113号化学元素
(nihonium),又称为鿭,是人工合成的放射性金属元素,又称“超重元素”,位于元素周期表的第7周期ⅢA族,元素符号为Nh,原子序数为113,分子量是286,电子分布式为[Rn]5f146d107s27p1,预测其呈固态,熔点为700K​(430°C,810°F) ​,沸点为1430K​(1130°C,​2070°F) ,原子半径170pm ,没有稳定的同位素,稳定氧化数可能为+1价。
2004年2月,俄罗斯杜布纳联合核子研究所,JINR)和美国(劳伦斯伯克利国家实验室, LLNL)联合小组通过243Am(48Ca,xn) (x =3; 4)核反应合成了113号元素,同年9月,日本理化学研究所通过用70Zn照射209Bi也合成了113号元素。虽然美俄团队报告的更早,但日本理化研究所的数据更准确,因此国际化学机构将113号元素命名权授予了日本。2016年11月30日,IUPAC公布113号元素名为“Nihonium”(Nh),源于日本国的国名Nihon。2017年中文名称定为“鿭”。目前nihonium除了基础科学研究之外,没有任何已知的其他应用。
历史
1869年2月7日,俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫(Дмитрий Иванович Менделеев)把当时已发现的63种元素按照一定的周期性变化规律绘制成世界上第一张元素周期表,还对不曾发掘的元素做了预测,但这些预测被当时的科学家认为是天方夜谭。直到1875年,法国化学家博伊斯鲍德兰(Boisbaudran)发现了门捷列夫预测的类似铝的元素一镓,随后类似的元素锗和相继被发现,印证了其理论和预测,自此越来越多的新元素被发现。
但自然界存在的元素直到(Z=92),比铀更重的元素均是人工合成的,这类元素统称为“超重元素”,原子序数越大就越不稳定,半衰期就越短,所以元素周期表的发展可能已走到尽头,而“稳定岛”假说预言在第114号元素附近存在着超重原子核稳定区域,该区域可能存在半衰期较长,相对稳定的原子,鼓舞科学家们继续制造新元素。
早期探索
对第113号元素的合成始于1998年,霍夫曼(Hofmann)等德国重离子研究所(GSI)的物理学家们尝试用冷融合技术去合成113号元素,即用70Zn 轰击209Bi ,但由于束流时间不足,实验没有成功。
1999年1月,俄罗斯和美国的科学家用重离子加速器加速的钙48的原子核轰击244,合成了114号元素(Ununquadium,Uuq),半衰期是30us,比较稳定,因此它比113号元素先诞生。
森田浩介(Kosuke MORITA)在日本理化学研究所(RIKEN)组建自己的团队之前,曾在JINR研究过超重元素的合成。2001年他的团队确认了GSI对108、110、111和112号元素的发现,随后使用GSI在1998年尝试但未成功的相同反应(70Zn+209Bi)对113号元素开始进行新的探索。
合成之路
2003年8月,杜布纳小组用48Ca+243Am的融合-蒸发反应合成了(288Mc和287Mc)及其α衰变产物113号元素,这是首次报道合成了113号元素。
2004年2月,美、俄同时宣布发现了113号和115号元素,该项成果是JINR-LLNL的科学家合作完成的,用含20个质子的钙元素的同位素反复轰击含95个质子的元素,得到两个115号元素的同位素288115和287115,经过100ms后α衰变成第113号元素,核反应式为243Am(48Ca,xn) (x =3; 4)。其中3n蒸发通道产生的288115和4n蒸发通道产生的287115的后续衰变一致。结果表明,在这个衰变链中,284113的3个原子和283113的1个原子分别是288115和287115的α-衰变产物,衰变链的末端是铀同位素268Db和267Db的自发裂变。
2004年9月,森田浩介领导的小组基于“冷熔合”反应结合充气反冲核分离器也合成了113号元素,中国中科院兰州近代物理研究所、高能研究所等单位的研究人员也参加了这个小组的研究,它们是通过70Zn照射209Bi获得的。113号元素是利用“冷熔合”反应合成的最重元素, 反应截面仅为19fb,合成出的新元素仅存在344微秒(10-6秒)就衰变为111号元素(Rg)的同位素,最终产生,这个实验于2003年9月5日开始,2003年12月29日中断,2004年7月8日重新开始,一直持续到2004年8月2日,净照射时间为79d。
2004到2005年,森田小组共发现了两个113号元素,都是通过观察到(Bh)发生阿尔法衰变来证实合成成功的,但IUPAC/IUPAP的新元素联合工作小组(JWP)认为正式认可的从𬭛到(Db)的衰变过去仅有一例,不能拿这个来作为判断成功与否的依据。而且两次113号元素合成后的第5次衰变(𬭊到)都是发生概率只有33%的自发核分裂,数据存疑,因此不能在2006年的新元素招募中得到命名权。
2006年6月,JINR-LLNL联合小组用加速的48Ca轰击237Np合成了一种新的113号元素的同位素核反应式为237Np(48Ca,3n)282Nh,这个发现填补了热聚变(283Nh和284Nh)和冷聚变(278Nh)产生的同位素之间的空白。
当时的俄罗斯、美国或日本的尝试都不足以让IUPAC确信113或已经被发现,两个团队都需要更多数据去证明。因此,在日本理化学研究所继续进行冷聚变研究的同时,俄美团队采用249Bk+ 48Ca反应试图生成117号元素——他们预测该元素会衰变形成115和113。2010年,尤里·奥加涅相(Yuri Oganessian)等人用249Bk 和48Ca合成了117号元素(Ts),该元素随后衰变为115号和113号元素,产生了两个新的同位素285Nh和286Nh。但这两个新同位素与先前发现的282Nh、283Nh和284Nh并不重叠,因此该反应不能用作交叉轰击来证实2003年或2006年的试验结果。
2012年,森田小组给JWP提交了补充实验证据,即合成几个107号元素𬭛(Bh)(113号元素在第3次衰变后会生成𬭛)并观察其衰变链,证实Bh经阿尔法衰变生成元素Db后,确实以67%的阿尔法衰变、33%的自发核分裂的概率继续衰变成铹(Lr),证明了之前合成的2个113号元素的路径是正确和可信的,请求JWP考虑授予他们对113号新元素的命名权。而此时德、美和俄组成的联合国际小组也正准备提交从112~118号6种新元素的合成成果。
2013年JINR重复了其2003年的实验制成了同位素289Mc,可以作为交叉轰击来证实他们发现了元素117同位素293Ts,以及它的子体285Nh作为其衰变链的一部分。
确认发现
113号元素是人工合成的放射性化学元素,由日本理化学研究所俄罗斯、美国的研究团队(俄罗斯杜布纳联合核子研究所和美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室)分别独立发现,其中美俄团队报告的更早,而日本理化研究所的数据更准确,俄美团队曾试图争夺主导权,但日本在2004年、2005年、2012年成功合成了三次113号元素,且已知的原子核在衰变时连续6次获得了明确证据,因此赢得了国际认可,是日本乃至亚洲国家发现的第一个新元素。
新元素的命名
2015年12月30日,国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)与国际纯粹与应用物理联合会(IUPAP)组建的联合工作组确认人工合成了113号、115号、117号和118号4个新元素,并将113号元素命名权授予日本,俄罗斯和美国则从其他3种元素获得荣誉及冠名权。2016年6月8日,公示了这四个新元素路虎第四代发现提出的推荐名供公众审查与查阅。2016年11月30日,IUPAC正式公布113号元素名为Nihonium(Nh),该名称源于日本国(简称日本)的国名Nihon。2017年5月9 日,中国科学院、国家语言文字工作委员会、全国科学技术名词审定委员会在北京联合召开发布会,正式向社会发布113号、115号、117号、118号元素中文名称,其中第1—16族的元素,命名以“-ium”结尾,金属元素名称则用金字旁,并采用左右结构左形右声的形声字,从已有的汉字中找出发音靠近国际命名的汉字,因此将113号元素中文名定为“鿭”,台湾名定为“鉨”。
截至到2016年元素周期表已经从92号元素扩展至118号,“鉨”元素所在的第七周期所有元素均已被发现。
结构
Nh元素的原子核包含113个质子和173个中子,在元素周期表中,Nh与B、Ga、Al、In和Tl(铊)同处于第13族,Tl是最接近Nh的同族元素,因此Nh的价电子结构与Tl非常相似,其外层电子排布为[Rn]5f146d107s27p1,预测Nh有类似Tl的六方密堆积晶体结构
理化特性预测
同位素
Nh已发现的同位素有七种,290Nh,286Nh,285Nh,284Nh,283Nh,282Nh和278Nh,均为α衰变,最稳定的同位素是2010年发现的286Nh,半衰期为12s±5,其余同位素的放射性衰变特性如下:
物理性质
根据在元素周期表的位置,推测Nh为固态金属,熔点为700K​(430°C,810°F) ​,沸点为1430K​(1130°C,​2070°F) ​,原子半径170pm,密度16g/cm-3,汽化热为31 kcal/g-atom,升华热为34 kcal/g-atom,标准值26±2 kcal/g-atom,值17 cal deg-1(g-atom),△Hsub=129kJ/mol-1,第一电离势能为7.306ev。
化学性质
Nh的化学特性能从Tl的特性中推算出来,其通常有+1和+3两种氧化数,其中+1状态下最稳定,Nh的氧化电势为-0.6伏,同族Tl的氧化电位则为+0.3伏,其化学性质通常介于Tl+(铊离子)和Ag+(银离子)之间,预期Nh的惰性要比Tl大得多,与Ag会更相似,因其电子亲和力和极化率较高,Nh+会比Tl+更容易结合阴离子形成配位化合物,因此NhCl在过量的HCl中溶解度较高,而TlCl的溶解度基本不变,NhCl预计可溶于氨水,与TlCl的性质相反,在这些方面,Nh+的性质应该更倾向于Ag+。此外,虽然Tl(OH)是一种可溶的强碱,但Nh+离子会形成一种微溶的氧化物,可溶于氨水。还可形成氢化物(NhH)和氟化物(NhF),Nh+的氯化物溴化物碘化物硫化物铬酸盐应具有低溶解度,而硝酸盐和化物应具有很好的溶解度。
Nh位于Cn(鿔)和Fl(𫓧)之间,它的外层电子排布为[Rn]5f146d107s27p1,其中不成对的电子构型为7s27p1/21,未配对的p1/2电子会导致化学反应性增加,而球形7p1/2轨道是相对稳定的。预计Nh在金和石英表面上的吸附活性比Cn和Fl更强,但比同系物Tl反应性更弱,因Nh比13族中较轻的同系物更具惰性,所以可形成氢化物氢氧化物(NhOH)等稳定的化合物,测定了单质Nh与F4表面的相互作用极限,确定其吸附焓>45kJ/摩尔,预测元素Nh与金表面的相互作用比NhOH更强。因此计算第13族气态氢氧化物MOH (M = In(), Tl和Nh)在金上的吸附能力,发现与金结合最强的是NhOH,这是由于分子偶极矩增加和氢氧化合物稳定性降低导致的(InOH \u003e TlOH \u003e NhOH)。
考虑到自旋轨道效应时,Nh的电负性会比同周期的Ts更强,Nh的7s轨道的强相对稳定性表明Nh可形成-1的氧化数,如卤族元素(氟、氯、溴、碘和),但这种状态应该比Tl更稳定。
化合物
Nh可能具有较高的氧化态+3 和+5,能形成三氢化物 (NhH3 )、三氟化物 (NhF3 ) 和三氯化物 (NhCl3 ),这些分子被预测是T形而不是三角形平面,三溴化镍(NhBr3)和三碘化物(NhI3)因外围原子之间的空间排斥力增加而呈三角平面,而以+5氧化态存在的化合物如五氢化 (NhH5 ) 和五氟化物 (NhF5 )预计呈正方形棱锥分子几何结构,是热力学不稳定的。
制备方法
方法一:先用48Ca照射243Am,获得第,再经过衰变可制得113号元素,反应式如下:
方法二:用第30号元素锌原子照射第83号元素铋原子可得到113号元素,反应式如下:
方法三:用第20号元素钙原子照射第原子可得到113号元素,反应式如下:
方法四:用249Bk 和48Ca反应可得到117号元素,随后衰变为115号和113号元素,反应式如下:
相关实验
根据同位素284Nh、285Nh 和286Nh的挥发性研究实验,预测出113号元素的挥发性非常低,类似于稀有气体,增加载气中的水蒸气压,可以促进NhOH的形成,而NhOH比元素态更容易挥发。
参考资料
..2023-11-01
..2023-10-19
..2023-10-18
..2023-11-01
..2023-10-18
SID 472212169 - PubChem.PubChem.2023-10-23
..2023-10-20
Nihonium.Triad National Security, LLC.2023-10-25
..2023-10-23
..2023-10-18
..2023-10-23
..2023-10-20
..2023-05-20
..2023-10-20
..2023-10-23
..2023-05-28
..2023-05-28
The discovery of elements 107 to 112.GSI Repository.2023-11-02
..2023-11-01
Discovery of the Heaviest Elements.ResearchGate.2023-11-01
..2023-10-20
ニホニウム.理化学研究所.2023-11-02
..2023-11-01
..2023-10-19
..2023-10-23
What it takes to make a new element.Royal Society of Chemistry.2023-11-02
四元素登上周期表.中国科学院.2023-10-25
..2023-06-18
目录
概述
历史
早期探索
合成之路
确认发现
新元素的命名
结构
理化特性预测
同位素
物理性质
化学性质
化合物
制备方法
相关实验
参考资料