Кіріспе

Теннессин – синтетикалық химиялық элемент, оның таңбасы Ts және атомдық нөмірі 117. Ол барлық белгілі элементтердің екінші ең жоғары атомдық нөміріне және атомдық массасына ие, сонымен қатар периодтық кестедегі 7-ші кезеңнің соңғы элементі болып табылады. Теннессинның ашылуы туралы ресми түрде 2010 жылдың сәуірінде Ресейдегі Дубна қаласында Ресей-Америка ынтымақтастығы жариялады, бұл 2024 жылға дейін ашылған ең соңғы элементті білдіреді. Оның бір туынды изотопы 2011 жылы тікелей жасалды, бұл эксперимент нәтижелерін ішінара растады. Эксперимент сол ынтымақтастық тарапынан 2012 жылы және 2014 жылдың мамырында неміс-американдық бірлескен командасымен сәтті қайталанды. 2015 жылдың желтоқсанында жаңа элементтердің ашылуын бағалайтын Халықаралық таза және қолданбалы химия одағы (IUPAC) мен Халықаралық таза және қолданбалы физика одағы (IUPAP) бірлескен жұмыс тобы бұл элементті мойындап, Ресей-Америка командасына басымдық берді. 2016 жылдың маусымында IUPAC ашылушылардың Теннессин атауын АҚШ-тың Теннесси штатының құрметіне ұсынғанын, ал бұл атау 2016 жылдың қарашасында ресми түрде қабылданғанын мәлімдеді. Теннессин "тұрақтылық аралында" орналасуы мүмкін, бұл концепция периодтық кестеде висмуттан кейінгі элементтердің тұрақтылығы төмендеуіне қарағанда, кейбір суперауыр элементтердің неге тұрақты екенін түсіндіреді. Синтезделген теннессин атомдары ондаған және жүздерше миллисекундқа дейін сақталды. Периодтық кестеде теннессин 17-ші топқа, галогендерге жатады. Көзделінген 117 протонның 20-сы кальцийге тиесілі, сондықтан олар ядросында 97 протон бар беркелийді пайдалануға тура келді. 2005 жылдың ақпанында JINR командасының жетекшісі Юрий Оганесян ОРНЛ-де дөңгелек үстел өткізді. Іс-шараға бұрын 113–116 және 118 элементтерін ашуда JINR-мен бірлесіп жұмыс істеген Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасының өкілдері және Оганесянның әріптесі Вандербильт университетінің Джозеф Гамильтон қатысты.

Ашылу

ORNL 2008 жылдың көктемінде калифорний өндірісін қайта бастады. Гамильтон жаз бойы қайта басталғанын байқап, беркелийді одан әрі өндіру туралы келісім жасады (бағасы шамамен 600 000 доллар болды). 2008 жылдың қыркүйегінде Теннесси штатының Нэшвилл қаласында Вандербильт университетінде өткен симпозиумда физика факультетінде өзінің 50 жылдығын атап өту кезінде Гамильтон Оганессианды Джеймс Робертоға (содан кейін ORNL-де ғылым және технология жөніндегі директордың орынбасары) таныстырды. Олар JINR, ORNL және Vanderbilt арасында ынтымақтастық орнатты. Бұл ерекшелік, себебі IUPAC оны химиялық элементті ашқан алғашқы афроамерикалық әйел ретінде мойындайды. Соңғы ынтымақтастық институттары Теннесси университеті (Кноксвилл), Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасы, Жоғары реакторлар ғылыми-зерттеу институты (Ресей) және Невада университеті (Лас-Вегас) болды. 2008 жылдың қарашасында Оук-Ридж реакторын бақылап отырған АҚШ Энергетика министрлігі алынған беркелийді ғылыми мақсатта қолдануға рұқсат берді. Өндіріс 250 күн бойы жалғасып, 2008 жылдың желтоқсанының соңында аяқталды. 2009 жылдың шілдесінде ол Дубнаға жеткізілді. Кальций-48 сәулесі табиғи кальцийдегі кальций-48-дің шағын мөлшерін химиялық жолмен бөліп алып, 500 есеге дейін байыту арқылы алынды. Бұл жұмыс Ресейдің Свердловск облысы Лесной қалашығында жүргізілді. Тәжірибеден алынған деректер LLNL-ге қосымша талдау үшін жіберілді. 2010 жылдың 9 сәуірінде Physical Review Letters журналында ресми есеп жарияланды, онда изотоптардың саны 294117 және 293117 деп анықталды, олардың жартылай ыдырау мерзімі ондаған немесе жүздерген миллисекундтарды құрады. Жұмысқа тәжірибеге белгілі бір дәрежеде қатысқан барлық тараптар қол қойды: JINR, ORNL, LLNL, RIAR, Vanderbilt, Теннесси университеті (Кноксвилл, Теннесси, АҚШ) және Невада университеті (Лас-Вегас, Невада, АҚШ), деректерді талдауды қамтамасыз етті. Изотоптар келесідей түзілді: сондықтан олардың қасиеттерін ашылу туралы талапты растау үшін пайдалануға болмады. 2011 жылы ыдырау өнімдерінің бірі (115) тікелей синтезделгенде, оның қасиеттері 117-ші элементтің ыдырауынан алынған жанама синтезде өлшенген қасиеттерге сәйкес келді. Ашылушылар 2007–2011 жылдары жаңа элементтердің ашылуы туралы талаптарды қарастырып жатқан Бірлескен жұмыс тобына өздерінің нәтижелері туралы мәлімдеме ұсынбады. Дубна тобы экспериментті 2012 жылы қайталады, 117-ші элементтің жеті атомын жасап, 118-ші элементтің бұрынғы синтезін растады (кейбір уақыттан кейін беркелий-249 нысанының едәуір бөлігі бета-ыдырау арқылы калифорний-249-ға айналды). Эксперимент нәтижелері алдыңғы нәтижелермен сәйкес келді; Команда Дармштадт үдеткішін пайдаланып Дубна экспериментін қайталады, 117-ші элементтің екі атомын жасады. Осылайша, тізімдегі ашылушылар – JINR, LLNL және ORNL – элементтің ресми атауын ұсыну құқығын алды. (Вандербильт кейін түзетілген қателікпен алғашқы ашылушылар тізіміне кірмеген.) 2016 жылдың мамырында Лунд университеті (Лунд, Скания, Швеция) және GSI 115-ші және 117-ші элементтердің синтезіне күмән келтірді. 115 және 117 элементтерін синтездеуді растауда маңызды рөл атқарған изотопқа жатқызылған ыдырау тізбектері жаңа статистикалық әдіс бойынша бір нуклидке жатуға тым ерекше екені анықталды. JWP-мен бекітілген 293117 ыдырау тізбектері 117-ші элементтің әр түрлі изотоптарына жатқызылған жеке деректер жиынтығына бөлуді қажет ететіні анықталды. Сондай-ақ, 117-ден 115-ке дейін есептелген ыдырау тізбегі арасындағы байланыс жоқ болуы мүмкін екені анықталды. (Дегенмен, бекітілмеген 117 изотопының тізбектері бір-біріне сәйкес келді.) Тіпті тең емес нуклидтердің альфа-ыдырауы кезінде кездесетін күйлердің көптігі күтпеген нәрсе емес және қиылысқан реакциялардың түсініксіздігіне әсер етеді. Бұл зерттеу JWP есебін осы мәселеге байланысты ұсақ-түйектіктерді елемегені үшін сынға алды және 115-ші және 117-ші элементтердің ашылуын қабылдаудың жалғыз аргументі олардың күмәнді деп санайтын байланысы болды деп «проблемалы» деп бағалады. 2017 жылдың 8 маусымында Дубна тобының екі мүшесі осы сынға жауап беретін журнал мақаласын жариялады, 117 және 115 нуклидтері туралы деректерін кеңінен қабылданған статистикалық әдістермен талдады, радиоактивті ыдырауға қолданғанда конгруенттілік жоқ екенін көрсеткен 2016 жылғы зерттеулердің проблемалық нәтижелер бергенін атап өтті: олар 90% сенімділік аралығынан орташа және ең жоғары ыдырау уақыттарын алып тастады, ал олар таңдаған 90% сенімділік аралығынан алынып тасталатын ыдырау тізбектері, олардың ішінде қалғандарға қарағанда, байқалу ықтималдығы жоғары болды. 2017 жылғы қайта талдау 117 және 115 ыдырау тізбектерінің әрбір тізбек қадамында тек бір нуклид болды деген болжаммен сәйкес келетінін көрсетті, дегенмен әр тізбектің бастапқы ядросының массалық санын және реакцияның қоздыру функциясын тікелей өлшеуге мүмкіндік болса, жақсы болар еді.

Атау беру

Менделеевтің аталмаған және ашылмаған элементтерге арналған номенклатурасын пайдалану арқылы 117-ші элемент эка-астатин деп аталуы тиіс. Халықаралық таза және қолданбалы химия одағының (IUPAC) 1979 жылғы ұсыныстарына сәйкес, элемент уақытша унунсептий (символы Uus) деп аталды, ол латын тіліндегі "бір", "бір" және "жеті" түбірлерінен құралған, бұл элементтің атомдық нөмірі 117 екенін көрсетеді. Көптеген ғалымдар оны "117 элемент" деп атады, символдары E117, (117) немесе 117 болды. Дегенмен, 2016 жылы жарияланған жаңа ұсыныстар 17-топтың барлық жаңа элементтері үшін "ин" жұрнағын қолдануды ұсынды. 2010 жылы алғашқы синтезден кейін LLNL және Оганессианның Даун Шонесси атын атау – сезімтал мәселе екенін және мүмкіндігінше одан аулақ болғанын мәлімдеді. Алайда, Гамильтон сол жылы: "Мен топты біріктіруде және ашылуға қажетті 249Bk нысанын алуда маңызды рөл атқардым. Осының нәтижесінде мен осы элементке ат қою құқығына ие боламын. Атын ашып айта алмаймын, бірақ ол бұл аймаққа даңқ әкеледі" деді. 2016 жылдың наурыз айында зерттеу тобы 117-ші элементтің атауын "теннессин" деп қоюға келісті, бұл үшін қатысты тараптардың өкілдерімен телеконференция өтті. 2016 жылдың қарашасында теннессин аты қоса алғанда, атаулар ресми түрде қабылданды. Ұсынылған символ Ts органикалық химияда қолданылатын тосил тобының белгісімен қақтығысуы мүмкін деген алаңдаушылықтар ескерілмеді, себебі Ac (актиний және ацетил) және Pr (празеодимий және пропил) сияқты екі мағынасы бар символдар бұрыннан қолданылып келеді. Московий, теннессин және оганесонның аталған мерекесі 2017 жылдың 2 наурызында Мәскеудегі Ресей Ғылым академиясында өтті, ал теннессинге арналған жеке шара 2017 жылдың қаңтар айында ORNL-де өткізілді.

Болжалған қасиеттері

Ядролық қасиеттерінен басқа, теннессиннің немесе оның қосылыстарының ешқандай қасиеттері өлшенбеген; бұл оның өте шектеулі және қымбат өндірілуіне байланысты. Бұл протондардың күшейе беретін Кулондық итергішінен туындайды, сондықтан күшті ядролық күш ядроны спонтанды бөлінуден ұзақ уақытқа дейін сақтап тұра алмайды. Есептеулер бойынша, басқа тұрақтандырушы факторлар болмаған жағдайда, 104 протондан артық элементтердің болуы мүмкін емес. Дегенмен, 1960 жылдары зерттеушілер 114 протон және 184 нейтрон айналасындағы жабық ядролық қабаттардың бұл тұрақсыздыққа қарсы тұруы мүмкін екенін, осылайша нуклидтердің жартылай өмірі мыңдаған немесе миллиондаған жылға жететін «тұрақсыздық аралын» құруы мүмкін екенін ұсынды. Ғалымдар әлі де сол аралға жеткен жоқ, бірақ супержұқ элементтердің (теннессин сияқты) болуы осы тұрақтандыру әсерінің нақты екенін растайды, және жалпы алғанда, белгілі супержұқ нуклидтер болжамды аралға жақындаған сайын экспоненциалды түрде ұзақ өмір сүреді. Теннессин – қазірге дейін жасалған ең ауыр элементтердің бірі, оның барлық белгілі изотоптарының жартылай өмірі бір секундтан кем. Бұл олардың ашылуына дейін болжалған мәндерден ұзақ: ашылу туралы мақалада қолданылған 293Ts және 294Ts үшін болжамды өмір сүру мерзімі тиісінше 10 мс және 45 мс болды, ал байқалған өмір сүру мерзімі тиісінше 21 мс және 112 мс болды. 295Ts изотопының жартылай өмірі шамамен 18 миллисекундқа жетеді деп есептеледі, және бұл изотопты 293Ts және 294Ts белгілі изотоптарын ашуда қолданылған беркелий-кальций реакциясы арқылы өндіруге болады. Бұл реакцияның 295Ts өндіру ықтималдығы 294Ts өндіру ықтималдығынан ең көп дегенде жетіден бір бөлігіне тең деп бағаланады. Кванттық туннельдеу моделін қолданатын есептеулер теннессиннің 303Ts-қа дейінгі бірнеше изотоптарының бар екенін болжайды. Олардың ең тұрақтысы – 40 миллисекундтік альфа-ыдырау жартылай өмірі бар 296Ts болады деп күтілуде. Элементтің изотоптары бойынша сұйық тамшы моделінің зерттеуі ұқсас нәтижелерді көрсетеді; ол бета-ыдырау ескерілмеген жағдайда, 301Ts-тан ауыр изотоптардың тұрақтылығының арту тенденциясын көрсетеді, ал ең ауыр изотоптардың (мысалы, 335Ts) жартылай өмірі ғаламның жасынан асып түседі. Теннессиннің жеңіл изотоптары 243Am+50Ti реакциясында өндірілуі мүмкін, егер 2008 жылы Дубна тобы 249Bk қол жетімді болмаған жағдайда оны резервтік жоспар ретінде қарастырған.

Атомдық және физикалық

Теннесиннің периодтық кестедегі 17-топқа жататыны күтілуде, бұл топта фтор, хлор, бром, йод және астатин сияқты бес галогеннен төмен орналасқан. Олардың әрқайсысы ns2np5 конфигурациясында жеті валентті электронына ие. Теннесин үшін, периодтық кестедегі жетінші қатарда (жолда) орналасқандықтан, осы үрдістің жалғасуы 7s27p5 валентті электрондық конфигурациясын болжайды. Сондықтан, периодтық үрдістерге негізделген экстраполяция теннесиннің өте ұшқыр металл болатынын көрсетеді. Есептеулер осы қарапайым экстраполяцияның дұрыстығын растады, бірақ қазіргі уақытта оны тәжірибелік түрде тексеру мүмкін емес, себебі белгілі теннесин изотоптарының жартылай ыдырау периоды тым қысқа. 7s электрондарының тұрақтануы инерт жұп эффектісі деп аталады, ал 7p субқабығын тұрақтанған және тұрақтанбаған бөліктерге бөлетін әсер субқабыққа бөліну деп аталады. Есептеуші химиктер бұл бөлінуді 7p субқабығының тұрақтанған және тұрақтанбаған бөліктері үшін екінші (азимуттық) кванттық санның l-нің 1-ден 1/2-ге және 3/2-ге өзгеруі ретінде түсіндіреді. Көптеген теориялық мақсаттар үшін валентті электрондық конфигурацияны 7p субқабығының бөлінуін көрсету үшін бейнелеуге болады. Жеті сыртқы электроны алынып тасталғаннан кейін, теннесиннің мөлшері кішірейеді – 57 пм. Бұл мәндер астатин және жеңіл галогендердің мәндерінен жоғары, периодтық үрдістерге сәйкес келеді. Кейінгі зерттеулерде теннесиннің қайнау температурасы 345 °C шамасында болады деп болжанады (астатин үшін бұл көрсеткіш 309 °C, 337 °C немесе 370 °C деп бағаланады, бірақ 230 °C және 411 °C эксперименталды мәндері де хабарланған). Теннесиннің тығыздығы 7,1 және 7,3 г/см3 аралығында болады деп күтілуде. 17-топтың жеңіл элементтерінен айырмашылығы, теннесин галогендерге тән химиялық қасиеттерді көрсетпеуі мүмкін. Мысалы, фтор, хлор, бром және йод тұрақты электрондық конфигурацияға қол жеткізу үшін электронды қабылдап, валентті қабықшаларында жеті емес, сегіз электронды (октат) алады. Бұл қабілет атомдық салмақ артуымен бірге азаяды, сондықтан теннесин 17-топтың электронды қабылдауға ең төмен бейім элементі болады. Оның күтетін окистену күйлерінің арасында -1 күйі ең сирек кездесетіні болжанады. Теннесиннің p электрондық байланыстарының үштен екісі сигмалық сипатта болғандықтан, байланыс спинорбиталдық өзара әрекеттесу болмаған жағдайдағыдан үштен екі есе әлсіз болады. Оң мән теріс зарядтың теннесин атомында орналасқандығын көрсетеді. NhTs үшін, әсерлердің күші теннесин атомынан нихоний атомына электронның ауысуына себеп болады деп болжанады, дипольдық моментінің мәні -1,80 D құрайды. Спинорбиталдық өзара әрекеттесу TsF молекуласының ыдырау энергиясын арттырады, себебі ол теннесиннің электронегативтілігін төмендетеді, нәтижесінде өте электронегативті фтор атомымен байланыс иондық сипатқа ие болады. TsF3 молекуласы спинорбиталдық өзара әрекеттесулердің әсерінен айтарлықтай тұрақтанады деп болжанады, мұның себебі теннесин мен фтор арасындағы электронегативтіліктің үлкен айырмашылығы болуы мүмкін, бұл байланысқа ішінара иондық сипат береді.