tre delvis fyllda orbitaler i tre olika skal (8s2 8p 7d 6f). Vi borde vara särskilt angelägna om att studera grundämne 125, eftersom det för första gången kommer att innehålla ockuperade g-orbitaler ( 8s2 8p 6f3 5g). Bara formerna för de olika 5g-orbitalerna orsakar en önskan att undersöka deras kemi (se fig. 6). Vi väntar förväntansfullt!

  

  Figur 6. 5g-orbitalerna; från vänster till höger och uppifrån och ner:
  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, Naming of new elements (IUPAC Recommendations 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, januari 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, Fluorider av radon och element 118, J. Chem. Soc. Chem. Comm. 1975, 760. https://doi.org/10.1039/C3975000760B

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

  Artikeln har publicerats på tyska som:

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

  och översattes av W. E. Russey.

  New Kids on the Table: Är grundämne 118 en ädelgas? – Del 1

  Syntesen av tunga grundämnen

  New Kids on the Table: Är grundämne 118 en ädelgas? – Del 2

  Den svåra vägen mot grundämne 118

  New Kids on the Table: Är grundämne 118 en ädelgas? – Del 3

  Den första syntesen av element 118, dess egenskaper och namngivning av nya grundämnen

  Se liknande artiklar av Klaus Roth publicerade i ChemViews Magazine