Syborgium hexacarbonyl syntetiseret, den mest komplekse kemiske forbindelse med en transactinoid • Igor Ivanov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Fysik, Kemi

Syborgium hexacarbonyl, den mest komplekse kemiske forbindelse med transactinoid

Fig. 1. Periodisk system af kemiske elementer, hvor super-tunge elementer fremhæves i farve: "transuran" (i blåt) og transactinoider (rød) for hvilke kemiske undersøgelser blev udført. Billede fra W. Loveland, 2014. Superheavy carbonyls

Et internationalt team af forskere syntetiserede og undersøgte hexibonat af Siborgia, Sg (CO)6, – sammenkobling af et ustabilt element med atomnummer 106 med carbonmonoxid, – og sammenlignet også med lignende forbindelser af ustabile isotoper af molybdæn og wolfram, homologer af siborgiya. Dette er den mest komplekse eksperimentelt opnåede kemiske forbindelse indeholdende en transactinoid, det vil sige et element med et atomnummer over 103. Virkningerne af relativitetsteorien for interne elektroner er mest udtalte i transactinoids kemiske egenskaber .

Det periodiske system med kemiske elementer er fyldt op til tallet 118 (figur 1). Dens hele struktur afspejler periodiciteten af ​​elementernes kemiske egenskaber med en stigning i atomnummeret, hvilket sker ved gradvis påfyldning af elektroniske skaller.Hvis to kemiske elementer er forskellige i antallet af fuldt fyldte indre elektronskaller, men har tilsvarende eksterne elektroner – nemlig de er ansvarlige for den kemiske binding – så skal disse to elementer have lignende kemiske egenskaber. Disse række elementer kaldes homologer af hinanden og i det periodiske system er de placeret i en gruppe, den ene over den anden. For eksempel er overgangsmetallerne, der udgør den sjette gruppe – krom, molybdæn, wolfram og det superheavige element med serum nr. 106 – homologer af hinanden. Hvis de tre første kemiske egenskaber har været kendt i lang tid, så begynder syborgens kemi lige at blive undersøgt. Men baseret på det periodiske system kan man forvente, at deres kemiske egenskaber vil være ens.

Når man sammenligner de kemiske egenskaber hos homologe elementer, er der et vigtigt faldfald. I tunge atomer bevæger de indre elektroner sig allerede ved nærlyshastigheder, og på grund af dette virker relativitetsteoriens virkninger til det fulde. De fører til yderligere kompression af s- og p-orbitaler og som følge heraf til en vis udvidelse af eksterne elektronmoln.Den store ladning af kernen forbedrer også virkningerne af interaktionen mellem elektroner med hinanden, for eksempel spin-kredsløbsopdeling. Alt dette påvirker den kemiske binding af et tungt atom med en eller anden nabo. Og alle disse virkninger moderne teoretisk kemi skal kunne beregne korrekt.

Relativistiske virkninger er jo stærkere, jo tungere atom. Det forekommer naturligt at kontrollere de teoretiske beregninger for at bruge de tungeste af de kendte elementer – transactinoider, elementer med et atomnummer højere end 103 (figur 1). Der opstår imidlertid flere betydelige vanskeligheder på vej til deres eksperimentelle undersøgelse.

For det første er atomkernerne af transactinoidelementer meget ustabile; deres typiske levetid er minutter, sekunder eller endda en brøkdel af et sekund. Derfor er der ikke tale om akkumulering af en makroskopisk mængde af et stof. Det er nødvendigt at arbejde med individuelle atomer umiddelbart efter fødslen.

Dette ville ikke være et stort problem, hvis det ikke var for det andet problem: disse atomer kan kun fås i delmængder. Superheavy atomer syntetiseres i nukleare reaktioner, i fusionsprocessen af ​​to andre ret tungt atomer med et højt indhold af neutroner.Til dette er en stråle af tunge ioner af en slags rettet mod et mål, der indeholder andre atomer af tunge atomer, og når de kolliderer, forekommer kernereaktioner. I det overvældende flertal af tilfælde skaber de kun mindre fragmenter, og kun lejlighedsvis viser det sig, at sammensmeltningen af ​​to kerner giver anledning til den nødvendige superheavy-kerne. Som følge heraf er fødselshastigheden for superheavy-kerner med kontinuerlig bestråling af målet latterligt lille: ca. et stykke pr. Minut, pr. Time, om dagen eller endog om ugen.

Fig. 2. Strukturen af ​​molekylet af hexacarbonyl syborgium på baggrund af COMPACT analysatoren anvendt til at identificere dette molekyle i eksperimentet. Billede fra uni-mainz.de

Denne teknologi af fødsel fører til det tredje problem. Syntese af superheavige atomer fortsætter under betingelser med konstant hård stråling af en stråle, der rammer målet, og som et resultat i nærværelse af en enorm strøm af fremmede nukleare affald. Selvom den ønskede kerne er født, samler den elektroner fra miljøet, bliver et reelt atom, og til sidst umiddelbart efter at målet går ind i en kemisk reaktion med dannelsen af ​​en ny forbindelse – vil denne forbindelse være i strålingsharde betingelser, i konstant kontakt med plasmaet forårsaget af hårdt ionisering.Det faktum, at under disse forhold er det generelt muligt at studere en slags transaktinoid kemi, op til flerovium (element 114), er i sig selv en stor præstation. Alligevel var alle kemiske forbindelser, der involverede transactinoider, meget simple fra et kemisk synspunkt – halogenider, oxider og andre lignende forbindelser med et tungt atom i den maksimale oxidationsgrad. Mere skrøbelige kemiske forbindelser med en ikke-triviel kemisk binding ødelægges hurtigt i nærvær af hård stråling. Og alt dette gør det svært at kontrollere transactinoids kemiske egenskaber.

Den anden dag i et magasin Videnskab en artikel blev offentliggjort, der markerer begyndelsen på den "ikke-trivielle" kemi af transactinoider. Det rapporterer om syntesen og eksperimentel undersøgelse af forbindelsen Sg (CO)6, hexacarbonyl syborg (figur 2). Desuden er hexacarbonyl-komplekserne af cyborghomologien, Mo (CO) i samme installation og ved de samme metoder,6 og W (CO)6, og for dem blev der også anvendt kortvarige isotoper af molybdæn og wolfram med halveringstid på få sekunder eller minutter.

Hovedvægten i dette værk er en kombineret eksperimentel opsætning, der samler flere tekniske fremskridt i det sidste årti.Denne opsætning overvinder den tredje af de ovennævnte problemer – den rumfæstligt fordeler regionen af ​​syntesen af ​​superheavige kerner og regionen i den fysisk-kemiske undersøgelse af den opnåede forbindelse. Dens generelle billede er vist i fig. 3. Ved indgangen til installationen (fra højre mod venstre i baggrunden af ​​figuren) interagerer kernebjælken med målet og genererer en "cocktail" af sekundære kerner. Reaktionsprodukterne afbøjes af en magnetisk dipol (element D i figuren) og endvidere for forskellige forhold mellem ladning og masse af kernerne. Magnetfeltets størrelse beregnes således, at der kun gennem de magnetiske linsesystem (Q) system kun passerer de undersøgte kerner, og baggrundskernerne og den oprindelige stråle afbøjes væk. I essensen replikerer denne teknik den velkendte massespektrometri som anvendt på kerner.

Fig. 3. Skematisk billede af installationen til syntese og analyse af forbindelser Sg (CO)6 og dets analoger med ustabile isotoper af wolfram og molybdæn. Billede fra W. Loveland, 2014. Superheavy carbonyls

I det næste trin kommer de isolerede kerner (Sg, Mo eller W) ind i RTC-kammeret, gennem hvilket gasblandingen af ​​helium og carbonmonoxid blæser. Et vigtigt punkt: På vejen til kammeret i kerne passerer de gennem et vindue af en strengt defineret tykkelse, lavet af mylar.Det slukker den kinetiske energi af varme kerner og giver dem mulighed for at termiskere (sænke til energien i termisk bevægelse af molekyler) inde i gaskammeret. Der danner kernerne "kjole med elektroner" og indgår en kemisk reaktion med carbonmonoxid, en forbindelse – et carbonylkompleks. Da forbindelsen er flygtig, overføres den med hele gasstrømmen gennem en 10 meter teflon kapillær til den anden del af installationen, den specielle COMPACT analysator.

Navnet COMPACT står for Cryo-Online Multidetector for Transactinoids Fysik og Kemi. Denne opsætning er en hel række af 32 par halvlederdetektorer til gastermokromatografi af forbindelser af ustabile elementer. En stærk temperaturgradient skabes langs linjalen: hvert par detektorer er ved sin egen temperatur, fra + 30 ° C i begyndelsen af ​​linjalen til -120 ° C ved sin ende. Hver detektor er i stand til at detektere a- og β-partikler udsendt fra kerner under deres forfald, og at måle deres energi og afgangstid med høj nøjagtighed. Dette er nødvendigt for at identificere kernen af ​​sibiriske organismer ved deres karakteristiske nedbrydningskæde, hvor alfa partikler af specifikke energier tager ud en efter en og ikke forvirrer disse sjældne begivenheder med baggrundsprocesser.

Arbejdsanalysator COMPACT ligner.Når gasblandingen blæses gennem en lineal, deponeres molekylerne af carbonylkomplekset af et tungmetal på overfladen af ​​en bestemt detektor, hvor de registreres efter radioaktivt henfald. Nummeret af detektoren, hvori nedfald er registreret, indikerer den temperatur, ved hvilken molekylets absorption bliver energisk gunstig. Denne temperatur bestemmes af den fysisk-kemiske egenskab af det carbonylkompleks, der er under undersøgelse – adsorptionens entalpy. Nå er denne egenskab af materiel i sig selv forudsagt ved kemiske beregninger, hvor relativistiske virkninger spiller en væsentlig rolle. Således måling af hvordan Sg (CO)6W (CO)6 og Mo (CO)6 De deponeres i COMPACT analysatoren, det er muligt at kontrollere teoretiske og kemiske teoretiske beregninger og måle entalpien af ​​adsorption af disse stoffer.

Fig. 4. Temperatur (øverst) og signaler fra isotop 164W (i centrum) og 265Sg (nedefra) i hver af de 32 par detektorer i linjen. Grå søjlediagram viser reelle data ved linjer – simuleringsresultater med teoretisk forudsagt værdi af adsorptionsentalpy. Billede fra artiklen under drøftelse

Resultaterne af denne undersøgelse er vist i fig. 4.Der er flere egenskaber ved hver af de 32 par detektorer. Den øverste graf er simpelthen temperaturfordelingen langs linjalen. De midterste og nedre tegninger viser i virkeligheden de eksperimentelle data selv – fordelingen af ​​de registrerede nedfald af wolfram-164 kerner (center) og siborgiya-265 (bund) langs detektorerne. Der er selvfølgelig ikke nok begivenheder med siborgiya – i to uger med kontinuerlig bestråling af målet med en intens stråle på 18 af dem blev registreret. Ikke desto mindre ses det klart, at de ikke fordeles jævnt langs linjalen, men tættere på dens ende i detektorer nummereret over 20. Ca. det samme billede blev opnået ved at modellere denne proces med adsorptionens entalpy, beregnet temmelig for nylig i teoretisk arbejde for disse stoffer. Et lignende billede observeres for forbindelser med en ustabil isotop af wolfram og med isotoper af molybdæn (de er ikke vist i figuren): maksimalt fordelingen falder præcist, hvor teoretiske beregninger forudsiger. Denne sammenfald giver yderligere tillid til, at moderne metoder til fuldstændig relativistisk beregning af strukturen af ​​tunge atomer tilstrækkeligt beskriver de eksperimentelle data.

Afslutningsvis er det nyttigt at se på dette studie fra en fugleperspektiv. Normalt ustabile superheavy-elementer interesserer fysikere af hensyn til ny viden i atomfysik. Men da naturen tillader os, kan disse elementer bruges til et andet formål – at teste, hvor godt vi kan forudsige kemisk egenskaber af sådanne atomer. Denne viden til gengæld behøver vi ikke alene, men som en yderligere test af hele den moderne teori om beregning af de elektroniske strukturer af tunge atomer med hensyn til relativistiske virkninger. Og så herfra følger mange applikationer, fra rent anvendt forskning til den mest ægte grundlæggende videnskab. Kemien af ​​transactinoider understreger endnu en gang, hvor stærkt forskellige områder af fysik og beslægtede discipliner er forbundet med hinanden.

Kilde: J. Even et al. Syntese og påvisning af et seaborgiumcarbonylkompleks // Videnskab. 2014. V. 345. P. 1491-1493.

Se også:
Seaborgium hexacarbonyl Sg (CO) 6: Første Carbonyl Complex af et Superheavy Element – en mere detaljeret redegørelse for det samme arbejde.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: