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Unbiunium

Unbiunium , noto anche come eka-attinio o semplicemente elemento 121 , è l'ipotetico elemento chimico con il simbolo Ubu e il numero atomico 121. Unbiunium e Ubu sono rispettivamente il nome e il simbolo IUPAC sistematici temporanei, fino a quando non viene deciso un nome permanente. Nella tavola periodica degli elementi, si prevede che sia il primo dei superattinidi e il terzo elemento nell'ottavo periodo: analogamente al lantanio e all'attinio, potrebbe essere considerato il quinto membro del gruppo 3 e il primo membro del metalli di transizione di quinta fila. Ha attirato l'attenzione a causa di alcune previsioni secondo cui potrebbe trovarsi nell'isola della stabilità, sebbene i calcoli più recenti prevedano che l'isola si verifichi effettivamente con un numero atomico leggermente inferiore, più vicino al copernicio e al flerovium.

Unbiunium non è stato ancora sintetizzato. Tuttavia, poiché si trova a soli tre elementi dall'elemento più pesante conosciuto, oganesson (elemento 118), la sua sintesi potrebbe arrivare nel prossimo futuro; si prevede che sarà uno degli ultimi pochi elementi raggiungibili con la tecnologia attuale e il limite potrebbe essere ovunque tra l'elemento 120 e 124. Sarà anche molto più difficile sintetizzare rispetto agli elementi finora noti fino a 118, e ancora più difficile degli elementi 119 e 120. Il team di RIKEN in Giappone ha in programma di tentare la sintesi dell'elemento 121 in futuro dopo i suoi tentativi sugli elementi 119 e 120.

La posizione di unbiunio nella tavola periodica suggerisce che avrebbe proprietà simili ai suoi congeneri più leggeri, scandio, ittrio, lantanio e attinio; tuttavia, gli effetti relativistici possono far sì che alcune delle sue proprietà differiscano da quelle attese da una semplice applicazione di tendenze periodiche. Ad esempio, si prevede che unbiunio abbia una configurazione elettronica di valenza s2p invece dell's2d dei suoi congeneri più leggeri nel gruppo 3, ma non si prevede che ciò influenzi in modo significativo la sua chimica, che si prevede sia quella di un normale elemento del gruppo 3; d'altra parte abbasserebbe significativamente la sua prima energia di ionizzazione oltre a quanto ci si aspetterebbe da tendenze periodiche.

Storia

Gli elementi transattinidici, come unbiunio, sono prodotti dalla fusione nucleare. Queste reazioni di fusione possono essere suddivise in fusione "calda" e "fredda", a seconda dell'energia di eccitazione del nucleo composto prodotto. Nelle reazioni di fusione a caldo, i proiettili ad alta energia molto leggeri vengono accelerati verso bersagli molto pesanti (attinidi), dando origine a nuclei composti ad alte energie di eccitazione (~ 40-50 MeV) che possono fissare o evaporare diversi (da 3 a 5) neutroni . Nelle reazioni di fusione fredda (che usano proiettili più pesanti, tipicamente del quarto periodo e bersagli più leggeri, solitamente piombo e bismuto), i nuclei fusi prodotti hanno un'energia di eccitazione relativamente bassa (~ 10–20 MeV), che diminuisce la probabilità che questi i prodotti subiranno reazioni di fissione. Poiché i nuclei fusi si raffreddano allo stato fondamentale, richiedono l'emissione di solo uno o due neutroni. Tuttavia, le reazioni di fusione calda tendono a produrre prodotti più ricchi di neutroni poiché gli attinidi hanno i più alti rapporti neutrone-protone di qualsiasi elemento che attualmente può essere prodotto in quantità macroscopiche; attualmente è l'unico metodo per produrre gli elementi superpesanti dal flerovium (elemento 114) in poi.

I tentativi di sintetizzare gli elementi 119 e 120 spingono i limiti della tecnologia attuale, a causa delle sezioni trasversali decrescenti delle reazioni di produzione e delle loro emivite probabilmente brevi, che dovrebbero essere dell'ordine dei microsecondi. Gli elementi più pesanti, a partire dall'elemento 121, sarebbero probabilmente di breve durata per essere rilevati con la tecnologia attuale, in decomposizione in un microsecondo prima di raggiungere i rivelatori. Non è noto dove si trovi questo confine di un microsecondo di emivite e ciò può consentire la sintesi di alcuni isotopi degli elementi da 121 a 124, con il limite esatto a seconda del modello scelto per predire le masse di nuclidi. È anche possibile che l'elemento 120 sia l'ultimo elemento raggiungibile con le attuali tecniche sperimentali e che gli elementi da 121 in poi richiederanno nuovi metodi.

A causa dell'attuale impossibilità di sintetizzare elementi oltre il californium ( Z = 98) in quantità sufficienti per creare un bersaglio, con gli obiettivi di einsteinio ( Z = 99) attualmente considerati, la sintesi pratica di elementi al di là di oganesson richiede proiettili più pesanti, come il titanio- 50, cromo-54, ferro-58 o nichel-64. Ciò, tuttavia, ha lo svantaggio di provocare reazioni di fusione più simmetriche, più fredde e con minori probabilità di successo. Ad esempio, si prevede che la reazione tra 243Am e 58 Fe abbia una sezione trasversale dell'ordine di 0,5 fb, diversi ordini di grandezza inferiori rispetto alle sezioni misurate misurate in reazioni positive; un tale ostacolo renderebbe impossibile questa e simili reazioni per la produzione di unbiunio.

Tentativi di sintesi

Passato

La sintesi di unbiunio fu tentata per la prima volta nel 1977 bombardando un bersaglio di uranio-238 con ioni rame-65 presso la Gesellschaft für Schwerionenforschung di Darmstadt, Germania:

238
92U
+ 65
29Cu
→ 303
121Ubu
* → nessun atomo

Non sono stati identificati atomi.

previsto

Attualmente, l'intensità del raggio nelle strutture di elementi superpesanti provoca circa 1012 proiettili che colpiscono l'obiettivo al secondo; ciò non può essere aumentato senza bruciare il bersaglio e il rivelatore e produrre quantità maggiori di attinidi sempre più instabili necessari per il bersaglio è impraticabile. Il team del Joint Institute for Nuclear Research (JINR) di Dubna sta costruendo una nuova fabbrica di elementi superpesanti (fabbrica SHE) con rilevatori migliorati e la capacità di lavorare su scala ridotta, ma continuando così oltre l'elemento 120 e forse 121 sarebbe essere una grande sfida. Il chimico, scrittore e filosofo della scienza Eric Scerri ha notato che lo sviluppo di nuove tecnologie sul campo è stato guidato dalla ricerca di nuovi elementi, in modo che l'incapacità di procedere oltre gli elementi 120 e 121 con le tecnologie attuali potrebbe non causare necessariamente un lunghissima pausa in nuove scoperte.

È possibile che l'età delle reazioni di fusione-evaporazione per produrre nuovi elementi superpesanti stia volgendo al termine a causa delle emivite sempre più brevi della fissione spontanea e dell'incombente linea di gocciolamento del protone, in modo che nuove tecniche come le reazioni di trasferimento nucleare (per ad esempio, sparare nuclei di uranio l'uno verso l'altro e lasciarli scambiare protoni, potenzialmente producendo prodotti con circa 120 protoni) sarebbe necessario per raggiungere i superattinidi. D'altra parte, sono stati necessari molti cambiamenti nelle tecniche per sintetizzare elementi transuranici, dalla cattura di neutroni (fino a Z = 100) al bombardamento di ioni di luce (fino a Z = 110) alla fusione fredda (fino a Z = 113) e ora fusione calda con 48Ca (fino a Z = 118), per non parlare della differenza essenziale prima e dopo l'uranio tra trovare gli elementi chimicamente o spettroscopicamente in natura e sintetizzarli. Nonostante ciò, il tasso di scoperta di nuovi elementi è rimasto in media uno ogni due anni e mezzo negli ultimi due secoli e mezzo.

Il team di RIKEN ha elencato la sintesi dell'elemento 121 tra i suoi piani futuri dopo i tentativi di sintesi dell'elemento 120 nel 2017-2018 e dell'elemento 119 nel 2019-2020. Poiché le sezioni trasversali di queste reazioni di fusione-evaporazione aumentano con l'asimmetria della reazione, il titanio sarebbe un proiettile migliore del cromo per la sintesi dell'elemento 121, sebbene ciò richieda un bersaglio di einsteinio. Ciò pone gravi sfide a causa del notevole riscaldamento e danno del bersaglio dovuti all'elevata radioattività di einsteinio-254, ma sarebbe probabilmente l'approccio più promettente all'elemento 119 con raggi 48Ca e possibilmente all'elemento 121 con raggi 50Ti. Richiederebbe inoltre di lavorare su scala ridotta a causa della quantità inferiore di 254 ES che può essere prodotta. Questo lavoro su piccola scala potrebbe essere realizzato nel prossimo futuro solo nella fabbrica SHE di Dubna.

254
99Es
+ 50
22Ti
→ 300
121Ubu
+ 4 1
0
n
254
99Es
+ 50
22Ti
→ 301
121Ubu
+ 3 1
0
n

Per ulteriori elementi fino a 124, dato che l'aumento del numero di neutroni consente di avvicinarsi al guscio di neutroni chiuso previsto a N = 184 che conferirebbe stabilità, l'uso di ferro-60 debolmente radioattivo (con un'emivita di 2,6 milioni di anni ) invece del ferro stabile 58 come proiettile è stato considerato. Gli isotopi 299Ubu, 300Ubu e 301Ubu che potrebbero essere prodotti in queste reazioni attraverso i canali 3n e 4n dovrebbero essere gli unici isotopi unbiunio raggiungibili con emivite abbastanza lunghi da essere rilevati; le sezioni trasversali spingerebbero comunque i limiti di ciò che può essere attualmente rilevato. Ad esempio, si prevede che la sezione della suddetta reazione tra 254Es e 50Ti sia dell'ordine di 7 fb nel canale 4n, quattro volte inferiore alla sezione trasversale misurata più bassa per una reazione positiva. Se una tale reazione dovesse avere successo, tuttavia, i nuclei risultanti decaderebbero attraverso isotopi di ununennio che potrebbero essere prodotti da bombardamenti incrociati nelle reazioni 248Cm + 51V o 249Bk + 50Ti, che saranno provate rispettivamente a RIKEN e JINR nel 2017-2020 , giù attraverso noti isotopi di tennessina e moscovium sintetizzati nelle reazioni 249Bk + 48Ca e 243Am + 48Ca. La molteplicità di stati eccitati popolati dal decadimento alfa di nuclei dispari può tuttavia precludere chiari casi di bombardamento incrociato, come si è visto nel controverso legame tra 293 T e 289 Mc. Gli isotopi più pesanti dovrebbero essere più stabili; Si prevede che 320Ubu sia l'isotopo unbiunio più stabile, ma non c'è modo di sintetizzarlo con la tecnologia attuale poiché nessuna combinazione di bersaglio utilizzabile e proiettile potrebbe fornire abbastanza neutroni.

I laboratori di RIKEN in Giappone e del JINR in Russia sono i più adatti a questi esperimenti in quanto sono gli unici al mondo in cui i tempi di raggio lungo sono accessibili per reazioni con sezioni trasversali così basse previste.

Naming

Usando la nomenclatura di Mendeleev per elementi senza nome e non ancora scoperti, unbiunio dovrebbe essere noto come eka-attinio . Utilizzando le raccomandazioni IUPAC del 1979, l'elemento dovrebbe essere temporaneamente chiamato unbiunium (simbolo Ubu ) fino a quando non viene scoperto, la scoperta viene confermata e viene scelto un nome permanente. Sebbene ampiamente utilizzate nella comunità chimica a tutti i livelli, dalle aule di chimica ai libri di testo avanzati, le raccomandazioni sono per lo più ignorate dagli scienziati che lavorano teoricamente o sperimentalmente su elementi superpesanti, che lo chiamano "elemento 121", con il simbolo E121 , (121) o 121 .

Stabilità nucleare e isotopi

La stabilità dei nuclei diminuisce notevolmente con l'aumento del numero atomico dopo il curio, elemento 96, la cui emivita è di quattro ordini di grandezza più lunga di quella di qualsiasi elemento con numero più alto attualmente noto. Tutti gli isotopi con un numero atomico superiore a 101 subiscono un decadimento radioattivo con emivite inferiori a 30 ore. Nessun elemento con numero atomico superiore a 82 (dopo il piombo) ha isotopi stabili. Tuttavia, per ragioni non ancora ben comprese, c'è un leggero aumento della stabilità nucleare attorno ai numeri atomici 110-114, che porta alla comparsa di quella che è conosciuta nella fisica nucleare come "isola di stabilità". Questo concetto, proposto dal professore dell'Università della California Glenn Seaborg e derivante dagli effetti stabilizzanti delle granate nucleari chiuse intorno a Z = 114 (o forse 120, 122, 124 o 126) e N = 184 (e forse anche N = 228) , spiega perché gli elementi superpesanti durano più a lungo del previsto. In effetti, la mera esistenza di elementi più pesanti del rutherfordium può essere attestata dagli effetti del guscio e dall'isola di stabilità, poiché la fissione spontanea causerebbe rapidamente la disgregazione di tali nuclei in un modello trascurando tali fattori.

Un calcolo del 2016 delle emivite degli isotopi di unbiunio da 290Ubu a 339Ubu suggeriva che quelli da 290Ubu a 303Ubu non sarebbero stati legati e sarebbero decaduti attraverso l'emissione di protoni, quelli da 304Ubu a 314Ubu sarebbero stati sottoposti a decadimento alfa e quelli da 315Ubu a 339Ubu subirebbe una fissione spontanea. Solo gli isotopi da 309Ubu a 314Ubu avrebbero vite di decadimento alfa abbastanza lunghe da essere rilevate nei laboratori, iniziando catene di decadimento che terminano in fissione spontanea a moscovium, tennessine o ununennium. Ciò costituirebbe un grave problema per gli esperimenti volti a sintetizzare isotopi di unbiunio se vero, perché gli isotopi il cui decadimento alfa potrebbe essere osservato non potevano essere raggiunti da nessuna combinazione attualmente utilizzabile di bersaglio e proiettile. I calcoli nel 2016 e 2017 degli stessi autori sugli elementi 123 e 125 suggeriscono un risultato meno desolante, con catene di decadimento alfa dai nuclidi più raggiungibili 300–307Ubt che passano attraverso unbiunio e conducono al bohrio o al nichelio; in particolare, 304Ubt potrebbe essere sintetizzato nella reazione 249Bk (58Fe, 3n) 304Ubt e decadrebbe alfa attraverso 300Ubu, 296Uue e 292Ts ai 288Mc noti e 284Nh noti, sebbene la sezione trasversale sarebbe probabilmente estremamente bassa. È stato anche suggerito che il decadimento del cluster potrebbe essere un modo di decadimento significativo in competizione con il decadimento alfa e la fissione spontanea nella regione oltre Z = 120, che costituirebbe un ulteriore ostacolo per l'identificazione sperimentale di questi nuclidi.

Chimica prevista

Si prevede che l'Unbiunium sia il primo elemento di una serie di transizione senza precedenti, chiamati superattinidi in analogia ai precedenti attinidi. Sebbene il suo comportamento non sia probabilmente molto distinto dai suoi congeneri più leggeri nel gruppo 3, è probabile che ponga un limite all'applicabilità della legge periodica; dopo l'elemento 121, si prevede che gli orbitali 5g, 6f, 7d e 8p1 / 2 si riempiranno insieme a causa delle loro energie molto vicine e attorno agli elementi alla fine degli anni '50 e '60, i 9s, 9p1 / 2 e 8p3 / Si uniscono 2 subshells, in modo che la chimica degli elementi appena oltre 121 e 122 (l'ultimo per il quale sono stati condotti calcoli completi) dovrebbe essere così simile che la loro posizione nella tavola periodica sarebbe puramente una questione formale. Come i suoi congeneri più leggeri, l'Unbiunium potrebbe essere considerato come l'inizio della serie 7d di elementi, che sarebbe la quinta fila dei metalli di transizione.

In base al principio di Aufbau, ci si aspetterebbe che la subshell da 5 g inizi a riempirsi all'unbiunio. Tuttavia, teoricamente si prevede che il blocco f inizi dal lantanio e dall'attinio, ma nessuno dei due elementi mostra un coinvolgimento f-orbitale significativo. Si prevede che una situazione simile di collasso "radiale" ritardato potrebbe verificarsi per unbiunio, in modo che gli orbitali 5g non inizino a riempirsi fino all'elemento 125. Questo è simile alla situazione con il lantanio, dove il guscio 4f non ha ancora subito il contrazione improvvisa e riduzione di energia al livello che avrà nella serie di lantanidi; anche nel prossimo elemento, il cerio, questa contrazione non è ancora abbastanza completa da evitare l'occupazione dell'orbitale 5d. Il ritardo nella contrazione degli orbitali 5g dovrebbe essere così grande che l'occupazione dei sottotitoli 6f, 7d e 8p1 / 2 non può essere evitata in nessun superattinide. A causa della mancanza di nodi radiali negli orbitali 5g, analoga agli orbitali 4f ma non 5f, si prevede che la posizione di unbiunio nella tavola periodica sia più simile a quella del lantanio rispetto a quella dell'attinio tra i suoi congeneri, e alcuni hanno proposto di rinominare i superattinidi come "superlantanidi" per questo motivo. La mancanza di nodi radiali negli orbitali 4f contribuisce al loro comportamento di tipo core nella serie di lantanidi, a differenza degli orbitali 5f più simili a valenza negli attinidi; tuttavia, l'espansione relativistica e la destabilizzazione degli orbitali 5g dovrebbero parzialmente compensare la loro mancanza di nodi radiali e quindi di entità minore.

Mentre gli elementi del gruppo 3 più leggeri riempiono gli orbitali d (Sc, 3d1 4s2; Y, 4d1 5s2; La, 5d1 6s2; Ac, 6d1 7s2), si prevede che l'Unbiunium riempirà l'orbitale 8p1 / 2 invece con la sua stabilizzazione relativistica, con una configurazione di 8s2 8p1. Tuttavia, si prevede che la configurazione 7d1 8s2 prevista sia uno stato eccitato a bassa quota a soli 0,412 eV. Le configurazioni elettroniche degli ioni di unbiunio dovrebbero essere Ubu +, 8s2; Ubu2 +, 8s1; e Ubu3 +,. Si prevede che l'elettrone 8p di unbiunio sia legato in modo molto libero, quindi la sua energia di ionizzazione prevista di 4,45 eV è inferiore a quella dell'ununennio (4,53 eV) e di tutti gli elementi noti, ad eccezione dei metalli alcalini dal potassio al francio. Una simile drastica riduzione dell'energia di ionizzazione si riscontra anche nel giurrenio, un altro elemento che presenta una configurazione s2p anomala invece del previsto ds2 a causa di effetti relativistici.

Nonostante il cambiamento nella configurazione elettronica, non si prevede che unbiunio si comporti chimicamente in modo molto diverso dai suoi congeneri più leggeri. Un calcolo del 2016 sul monofluoruro di unbiunio (UbuF) ha mostrato somiglianze tra gli orbitali di valenza di unbiunio in questa molecola e quelli dell'attinio in monofluoruro di attinio (AcF); in entrambe le molecole, si prevede che l'orbitale molecolare più occupato non sia legato, a differenza del monofluoruro di nichel superficialmente più simile (NhF) dove si sta legando. Il Nihonium ha la configurazione elettronica 5f14 6d10 7s2 7p1, con una configurazione valenza s2p. L'unbiunio può quindi essere in qualche modo simile al legrenio in quanto la sua configurazione anomala di s2p non influisce sulla sua chimica: si prevede che le energie di dissociazione dei legami, le lunghezze dei legami e le polarizzabilità della molecola di UbuF continueranno la tendenza verso il basso del gruppo 3. Quindi si prevede che il legrenio e l'unbiunio essere simili rispettivamente al lutezio e all'attinio, e non al tallio e al nichelio, come ci si aspetterebbe guardando le loro configurazioni elettroniche. Il legame Ubu – F dovrebbe essere forte e polarizzato, proprio come per i monofluoruri del gruppo 3 più leggeri.

Analogamente ai suoi congeneri più leggeri, ci si aspetta che gli elettroni non legati su unbiunio in UbuF siano in grado di legarsi a atomi o gruppi extra, dando luogo alla formazione di trihalidi di unbiunio UbuX3, analoghi a ScX3, YX3, LaX3 e AcX3. Quindi, il principale stato di ossidazione di unbiunio nei suoi composti dovrebbe essere +3, sebbene la vicinanza dei livelli energetici delle sottospecie di valenza possa consentire stati di ossidazione più elevati, proprio come negli elementi 119 e 120. Il potenziale elettrodo standard per la coppia Ubu3 + / Ubu è previsto come -2,1 V.

Appunti

  1. ^ Nonostante il nome, "fusione fredda" nel contesto della sintesi di elementi superpesanti è un concetto distinto dall'idea che la fusione nucleare può essere raggiunta in condizioni di temperatura ambiente (vedi fusione fredda).