Введение

Московий — синтетический химический элемент с символом Mc и атомным номером 115. Впервые он был синтезирован в 2003 году совместной командой российских и американских ученых в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, Россия. В декабре 2015 года он был признан одним из четырех новых элементов Совместной рабочей группой международных научных организаций IUPAC и IUPAP. 28 ноября 2016 года он был официально назван в честь Московской области, где расположен ОИЯИ. Московий — чрезвычайно радиоактивный элемент: его самый стабильный известный изотоп, московий-290, имеет период полураспада всего 0,65 секунды. В периодической таблице он относится к p-блоку трансактинидов. Он является элементом 7-го периода и помещен в 15-ю группу как самый тяжелый пниктоген, хотя пока не подтверждено, что он проявляет свойства, аналогичные более тяжелому гомологу пниктогена — висмуту. Предполагается, что московий обладает некоторыми свойствами, схожими со свойствами его более легких гомологов — азота, фосфора, мышьяка, сурьмы и висмута, и является постпереходным металлом, хотя и должен проявлять ряд существенных отличий от них. В частности, московий должен иметь значительное сходство с таллием, поскольку оба элемента имеют один слабо связанный электрон вне квазизакрытой электронной оболочки. На сегодняшний день было зарегистрировано более ста атомов московия, все из которых имеют массовые числа от 286 до 290.

Введение

Сверхтяжёлый элемент

Открытие

Первый успешный синтез московия был проведен совместной командой российских и американских ученых в августе 2003 года в Объединенном институте ядерных исследований (JINR) в Дубне, Россия. Команда, возглавляемая российским физиком-ядерщиком Юрием Оганессианом, включала американских ученых из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора. 2 февраля 2004 года исследователи заявили в журнале Physical Review C, что они бомбардировали америций-243 ионами кальция-48, чтобы получить четыре атома московия. Эти атомы распались путем эмиссии альфа-частиц в нихоний примерно за 100 миллисекунд. Сотрудничество Дубны и Ливермора укрепило свои претензии на открытие московия и нихония, проведя химические эксперименты с конечным продуктом распада 268Db. Ни один из нуклидов в этой цепи распада ранее не был известен, поэтому существующие экспериментальные данные не были доступны для подтверждения их утверждения. В июне 2004 года и декабре 2005 года наличие изотопа дубния было подтверждено путем выделения конечных продуктов распада, измерения активности спонтанного деления (СФ) и использования методов химической идентификации для подтверждения того, что они ведут себя как элемент 5-й группы (поскольку дубний, как известно, находится в 5-й группе периодической таблицы). Однако в 2011 году Совместная рабочая группа IUPAC/IUPAP (JWP) не признала эти два элемента открытыми, поскольку современная теория не могла с достаточной уверенностью различить химические свойства элементов 4-й и 5-й групп. Кроме того, свойства распада всех ядер в цепи распада московия ранее не были охарактеризованы до экспериментов в Дубне, ситуацию, которую JWP обычно считает "неблагоприятной, но не обязательно исключающей". Одновременно эксперимент 2004 года был повторен в Дубне, где дополнительно был создан изотоп 289Mc, который мог служить для перекрестной бомбардировки с целью подтверждения открытия изотопа теннессина 293Ts в 2010 году. В декабре 2015 года Совместная рабочая группа IUPAC/IUPAP признала открытие элемента и присвоила приоритет сотрудничеству Дубны и Ливермора за период 2009–2010 годов, предоставив им право предложить постоянное название для него. Хотя эксперименты по синтезу 287Mc и 288Mc не были признаны убедительными из-за отсутствия однозначной идентификации атомного числа посредством перекрестных реакций, эксперименты с 293Ts были признаны убедительными, поскольку его дочерний изотоп 289Mc был получен независимо и продемонстрировал те же свойства. В мае 2016 года Университет Лунда (Лунд, Сканния, Швеция) и GSI выразили некоторые сомнения относительно синтеза московия и теннессина. Цепочки распада, отнесенные к 289Mc, изотопу, играющему важную роль в подтверждении синтеза московия и теннессина, были обнаружены с использованием нового статистического метода, которые с достаточно высокой вероятностью слишком отличаются, чтобы принадлежать к одному и тому же нуклиду. Сообщенные цепи распада 293Ts, одобренные JWP, потребовали разделения на отдельные наборы данных, отнесенные к различным изотопам теннессина. Также было установлено, что предполагаемая связь между цепочками распада, зарегистрированными для 293Ts и 289Mc, вероятно, отсутствует. (С другой стороны, цепочки распада из неодобренного изотопа 294Ts оказались согласованными.) Множественность состояний, наблюдаемая при альфа-распаде нуклидов, не являющихся "двойными четными", не является неожиданной и способствует неопределенности в перекрестных реакциях. В этом исследовании критиковался отчет JWP за упущение тонкостей, связанных с этой проблемой, и считалось "проблематичным", что единственным аргументом в пользу признания открытия московия и теннессина была связь, которую они считали сомнительной. 8 июня 2017 года два члена команды Дубны опубликовали статью в журнале, в которой ответили на эту критику, проанализировав свои данные о нуклидах 293Ts и 289Mc с использованием общепринятых статистических методов, и отметили, что исследования 2016 года, указывающие на несоответствие, при применении к радиоактивному распаду приводили к проблематичным результатам: они исключили из 90%-го доверительного интервала как средние, так и крайние времена распада, и цепочки распада, которые были бы исключены из выбранного ими 90%-го доверительного интервала, были более вероятными для наблюдения, чем те, которые были бы включены. Повторный анализ 2017 года пришел к выводу, что наблюдаемые цепочки распада 293Ts и 289Mc согласуются с предположением, что на каждом этапе цепи присутствует только один нуклид, хотя было бы желательно непосредственно измерить массовое число исходного ядра каждой цепи, а также функцию возбуждения реакции 243Am+48Ca.

Именование

Используя номенклатуру Менделеева для безымянных и неоткрытых элементов, московий иногда называют эка-висмутом. В 1979 году IUPAC рекомендовал использовать временное систематическое название элемента – унупентиум (с соответствующим символом Uup) – до подтверждения открытия элемента и принятия постоянного названия. Несмотря на широкое использование в химическом сообществе на всех уровнях, от школьных классов химии до продвинутых учебников, эти рекомендации в основном игнорировались учеными, работающими в этой области, которые называли его "элементом 115", используя символ E115, (115) или просто 115. Согласно рекомендациям IUPAC, первооткрыватели нового элемента имеют право предложить название. Одним из предложенных названий был ланжевиниум, в честь Поля Ланжевена. Позже команда из Дубны несколько раз упоминала название московий как один из возможных вариантов, ссылаясь на Московскую область, где расположен Дубна. В июне 2016 года IUPAC поддержал последнее предложение, которое должно было быть официально утверждено к концу года, что и произошло 28 ноября 2016 года.

Прогнозируемые свойства

Кроме ядерных свойств, никакие другие свойства московия или его соединений не были измерены; это обусловлено его чрезвычайно малым и дорогостоящим производством, а также очень быстрой скоростью распада. Свойства московия остаются неизвестными, и имеются лишь теоретические предсказания.

Ядерная стабильность и изотопы

Ожидается, что московий будет находиться в пределах острова стабильности, центрированного вокруг коперниция (элемент 112) и флеровия (элемент 114). Благодаря ожидаемо высоким барьерам деления, любое ядро в этом острове стабильности распадается исключительно альфа-распадом и, возможно, посредством электронного захвата и бета-распада. Хотя известные изотопы московия на самом деле не содержат достаточно нейтронов для нахождения на острове стабильности, они приближаются к нему, поскольку, как правило, более тяжелые изотопы имеют большее время жизни. Другие возможности синтеза ядер в области острова стабильности включают квазиделение (частичный синтез, за которым следует деление) массивного ядра. Недавно было показано, что реакции многонуклонного переноса при столкновениях актинидных ядер (таких как уран и курий) могут быть использованы для синтеза сверхтяжелых нейтроноизбыточных ядер, расположенных в области острова стабильности, хотя образование более легких элементов, таких как нобелий или сиборгий, является более вероятным. Стабилизация электронов 7s называется эффектом инертной пары, а эффект "расщепления" 7p-подоболочки на более стабилизированную и менее стабилизированную части называется расщеплением подоболочки. Специалисты по вычислительной химии рассматривают это расщепление как изменение второго (азимутального) квантового числа l с 1 до 1/2 и 3/2 для более и менее стабилизированных частей 7p-подоболочки соответственно.

Химические

Московий, как предполагается, является третьим элементом серии химических элементов 7p и самым тяжелым элементом группы 15 в периодической таблице, расположенным ниже висмута. В отличие от двух предыдущих 7p элементов, московий, как ожидается, будет хорошим гомологом его более легкого аналога, в данном случае висмута. Известно, что в этой группе каждый элемент проявляет групповое окислительное состояние +5, но со различной стабильностью. Для азота состояние +5 в основном является формальным объяснением молекул, таких как N2O5: очень трудно иметь пять ковалентных связей с азотом из-за неспособности небольшого атома азота вместить пять лигандов. Состояние +5 хорошо представлено для типичных пниктогенов – фосфора, мышьяка и сурьмы. Однако для висмута оно становится редким из-за релятивистской стабилизации 6s орбиталей, известной как эффект инертной пары, в результате чего 6s электроны неохотно вступают в химическую связь. Ожидается, что московий будет проявлять эффект инертной пары как для 7s, так и для 7p1/2 электронов, поскольку энергия связи одиночного 7p3/2 электрона заметно ниже, чем у 7p1/2 электронов. Азот(I) и висмут(I) известны, но редки, и московий(I), вероятно, проявит некоторые уникальные свойства, возможно, больше напоминая таллий(I), чем висмут(I). Из-за спин-орбитального взаимодействия флеровий может проявлять свойства замкнутой электронной оболочки или благородного газа; если это так, то московий, вероятно, будет типично одновалентным, поскольку катион Mc+ будет иметь ту же электронную конфигурацию, что и флеровий, что, возможно, придаст московию некоторые свойства щелочного металла. Расчеты предсказывают, что фторид и хлорид московия(I) будут ионными соединениями с ионным радиусом около 109–114 пм для Mc+, хотя одиночная пара 7p1/2 на ионе Mc+ должна быть высоко поляризуемой. Катион Mc3+ должен вести себя как его более легкий аналог Bi3+. 7s электроны слишком стабилизированы, чтобы вносить вклад в химическую связь, и, следовательно, состояние +5 должно быть невозможно, и московий можно считать имеющим только три валентных электрона. Московий был бы довольно реактивным металлом, со стандартным потенциалом восстановления −1.5 В для пары Mc+/Mc. Химия московия в водном растворе должна по существу соответствовать химии ионов Mc+ и Mc3+. Первый должен легко гидролизоваться и не должен легко образовывать комплексы с галогенидами, цианидом и аммиаком. Гидроксид московия(I) (McOH), карбонат (Mc2CO3), оксалат (Mc2C2O4) и фторид (McF) должны быть растворимы в воде; сульфид (Mc2S) должен быть нерастворим; а хлорид (McCl), бромид (McBr), йодид (McI) и тиоцианат (McSCN) должны быть лишь слегка растворимы, так что добавление избыточной соляной кислоты не будет существенно влиять на растворимость хлорида московия(I). Mc3+ должен быть примерно таким же стабильным, как и Tl3+, и, следовательно, также должен быть важной частью химии московия, хотя его ближайшим аналогом среди элементов должен быть его более легкий аналог Bi3+. Фторид московия(III) (McF3) и тиозонид (McS3) должны быть нерастворимы в воде, подобно соответствующим соединениям висмута, в то время как хлорид московия(III) (McCl3), бромид (McBr3) и йодид (McI3) должны быть легко растворимы и легко гидролизоваться с образованием оксигалогенидов, таких как McOCl и McOBr, опять же аналогично висмуту. И московий(I), и московий(III) должны быть распространенными степенями окисления, и их относительная стабильность должна во многом зависеть от того, с чем они комплексируются, и вероятности гидролиза. Как и его более легкие аналоги – аммиак, фосфин, арсин, стибин и висмутин, московин (McH3), как ожидается, будет иметь тригональную пирамидальную молекулярную геометрию, с длиной связи Mc–H 195.4 пм и углом H–Mc–H 91.8° (бисмутин имеет длину связи 181.7 пм и угол 91.9°; стибин имеет длину связи 172.3 пм и угол 92.0°). В предсказанном ароматическом пятиугольном плоском кластере Mc5, аналогичном пентазолату (N5), длина связи Mc–Mc, как ожидается, будет увеличена с экстраполированного значения 156–158 пм до 329 пм из-за эффектов спин-орбитального взаимодействия.

Экспериментальная химия

Неоднозначное определение химических характеристик московия до сих пор не установлено. В 2011 году были проведены эксперименты по созданию изотопов нихония, флеровия и московия в реакциях между пучками ионов кальция-48 и мишенями из америция-243 и плутония-244. Однако мишени содержали примеси свинца и висмута, в результате чего в реакциях переноса нуклонов образовывались некоторые изотопы висмута и полония. Это, хотя и являлось непредвиденным осложнением, может предоставить информацию, которая поможет в будущем химическом исследовании более тяжелых гомологов висмута и полония, то есть московия и ливермория.