Калий - Hassium

Калий,  108 Hs
Калий
Произношение / Ч æ ы я ə м / ( слушать )Об этом звуке ( Hass -еГо-əm )
Массовое число [269] (данные не имеют решающего значения)
Калий 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 Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон
Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебряный 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 Беркелиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон
Os

Hs

(Uhb)
бориумхасиймейтнерий
Атомный номер ( Z ) 108
Группа группа 8
Период период 7
Блокировать   d-блок
Электронная конфигурация [ Rn ] 5f 14 6d 6 7s 2
Электронов на оболочку 2, 8, 18, 32, 32, 14, 2
Физические свойства
Фаза на  СТП твердый (прогнозируемый)
Плотность (около  rt ) 27–29 г / см 3 (прогноз)
Атомные свойства
Состояния окисления (+2), ( +3 ), ( +4 ), (+6), +8 (скобки: прогноз )
Энергии ионизации
Радиус атома эмпирические: 126  пм (оценка)
Ковалентный радиус 134 вечера (оценка)
Прочие свойства
Естественное явление синтетический
Кристальная структура гексагональной плотной упаковкой (ГЦК)
Гексагональная плотноупакованная кристаллическая структура для хассия

(предсказано)
Количество CAS 54037-57-9
История
Именование в честь Хассии , что на латыни означает Гессен , Германия, где он был обнаружен
Открытие Gesellschaft für Schwerionenforschung (1984)
Основные изотопы хассия
Изотоп Избыток Период полураспада ( t 1/2 ) Режим распада Продукт
269 часов син 16 с α 265 Сг
270 часов син 9 с α 266 Сг
277m Hs син 130 с SF
Категория Категория: Калий
| использованная литература

Калий - это химический элемент с символом Hs и атомным номером 108. Калий очень радиоактивен ; его наиболее стабильные известные изотопы имеют период полураспада примерно десять секунд. Один из его изотопов, 270 Hs, имеет магические числа как протонов, так и нейтронов для деформированных ядер, что придает ему большую устойчивость против спонтанного деления . Калий - сверхтяжелый элемент ; он был произведен в лаборатории только в очень малых количествах путем слияния тяжелых ядер с более легкими. Были выдвинуты гипотезы о естественном появлении этого элемента, но так и не было обнаружено.

В периодической таблице элементов хассий является трансактинидным элементом , членом 7-го периода и группы  8 ; Таким образом, это шестой член 6d-ряда переходных металлов . Химии эксперименты подтвердили , что гания ведет себя как более тяжелый гомолог к осмию , легко вступать в реакции с кислородом с образованием летучего осмия . Химические свойства хасия охарактеризованы лишь частично, но они хорошо сопоставимы с химией других  элементов восьмой группы .

Основным нововведением, которое привело к открытию хассия, была технология холодного синтеза, в которой слитые ядра не различались по массе так сильно, как в более ранних методах. Он полагался на большую стабильность ядер-мишеней, что, в свою очередь, уменьшало энергию возбуждения. Это уменьшило количество выбросов нейтронов во время синтеза, создавая более тяжелые и стабильные ядра. Впервые метод был протестирован в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне , Московская область , РСФСР , Советский Союз , в 1974 году. ОИЯИ использовал этот метод для попытки синтеза элемента  108 в 1978, 1983 и 1984 годах; Последний эксперимент привел к утверждению, что элемент  108 был произведен. Позже, в 1984 году, заявление о синтезе последовало из Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) в Дармштадте , Гессен , Западная Германия . В отчете 1993 года рабочей группы Transfermium, сформированной Международным союзом чистой и прикладной химии и Международным союзом чистой и прикладной физики , был сделан вывод о том, что отчет из Дармштадта сам по себе является убедительным, в то время как отчет из Дубны - нет, и большая заслуга был закреплен за немецкими учеными. GSI официально объявила о своем желании назвать элемент hassium в честь немецкой земли Гессен (Hassia на латыни), где в 1992 году находился объект; это название было принято окончательным в 1997 году.

Знакомство с самыми тяжелыми элементами

Графическое изображение реакции ядерного синтеза
Графическое изображение реакции ядерного синтеза . Два ядра сливаются в одно, испуская нейтрон . До сих пор реакции, в результате которых создавались новые элементы, были похожими, с той единственной возможной разницей, что иногда выделялось несколько единичных нейтронов или вообще не выделялось 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, их влияние на внешние 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.

Открытие

Аппарат для создания сверхтяжелых элементов
Схема установки для создания сверхтяжелых элементов на базе Дубненского газонаполненного сепаратора отдачи, установленного в Лаборатории ядерных реакций им . Флерова ОИЯИ. Траектория внутри детектора и устройства фокусировки луча изменяется из-за дипольного магнита в первом и квадрупольных магнитов во втором.

Холодный синтез

Ядерные реакции, использовавшиеся в 1960-х годах, приводили к высоким энергиям возбуждения, которые требовали выброса четырех или пяти нейтронов; в этих реакциях использовались мишени из элементов с высокими атомными номерами, чтобы максимально увеличить разницу в размерах между двумя ядрами в реакции. Хотя это увеличивало вероятность синтеза из-за более низкого электростатического отталкивания между целью и снарядом, сформированные составные ядра часто распадались и не выживали, чтобы сформировать новый элемент. Более того, процессы термоядерного синтеза неизбежно приводят к образованию ядер с низким содержанием нейтронов, поскольку более тяжелым элементам требуется больше нейтронов на протон для максимальной стабильности; следовательно, необходимый выброс нейтронов приводит к тому, что конечные продукты обычно имеют более короткий срок службы . Таким образом, световые лучи (от шести до десяти протонов) позволяли синтезировать только до 106 элементов .

Чтобы перейти к более тяжелым элементам, советский физик Юрий Оганесян из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне , Московская область , РСФСР , Советский Союз , предложил другой механизм, в котором бомбардируемым ядром будет свинец-208, который имеет магические числа протонов и нейтронов или другое близкое к нему ядро. Каждый протон и нейтрон имеют фиксированное значение энергии покоя ; протоны всех протонов равны, как и нейтронов. В ядре часть этой энергии уходит на связывание протонов и нейтронов; если в ядре есть магическое число протонов и / или нейтронов, то отводится еще больше его энергии покоя, что придает нуклиду дополнительную стабильность. Эта дополнительная стабильность требует большего количества энергии для внешнего ядра, чтобы сломать существующее и проникнуть в него. Больше энергии, отводимой на связывающие нуклоны, означает меньшую энергию покоя, что, в свою очередь, означает меньшую массу (масса пропорциональна энергии покоя). Более равные атомные номера реагирующих ядер приводят к большему электростатическому отталкиванию между ними, но меньший избыток массы ядра-мишени уравновешивает его. Это оставляет меньше энергии возбуждения для вновь созданного составного ядра, что требует меньшего количества нейтронных выбросов для достижения стабильного состояния. Из-за этой разницы в энергии первый механизм стал известен как «горячий синтез», а второй - как «холодный синтез».

Впервые холодный синтез был объявлен успешным в ОИЯИ в 1974 году, когда он был испытан на синтез еще неоткрытого элемента  106. Предполагалось, что эти новые ядра будут распадаться посредством спонтанного деления. Физики ОИЯИ пришли к выводу, что элемент 106 был произведен в эксперименте, потому что ни одно из известных в то время делящихся ядер не показывало параметры деления, аналогичные тем, которые наблюдались во время эксперимента, и потому, что изменение любого из двух ядер в реакциях сводило на нет наблюдаемые эффекты. Физики из Лаборатории Лоуренса Беркли (LBL; первоначально Radiation Laboratory, RL, а затем Национальной лаборатории Лоуренса Беркли , LBNL) Калифорнийского университета в Беркли , Калифорния , США, также проявили большой интерес к новой методике. Когда его спросили о том, как далеко может зайти этот новый метод, и если бы ведущими целями были физический Клондайк , Оганесян ответил: «Клондайк может быть преувеличением [...] Но скоро мы попытаемся получить элементы 107  ... 108 в них. реакции ".

Отчеты

Впервые синтез элемента  108 был предпринят в 1978 г. группой исследователей ОИЯИ под руководством Оганесяна. Команда использовала реакцию, которая создала бы элемент  108, в частности изотоп 270108 , в результате синтеза радия (в частности, изотопа226
88
Ра
)
и кальций (48
20
Ca
)
. Исследователи не были уверены в интерпретации своих данных, и в их статье не было однозначного утверждения об открытии этого элемента. В том же году другая группа ОИЯИ исследовала возможность синтеза  108-го элемента в реакциях между свинцом (208
82
Pb
)
и железо (58
26
Fe
)
; они не были уверены в интерпретации данных, предполагая, что элемент  108 не был создан.

Ускоритель частиц GSI UNILAC
Линейный ускоритель частиц GSI UNILAC, где был открыт хассий и где впервые был обнаружен его химический состав.

В 1983 г. в ОИЯИ были проведены новые эксперименты. Вероятно, в результате экспериментов был синтезирован  108-й элемент ; висмут (209
83
Би
)
засыпали марганцем (55
25
Mn
)
для получения 263108 свинец (207
82
Pb
, 208
82
Pb
)
забрасывали железом (58
26
Fe
),
чтобы получить 264108 , а калифорний (249
98
Cf
)
был застрелен неоном (22
10
Ne
),
чтобы получить 270 108. Эти эксперименты не были объявлены открытием, и Оганесян объявил о них на конференции, а не в письменном отчете.

В 1984 году сотрудники ОИЯИ в Дубне провели эксперименты, идентичные предыдущим; они бомбардировали висмутовые и свинцовые мишени ионами более легких элементов, марганца и железа, соответственно. Было зарегистрировано 21 событие спонтанного деления; исследователи пришли к выводу, что они были вызваны 264 108.

Позже, в 1984 году, группа исследователей под руководством Петера Армбруста и Готфрида Мюнценберга из Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI; Институт исследований тяжелых ионов ) в Дармштадте , Гессен , Западная Германия , попыталась создать элемент  108. Команда бомбардировала свинец (208
82
Pb
)
мишень с ускоренным железом (58
26
Fe
)
ядер. Эксперимент GSI по созданию элемента  108 был отложен до момента создания элемента  109 в 1982 году, поскольку предыдущие расчеты предполагали, что четно-четные изотопы элемента  108 будут иметь период полураспада спонтанного деления менее одной микросекунды , что затрудняет их обнаружение и идентифицировать.  Эксперимент с элементом 108, наконец, продолжился после того, как было синтезировано 266 109 и было обнаружено, что оно распадается из-за альфа-излучения, предполагая, что изотопы элемента  108 будут делать то же самое, и это было подтверждено экспериментом, направленным на синтез изотопов элемента  106. GSI сообщил о синтезе трех атомов из 265 108. Два года спустя они сообщили о синтезе одного четно-четного 264 108.

Арбитраж

В 1985 году Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) и Международный союз теоретической и прикладной физики (IUPAP) сформировали рабочую группу Transfermium (TWG) для оценки открытий и определения окончательных названий для элементов с атомными номерами больше 100. Партия провела встречи с делегатами из трех конкурирующих институтов; в 1990 г. они установили критерии признания элемента, а в 1991 г. завершили работу по оценке открытий и распустились. Эти результаты были опубликованы в 1993 году.

Согласно отчету, работы 1984 г., полученные ОИЯИ и GSI, одновременно и независимо друг от друга установили синтез элемента  108. Из двух работ 1984 г., работа GSI была признана достаточной как открытие. Работа ОИЯИ, предшествовавшая GSI, «весьма вероятно» продемонстрировала синтез  108-го элемента. Однако это было определено ретроспективно, учитывая работу из Дармштадта; работа ОИЯИ была сосредоточена на химической идентификации удаленных внучок  изотопов элемента 108 (что не могло исключить возможность того, что у этих дочерних изотопов были другие предшественники), в то время как работа GSI четко определила путь распада этих  изотопов элемента 108. В отчете сделан вывод о том, что основная заслуга должна быть предоставлена ​​GSI. В письменных ответах на это решение ОИЯИ и GSI согласились с его выводами. В том же ответе GSI подтвердили, что они и ОИЯИ смогли разрешить все конфликты между собой.

Именование

Исторически недавно обнаруженный элемент был назван его первооткрывателем. Первое постановление было принято в 1947 году, когда ИЮПАК решил, что на случай противоречий в названии будет указано обязательное регулирование. Эти вопросы должны были быть решены Комиссией по неорганической номенклатуре и Комиссией по атомным весам . Они просматривали имена в случае конфликта и выбирали одно; решение будет основываться на ряде факторов, таких как использование, и не будет показателем приоритета требования. Обе комиссии рекомендуют имя Совету ИЮПАК, который будет последней инстанцией. Первооткрыватели имели право назвать элемент, но их имя подлежало утверждению ИЮПАК. Комиссия по атомным весам в большинстве случаев дистанцировалась от именования элементов.

По номенклатуре Менделеева на неназванных и неоткрытых элементов , гания будет известен как «Ека осмий », как в «первом элементе ниже осмия в периодической таблице» (от санскр EKA означает «один»). В 1979 году ИЮПАК опубликовал рекомендации, в соответствии с которыми элемент должен был называться «unniloctium» и присвоить соответствующий символ «Uno», систематическое имя элемента в качестве заполнителя до тех пор, пока элемент не был обнаружен и затем открытие подтверждено, а также постоянное имя. было решено. Хотя эти рекомендации широко соблюдались в химическом сообществе, конкурирующие физики в этой области игнорировали их. Они либо назвали его «элемент  108» с символами E108 , (108) или 108 , либо использовали предложенное название «хасиум».

Фестиваль Hessentag на длинной аллее, заполненной людьми
Фестиваль Hessentag в 2011 году, посвященный культуре немецкой земли Гессен , в честь которого назван хасиум.

В 1990 году, пытаясь выйти из тупика в установлении приоритета открытия и наименования нескольких элементов, ИЮПАК подтвердил в своей номенклатуре неорганической химии, что после установления существования элемента первооткрыватели могут предложить имя. (Кроме того, Комиссия по атомным весам была исключена из процесса присвоения имен.) Первая публикация о критериях открытия элемента, выпущенная в 1991 году, указала на необходимость признания TWG.

Армбрустер и его коллеги, официально признанные немецкие первооткрыватели, провели церемонию присвоения имен элементам с 107 по 109, которые все были признаны открытыми GSI, 7  сентября 1992 года. Для элемента  108 ученые предложили название «хассий». Он образован от латинского названия Hassia для немецкой земли Гессен, где расположен институт. Это название было предложено ИЮПАК в письменном ответе на их постановление о приоритете требований об обнаружении элементов, подписанное 29 сентября 1992 года.

Процесс наименования элемента 108 был частью более крупного процесса наименования ряда элементов, начиная с элемента 101 ; три команды - ОИЯИ, GSI и LBL - заявили об открытиях нескольких элементов и о праве называть эти элементы. Иногда эти утверждения противоречили друг другу; так как первооткрыватель считался имеющим право на имя элемента, конфликты по поводу приоритета открытия часто приводили к конфликтам по поводу имен этих новых элементов. Эти конфликты стали известны как Трансфермиум войны . Различные предложения назвать весь набор элементов, начиная с 101 и позже, и иногда они присваивали имена, предложенные одной командой, которые будут использоваться для элементов, обнаруженных другой. Однако не все предложения были встречены одинаково; команды несколько раз открыто протестовали против предложений о присвоении имен.

В 1994 году Комиссия ИЮПАК по номенклатуре неорганической химии рекомендовала  назвать элемент 108 «ганний» (Hn) в честь немецкого физика Отто Хана, поэтому элементы были названы в честь Хана и Лизы Мейтнер (было рекомендовано, чтобы элемент  109 был назван мейтнерием, после предложения GSI. ) будут рядом друг с другом в честь их совместного открытия ядерного деления; ИЮПАК прокомментировал, что они считают предложение Германии неясным. GSI возразила, заявив, что это предложение противоречит давней традиции предоставлять первооткрывателю право предлагать имя; Американское химическое общество при поддержке GSI. Название «ханиум», хотя и с другим символом Ha, уже было предложено и использовано американскими учеными для элемента  105 , в отношении которого у них возник спор с ОИЯИ об открытии; таким образом они протестовали против сбивающего с толку путаницы имен. После шума ИЮПАК сформировал специальный комитет из представителей национальных организаций трех стран, в которых находятся конкурирующие институты; в 1995 году они создали новый набор имен. Элемент  108 снова был назван hahnium ; это предложение также было отклонено. Окончательный компромисс был достигнут в 1996 году и опубликован в 1997 году; элемент  108 был назван хассием (Hs). При этом 105-му элементу присвоено название dubnium (Db; от Дубны - местонахождение ОИЯИ)  , а название hahnium ни для одного элемента не использовалось.

Официальное обоснование этого наименования, наряду с дармштадтиумом для элемента  110, состояло в том, что оно завершило набор географических названий для местоположения GSI; этот набор был инициирован названиями XIX века европий и германий . Этот набор послужит ответом на более ранние названия америций , калифорний и берклий для элементов, обнаруженных в Беркли. Армбрустер прокомментировал это: «Эта плохая традиция была заложена в Беркли. Мы хотели сделать это для Европы». Позже, комментируя название элемента  112 , Армбрустер сказал: «Я сделал все, чтобы не допустить продолжения отношений с немецкими учеными и немецкими городами».

Изотопы

Список изотопов хассия
Изотоп Период полураспада
Режим распада

Год открытия

Реакция открытия
Ценить Ссылка
263 часов 760 мкс α, SF 2009 г. 208 Pb ( 56 Fe, n)
264 часов 540 мкс α, SF 1986 г. 207 Pb ( 58 Fe, n)
265 часов 1,96 мс α, SF 1984 208 Pb ( 58 Fe, n)
265 м Hs 360 мкс α 1995 г. 208 Pb ( 56 Fe, n)
266 часов 3,02 мс α, SF 2001 г. 270 Ds (-, α)
266м Hs 280 мс α 2011 г. 270 м Ds (-, α)
267 часов 55 мс α 1995 г. 238 U ( 34 S, 5n)
267m Hs 990 мкс α 2004 г. 238 U ( 34 S, 5n)
268 часов 1,42 с α 2010 г. 238 U ( 34 S, 4n)
269 часов 16 с α 1996 г. 277 Сп (-, 2α)
270 часов 9 с α 2003 г. 248 см ( 26 мг, 4н)
271 Hs 10 с α 2008 г. 248 см ( 26 мг, 3н)
273 часов 510 мс α 2010 г. 285 Fl (-, 3α)
275 часов 200 мс α 2004 г. 287 Fl (-, 3α)
277 часов 12 мс α 2010 г. 289 Fl (-, 3α)
277m Hs 130 с SF 2012 г. 293 м Ур (-, 4α)

Калий не имеет стабильных или встречающихся в природе изотопов. Несколько радиоактивных изотопов были синтезированы в лаборатории либо путем слияния двух атомов, либо путем наблюдения за распадом более тяжелых элементов. По состоянию на 2019 год количество всего когда-либо произведенного хассия составляло порядка сотен атомов. Сообщалось о двенадцати изотопах с массовыми числами от 263 до 277 (за исключением 272, 274 и 276), четыре из которых - гассий-265, -266, -267 и -277 - имеют метастабильные состояния , хотя значение хассия-277 не подтверждено. Большинство этих изотопов распадаются преимущественно в результате альфа-распада; это наиболее распространенный изотоп для всех изотопов, для которых доступны исчерпывающие характеристики распада, за исключением гассия-277, который подвергается спонтанному делению. Более легкие изотопы обычно синтезировались прямым синтезом между двумя более легкими ядрами, тогда как более тяжелые изотопы обычно наблюдались как продукты распада ядер с большими атомными номерами.

Атомные ядра имеют хорошо сформировавшиеся ядерные оболочки, и наличие этих оболочек обеспечивает ядрам дополнительную стабильность. Если в ядре есть определенное количество протонов или нейтронов, называемое магическими числами, которые завершают определенные ядерные оболочки, то ядро ​​еще более устойчиво к распаду. Наивысшие известные магические числа 82 для протонов и 126 для нейтронов. Это понятие иногда расширяется, чтобы включить дополнительные числа между этими магическими числами, которые также обеспечивают некоторую дополнительную стабильность и указывают на закрытие «суб-оболочек». В отличие от более известных более легких ядер, сверхтяжелые ядра деформируются. До 1960-х годов модель жидкой капли была доминирующим объяснением структуры ядра. Он предположил, что барьер деления исчезнет для ядер с примерно 280  нуклонами. Таким образом, считалось, что спонтанное деление произойдет почти мгновенно, прежде чем ядра смогут сформировать структуру, которая могла бы их стабилизировать; оказалось, что ядра с Z   103 слишком тяжелы, чтобы существовать в течение значительного времени.

Более поздняя модель ядерной оболочки предполагала, что ядра с примерно тремя сотнями нуклонов будут формировать остров стабильности, в котором ядра будут более устойчивы к спонтанному делению и будут в первую очередь подвергаться альфа-распаду с более длительными периодами полураспада, а следующее дважды магическое ядро (имеющее магическую силу) как протонов, так и нейтронов), как ожидается, будет находиться в центре острова стабильности в районе Z  =  110–114 и предсказанного магического числа нейтронов N  =  184. Последующие открытия показали, что предсказанный остров может быть дальше, чем первоначально ожидаемый; они также показали, что ядра, промежуточные между долгоживущими актинидами и предсказанным островом, деформируются и приобретают дополнительную стабильность за счет оболочечных эффектов. Прибавка к устойчивости против спонтанного деления должна быть особенно большой против спонтанного деления, хотя также будет заметным повышение стабильности против альфа-распада. Центр области на диаграмме нуклидов, которая соответствовала бы этой стабильности для деформированных ядер, был определен как 270 Hs, при этом 108 ожидается, что это будет магическое число для протонов для деформированных ядер - ядер, далеких от сферической, - и 162 магического числа. число нейтронов для таких ядер. Эксперименты на более легких сверхтяжелых ядрах, а также на ядрах, расположенных ближе к ожидаемому острову, показали большую, чем ожидалось ранее, устойчивость к спонтанному делению, показывая важность оболочечных эффектов на ядра.

Теоретические модели предсказывают, что область нестабильности для некоторых изотопов гассия будет лежать около A  =  275 и N  =  168–170, что находится между предсказанными замыканиями нейтронной оболочки при N  =  162 для деформированных ядер и N  =  184 для сферических ядер. Предполагается, что нуклиды в этой области будут иметь низкую высоту барьера деления, что приведет к коротким частичным периодам полураспада до спонтанного деления. Это предсказание подтверждается наблюдаемым периодом полураспада в одиннадцать миллисекунд 277 Hs и периодом полураспада соседней изобары 277 Mt, поскольку было показано, что мешающие факторы от нечетного нуклона намного ниже, чем ожидалось. Измеренные периоды полураспада даже ниже, чем предсказанные для четно-четных 276 Hs и 278 Ds, что предполагает разрыв в стабильности вдали от замыканий оболочки и, возможно, ослабление замыканий оболочки в этой области.

В 1991 году польские физики Зигмунт Патык и Адам Собичевский предсказали, что 108 - это магическое число протона для деформированных ядер, а 162 - это магическое число нейтронов для таких ядер. Это означает, что такие ядра постоянно деформируются в своем основном состоянии, но имеют высокие узкие барьеры деления для дальнейшей деформации и, следовательно, относительно большие времена жизни до спонтанного деления. Вычислительные возможности стабилизации оболочки 270 Hs сделали его многообещающим кандидатом на роль деформированного дважды магического ядра. Экспериментальных данных мало, но существующие данные интерпретируются исследователями как поддерживающие присвоение N  =  162 как магического числа. В частности, к такому выводу пришли данные о распаде 269 Hs, 270 Hs и 271 Hs. В 1997 году польский физик Роберт Смоланьчук подсчитал, что изотоп 292 Hs может быть наиболее устойчивым сверхтяжелым ядром против альфа-распада и спонтанного деления в результате предсказанного закрытия оболочки с N  =  184.

Естественное явление

Калий не встречается на Земле в естественных условиях; в период полураспад всех его известных изотопов достаточно короткие , что не изначальный ганий бы не дожил до наших дней. Это не исключает возможности существования неизвестных, долгоживущих изотопов или ядерных изомеров , некоторые из которых все еще могут существовать в следовых количествах, если они достаточно долгоживущие. Еще в 1914 году немецкий физик Ричард Суинн предложил элемент  108 в качестве источника рентгеновского излучения в ледниковом покрове Гренландии . Хотя Суинн не смог подтвердить это наблюдение и, таким образом, не заявил об открытии, в 1931 году он предположил существование «областей» долгоживущих трансурановых элементов, в том числе области около Z  =  108.

В 1963 году советский геолог и физик Виктор Чердынцев, который ранее утверждал существование изначальной кюри -247, утверждал, что обнаружил элемент  108- в частности, 267 108 изотоп, который , предположительно , имел период полураспада 400 до 500  миллионов лет в природный молибденит и предложил временное название sergenium (символ Sg); это название происходит от названия Шелкового пути и объясняется для него как «пришедшее из Казахстана ». Его обоснование для утверждения, что сергений является более тяжелым гомологом осмия, заключалось в том, что минералы, предположительно содержащие сергений, образуют летучие оксиды при кипячении в азотной кислоте , как и осмий.

Выводы Чердынцева подверглись критике со стороны советского физика Владимира Кулакова на том основании, что некоторые свойства, которые, по утверждению Чердынцева, имел сергений, несовместимы с современной ядерной физикой. Основные вопросы, поднятые Кулаковым, заключались в том, что заявленная энергия альфа-распада сергения была на много порядков ниже ожидаемой, а указанный период полураспада был на восемь порядков меньше, чем можно было бы предсказать для альфа-распада нуклида с заявленным распадом. энергия. В то же время, скорректированный период полураспада в области 10 16  лет было бы невозможно , потому что это означало бы , образцы содержали около ста миллиграмм sergenium. В 2003 году было высказано предположение, что наблюдаемый альфа-распад с энергией 4,5 МэВ может быть следствием низкоэнергетического и сильно усиленного перехода между различными гипердеформированными состояниями изотопа гассия около 271 Hs, таким образом предполагая, что существование сверхтяжелых элементов в природе было по крайней мере, возможно, хотя и маловероятно.  

В 2006 году российский геолог Алексей Иванов предположил, что изомер 271 Hs может иметь период полураспада около(2,5 ± 0,5) × 10 8 лет, что объясняет наблюдение альфа-частиц с энергией около 4,4  МэВ в некоторых образцах молибденита и осмиридия . Этот изомер 271 Hs , может быть получен из беты - распада от 271 Bh и 271 Sg, который, будучи гомологичным рений и молибден соответственно, должно происходить в молибдените наряду с рени и молибденом , если они имели место в природе. Поскольку хассий гомолог осмию, он должен встречаться вместе с осмием в осмиридии, если встречается в природе. Цепочки распада 271 Bh и 271 Sg являются гипотетическими, и прогнозируемый период полураспада этого гипотетического изомера гассия недостаточен для того, чтобы какое-либо достаточное количество осталось на Земле. Возможно, что больше 271 Hs могут осесть на Земле по мере того, как Солнечная система движется по спиральным рукавам Млечного Пути ; это объяснило бы избыток плутония-239, обнаруженного на дне Тихого океана и Финского залива . Однако прогнозируется , что минералы, обогащенные 271 Hs, будут иметь избыток дочерних уран-235 и свинец-207; они также будут иметь разные пропорции элементов, которые образуются при спонтанном делении, таких как криптон , цирконий и ксенон . Естественное присутствие хассия в таких минералах, как молибденит и осмирид, теоретически возможно, но очень маловероятно.

В 2004 году ОИЯИ начал поиск природного гания в лаборатории Modane метро в Modane , Овернь-Рона-Альпы , Франция; это было сделано под землей, чтобы избежать помех и ложных срабатываний космических лучей . В 2008–09 годах в ходе эксперимента в лаборатории было обнаружено несколько зарегистрированных событий с множественностью нейтронов (количество испущенных свободных нейтронов после того, как ядро ​​столкнулось с нейтроном и делилось), более трех в естественном осмии, а в 2012– 13, эти результаты были подтверждены в другом эксперименте, проведенном в лаборатории. Эти результаты указывают на то, что природный хассий потенциально может существовать в природе в количествах, которые позволяют его обнаруживать средствами аналитической химии, но этот вывод основан на явном предположении о существовании долгоживущего изотопа хассия, которому можно отнести зарегистрированные события.

Поскольку 292 Hs может быть особенно устойчивым к альфа-распаду и спонтанному делению, он рассматривался как кандидат на существование в природе. Однако предсказывается, что этот нуклид будет очень нестабильным по отношению к бета-распаду, и любые бета-стабильные изотопы гассия, такие как 286 Hs, будут слишком нестабильными в других каналах распада, чтобы их можно было наблюдать в природе. Поиск в 2012 году 292 Hs в природе вместе с его гомологом осмием в лаборатории Майера-Лейбница в Гархинге , Бавария , Германия, не увенчался успехом, и был установлен верхний предел его содержания на уровне3 × 10 -15  граммов хассия на грамм осмия.

Прогнозируемые свойства

Различные расчеты предполагают, что хассий должен быть самым тяжелым элементом группы 8 , что согласуется с периодическим законом . Его свойства обычно должны соответствовать ожидаемым для более тяжелого гомолога осмия; как и в случае со всеми трансактинидами , ожидается, что некоторые отклонения возникнут из-за релятивистских эффектов .

Было измерено очень мало свойств хассия или его соединений; это связано с его чрезвычайно ограниченным и дорогим производством, а также с тем фактом, что хассий (и его родители) очень быстро разлагаются. Было измерено несколько особых свойств, связанных с химией, таких как энтальпия адсорбции четырехокиси гассия, но свойства металлического хасия остаются неизвестными, и доступны только прогнозы.

Релятивистские эффекты

Уровни энергии крайних орбиталей Hs и Os
Уровни энергии крайних орбиталей атомов гассия и осмия в электронвольтах с учетом и без учета релятивистских эффектов. Обратите внимание на отсутствие спин-орбитального расщепления (и, следовательно, отсутствие различия между d 3/2 и d 5/2 орбиталями) в нерелятивистских расчетах.

Релятивистские эффекты на хассий должны возникать из-за высокого заряда его ядер, который заставляет электроны вокруг ядра двигаться быстрее - настолько быстро, что их скорость становится сопоставимой со скоростью света. Существует три основных эффекта: прямой релятивистский эффект, косвенный релятивистский эффект и спин-орбитальное расщепление . (Существующие расчеты не учитывают взаимодействия Брейта , но они незначительны, и их упущение может привести только к неопределенности текущих расчетов не более чем на 2%.)

С увеличением атомного номера возрастает и электростатическое притяжение между электроном и ядром. Это приводит к увеличению скорости электрона, что приводит к увеличению его массы . Это, в свою очередь, приводит к сокращению атомных орбиталей , в частности орбиталей s и p 1/2 . Их электроны становятся более плотно прикрепленными к атому, и их труднее вырывать из ядра. Это прямой релятивистский эффект. Первоначально считалось, что он силен только для самых внутренних электронов, но позже было установлено, что он также оказывает значительное влияние на валентные электроны.

Поскольку орбитали s и p 1/2 расположены ближе к ядру, они берут на себя большую часть электрического заряда ядра («экранируют» его). Это оставляет меньше заряда для притяжения оставшихся электронов, орбитали которых расширяются, что облегчает их оттягивание от ядра. Это косвенный релятивистский эффект. В результате сочетания прямых и косвенных релятивистских эффектов ион Hs + по сравнению с нейтральным атомом лишен 6d-электрона, а не 7s-электрона. Для сравнения, у Os + отсутствует электрон 6s по сравнению с нейтральным атомом. Ионный радиус (в степени окисления +8) хассия больше, чем у осмия, из-за релятивистского расширения орбиталей 6p 3/2 , которые являются крайними орбиталями для иона Hs 8+ (хотя на практике такие сильно заряженные ионы был бы слишком поляризован в химической среде, чтобы иметь большую реальность).

Существует несколько видов электронных орбиталей, обозначаемых буквами s, p, d и f (ожидается, что g-орбитали станут химически активными среди элементов после элемента 120 ). Каждому из них соответствует азимутальное квантовое число l : s - 0, p - 1, d - 2 и f - 3. Каждому электрону также соответствует квантовое число спина s , которое может равняться +1/2 или -1. / 2. Таким образом, квантовое число полного углового момента j = l + s равно j = l ± 1/2 (за исключением l = 0, для которого для обоих электронов на каждой орбитали j = 0 + 1/2 = 1/2) . Спин электрона релятивистски взаимодействует со своей орбитой, и это взаимодействие приводит к разделению подоболочки на две с разными энергиями (та, у которой j = l - 1/2, имеет меньшую энергию и, следовательно, эти электроны труднее извлечь): например, из шести 6p-электронов два становятся 6p 1/2, а четыре - 6p 3/2 . Это спин-орбитальное расщепление (иногда также называемое расщеплением подоболочки или jj- связью ). Это наиболее заметно для p-электронов, которые не играют важной роли в химии гасия, но для d- и f-электронов они находятся в пределах того же порядка величины (количественно, спин-орбитальное расщепление выражается в единицах энергии, например электронвольт ).

Эти релятивистские эффекты ответственны за ожидаемое увеличение энергии ионизации , уменьшение сродства к электрону и повышение стабильности степени окисления +8 по сравнению с осмием; без них тенденции изменились бы. Релятивистские эффекты уменьшают энергии атомизации соединений хассия, потому что спин-орбитальное расщепление d-орбитали снижает энергию связи между электронами и ядром, а также потому, что релятивистские эффекты уменьшают ионный характер связи.

Физический и атомный

Предыдущие члены группы  8 имеют относительно высокие температуры плавления: Fe, 1538  ° C; Ru , 2334  ° С; Ос, 3033  ° С. Как и они, предсказано, что хассий будет твердым веществом при комнатной температуре, хотя его точка плавления точно не рассчитана. Калий должен кристаллизоваться в гексагональной плотноупакованной структуре ( c / a  =  1,59), как и его более легкий родственный осмий. По расчетам, чистый металлический гассий имеет модуль объемной упругости (сопротивление равномерному сжатию) 450 ГПа , что сравнимо с модулем алмаза , равным 442 ГПа. Ожидается, что калий будет одним из самых плотных из 118 известных элементов с прогнозируемой плотностью 27–29 г / см 3 по сравнению с 22,59 г / см 3, измеренной для осмия.   

Ожидается, что атомный радиус хассия составит около 126  пм. Из-за релятивистской стабилизации орбитали 7s и дестабилизации орбитали 6d предполагается , что ион Hs + будет иметь электронную конфигурацию [ Rn ]  5f 14  6d 5  7s 2 , отдавая электрон 6d вместо электрона 7s, который противоположно поведению его более легких гомологов. Ожидается, что ион Hs 2+ будет иметь электронную конфигурацию [Rn]  5f 14  6d 5  7s 1 , аналогичную рассчитанной для иона Os 2+ . В химических соединениях хассий рассчитывается для отображения характеристики связывания для элемента d-блока , связывание которого будет в первую очередь выполняться с помощью орбиталей 6d 3/2 и 6d 5/2 ; по сравнению с элементами из предыдущих периодов более важными должны быть орбитали 7s, 6p 1/2 , 6p 3/2 и 7p 1/2 .

Химическая

Стабильные степени окисления в группе 8
Элемент Стабильные состояния окисления
железо      +6 +3 +2
рутений +8 +6 +5 +4 +3 +2
осмий +8 +6 +5 +4 +3 +2

Калий является шестым членом 6d-ряда переходных металлов и, как ожидается, будет во многом похож на металлы платиновой группы . Некоторые из этих свойств были подтверждены химическими экспериментами в газовой фазе.  Элементы группы 8 отражают большое разнообразие степеней окисления, но рутений и осмий легко описывают степень окисления своей группы +8; это состояние становится более стабильным в группе. Эта степень окисления встречается крайне редко: среди стабильных элементов только рутений, осмий и ксенон могут достичь ее в достаточно стабильных соединениях. Ожидается, что калий будет следовать за своими сородичами и иметь стабильное состояние +8, но, как и они, он должен показывать более низкие стабильные состояния окисления, такие как +6, +4, +3 и +2. Ожидается, что калий (IV) будет более стабильным, чем хассий (VIII) в водном растворе. Калий должен быть довольно благородным металлом . Стандартный восстановительный потенциал для Hs 4+ пара / Hs , как ожидается , будет 0,4  В.

Элементы группы 8 демонстрируют характерный химический состав оксидов . Все более легкие члены имеют известные или гипотетические тетроксиды, MO 4 . Их окислительная способность уменьшается по мере спуска по группе. FeO 4 неизвестен из-за его чрезвычайно большого сродства к электрону - количества энергии, выделяющейся, когда электрон присоединяется к нейтральному атому или молекуле с образованием отрицательного иона, - что приводит к образованию хорошо известного оксианионного феррата (VI). , FeO2-
4
. Четырехокись рутения , RuO 4 , которая образуется при окислении рутения (VI) в кислоте, легко восстанавливается до рутената (VI), RuO2-
4
. При окислении металлического рутения на воздухе образуется диоксид RuO 2 . Напротив, осмий сгорает с образованием стабильного тетроксида OsO 4 , который образует комплекс с гидроксид-ионом с образованием комплекса осмий (VIII) -ат , [OsO 4 (OH) 2 ] 2– . Следовательно, хассий должен вести себя как более тяжелый гомолог осмия, образуя стабильный, очень летучий тетроксид HsO 4 , который подвергается комплексообразованию с гидроксидом с образованием хассата (VIII), [HsO 4 (OH) 2 ] 2– . Четырехокись рутения и четырехокись осмия являются летучими из-за их симметричной тетраэдрической молекулярной геометрии и потому, что они нейтральны по заряду; Тетроксид хассия также должен быть очень летучим твердым веществом.  Экспериментально известно, что тренд летучести тетроксидов группы 8 составляет RuO 4  <  OsO 4  >  HsO 4 , что подтверждает результаты расчетов. В частности, рассчитанные энтальпии по адсорбции -The энергия , необходимая для сцепления атомов, молекул или ионов из газа, жидкости или твердого вещества , растворенного в поверхности -of HSO 4 , - (45,4  ±  1)  кДж / моль на кварце , очень хорошо согласуется с экспериментальным значением - (46  ±  2)  кДж / моль.

Экспериментальная химия

Шаровидная модель молекулы ферроцена
В ферроцене циклопентадиенильные кольца находятся в шахматной конформации .
Шаровидная модель молекулы рутеноцена
В рутеноцене и осмоцене циклопентадиенильные кольца находятся в закрытой конформации . Хассоцен также имеет такую ​​структуру.

Первой целью химического исследования было образование четырехокиси; он был выбран потому, что рутений и осмий образуют летучие тетроксиды, являющиеся единственными переходными металлами, которые демонстрируют стабильное соединение в степени окисления +8. Несмотря на то, что выбор для газофазных химических исследований был очевиден с самого начала, химическая характеристика хассия долгое время считалась сложной задачей. Хотя изотопы хассия были впервые синтезированы в 1984 году, только в 1996 году изотоп хассия, достаточно долгоживущий, был синтезирован для проведения химических исследований. К сожалению, этот изотоп хассия, 269 Hs, был синтезирован косвенно из распада 277 Cn; не только методы непрямого синтеза не подходят для химических исследований, но и реакция, в результате которой был получен изотоп 277 Cn, имела низкий выход - его поперечное сечение составляло всего 1 pb - и, таким образом, не обеспечивала достаточного количества атомов хасия для химического исследования. Прямой синтез 269 Hs и 270 Hs в реакции 248 Cm ( 26 Mg, x n) 274− x Hs ( x = 4 или 5) оказался более перспективным, поскольку сечение этой реакции было несколько больше при 7 pb. Этот выход все еще был примерно в десять раз ниже, чем в реакции, использованной для химической характеристики бория . Прежде чем хассий можно было успешно охарактеризовать химически, необходимо было внедрить новые методы облучения, разделения и обнаружения.     

Рутений и осмий имеют очень похожий химический состав из-за сокращения лантаноидов, но железо имеет некоторые отличия от них; например, хотя рутений и осмий образуют стабильные тетроксиды, в которых металл находится в степени окисления +8, железо - нет. При подготовке к химическому описанию хассия, исследования были сосредоточены на рутении и осмии, а не на железе, потому что ожидалось, что хассий будет похож на рутений и осмий, поскольку предсказанные данные по хасию близко совпадают с данными этих двух.

Первые химические эксперименты были выполнены с использованием газовой термохроматографии в 2001 году с использованием синтетических радиоизотопов осмия 172 Os и 173 Os в качестве эталона. В ходе эксперимента было синтезировано семь атомов хассия с использованием реакций 248 Cm ( 26 Mg, 5n) 269 Hs и 248 Cm ( 26 Mg, 4n) 270 Hs. Затем они были термализованы и окислены в смеси газов гелия и кислорода с образованием молекул четырехокиси гассия.

Hs + 2 O 2 → HsO 4

Измеряются осаждение температура гании осмия была выше , чем у осмия, в котором указывается прежним было менее летучими один, и это помещают ганий твердо в группе 8. энтальпия адсорбции для HSO 4 измерена,-46 ±кДж / моль , было значительно ниже прогнозируемого значения,-36,7 ± 1,5 кДж / моль , что указывает на то, что OsO 4 более летуч, чем HsO 4 , что противоречит более ранним расчетам, которые подразумевали, что они должны иметь очень похожую летучесть. Для сравнения значение OsO 4 равно-39 ± 1 кДж / моль . (Расчеты, которые дали более точное совпадение с экспериментальными данными, были сделаны после эксперимента в 2008 году.) Возможно, четырехокись гассия по-другому взаимодействует с нитридом кремния, чем с диоксидом кремния , химическими веществами, используемыми для детектора; необходимы дальнейшие исследования, чтобы установить, существует ли разница между такими взаимодействиями и повлияла ли она на измерения. Такие исследования будут включать более точные измерения ядерных свойств 269 Hs и сравнения с RuO 4 в дополнение к OsO 4 .

В 2004 году ученые отреагировали на четырехокись хасия и гидроксид натрия с образованием хасата натрия (VIII), хорошо известной реакции с осмием. Это была первая кислотно-основная реакция с соединением хассия с образованием гассата натрия (VIII):

HsO
4
+ 2 NaOHNa
2
[HsO
4
(ОЙ)
2
]

Команда из Университета Майнца планировала в 2008 году изучить электроосаждение атомов гассия с использованием новой установки TASCA в GSI. Их целью было использовать реакцию 226 Ra ( 48 Ca, 4n) 270 Hs. Ученые GSI надеялись использовать TASCA для изучения синтеза и свойств соединения гассия (II) гассоцена, Hs ( C 5 H 5 ) 2 , используя реакцию 226 Ra ( 48 Ca, x n). Это соединение аналогично более легким соединениям ферроцена , рутеноцена и осмоцена , и ожидается, что два циклопентадиенильных кольца будут находиться в закрытой конформации, такой как рутеноцен и осмоцен, а не в ступенчатой ​​конформации, как у ферроцена. Хассоцен, который, как ожидается, будет стабильным и легколетучим соединением, был выбран, потому что он имеет хассий в низкой формальной степени окисления +2, хотя связь между металлом и кольцами в металлоценах в основном ковалентная, а не высокая + 8, которые ранее были исследованы, и релятивистские эффекты, как ожидалось, будут сильнее в более низкой степени окисления. Высокосимметричная структура хассоцена и его небольшое количество атомов облегчают релятивистские вычисления. По состоянию на 2021 г. экспериментальных сообщений о хассоцене нет.

Примечания

использованная литература

Библиография

внешние ссылки

  • СМИ, связанные с калием на Викискладе?