Badania nad moskowem i nihonium pokazują, że są one bardziej reaktywne niż flerow i podlegają zauważalnym efektom relatywistycznym, poszerzając naszą wiedzę na temat pierwiastków superciężkich i ich potencjalnych zastosowań.
Międzynarodowy zespół kierowany przez naukowców z GSI/FAIR w Darmstadt, Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji i Instytutu Helmholtza w Moguncji pomyślnie określił właściwości chemiczne sztucznie wytworzonych pierwiastków superciężkich moscovium i nihonium (pierwiastki 115 i 113).
Moscovium jest obecnie najcięższym pierwiastkiem, jaki kiedykolwiek badano chemicznie. Ich badania, opublikowane w Granice w chemiipokazuje, że oba pierwiastki są bardziej reaktywne chemicznie niż flerow (pierwiastek 114), który był wcześniej badany w GSI/FAIR.
Odkrywanie efektów relatywistycznych w chemii
Dzięki temu wynikowi eksperymenty w GSI/FAIR dostarczają obecnie danych na temat trzech superciężkich pierwiastków 113, 114 i 115, umożliwiając wiarygodną klasyfikację ich właściwości i ocenę struktury układu okresowego w tym skrajnym obszarze.
W miarę jak pierwiastki stają się cięższe, liczne protony w jądrze przyspieszają elektrony wirujące wokół rdzenia do coraz większych prędkości – tak dużych, że zaczynają pojawiać się efekty, które można wytłumaczyć jedynie słynną teorią względności Einsteina. Już sama prędkość powoduje, że elektrony są cięższe.
Na przykład w ołowiu (pierwiastek 82) skutki takich procesów już działają i przyczyniają się do procesów chemicznych w akumulatorach ołowiowych. Sąsiedzi z lewej i prawej strony – tal i bizmut – zachowują się inaczej. Efekt, choć niewielki, jest zlokalizowany w ołowiu. Czy element superciężki może być wiodącą alternatywą?
A co z cięższym sąsiadem z niższej grupy układu okresowego, flerowem, pierwiastkiem 114, odkrytym i badanym chemicznie dopiero w ciągu ostatnich 20 lat? Stwierdzono, że różni się on od ołowiu, łatwo przekształca się w gaz i jest mniej reaktywny chemicznie.
Aby znaleźć odpowiedzi, należało również przetestować dwóch sąsiadów, pierwiastki 113, nihonium i 115, moscoivum. Chociaż odnotowano wstępne informacje na temat chemii nihonium, jak dotąd nie przeprowadzono pomyślnych badań chemii moscovium – gdzie najlepiej odpowiedni izotop istnieje tylko przez około 20 setnych sekundy.
Osiągnięcia w syntezie pierwiastków superciężkich
Tego wyczynu dokonano obecnie dzięki międzynarodowej współpracy w GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung w Darmstadt w Niemczech. Zespół poinformował, że oba sąsiedzi, nihonium i moscovium, wykazują wyższą reaktywność chemiczną niż pośredni flerow. Lokalny efekt obserwowany w ołowiu jest zatem widoczny także w flerowie, jednak znacznie silniej, co nie jest zaskoczeniem, biorąc pod uwagę znacznie wyższy ładunek jądrowy.
Do uzyskania tego wyniku wystarczyła obserwacja zaledwie kilku atomów. Jednak osiągnięcie tego zajęło dwa miesiące ciągłej, całodobowej pracy w ośrodku akceleratora ciężkich jonów GSI/FAIR. Aby wyprodukować superciężkie pierwiastki, zespół napromieniował cienkie folie zawierające ameryk-243 (pierwiastek 95), który sam w sobie jest pierwiastkiem sztucznym, intensywnymi wiązkami jonów wapnia-48 (pierwiastek 20). Ich fuzja doprowadziła do jądra moscovium-288 (pierwiastek 115), które w ułamku sekundy przekształciło się w nihonium-284 (pierwiastek 113).
Zaawansowane techniki eksperymentalne ujawniają nowe spostrzeżenia
Gaz obojętny przepuścił oba elementy przez układ detektorów pokryty cienką warstwą kwarcu. Detektory rejestrują rozpad poszczególnych superciężkich atomów i ustalają, czy atomy tworzą wiązanie chemiczne z kwarcem na tyle mocne, że utrzymują je w miejscu, w którym po raz pierwszy spotykają się z powierzchnią. Słabsze wiązanie prowadzi do dalszego transportu przez gaz.
W ten sposób wzór zarejestrowany w układzie detektorów dostarcza informacji o sile wiązań chemicznych – a więc o reaktywności chemicznej pierwiastków. Elementy o niskiej reaktywności mogą nawet opuścić układ, ale tylko po to, aby napotkać detektory pokryte złotem. Wiązania ze złotem są na ogół silniejsze niż z kwarcem, co gwarantuje, że każdy z nich będzie badany atom rzeczywiście jest przechowywany i zarejestrowany.
„Dzięki nowo opracowanemu układowi do separacji i detekcji chemicznej w połączeniu z separatorem elektromagnetycznym TASCA nasze badania chromatografii gazowej można rozszerzyć na bardziej reaktywne pierwiastki chemiczne, takie jak nihon i moskwa” – wyjaśnia dr Alexander Yakushev z GSI/FAIR, rzecznik współpracy międzynarodowej. „Udało nam się zwiększyć wydajność i skrócić czas wymagany do separacji chemicznej do tego stopnia, że mogliśmy obserwować bardzo krótkotrwały moscovium-288 i w jeszcze większym tempie około dwóch wykrywanych atomów tygodniowo jego córka nihonium-284.”
W sumie zarejestrowano cztery atomy moscovium, wszystkie w układzie pokrytym kwarcem. Wśród 14 wykrytych atomów nihonium zaobserwowano osadzanie się głównie na kwarcu, co wskazuje na powstawanie wiązania chemicznego. Jeden atom dotarł do pokrytego złotem układu, co wskazuje, że wiązanie kwarcu nie jest zbyt mocne. Kontrastuje to z zachowaniem lżejszych homologów, talu (w przypadku nihonium) i bizmutu (w przypadku moskowiu), o których wiadomo, że tworzą silne wiązania z kwarcem. Podobnie ołów, homolog flerowu, tworzy silne wiązania z kwarcem, podczas gdy flerow nie.
Komplet danych na temat tych pierwiastków pokazuje, że pierwiastki superciężkie są znacznie mniej reaktywne niż ich lżejsze homologi, co przypisuje się bezwładności związanej z występowaniem efektów relatywistycznych. Najbardziej wyraźny efekt widać lokalnie w przypadku flerowu, który nadal jest metalem, ale bardzo słabo reagującym – zachowanie wskazuje na obecność zamkniętych (pod)powłok elektronowych, prawie jak w niereaktywnych gazach szlachetnych. Wyniki pokazują wpływ teorii względności Einsteina na układ okresowy i jednocześnie ustanawiają nowy rekord w kategorii najcięższego pierwiastka, jaki kiedykolwiek badano chemicznie.
Wraz z postępem technologicznym pojawiają się nowe wymagania dotyczące materiałów. Czy nowe elementy mogą mieć swój udział? Podobnie jak samochody przestają być napędzane paliwami kopalnymi i stają się napędzane energią elektryczną, tak też inne przedmioty codziennego użytku wycofują się i są zastępowane technologią opartą na nowatorskich materiałach. Pierwsze urządzenie na bazie flerowu jeszcze nie jest gotowe. Obecnie można wytwarzać tylko pojedyncze atomy tygodniowo – trwające krócej niż sekundę. W miarę postępu technologii może się to zmienić, ostatecznie udostępniając większe ilości. Nie wiemy, czy mogą służyć w przyszłych bateriach jako środki medyczne lub wzbogacać nasze życie w sposób niewyobrażalny dzisiaj. Jednak dzięki przełomowym eksperymentom w Darmstadt przyszli badacze będą mieli przewagę i poznają już chemiczny charakter tych nowych materiałów. Wynik otwiera także nowe perspektywy dla międzynarodowego obiektu FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), który obecnie powstaje w Darmstadt.
Odniesienie: „Przejawy efektów relatywistycznych we właściwościach chemicznych nihonium i moskovium ujawnionych w badaniach chromatografii gazowej” A. Yakushev, J. Khuyagbaatar, Ch. E. Düllmann, M. Block, RA Cantemir, DM Cox, D. Dietzel, F. Giacoppo, Y. Hrabar, M. Iliaš, E. Jäger, J. Krier, D. Krupp, N. Kurz, L. Lens, S.Löchner, Ch. Mokry, P. Mošať, V. Pershina, S. Raeder, D. Rudolph, J. Runke, LG Sarmiento, B. Schausten, U. Scherer, P. Thörle-Pospiech, N. Trautmann, M. Węgrzecki i P. Wieczorek , 6 września 2024 r., Granice w chemii.
DOI: 10.3389/fchem.2024.1474820
