Uuo

Uuo

Ununoctium (Uuo)(亦稱Eka氡或118號元素),是一種超錒系元素,原子序為118。其化學符號Uuo是IUPAC的臨時系統命名。在元素周期表上,它位于p區,屬于18族,是第7周期中的最後一個元素。Uuo目前是人工合成的,其原子序和原子量為所有已發現元素中最高的。

Uuo具放射性,其原子十分不穩定。自2002年,一共隻探測到的Uuo同位素的原子共有3個(4個)。這使對Uuo特徵和可能的化合物的實驗研究相當困難。目前理論計算作出了一些有關其特徵的預測,其中一些是出乎意料的。例如,Uuo是18族成員,但它有可能並不是惰性氣體。之前它曾被認為是一氣體,但現在的預測卻表示,由于相對論性因素,它在標準狀況下會是固體。

  • 中文名稱
    118號元素
  • 化學式
    Uuo
  • CAS登錄號
    54144-19-3
  • 周期
    7
  • 原子質量
    294u
  • 原子半徑
    152pm
  • 別稱
    Eka
  • 分子量
    294
  • 原子序數
    118
  • 英文名
    Ununoctium
  • 沸點
    350k
  • 0(稀有氣體)
  • 密度
    13.65g/cm^2
  • 臨界點
    6.8KPa  439k

歷史

未成功的嘗試

1998年末,波蘭物理學家Robert Smolańczuk發表了一套計演算法,以解釋如何通過融合原子核來合成超重元素的原子,當中也包括了Uuo。他的計算表示,在嚴格控製的環境下融合鉛和,就能製成Uuo。

1999年,勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員利用這些計算,製造了Lv和Uuo,並將發現發布于《物理評論快報》。不久之後《科學》雜志也報道了這一發現。研究人員聲稱成功進行了以下核反應:

2000年,因為其他的實驗室及勞倫斯伯克利國家實驗室本身都未能重復這些結果,所以研究人員撤回了該發現。2002年6月,實驗室主任宣布原先兩個元素的發現結果所用的資料是由Victor Ninov編造的。

發現

2002年,位于俄羅斯杜布納由Yuri Oganessian帶領的團隊于聯合核研究所(JINR)首次發現並觀測到Uuo原子的衰變。2006年10月9日,來自聯合核研究所及美國加州勞倫斯利福摩爾國家實驗室的研究人員宣布他們間接探測到一共3個(可能4個)Uuo-294的原子(其中1或2個發現于2002年,其餘2個于2005年)。方法是通過撞擊鐦249和鈣48離子:

Uuo-294同位素的放射性衰變示意圖。列出同位素的衰變能量和平均半衰期。進行自發裂變的原子以綠色表示。

由于核聚變概率(聚變截面約為0.3–0.6 pb = (3–6)×10 m)很低,實驗經過了48個月,使用了4×10個鈣離子,才第一次測得Uuo的合成。探測結果是隨機事件的可能性估計小于100,000分之1,所以研究人員很有把握這並不是誤測。

實驗觀察到的有3個Uuo原子的α衰變,而研究人員也提出了第4個通過直接自發裂變的衰變。Uuo通過α衰變產生Lv。由于隻觀測到3個原子的衰變,因此計算出來的半衰期有著很大的誤差:0.89−0.31 ms。

為了確定產生了Uuo,科學家再通過撞擊Cm和Ca離子,產生了Lv原子核:

並比較Lv與Uuo原子核的衰變鏈是否相同。Lv原子核十分不穩定,半衰期隻有14毫秒,便衰變為Fl,再經由自發裂變或α衰變成為Cn,然後進行自發裂變。

根據量子穿隧模型,Uuo的α衰變半衰期預測為0.66−0.18 ms,理論核反應能量(Q值)于2004年發表。如果在計算中使用Muntian–Hofman–Patyk–Sobiczewski巨觀微觀模型得出的Q值,則結果會相對較低,但仍很接近。

在成功取得Uuo之後,科學家希望通過融合Fe和Pu來製造Ubn(Unbinilium,120號元素)。Ubn同位素的半衰期預計隻有數微秒。

達到Z=118復核的元素組合

目標

發射體

CN

結果

Pb

Kr

Uuo

至今失敗

Cf

Ca

Uuo

反應成功

命名

直至1960年代Uuo仍被稱為eka-emanation(emanation是氡的舊稱)。1979年IUPAC發表了對元素新命名的建議,並將其命名為ununoctium。該系統命名將在證實發現該元素且IUPAC授予名稱之前,作為118號元素的代替名。

2002年發現結果被撤回之前,勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員曾建議以阿伯特·吉奧索(Albert Ghiorso,研究團隊的領導成員)命名為ghiorsium(Gh)。

俄羅斯的發現者于2006年公布發現Uuo。2007年,聯合核研究所主任表示,研究團隊正考慮兩個名字:以格奧爾基·弗廖羅夫(Georgy Flyorov,杜布納的研究實驗室創立人)命名的flyorium,及以莫斯科州(Moscow Oblast,杜布納所在地)命名的moskovium。他也表明,雖然這是俄美合作發現的(美國提供撞擊中的目標元素鐦),但Uuo名正言順地應以俄羅斯命名,因為聯合核研究所的Flerov核反應實驗室是世界上唯一一座能取得這種成果的設施。

特徵

原子核穩定性與同位素

Uuo位于穩定島的右端,原子核更穩定Uuo位于穩定島的右端,原子核更穩定

Uuo位于穩定島的右端,因此其原子核應比預測的更穩定一些。

主條目:Uuo的同位素

參見:穩定島

原子序超過82(鉛)的元素均沒有穩定的同位素。原子核的穩定性隨原子序的增加而降低,因此所有原子序超過105(觀)的同位素半衰期都小于1天。然而由于一些尚待了解的原因(見魔數),原子序110至114的穩定性有著稍微的提升,這就是核物理所預測的"穩定島"。這個概念由伯克利加州大學教授格倫·西奧多·西博格提出,以解釋超重元素半衰期比本來預計要長的原因。Uuo是有放射性的,其半衰期少于1毫秒。不過,這數值已經比某些預計值較長,這進一步支持"穩定島"這一理論。

量子穿隧模型計算預測,Uuo還有幾個α衰變半衰期接近1毫秒的多中子同位素。

理論計算顯示,一些Uuo同位素比已發現的Uuo更加穩定,最有可能的包括:Uuo、Uuo、Uuo、Uuo、Uuo、Uuo和Uuo。其中Uuo最有機會擁有長半衰期,所以可能會是未來的重點工作對象。一些Uuo附近的多中子原子核也可能有較長的半衰期。

計算的原子及物理特徵

Uuo屬于18族,沒有價電子。這一族的元素的價電子層符合八隅體規則,因此幾乎對所有普通化學(如氧化作用)反應顯惰性。這樣形成的電子排布是ZZ緊密和穩定的,並擁有最低能量。科學家相信Uuo也同樣有填滿了的價電子層,其電子排布為:7s27p6。

一些人預計Uuo的物理及化學特徵會與同族的其他元素相似,最接近其上的惰性氣體氡。根據周期表的趨勢,Uuo估計比氡更活躍一些。然而,理論計算卻顯示,它可能會非常活躍,並不一定能被稱為惰性氣體。Uuo甚至可能比Fl和鎶還活躍。Uuo的化學活性比氡明顯較高,要歸咎于其7p電子支殼層的徑向膨脹及能量的不穩定性。更準確地說,7p電子與7s電子間有著很大的自旋-軌道作用,導致第二個價電子層在Fl處填滿,使Uuo的穩定性大大降低。

Uuo的極化性是之前所有元素中最高的,幾乎是氡的兩倍。從其他惰性氣體的沸點趨勢估計,Uuo的沸點處于320 K和380 K之間。這和先前的估值263 K和247 K要高。甚至在加上巨大的計算誤差後,Uuo在標準狀況下仍不會呈氣態。由于其他惰性氣體的液態溫度區間很小,介乎2 K至9 K間,所以Uuo應該是一種固體。如果它是氣體的話,將會是標準狀態下密度最高的氣體(盡管它和其餘的惰性氣體一樣是單原子的)。

由于極化性極高,Uuo的電離能異常低(類似于鉛,是氡的70%,明顯低于Fl),並擁有標準凝聚態。

預測的化合物

科學家自1964年起便開始進行了有關Uuo的理論化合物的計算,但至今還沒有合成任何Uuo化合物。如果一個元素的電離能足夠高的話,它會非常難氧化,因此最可能的氧化態是0(正如其餘的惰性氣體)。

UuoF4預計擁有四面體結構。UuoF4預計擁有四面體結構。 XeF4與RnF4擁有平面四方形的結構。XeF4與RnF4擁有平面四方形的結構。

二聚體Uuo2的計算指出,化學鍵間的互動作用和Hg2的相約,鍵離解能為6 kJ/mol,約為Rn2的四倍。但最出乎意料的是,其鍵長比Rn2的還短BBZ0.16 Å。另外,化合物UuoH的鍵離解能(或Uuo的質子親和能)比RnH小。

UuoH中Uuo和氫之間的鍵可看作是純粹的範德華力,而不是真正的化學鍵。另外,Uuo與一些電負性高的元素能組成穩定的化合物,甚至超過鎶或Fl。氯化物UuoF2和UuoF4中,Uuo預測有穩定的+2和+4氧化態。這也是由于Uuo的自旋-軌道作用。例如,計算顯示,Uuo和F2產生UuoF2的化學反應會釋出106 kcal/mol的能量,其中約46 kcal/mol來自于這些相互作用。對比之下,類似的分子RnF2的產生能量為49 kcal/mol,互動作用佔約10 kcal/mol。同樣的相互作用使UuoF4的四面體形Td結構比較穩定,共價鍵,因此UuoFn化合物都不具有揮發性。Uuo的電正性足以與氯產生Uuo–Cl鍵,這于其他的惰性氣體非常不同。

性質

核反應製取方程式: Kr+Pb-->Uuo+n

核外電子排布:2,8,18,32,32,18,8

推測Ununoctium的物理性質:

氣體,加壓可液化;

熔化點:≥-30℃;

沸點:≥-20℃;

顏色:無色(和其他六種稀有氣體(氦,,氬,,氡)一樣)。

氣味:無

在X射線中可發出熒光(類同氡)

發現經歷

Berkeley實驗室的V. Ninov等人于1999年發表了利用86Kr+208Pb通過1n道生成118號元素的實驗結果[Nin99],但結果于2001年宣布收回。B2002年6月25日,Dubna的Yu. Ts. Oganessian在德國重離子研究中心GSI作的一次學術報告上報告了Dubna合成118號元素的新結果。入射束流48Ca的能量為5.1 MeV/u,對應復合核的激發能為29 MeV,束流強度為0.8 pmA靶為230 mg/cm2的純度為97.3%的249Cf(總重量為7.1 mg,自身每秒鍾放出2&acute;109個a粒子)。總束流時間為75天,對應的總照射量為2&acute;1019個束流粒子。實驗前估計,3n道的截面~0.5pb,4n的截面<0.1pb。整個實驗過程中觀察到兩個可能的事件。一個是2002年3月19日5:28得到的一個如下衰變鏈(選自Oganessian報告的照片),其中290116和286114均是第一次被觀察到。另一個是3月16日7:04觀察到的一個壽命為3.2ms的自發裂變事件。

Uuo

成果:2006年10月16日,美國與俄羅斯科學家以鈣離子與鐦(Cf,Californium)碰撞製造Uuo,並宣稱存在千分之一秒。但獲得確認尚需數年時間。

發現

2002年,Yuri Oganessian在俄羅斯杜布納的團隊于聯合核研究所(JINR)首次發現並觀測Uuo原子的衰變。2006年10月9日,來自聯合核研究所及美國加州勞倫斯利福摩爾國家實驗室的研究人員宣布他們間接探測到一共3個(可能4個)Uuo-294的原子(其中1或2個發現于2002年,其餘2個于2005年),通過撞擊鐦249和鈣48離子:

24998Cf + 4820Ca → 294118Uuo + 3n.由于核聚變概率(聚變截面約為0.3–0.6pb= (3–6)×10 m)很低,實驗經過了48個月,並使用了4×10個鈣離子,才第一次測得Uuo的合成。然而研究人員很有把握這並不是誤測,因為探測結果是隨機事件的可能性估計小于100,000分之1。

實驗中觀察了3個Uuo原子的α衰變,並提出了第4個通過直接自發裂變的衰變。計算得出半衰期為0.89 ms:Uuo通過α衰變為Lv。由于隻觀測到3個原子的衰變,計算出來的半衰期有著很大的誤差:0.89〢.31 ms。

294118Uuo → 290116Lv +He以證實發現Uuo原子核,通過撞擊Cm和Ca離子:

24596Cm + 4820Ca → 290116Lv + 3n,另外製造出衰變產物Lv,並且比較Lv與Uuo原子核的衰變鏈是否相同。Lv原子核十分不穩定,半衰期為14毫秒,衰變為Uuq,再經由自發裂變或α衰變成為Cn,然後自發裂變。

根據量子穿隧模型,Uuo的α衰變半衰期預測為0.66〢.18 ms,理論核反應能量(Q值)于2004年發表。根據Muntian–Hofman–Patyk–Sobiczewski 的巨觀微觀模型的理論Q值的計算得出相當但較低的數值。

成功取得Uuo之後,其發現這又開始類似的實驗,從Fe和Pu製造Ubn(Unbinilium)。Ubn同位素的半衰期預計以微秒計。這是系統命名,作為該元素的發現被證實並且IUPAC授予名稱之前的代替名。

穩定性

利用量子穿隧模型來計算,存在著幾個多中子的Uuo同位素,α衰變半衰期接近1毫秒。

理論計算顯示出,存在著一些比合成的Uuo更穩定的同位素。其中Uuo擁有較長半衰期原子核的機會最大,所以可能會是未來針對該元素的重點工作對象。一些Uuo附近的較多中子的原子核也能有較長的半衰期

物理特徵

Uuo屬于18族,沒有價電子。這一族的元素幾乎對所有普通化學(如氧化作用)反應顯惰性,因為其價電子層符合八隅體規則。這樣形成的電子排布是緊密和穩定的,並擁有最低能量。相信同樣地,Uuo也有填滿了的價電子層。

因此,一些人預計Uuo的物理及化學特徵與同族的其他元素相似,似于其上的惰性氣體氡。據周期表的趨勢,Uuo估計比氡更XX活躍一些。然而,理論計算顯示,它可能會非常活躍,並不一定能被稱為惰性氣體。除此之外,Uuo甚至可能比Fl和鎶還活躍。其最後一個填滿的7p電子亞層的徑向膨脹及能量的不穩定性導致了Uuo相對氡明顯較高的化學活躍性。更準確地說,7p電子與電子間可觀的自旋-軌道作用導致第二個價電子層在Fl處填滿,電子親和力。

預測

還沒有Uuo的化合物被合成出來,但針對理論化合物的計算自從1964年起就開始進行了。如果一個元素的電離能足夠高的話,它會非常難氧化,因此最可能的氧化態是0(正如其餘的惰性氣體)。

有關二聚體的計算指出,化學鍵間的互動作用大約等于Hg2的,鍵離解能為6 kJ/mol,約為Rn2的四倍。但最出乎意料的是,其鍵長比Rn2的還短0.16 。另一方面,化合物UuoH的鍵離解能(或Uuo的質子親和能)比RnH小。

UuoH中的Uuo和氫之間的鍵可看作是純粹的範德華力,而不是真正的化學鍵。另外,Uuo與一些電負性高的元素能組成T穩定的化合物,甚至勝過鎶或Fl。氯化物UuoF2和UuoF4中預測有穩定氧化態+2和+4。這和Uuo格外活躍的化學T性質同樣都是因為其自旋-軌道作用。例如,計算顯示,Uuo和F2產生UuoF2的化學反應會H釋出106 kcal/mol的能量,其中GG約46 kcal/molG來自于這些相G互作用。對比下,類似的分子GRnF2GG的產生能量為49 kcal/mol,互動作用佔約Hkcal/molRR樣的相互作用穩定G了UuoF4的四面體形Td結構,共價鍵,因此UuoFn化TGT合物都不具有揮發性。別于其他的惰性氣體,Uuo的電正性足以與氯產生Uuo–Cl鍵。

因為一共隻製造了4個Uuo原子,所以目迄今為止它在基大學部學研究範疇以外沒有任何用途。當足夠Uuo集聚在一處,核輻射會造成傷害。

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