Oganesson - chemické vlastnosti nejtěžšího známého prvku  
V současné době je nejtěžším známým prvkem oganesson. Uzavírá sedmou periodu a podle polohy v tabulce má jít o vzácný plyn. Ovšem reálné chemické vlastnosti mohou být ovlivněny tím, že jde o supertěžký prvek. Nedávno vypracované nové simulace předpověděly chování jeho elektronového obalu.

Reaktor HFIR, který díky vysokému toku neutronů umožňuje efektivní produkci transuranů (zdroj  Genevieve Martin/ORNL).
Reaktor HFIR, který díky vysokému toku neutronů umožňuje efektivní produkci transuranů (zdroj Genevieve Martin/ORNL).

Supertěžký prvek 118 se podařilo poprvé vyprodukovat ve Spojeném ústavu jaderných výzkumů Dubna (SÚJV Dubna). Rusové pracovali společně s Američany z laboratoře LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) v Kalifornii, kteří dodali potřebný terč z transuranu kalifornia 249 s poločasem rozpadu 351 let. Kalifornium bylo vyprodukováno pomocí reaktoru s intenzivním tokem neutronů HFIR (High Flux Isotope Reactor) v laboratoři ORNL v Oak Ridge.

 

Pravděpodobnosti reakcí 48Ca na 249Cf s vypaření tří neutronů (červeně), dvou neutronů (zeleně) a čtyř neutronů (modře) v závislosti na excitační energii, která závisí na vnesené energii urychleného jádra svazku. Vyznačeny jsou i experimentální výsledky produkce 294Og. (zdroj Yu.Ts. Oganessian et al)
Pravděpodobnosti reakcí 48Ca na 249Cf s vypaření tří neutronů (červeně), dvou neutronů (zeleně) a čtyř neutronů (modře) v závislosti na excitační energii, která závisí na vnesené energii urychleného jádra svazku. Vyznačeny jsou i experimentální výsledky produkce 294Og. (zdroj Yu.Ts. Oganessian et al)

Mezinárodní skupinu vedl významný ruský fyzik arménského původu Jurij Oganessian, který je nejznámějším současným odborníkem na studium supertěžkých prvků. Oceněním jeho přínosu bylo i to, že se prvek 118 pojmenoval jako teprve druhý názvem po žijícím člověku. Prvním byl prvek 106 seaborgium, který byl pojmenován podle chemika Glenna T. Seaborga, který měl také obrovské zásluhy na výzkumu vlastností velmi těžkých transuranů.

 

Oganesson se připravil v experimentu, ve kterém se se kalifornium 249 ozařovalo svazkem vápníku 48. Vznikl oganesson 294 a tři neutrony. První dva případy (jeden nejistý) byly pozorovány v roce 2002. Dva další v roce 2005, jeden pak v roce 2012 a zatím poslední na přelomu roku 2015 a 2016. Celkově tak bylo vyrobeno 5 až 6 atomů tohoto prvku, zatím jde pouze o jeden izotop. Rozborem pozorovaných rozpadů byl odhadnut poločas rozpadu tohoto izotopu na 0,89 ms s horní nejistotou +1,07 ms a dolní -0,31 ms.

 

Schéma rozpadu izotopu oganesson 294 (zdroj Wikipedie).
Schéma rozpadu izotopu oganesson 294 (zdroj Wikipedie).

Rozpad probíhá vyzářením částice alfa za vzniku livermoria 290. Pak následují další dva rozpady alfa a samovolné štěpení kopernicia 282. Produkce má extrémně malou pravděpodobnost, účinný průřez reakce je okolo 0,5 pikobarnů, což znamená, že až na více než 1012 zásahů jádra terče vzniklo jedno jádro oganessonu. Ozařování, ve kterém vzniklo první jádro, tak probíhalo čtyři měsíce

 

K uznání prvku došlo na konci prosince roku 2015 (zde) a jeho jméno bylo oznámeno v červnu 2016 (zde). Zatím se podařilo vyprodukovat pouze jeden izotop oganessonu.

Pravděpodobnost produkce dalších izotopů oganessonu v závislosti na excitační energii s využitím terče 251Cf. (Zdroj V. I. Zagrebaev et al.).
Pravděpodobnost produkce dalších izotopů oganessonu v závislosti na excitační energii s využitím terče 251Cf. (Zdroj V. I. Zagrebaev et al.).

Další izotopy se hledaly při speciálním experimentu, ve kterém se ozařoval terč ze směsi různých izotopů kalifornia (249Cf, 250Cf a 251Cf) s cílem získat 295Og a 296Og. Nakonec však při něm vznikl pouze jeden z už zmíněných atomů 294Og. Oganesson 294 je deformované jádro, které je vzdáleno 8 neutronů od předpokládaného neutronového magického čísla. S přibývajícími neutrony a přibližováním k ostrovu stability se bude deformace zmenšovat a bude se prodlužovat poločas rozpadu izotopu. Produkce jiných izotopů je tak důležitá i z toho hlediska, že některé z nich by měly mít poločas rozpadu i o několik řádů větší. Zvláště ty, které budou blízko k ostrovu stability.

 

Bez delší doby existence nebude možné analyzovat chemické vlastnosti tohoto prvku. Nejvhodnějším izotopem pro dostatečně dlouhou dobu života a možností produkce dostupnými technologiemi s dostatečnou pravděpodobností by mohl být oganesson 297.

Přehled známých izotopů jader na mapě jejich umístění v závislosti na počtu neutronů a protonů (plné čtverečky, je zde název prvku a poločas rozpadu).

Žlutě je vyznačen rozpad alfa, zeleně samovolné štěpení, červeně beta plus rozpad a elektronový záchyt.

Vyznačeny jsou i izotopy prvků, které se zatím nepodařilo získat a cílí na ně existující a plánované experimenty. U nich je vyznačen terč nebo projektil, který je třeba použít.

Zdroj S. Hofmann: Eur. Phys. J. A (2016) 52: 180

Podrobně jsou vlastnosti, produkce a zkoumání supertěžkých prvků popsány v článku na Oslovi z roku 2016. Nejtěžší ze supertěžkých prvků, u kterého se chemické vlastnosti analyzovaly, bylo flerovium s protonovým číslem 114. Jeho chemicky zkoumané izotopy mají poločas rozpadu okolo sekundy a zároveň je lze produkovat v dostatečném počtu. Zkoumala se jeho volatility pomocí adsorpčních vlastností na zlatém povrchu. Získá se tak přehled, kde se nachází při přechodu od kovových vlastností k inertnímu plynu. Zatím jsou však výsledky rozporné a není rozhodnuto, do jaké míry má blízko ke kovu nebo k vlastnostem vzácného plynu.

 

Elektronová lokalizační funkce v elektronových obalech xenonu, radonu a oganessonu vypočtená nerelativisticky (nalevo) a relativisticky (napravo). Je vidět, že pro těžší atomy začínají relativistické vlivy růst a u oganessonu situaci změní dramaticky. Hodnota lokalizační funkce blízká 1 je pro plně lokalizované elektrony (rozvinutý systém hladin a slupek), její hodnota 0,5 ukazuje na existenci v podobě elektronového fermiho plynu (Zdroj P. Jerabek et al: Physical Review Letters 120, 053001 (2018))
Elektronová lokalizační funkce v elektronových obalech xenonu, radonu a oganessonu vypočtená nerelativisticky (nalevo) a relativisticky (napravo). Je vidět, že pro těžší atomy začínají relativistické vlivy růst a u oganessonu situaci změní dramaticky. Hodnota lokalizační funkce blízká 1 je pro plně lokalizované elektrony (rozvinutý systém hladin a slupek), její hodnota 0,5 ukazuje na existenci v podobě elektronového fermiho plynu (Zdroj P. Jerabek et al: Physical Review Letters 120, 053001 (2018))

Než se podaří připravit podmínky pro experimentální studium chemie oganessonu, uběhne ještě dost dlouhá doba. Zatím je tak možné studovat je teoreticky pomocí modelů a simulací.

 

Jak bylo zmíněno, je oganesson na konci sedmé periody Mendělejevovy tabulky. Mělo by se tak jednat o vzácný inertní plyn. Je však otázka, jaké budou jeho reálné chemické vlastnosti. Velmi silné elektrické pole způsobuje relativistické rychlosti elektronů, relativistický nárůst hmotnosti elektronů dosahuje až 95 %. Navíc je těch elektronů velmi vysoký počet. Zároveň dochází kvůli relativistické kontrakci vnitřních slupek s a p1/2 k efektivnějšímu stínění náboje jádra, takže vnější slupky se více nafouknou a jsou méně vázané. Velmi silné je v tomto případě i tzv. spin-orbitální štěpení hladin, které vzniká interakcí orbitálních momentů a spinů elektronů.

A právě relativistické vlivy byly studovány v nedávné práci odborníků z novozélandské univerzity Massey v Aucklendu a univerzity v Michiganu. Modelovali lokalizaci elektronů v atomových obalech prvků osmnácté skupiny, kde jsou vzácné plyny. Zjistili dramatický vliv relativistických efektů pro těžké prvky této skupiny.

Část magnetů na zařízení GARIS (Gas-filled Recoli Ion Separator) v laboratoři RIKEN, které umožňuje separovat supertěžké prvky pro jejich chemii (zdroj RIKEN).
Část magnetů na zařízení GARIS (Gas-filled Recoli Ion Separator) v laboratoři RIKEN, které umožňuje separovat supertěžké prvky pro jejich chemii (zdroj RIKEN).

Velmi silné spin-orbitální štěpení hladin způsobuje rozmazání pravděpodobnosti výskytu elektronů a vede k rovnoměrnému rozdělení této pravděpodobnosti v atomu. Důsledkem je i to, že rozložení a chování valenčních elektronů se blíží Fermiho plynu. V takovém případě se dá očekávat značná polarizabilita, valenční elektrony se tak dají lehce polarizovat do dipólu. Daleko snadněji než u lehčích atomů vzácných plynů pak vznikají van der Waalsovy síly a jsou intenzivnější. To by mělo značné dopady na chemické i fyzikální vlastnosti oganessonu.

 

Velmi zajímavé by mohly být vlastnosti i následujících prvků, které zahajují osmou periodu Mendělejevovy tabulky. Proto je snaha vyprodukovat a studovat alespoň jejich jádra. Již v tomto roce pracují na získání prvků 119 a 120, což jsou asi hranice pro horkou fúzi a tedy současné technologie, v japonské laboratoři RIKEN. Pro hledání prvku 119 se využívá podobně jako v dubněnské laboratoři terč z americké laboratoře ORNL, tentokrát je to curium. K ozařování se budou využívat dva svazky, jeden z lineárního urychlovače a druhý z cyklotronu. Nejdříve se využije cyklotron a dojde k technickému vylepšení lineárního stroje. Pak oba poběží společně, dokud se prvek nepodaří prokázat.

Předpokládané rozpady izotopu prvku 120 produkované v připravovaných reakcích těžkých projektilů na těžkých terčích. Složené jádro bude mít 302 nukleonů a vypaří 3 až 4 neutrony (zdroj Oganessian, Yu. Ts, et al. Phys. Rev. C.79(2): 024603 (2009))
Předpokládané rozpady izotopu prvku 120 produkované v připravovaných reakcích těžkých projektilů na těžkých terčích. Složené jádro bude mít 302 nukleonů a vypaří 3 až 4 neutrony (zdroj Oganessian, Yu. Ts, et al. Phys. Rev. C.79(2): 024603 (2009))

 

Na prvky 119 a 120 se chystá laboratoř v Dubně a Jurij Oganessian. Využijí k tomu nový cyklotron DC-280. Urychlovač umožňuje získat velmi intenzivní svazek i velmi těžkých iontů a dostat se tak k těžším prvkům a jejich těžším izotopům. Experimenty se však rozběhnou nejdříve v roce 2019. Tato skupina plánuje ozařovat například terč z berkelia 249 svazkem iontů titanu (50Ti + 249Bk). Berkelium bude opět z USA. Na produkci 134 mg izotopu 249 je potřeba dva roky. Navíc je třeba počítat s tím, že tento izotop má poločas rozpadu 330 dní a i velmi vysokou aktivitu. Americká účast na objevu nových prvků je tak přes dodávku potřebných terčů v každém případě zajištěna.

Schéma nového cyklotronu DC-280 v laboratoři v Dubně (zdroj SÚJV Dubna).
Schéma nového cyklotronu DC-280 v laboratoři v Dubně (zdroj SÚJV Dubna).

Pro získání prvku 120 se plánují vyzkoušet různé kombinace svazku a terče, které umožní posun k izotopům s větším počtem neutronů a blíže k ostrovu stability. Například 54Cr + 248Cm, 58Fe + 244Pu a 64Ti + 238Bk, které povedou k izotopů blízkým k 302120, podle počtu vypařených neutronů ze složeného jádra.

 

V Dubně byly současně dokončeny nové laboratoře na zkoumání supertěžkých prvků. Pochopitelně bude jejich cílem objevit zmíněné nové prvky. Hlavním však je intenzivní produkce nových izotopů těch už známých. Zvláště těch s delším poločasem rozpadu, aby bylo možné studovat chemické vlastnosti těchto prvků. Snad se tak dozvíme skutečnou chemii oganessonu.

Je tak vidět, že i v době, kdy se blíží 150 výročí zrodu Mendělejevovy tabulky prvků, je zkoumání její vlastností velice aktuálním a fascinujícím tématem. V nejbližších letech můžeme čekat v oblasti jejího otevřeného konce řadu fascinujících objevů.

 

Populárně pojatá přednáška o supertěžkých prvcích z nahrávky Pátečníků

Datum: 02.03.2018
Tisk článku

Rozpad Československa - Rychlík Jan
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 427 Kč
cena: 397 Kč
Rozpad Československa
Rychlík Jan
Související články:

Jak se produkují a studují supertěžké prvky     Autor: Vladimír Wagner (28.01.2016)
Další čtyři supertěžké prvky mají svá jména     Autor: Vladimír Wagner (10.06.2016)
Trojmocný podléhá biotransformaci na šestimocný     Autor: Václav Diopan (01.09.2017)



Diskuze:




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni

















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace