Флеровий - Flerovium

Флеровиум,  114 эт.
Флеровий
Произношение
Массовое число [289] (неподтверждено: 290)
Флеровий в периодической таблице
Водород Гелий
Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон
Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон
Калий Кальций Скандий Титана Ванадий Хром Марганец Утюг Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон
Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон
Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон
Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон
Pb

Fl

(Uho)
нихонийфлеровиймосковский
Атомный номер ( Z ) 114
Группа группа 14 (углеродная группа)
Период период 7
Блокировать   p-блок
Электронная конфигурация [ Rn ] 5f 14 6d 10 7s 2 7p 2 (прогноз)
Электронов на оболочку 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4 (прогноз)
Физические свойства
Фаза на  СТП жидкость (прогнозируется)
Температура плавления 200  К (-73 ° C, -100 ° F) (прогноз)
Точка кипения 380 К (107 ° C, 224 ° F) (прогноз)
Плотность (около  rt ) 9,928 г / см 3 (прогноз)
Теплота испарения 38 кДж / моль (прогноз)
Атомные свойства
Состояния окисления (0), (+1), ( +2 ), (+4), (+6) (прогнозируется)
Энергии ионизации
Радиус атома эмпирический: 180  часов (прогноз)
Ковалентный радиус 171–177 часов (экстраполировано)
Прочие свойства
Естественное явление синтетический
Кристальная структура гранецентрированная кубическая (ГЦК)
Гранецентрированная кубическая кристаллическая структура флеровия

(предсказано)
Количество CAS 54085-16-4
История
Именование им. Флерова Лаборатория ядерных реакций (сама им. Георгия Флёрова )
Открытие Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) и Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса (LLNL) (1999)
Основные изотопы флеровия
Изотоп Избыток Период полураспада ( t 1/2 ) Режим распада Продукт
284 эт син 2,5 мс SF
285 эт син 0,10 с α 281 Cn
286 эт син 0,12 с 40% α 282 Cn
60% SF
287 эт син 0,48 с α 283 Cn
ЕС? 287 Nh
288 эт син 0,66 с α 284 Cn
289 эт син 1.9 с α 285 Cn
290 эт син 19 с? EC 290 Nh
α 286 Cn
Категория Категория: Флеровий
| Рекомендации

Флеровий - это сверхтяжелый искусственный химический элемент с символом F1 и атомным номером 114. Это чрезвычайно радиоактивный синтетический элемент . Элемент назван в честь Лаборатории ядерных реакций им. Флёрова Объединенного института ядерных исследований в Дубне , Россия, где элемент был открыт в 1998 году. Название лаборатории, в свою очередь, дано в честь российского физика Георгия Флёрова ( Флёров на кириллице). , отсюда и транслитерация « йо » на «е»). Название было принято ИЮПАК 30 мая 2012 года. Название и символ ранее предлагались для элемента 102 ( нобелий ), но не были приняты ИЮПАК в то время.

В периодической таблице элементов это трансактинидный элемент в p-блоке . Это член 7-го периода и самый тяжелый из известных членов углеродной группы ; это также самый тяжелый элемент, химический состав которого был исследован. Первоначальные химические исследования, проведенные в 2007–2008 годах, показали, что флеровий неожиданно оказался летучим для элемента группы 14; по предварительным результатам он даже показывал свойства, аналогичные свойствам благородных газов . Более поздние результаты показывают , что реакция Флеровий с золотом подобна тому из Коперниций , показывая , что это очень летучий элемент , который может быть даже газообразным при стандартной температуре и давлении , что было бы показать металлические свойства, в соответствии с ним быть тяжелее гомологом из свинец , и что он будет наименее химически активным металлом в группе 14. Вопрос о том, ведет себя флеровий больше как металл или благородный газ, все еще не решен по состоянию на 2020 год.

Было обнаружено около 90 атомов флеровия: 58 были синтезированы напрямую, а остальные образовались в результате радиоактивного распада более тяжелых элементов. Было показано, что все эти атомы флеровия имеют массовые числа от 284 до 290. Самый стабильный изотоп флеровия , флеровий-289, имеет период полураспада около 1,9 секунды, но возможно, что неподтвержденный флеровий-290 (с один дополнительный нейтрон) может иметь более длительный период полураспада 19 секунд; это будет один из самых продолжительных периодов полураспада любого изотопа любого элемента в этих самых дальних частях периодической таблицы. Предполагается, что флеровий находится около центра теоретического острова стабильности , и ожидается, что более тяжелые изотопы флеровия, особенно, возможно, волшебный флеровий-298, могут иметь даже более длительные периоды полураспада.

Вступление

Графическое изображение реакции ядерного синтеза
Графическое изображение реакции ядерного синтеза . Два ядра сливаются в одно, испуская нейтрон . Реакции, в результате которых к этому моменту были созданы новые элементы, были похожими, с той единственной возможной разницей, что иногда выделялось несколько единичных нейтронов или ни одного.
Внешнее видео
значок видео Визуализация неудачного ядерного синтеза на основе расчетов Австралийского национального университета

Самые тяжелые атомные ядра образуются в ядерных реакциях, которые объединяют два других ядра неравных размеров в одно; грубо говоря, чем более неравны два ядра по массе, тем больше вероятность того, что они вступят в реакцию. Материал, состоящий из более тяжелых ядер, превращается в мишень, которую затем бомбардирует пучок более легких ядер. Два ядра могут слиться в одно только в том случае, если они достаточно близко подходят друг к другу; Обычно ядра (все положительно заряженные) отталкиваются друг от друга из-за электростатического отталкивания . Сильное взаимодействие может преодолеть это отталкивание , но только в очень небольшом расстоянии от ядра; Таким образом, ядра пучка сильно ускоряются , чтобы сделать такое отталкивание незначительным по сравнению со скоростью ядра пучка. Сближаясь самим по себе не достаточно для двух ядер к предохранителю: когда два ядра приближаются друг к другу, они обычно остаются вместе в течение приблизительно 10 -20  секунд , а затем способов части (не обязательно в той же композиции , как и до реакции) , а не образует единую ядро. Если слияние действительно происходит, временное слияние, называемое составным ядром , представляет собой возбужденное состояние . Чтобы потерять энергию возбуждения и перейти в более стабильное состояние, составное ядро ​​либо делится, либо выбрасывает один или несколько нейтронов , которые уносят энергию. Это происходит примерно через 10 -16  секунд после первоначального столкновения.

Луч проходит через цель и достигает следующей камеры - сепаратора; если новое ядро ​​произведено, оно переносится этим лучом. В сепараторе вновь образованное ядро ​​отделяется от других нуклидов (от исходного пучка и любых других продуктов реакции) и переносится на детектор с поверхностным барьером , который останавливает ядро. Отмечается точное место предстоящего удара о детектор; также отмечена его энергия и время прибытия. Передача занимает около 10-6  секунд; Чтобы ядро ​​было обнаружено, оно должно выжить так долго. Ядро регистрируется снова после регистрации его распада и измерения местоположения, энергии и времени распада.

Устойчивость ядра обеспечивается сильным взаимодействием. Однако его диапазон очень мал; по мере того, как ядра становятся больше, его влияние на самые удаленные нуклоны ( протоны и нейтроны) ослабевает. В то же время ядро ​​разрывается электростатическим отталкиванием между протонами, так как оно имеет неограниченный радиус действия. Таким образом, ядра самых тяжелых элементов предсказываются теоретически и до сих пор наблюдались в основном распадом через моды распада, которые вызываются таким отталкиванием: альфа-распад и спонтанное деление ; эти режимы преобладают для ядер сверхтяжелых элементов . Альфа-распад регистрируется испускаемыми альфа-частицами , и продукты распада легко определить до фактического распада; если такой распад или серия последовательных распадов дает известное ядро, исходный продукт реакции можно определить арифметически. Однако в результате спонтанного деления образуются различные ядра, поэтому исходный нуклид не может быть определен по его дочерним элементам.

Таким образом, информация, доступная физикам, стремящимся синтезировать один из самых тяжелых элементов, - это информация, собранная в детекторах: местоположение, энергия и время прибытия частицы к детектору, а также данные о ее распаде. Физики анализируют эти данные и пытаются сделать вывод, что это действительно было вызвано новым элементом и не могло быть вызвано другим нуклидом, чем заявленный. Часто предоставленных данных недостаточно для вывода о том, что новый элемент определенно был создан, и нет другого объяснения наблюдаемых эффектов; были допущены ошибки в интерпретации данных.

История

Предварительное открытие

С конца 1940-х до начала 1960-х годов, в первые дни синтеза более тяжелых и более тяжелых трансурановых элементов , было предсказано, что, поскольку такие тяжелые элементы не встречаются в природе, они будут иметь все более короткие периоды полураспада до самопроизвольного деления , пока они не появятся. прекратил свое существование примерно на уровне 108-го элемента (теперь известного как хасиум ). Первые работы по синтезу актиноидов, по- видимому, подтвердили это. Модель ядерной оболочки , представленная в 1949 году и широко разработанная в конце 1960-х годов Уильямом Майерсом и Владиславом Свёнтецким , утверждала, что протоны и нейтроны образуют оболочки внутри ядра, в некоторой степени аналогичные электронам, образующим электронные оболочки внутри атома. Эти благородные газы являются инертными из - за их имея полные электронные оболочки; таким образом, было высказано предположение, что элементы с полными ядерными оболочками - имеющие так называемое « магическое » число протонов или нейтронов - будут стабилизированы против радиоактивного распада . Особенно стабилизировался бы дважды магический изотоп , имеющий магические числа как протонов, так и нейтронов. В 1965 году Хайнер Мельднер рассчитал, что следующим дважды магическим изотопом после свинца-208 будет флеровий-298 с 114 протонами и 184 нейтронами, который станет центром так называемого « острова стабильности ». Этот остров стабильности, предположительно варьирующийся от копернициума (элемент 112) до оганесона (118), возникнет после долгого «моря нестабильности» от элемента 101 (менделевий) до 111 ( рентгений ), а изотопы флеровия в нем предполагались в 1966 г. - период полураспада более ста миллионов лет. Эти ранние предсказания очаровали исследователей и привели к первой попытке синтеза флеровия в 1968 году с использованием реакции 248 Cm ( 40 Ar, xn). Изотопов флеровия в этой реакции обнаружено не было. Считалось, что это происходит потому, что составное ядро 288 Fl имеет только 174 нейтрона вместо предполагаемого магического 184, и это окажет значительное влияние на сечение реакции (выход) и период полураспада образующихся ядер. Затем потребовалось еще тридцать лет для синтеза первых изотопов флеровия. Более поздняя работа предполагает, что локальные островки стабильности вокруг гассия и флеровия возникают из-за того, что эти ядра соответственно деформированы и сплюснуты , что делает их устойчивыми к спонтанному делению, и что истинный остров стабильности для сферических ядер находится в районе унбибия -306 ( со 122 протонами и 184 нейтронами).

Открытие

Флеровий был впервые синтезирован в декабре 1998 года группой ученых из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне , Россия, во главе с Юрием Оганесяном , который бомбардировал мишень из плутония-244 ускоренными ядрами кальция-48 :

244
94
Пу
+ 48
20
Ca
292
114
Fl
* → 290
114
Fl
+ 2 1
0
п

Эта реакция предпринималась и раньше, но безуспешно; для этой попытки 1998 г. ОИЯИ модернизировал все свое оборудование, чтобы лучше обнаруживать и разделять образующиеся атомы и более интенсивно бомбардировать цель. Был обнаружен одиночный атом флеровия, распадающийся альфа-излучением со временем жизни 30,4 секунды. Энергия распада измеренная 9,71  МэВ , что дает ожидаемый период полураспада 2-23 сек. Это наблюдение было отнесено к изотопу флеровий-289 и было опубликовано в январе 1999 года. Позже эксперимент был повторен, но изотоп с такими свойствами распада больше никогда не обнаруживался, и, следовательно, точная идентичность этой активности неизвестна. Возможно, что это было связано с метастабильным изомером 289m Fl, но поскольку присутствие целого ряда долгоживущих изомеров в его цепи распада было бы весьма сомнительным, наиболее вероятное отнесение этой цепи к каналу 2n, ведущему к 290 Fl и захват электронов до 290 Nh, что хорошо согласуется с систематикой и тенденциями по изотопам флеровия и согласуется с низкой энергией пучка, выбранной для этого эксперимента, хотя было бы желательно дальнейшее подтверждение посредством синтеза 294 Lv в 248 Cm ( 48 Ca, 2n) реакция, которая будет альфа-распадом до 290 Fl. Команда RIKEN сообщила о возможном синтезе изотопов 294 Lv и 290 Fl в 2016 году посредством реакции 248 Cm ( 48 Ca, 2n), но альфа-распад 294 Lv был пропущен, наблюдался альфа-распад от 290 Fl до 286 Cn. вместо захвата электронов до 290 Nh, и отнесение к 294 Lv вместо 293 Lv и распад на изомер 285 Cn не был определен.

Гленн Т. Сиборг , ученый из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, который участвовал в работе по синтезу таких сверхтяжелых элементов, сказал в декабре 1997 года, что «одной из его самых давних и самых заветных мечтаний было увидеть один из этих волшебных элементов. "; ему рассказал о синтезе флеровия его коллега Альберт Гиорсо вскоре после его публикации в 1999 году. Позже Гиорсо вспоминал:

Я хотел, чтобы Гленн знал, поэтому подошел к его постели и рассказал ему. Мне показалось, что я увидел блеск в его глазах, но на следующий день, когда я пошел навестить его, он не помнил, чтобы видел меня. Как ученый, он умер от инсульта.

-  Альберт Гиорсо

Сиборг умер два месяца спустя, 25 февраля 1999 года.

Изотопы

Список изотопов флеровия
Изотоп Период полураспада
Режим распада

Год открытия

Реакция открытия
Значение Ссылка
284 эт 2,5 мс SF 2015 г. 240 Pu ( 48 Ca, 4n)
239 Pu ( 48 Ca, 3n)
285 эт 0,10 с α 2010 г. 242 Pu ( 48 Ca, 5n)
286 эт 0,12 с α, SF 2003 г. 290 Ур (-, α)
287 эт 0,48 с α, ЭК? 2003 г. 244 Pu ( 48 Ca, 5n)
288 эт 0,66 с α 2004 г. 244 Pu ( 48 Ca, 4n)
289 эт 1.9 с α 1999 г. 244 Pu ( 48 Ca, 3n)
289 кв.м. 1,1 с α 2012 г. 293 м Ур (-, α)
290 эт 19 с α, ЭК? 1998 г. 244 Pu ( 48 Ca, 2n)

В марте 1999 года та же группа заменила мишень из 244 Pu на мишень из 242 Pu, чтобы произвести другие изотопы флеровия. В этой реакции образовались два атома флеровия, распадающиеся через альфа-излучение с периодом полураспада 5,5 с. Им присвоили номер 287 эт. Эта активность также больше не наблюдалась, и неясно, какое ядро ​​было произведено. Возможно, что это был метастабильный изомер 287m Fl или результат ветви захвата электронов 287 Fl, приводящей к 287 Nh и 283 Rg.

Подтвержденное сейчас открытие флеровия было сделано в июне 1999 г., когда дубненская группа повторила первую реакцию 1998 г. На этот раз были произведены два атома флеровия; они альфа-распадались с периодом полураспада 2,6 с, что отличается от результата 1998 года. Первоначально эта активность была ошибочно отнесена к 288 Fl из-за путаницы с предыдущими наблюдениями, которые, как предполагалось, исходили от 289 Fl. Дальнейшая работа в декабре 2002 г., наконец, позволила положительно переназначить атомы июня 1999 г. на 289 Fl.

В мае 2009 года Объединенная рабочая группа (JWP) ИЮПАК опубликовала отчет об открытии коперникия, в котором они признали открытие изотопа 283 Cn. Это означало открытие флеровия из подтверждения данных по синтезу 287 Fl и 291 Lv , которые распадаются до 283 Cn. Открытие изотопов флеровий-286 и -287 было подтверждено в январе 2009 года в Беркли. За этим последовало подтверждение наличия флеровия-288 и -289 в июле 2009 г. в Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) в Германии. В 2011 г. ИЮПАК оценил эксперименты дубненской группы 1999–2007 гг. Они сочли ранние данные неубедительными, но приняли результаты 2004–2007 гг. Как флеровий, и этот элемент был официально признан обнаруженным.

Хотя метод химической характеристики дочернего элемента оказался успешным в случаях флеровия и ливермория, а более простая структура четно-четных ядер сделала подтверждение оганессона (элемент 118) простым, возникли трудности с установлением конгруэнтности цепочек распада. из изотопов с нечетными протонами, нечетными нейтронами или и тем, и другим. Чтобы обойти эту проблему с помощью горячего синтеза, цепочки распада которого заканчиваются спонтанным делением вместо соединения с известными ядрами, как позволяет холодный синтез, в 2015 году в Дубне были проведены эксперименты по получению более легких изотопов флеровия в реакциях 48 Ca с 239 Pu и 240 Pu, особенно 283 Fl, 284 Fl и 285 Fl; последний был ранее охарактеризован в реакции 242 Pu ( 48 Ca, 5n) 285 Fl в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в 2010 году. Изотоп 285 Fl был охарактеризован более четко, в то время как новый изотоп 284 Fl подвергался немедленному спонтанному делению. вместо альфа-распада на известные нуклиды около закрытия оболочки N = 162, а 283 Fl не было обнаружено. Этот легчайший изотоп, возможно, еще может быть получен в реакции холодного синтеза 208 Pb ( 76 Ge, n) 283 Fl, которую команда RIKEN в Японии решила исследовать: ожидается, что эта реакция будет иметь более высокое поперечное сечение на 200 фб, чем «мировой рекорд» - 30 fb для 209 Bi ( 70 Zn, n) 278 Nh, реакция, которую RIKEN использовал для официального открытия 113-го элемента, теперь называемого нихонием . Команда из Дубны повторила свое исследование реакции 240 Pu + 48 Ca в 2017 году, наблюдая три новые последовательные цепочки распада 285 Fl, дополнительную цепочку распада этого нуклида, которая может проходить через некоторые изомерные состояния в его дочерних элементах , цепочку, которую можно отнести до 287 Fl (вероятно, из-за примесей 242 Pu в мишени) и некоторых событий спонтанного деления, некоторые из которых могут быть от 284 Fl, хотя возможны и другие интерпретации, включая побочные реакции, связанные с испарением заряженных частиц.

Именование

Марка России, выпущенная в 2013 году, посвященная Георгию Флёрову и флеровиуму.

Используя номенклатуру Менделеева для безымянных и неоткрытых элементов , флеровий иногда называют эка- свинцом . В 1979 году IUPAC опубликовал рекомендации, согласно которым элемент должен был называться ununquadium (с соответствующим символом Uuq ), систематическое имя элемента в качестве заполнителя , до тех пор, пока открытие элемента не будет подтверждено и не будет принято решение о постоянном названии. Большинство ученых в этой области назвали его «элементом 114» с символом E114 , (114) или 114 .

Согласно рекомендациям IUPAC, открыватель (и) нового элемента имеет право предложить имя. После того, как открытие флеровия и ливермория было признано IUPAC 1 июня 2011 г., IUPAC попросил группу исследователей в ОИЯИ предложить постоянные названия для этих двух элементов. Команда из Дубны назвала элемент 114 флеровий (символ Fl) в честь Российской лаборатории ядерных реакций им. Флерова (ЛЯР), названной в честь советского физика Георгия Флерова (также пишется Флеров); Ранее сообщалось, что название элемента было предложено прямо в честь Флёрова. В соответствии с предложением, полученным от первооткрывателей, ИЮПАК официально назвал флеровий в честь Лаборатории ядерных реакций им. Флерова (старое название ОИЯИ), а не в честь самого Флерова. Флеров известен своим письмом Иосифу Сталину в апреле 1942 года и указанием на молчание в научных журналах в области ядерного деления в Соединенных Штатах, Великобритании и Германии. Флеров пришел к выводу, что это исследование должно было стать секретной информацией в этих странах. Работа и увещевание Флеров привели к развитию из СССР собственного «s проекта атомной бомбы . Флеров также известен открытием спонтанного деления с Константином Петржаком . Церемония присвоения имен флеровию и ливерморию прошла 24 октября 2012 года в Москве.

В интервью 2015 года Оганесяну ведущий, готовясь задать вопрос, сказал: «Вы сказали, что мечтали назвать [элемент] в честь вашего учителя Георгия Флёрова». Не давая хозяину закончить, Оганесян неоднократно повторял: «Да».

Прогнозируемые свойства

Было измерено очень мало свойств флеровия или его соединений; это связано с его чрезвычайно ограниченным и дорогим производством, а также с тем, что он очень быстро разлагается. Было измерено несколько особых свойств, но по большей части свойства флеровия остаются неизвестными, и доступны только прогнозы.

Ядерная стабильность и изотопы

Области ядер различной формы, как предсказывает модель взаимодействующих бозонов.

Физическая основа химической периодичности периодической таблицы Менделеева - закрытие электронных оболочек каждого благородного газа ( атомные номера 2 , 10 , 18 , 36 , 54 , 86 и 118 ): поскольку любые дальнейшие электроны должны войти в новую оболочку с более высоким энергии, электронные конфигурации с закрытой оболочкой заметно более стабильны, что приводит к относительной инертности благородных газов. Поскольку известно, что протоны и нейтроны располагаются в замкнутых ядерных оболочках, тот же эффект происходит при закрытии нуклонных оболочек, что происходит при определенных числах нуклонов, часто называемых «магическими числами». Известными магическими числами являются 2, 8, 20, 28, 50 и 82 для протонов и нейтронов, а также 126 для нейтронов. Нуклоны с магическими числами протонов и нейтронов , такие как гелий-4 , кислород-16 , кальций-48 и свинец-208, называются «дважды магическими» и очень устойчивы к распаду. Это свойство повышенной ядерной стабильности очень важно для сверхтяжелых элементов : без какой-либо стабилизации их период полураспада, как можно было бы ожидать путем экспоненциальной экстраполяции, будет в диапазоне наносекунд (10 -9  с), когда достигается элемент 110 (дармштадций), потому что постоянно увеличивающихся электростатических сил отталкивания между положительно заряженными протонами, которые преодолевают сильную ядерную силу ограниченного радиуса действия, которая удерживает ядро ​​вместе. Следующие закрытые оболочки нуклонов и, следовательно, магические числа, как полагают, обозначают центр долгожданного острова стабильности, где период полураспада до альфа-распада и спонтанного деления снова удлиняется.

Орбитали с высоким азимутальным квантовым числом увеличиваются в энергии, устраняя то, что в противном случае было бы разрывом в орбитальной энергии, соответствующей замкнутой протонной оболочке в элементе 114. Это поднимает следующую протонную оболочку в область вокруг элемента 120 .

Первоначально, по аналогии с магическим числом нейтрона 126, ожидалось, что следующая протонная оболочка возникнет в элементе 126 , слишком далеко от возможностей синтеза середины 20-го века, чтобы привлечь внимание теоретиков. В 1966 году новые значения потенциала и спин-орбитального взаимодействия в этой области периодической таблицы противоречили этому и предсказывали, что следующая протонная оболочка возникнет вместо 114-го элемента, и что нуклиды в этой области будут столь же устойчивы к спонтанному делению, как много тяжелых ядер, таких как свинец-208. Ожидаемые закрытые нейтронные оболочки в этой области имели нейтронное число 184 или 196, что делало 298 Fl и 310 Fl кандидатами на двойную магию. 1972 оценки предсказали полураспада около года для 298 Fl, который , как ожидается, будет рядом с большим островом стабильности с самым длинным периодом полураспада в 294 Ds (10 10  лет, сравнимых с 232 Th ). После синтеза первых изотопов элементов с 112 по 118 на рубеже 21 века было обнаружено, что синтезированные нейтронодефицитные изотопы стабилизированы против деления. Таким образом, в 2008 году была выдвинута гипотеза, что стабилизация против деления этих нуклидов была вызвана тем, что они были сплюснутыми ядрами, и что область сплющенных ядер была сосредоточена на 288 Fl. Кроме того, новые теоретические модели показали, что ожидаемый энергетический разрыв между протонными орбиталями 2f 7/2 (заполнен на элементе 114) и 2f 5/2 (заполнен на элементе 120 ) был меньше, чем ожидалось, так что элемент 114 больше не выглядел - стабильная сферическая замкнутая ядерная оболочка. Следующее дважды магическое ядро, как ожидается, будет иметь размер около 306 Ubb, но ожидаемый низкий период полураспада и низкое поперечное сечение образования этого нуклида затрудняет его синтез. Тем не менее ожидается, что остров стабильности по-прежнему будет существовать в этой области периодической таблицы, а ближе к его центру (к которому еще не подошли достаточно близко) некоторые нуклиды, такие как 291 Mc и его дочери в альфа- и бета-распаде , может быть обнаружено, что он распадается в результате испускания позитронов или захвата электронов и, таким образом, перемещается в центр острова. Из-за ожидаемых высоких барьеров деления любое ядро ​​внутри этого островка стабильности распадается исключительно за счет альфа-распада и, возможно, некоторого электронного захвата и бета-распада , оба из которых приблизят ядра к линии бета-стабильности, где, как ожидается, будет остров. Захват электронов необходим для достижения острова, что проблематично, поскольку нет уверенности в том, что захват электронов станет основной модой распада в этой области диаграммы нуклидов .

В период с 2000 по 2004 год в Лаборатории ядерных реакций им. Флерова в Дубне было проведено несколько экспериментов по изучению характеристик деления составного ядра 292 Fl путем бомбардировки плутониевой мишени-244 ускоренными ионами кальция-48. Составное ядро ​​- это рыхлая комбинация нуклонов, которые еще не образовали ядерные оболочки. Он не имеет внутренней структуры и удерживается вместе только силами столкновения между ядрами мишени и снаряда. Результаты показали, как ядра, подобные этому, делятся преимущественно путем изгнания дважды магических или почти дважды магических фрагментов, таких как кальций-40 , олово-132 , свинец-208 или висмут-209 . Было также обнаружено, что выход для пути синтеза-деления был одинаковым для снарядов из кальция-48 и железа-58 , что указывает на возможное будущее использование снарядов из железа-58 в формировании сверхтяжелых элементов. Также было высказано предположение, что богатый нейтронами изотоп флеровия может быть образован квазиделением (частичное слияние с последующим делением) массивного ядра. Недавно было показано, что реакции многонуклонного переноса при столкновении ядер актинидов (таких как уран и кюрий ) могут быть использованы для синтеза богатых нейтронами сверхтяжелых ядер, расположенных на островке стабильности, хотя для получения богатого нейтронами нобелия или ядра сиборгия более вероятны.

Теоретическая оценка периода полураспада изотопов флеровия при альфа-распаде подтверждает экспериментальные данные. Выживший после деления изотоп 298 Fl, долгое время считавшийся дважды магическим, по прогнозам, будет иметь период полураспада при альфа-распаде около 17 дней. Прямой синтез ядра 298 Fl путем слияния-испарения в настоящее время невозможен, поскольку никакая известная комбинация мишени и стабильного снаряда не может обеспечить 184 нейтрона в составном ядре и радиоактивные снаряды, такие как кальций-50 (период полураспада четырнадцать секунд) пока нельзя использовать в необходимом количестве и интенсивности. В настоящее время одна из возможностей синтеза ожидаемых долгоживущих ядер коперниция ( 291 Cn и 293 Cn) и флеровия вблизи середины острова включает использование еще более тяжелых мишеней, таких как кюрий-250 , берклий-249 , калифорний-251 , и эйнштейний-254 , который при слиянии с кальцием-48 будет производить ядра, такие как 291 Mc и 291 Fl (как продукты распада 299 Uue, 295 Ts и 295 Lv), с достаточным количеством нейтронов для альфа-распада до нуклидов, достаточно близких к центр острова, возможно, подвергнется электронному захвату и переместится внутрь к центру, хотя поперечные сечения будут небольшими, и пока мало что известно о свойствах распада сверхтяжелых нуклидов вблизи линии бета-стабильности. В настоящее время это может быть лучшей надеждой на синтез ядер на острове стабильности, но это спекулятивно и может работать, а может и не работать на практике. Другая возможность - использовать контролируемые ядерные взрывы для достижения высокого нейтронного потока, необходимого для создания макроскопических количеств таких изотопов. Это имитирует r-процесс, в котором актиниды впервые возникли в природе, и промежуток нестабильности после обхода полония , поскольку он будет обходить промежутки нестабильности при 258–260 Фм и массовом числе 275 (атомные номера от 104 до 108). . Некоторые такие изотопы (особенно 291 Cn и 293 Cn), возможно, даже были синтезированы в природе, но распались бы слишком быстро (с периодом полураспада всего в тысячи лет) и производились бы в слишком малых количествах (около 10 - 12 обилие свинца), которые сегодня можно обнаружить как первичные нуклиды вне космических лучей .

Атомный и физический

Флеровий входит в группу 14 периодической таблицы , ниже углерода , кремния , германия , олова и свинца. Каждый предыдущий элемент группы 14 имеет четыре электрона в своей валентной оболочке, образуя конфигурацию валентных электронов ns 2 np 2 . В случае флеровия тенденция сохранится, и конфигурация валентных электронов, по прогнозам, будет 7s 2 7p 2 ; flerovium во многих отношениях будет вести себя так же, как и его более легкие сородичи . Вероятно возникновение разногласий; в значительной степени способствующим эффектом является спин-орбитальное (SO) взаимодействие - взаимодействие между движением электронов и спином . Это особенно сильно для сверхтяжелых элементов, потому что их электроны движутся быстрее, чем в более легких атомах, со скоростью, сравнимой со скоростью света . Что касается атомов флеровия, он снижает энергетические уровни электронов 7s и 7p (стабилизируя соответствующие электроны), но два из уровней энергии электронов 7p стабилизируются больше, чем четыре других. Стабилизация 7s-электронов называется эффектом инертной пары , а эффект «разрыва» подоболочки 7p на более стабилизированные и менее стабилизированные части называется расщеплением подоболочки. Вычислительные химики рассматривают расщепление как изменение второго ( азимутального ) квантового числа l с 1 до 12 и 32 для более стабилизированных и менее стабилизированных частей подоболочки 7p соответственно. Для многих теоретических целей конфигурация валентных электронов может быть представлена ​​как отражающая разделение подоболочки 7p как 7s2
7p2
1/2
. Эти эффекты приводят к тому, что химический состав флеровия несколько отличается от химического состава его более легких соседей.

Из-за того, что спин-орбитальное расщепление подоболочки 7p во флеровии очень велико, и того факта, что обе заполненные орбитали флеровия в седьмой оболочке стабилизированы релятивистски, валентную электронную конфигурацию флеровия можно рассматривать как полностью заполненную оболочку. Его первая энергия ионизации 8,539  эВ (823,9  кДж / моль ) должна быть второй по величине в группе 14. Уровни 6d-электронов также дестабилизированы, что приводит к некоторым ранним предположениям о том, что они могут быть химически активными, хотя более новые работы предполагают, что это навряд ли. Поскольку эта первая энергия ионизации выше, чем у кремния и германия , но все же ниже, чем у углерода , было высказано предположение, что флеровий может быть классифицирован как металлоид .

Электронная конфигурация флеровия с закрытой оболочкой приводит к тому, что металлическая связь в металлическом флеровии слабее, чем в предыдущем и последующем элементах; таким образом, ожидается, что флеровий будет иметь низкую температуру кипения , и недавно было высказано предположение, что он, возможно, является газообразным металлом, аналогично предсказаниям для коперниция, который также имеет электронную конфигурацию с закрытой оболочкой. В 1970-х годах прогнозировалось, что температуры плавления и кипения флеровия будут составлять около 70 ° C и 150 ° C, что значительно ниже, чем значения для более легких элементов группы 14 (для свинца 327 ° C и 1749 ° C соответственно), и продолжая тенденцию к снижению точек кипения вниз по группе. Хотя более ранние исследования предсказывали температуру кипения ~ 1000 ° C или 2840 ° C, в настоящее время это считается маловероятным из-за ожидаемой слабой металлической связи во флеровии, и что групповые тенденции предполагают, что флеровий будет иметь низкую энтальпию сублимации. Недавние предварительные расчеты предсказывают, что флеровий должен иметь температуру плавления -73 ° C (ниже, чем у ртути при -39 ° C и коперниция, прогнозируемая 10 ± 11 ° C) и температуру кипения 107 ° C, что сделает его жидким. металл. Как ртуть , радон и коперниций , но не свинец и оганессон (эка-радон), флеровий не имеет сродства к электрону .

Ожидается, что флеровий будет кристаллизоваться в гранецентрированной кубической кристаллической структуре, как и его более легкий родственный свинец, хотя более ранние расчеты предсказывали гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру из-за эффектов спин-орбитального взаимодействия. Эти более ранние расчеты также предсказывали плотность 9,928 г / см 3 , хотя было отмечено, что она, вероятно, немного занижена . Ожидается, что электрон водородоподобного иона флеровия (окисленный так, что он имеет только один электрон, Fl 113+ ) будет двигаться так быстро, что его масса в 1,79 раза больше массы неподвижного электрона из-за релятивистских эффектов . Для сравнения: ожидаемые значения водородоподобного свинца и олова составят 1,25 и 1,073 соответственно. Флеровий образует более слабые связи металл-металл, чем свинец, и меньше адсорбируется на поверхности.

Химическая

Флеровий - самый тяжелый из известных членов группы 14 в периодической таблице, ниже свинца, и, по прогнозам, будет вторым членом серии 7p химических элементов. Ожидается, что никоний и флеровий образуют очень короткий подпериод, соответствующий заполнению орбитали 7p 1/2 , проходящий между заполнением подоболочек 6d 5/2 и 7p 3/2 . Ожидается, что их химическое поведение будет очень отличительным: гомология нихония с таллием была названа «сомнительной» компьютерными химиками, в то время как гомология флеровия по отношению к свинцу была названа только «формальной».

Первые пять членов группы 14 показывают степень окисления группы +4, а последние члены имеют все более заметный химический состав +2 из-за начала эффекта инертной пары. Олово представляет собой точку, в которой стабильность состояний +2 и +4 схожа, а свинец (II) является наиболее стабильным из всех химически хорошо изученных элементов группы 14 в степени окисления +2. Орбитали 7s очень сильно стабилизированы во флеровии, и поэтому требуется очень большая sp 3 -орбитальная гибридизация для достижения степени окисления +4, поэтому ожидается, что флеровий будет даже более стабильным, чем свинец в его сильно преобладающей степени окисления +2 и его + 4 степень окисления должна быть крайне нестабильной. Например, ожидается , что диоксид флеровия (FlO 2 ) будет крайне нестабилен при разложении на составляющие элементы (и не будет образовываться в результате прямой реакции флеровия с кислородом) и флерован (FlH 4 ), который должен иметь Fl – H с длиной связи 1,787  Å , согласно прогнозам, он более термодинамически нестабилен, чем свинец , спонтанно разлагаясь на гидрид флеровия (II) (FlH 2 ) и газообразный водород. Тетрафторид флеровия (FlF 4 ) будет иметь связывание в основном из-за sd- гибридизации, а не sp 3- гибридизации, и его разложение на дифторид и газообразный фтор будет экзотермическим. Аналогично разлагаются и другие тетрагалогениды (например, FlCl 4 дестабилизирован примерно на 400 кДж / моль). Соответствующий полифторид-анион FlF2-
6
должны быть нестабильны к гидролизу в водном растворе, а анионы полигалогенида флеровия (II), такие как FlBr-
3
и FlI-
3
предсказано, что они преимущественно образуются в растворах, содержащих флеровий. В с.о. гибридизация были предложены в начале расчетов как 7s и 6d электронов в Флеровий доли примерно такой же энергии, что позволило бы летучий гексафторид с образованием, но позже расчеты не подтверждают эту возможность. В общем, спин-орбитальное сжатие орбитали 7p 1/2 должно приводить к меньшим длинам связей и большим валентным углам: это теоретически подтверждено в FlH 2 . Тем не менее, даже FlH 2 должен быть релятивистски дестабилизирован на 2,6 эВ до уровня ниже Fl + H 2 ; большие спин-орбитальные эффекты также разрушают обычное синглет-триплетное деление в дигидридах группы 14. Предполагается, что FlF 2 и FlCl 2 будут более стабильными, чем FlH 2 .

Благодаря релятивистской стабилизации флеровия 7s 2 7p2
1/2
с валентной электронной конфигурацией, степень окисления 0 также должна быть более стабильной для флеровия, чем для свинца, поскольку 7p 1/2 электроны также начинают проявлять умеренный инертный парный эффект: эта стабилизация нейтрального состояния может вызвать некоторое сходство между поведением флеровия и благородного газа радона . Из-за ожидаемой относительной инертности флеровия его двухатомные соединения FlH и FlF должны иметь более низкие энергии диссоциации, чем соответствующие соединения свинца PbH и PbF. Флеровий (IV) должен быть даже более электроотрицательным, чем свинец (IV); свинец (IV) имеет электроотрицательность 2,33 по шкале Полинга, хотя значение свинца (II) составляет всего 1,87. Ожидается, что флеровий будет благородным металлом .

Флеровий (II) должен быть более стабильным, чем свинец (II), и полигалогенид-ионы и соединения типов FlX + , FlX 2 , FlX.-
3
, и FlX2-
4
(X = Cl , Br , I ) легко образуются. Фториды подверглись бы сильному гидролизу в водном растворе. Ожидается, что все дигалогениды флеровия будут стабильными, а дифторид растворим в воде. Спин-орбитальные эффекты дестабилизируют дигидрид флеровия (FlH 2 ) почти на 2,6 эВ (250 кДж / моль). В растворе флеровий также будет образовывать оксианионный флеровит ( FlO2-
2
) в водном растворе, аналог плюмбита . Сульфат и сульфид флеровия (II) (FlSO 4 ) и сульфид (FlS) должны быть очень нерастворимыми в воде, а ацетат флеровия (II) (FlC 2 H 3 O 2 ) и нитрат (Fl (NO 3 ) 2 ) должны быть очень нерастворимыми в воде. растворимый. Стандартный электродный потенциал для снижения ФЛ 2+ ионов до металлического Флеровий, по оценкам, около 0,9 В, что подтверждает повышенную стабильность Флеровий в нейтральном состоянии. В общем, ожидается , что из-за релятивистской стабилизации спинора 7p 1/2 , Fl 2+ будет иметь промежуточные свойства между Hg 2+ или Cd 2+ и его более легким конгенером Pb 2+ .

Экспериментальная химия

Флеровий в настоящее время является самым тяжелым элементом, химический состав которого был исследован экспериментально, хотя химические исследования до сих пор не привели к окончательному результату. Два эксперимента были проведены в апреле-мае 2007 года в рамках совместного FLNR- PSI сотрудничества с целью изучить химию Коперниций. Первый эксперимент включал реакцию 242 Pu ( 48 Ca, 3n) 287 Fl, а второй - реакцию 244 Pu ( 48 Ca, 4n) 288 Fl: в этих реакциях образуются короткоживущие изотопы флеровия, чьи дочери копернициум затем будут изучены. Адсорбционные свойства образовавшихся атомов на поверхности золота сравнивали с адсорбционными свойствами радона, поскольку тогда ожидалось, что электронная конфигурация коперниция с полной оболочкой приведет к поведению, подобному благородному газу. Благородные газы очень слабо взаимодействуют с металлическими поверхностями, что нехарактерно для металлов.

Первый эксперимент позволил обнаружить три атома 283 Cn, но, по-видимому, также обнаружил 1 атом 287 Fl. Этот результат был неожиданностью, учитывая, что время переноса атомов продукта составляет ~ 2 с, поэтому полученные атомы флеровия должны были распасться на коперниций перед адсорбцией. Во второй реакции были обнаружены 2 атома 288 Fl и, возможно, 1 атом 289 Fl. Два из трех атомов показали адсорбционные характеристики, связанные с летучим элементом, подобным благородному газу, что было предложено, но не предсказано более поздними расчетами. Эти эксперименты предоставили независимое подтверждение открытия копернициума, флеровия и ливермория путем сравнения с опубликованными данными о распаде. Дальнейшие эксперименты в 2008 году, чтобы подтвердить этот важный результат, обнаружили единственный атом 289 Fl и подтвердили предыдущие данные, показывающие, что флеровий взаимодействует с золотом, как благородный газ.

Экспериментальная поддержка флеровия, подобного благородному газу, вскоре ослабла. В 2009 и 2010 годах коллаборация ЛЯР-PSI синтезировала дополнительные атомы флеровия, чтобы продолжить свои исследования 2007 и 2008 годов. В частности, первые три атома флеровия, синтезированные в исследовании 2010 г., снова предложили характер, подобный благородному газу, но полный набор, взятый вместе, привел к более неоднозначной интерпретации, необычной для металла в группе углерода, но не полностью похожей на благородный газовый характер. В своей статье ученые воздерживаются от называния химических свойств флеровия «близкими к свойствам благородных газов», как это было ранее сделано в исследовании 2008 года. Летучесть флеровия снова была измерена посредством взаимодействия с поверхностью золота, и были получены указания на то, что летучесть флеровия сравнима с летучестью ртути, астата и одновременно исследованного копернициума, который, как было показано в исследовании, является очень летучим благородным металлом. соответствует тому, что это самый тяжелый из известных элементов группы 12. Тем не менее было отмечено, что такое летучее поведение не ожидается для обычного металла 14 группы.

В более поздних экспериментах, проведенных в 2012 году в GSI, было обнаружено, что химические свойства флеровия более металлические, чем свойства благородного газа. Йенс Фолькер Крац и Кристоф Дюллманн конкретно назвали коперниций и флеровий как принадлежащие к новой категории «летучих металлов»; Кратц даже предположил, что они могут быть газообразными при стандартной температуре и давлении . Предполагалось, что эти "летучие металлы" как категория по адсорбционным свойствам будут находиться между обычными металлами и благородными газами. В отличие от результатов 2009 и 2010 годов, в экспериментах 2012 было показано, что взаимодействия флеровия и коперниция соответственно с золотом примерно равны. Дальнейшие исследования показали, что флеровий был более реактивным, чем копернициум, что противоречит предыдущим экспериментам и предсказаниям.

В статье 2014 года, подробно описывающей экспериментальные результаты химической характеристики флеровия, группа GSI писала: «[флеровий] - наименее реактивный элемент в группе, но все же металл». Тем не менее, на конференции 2016 года, посвященной химии и физике тяжелых и сверхтяжелых элементов, Александр Якушев и Роберт Эйхлер, два ученых, которые активно работали в GSI и ЛЯР по определению химического состава флеровия, по-прежнему призывали к осторожности из-за несоответствия различных перечисленные ранее эксперименты, отмечая, что вопрос о том, является ли флеровий металлом или благородным газом, все еще остается открытым с доступными доказательствами: одно исследование предполагает слабое взаимодействие, подобное благородному газу, между флеровием и золотом, в то время как другое предполагает более сильное металлическое взаимодействие . В том же году новые эксперименты, направленные на изучение химии коперникия и флеровия, были проведены на установке GSI TASCA, и данные этих экспериментов в настоящее время анализируются. Таким образом, однозначное определение химических характеристик флеровия еще не установлено. Считается, что долгоживущий изотоп флеровия 289 Fl представляет интерес для будущих радиохимических исследований.

Смотрите также

Заметки

Рекомендации

Библиография

Библиография

  • Тайер, Дж.С. (2010). «Релятивистские эффекты и химия более тяжелых элементов основной группы». Релятивистские методы для химиков . Проблемы и достижения вычислительной химии и физики. 10 . С. 63–97. DOI : 10.1007 / 978-1-4020-9975-5_2 . ISBN 978-1-4020-9974-8.
  • Стышинский, J. (2010). Зачем нужны релятивистские вычислительные методы? . п. 99.
  • Першина, В. (2010). Электронное строение и химия самых тяжелых элементов . п. 450.

Внешние ссылки