Нихоний: открытие, свойства и признание элемента 113

Введение

Нихоний — синтетический химический элемент с символом Nh и атомным номером 113. Он чрезвычайно радиоактивен: период полураспада его наиболее стабильного известного изотопа, нихония-286, составляет около 10 секунд. В периодической таблице нихоний относится к трансактинидам и расположен в p-блоке, 7-м периоде и 13-й группе. Впервые сообщение о создании нихония поступило в 2003 году от российско-американского сотрудничества в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, Россия, а в 2004 году — от группы японских ученых в Рикене (Вако, Япония). Подтверждение этих заявлений в последующие годы осуществлялось независимыми группами ученых из США, Германии, Швеции и Китая, а также первоначальными заявителями из России и Японии. В 2015 году совместная рабочая группа IUPAC/IUPAP признала элемент и предоставила Рикену приоритет открытия и право на присвоение имени элементу. Команда Рикена предложила название нихоний в 2016 году, которое было утверждено в том же году. Название происходит от общепринятого японского названия Японии (日本). О нихонии известно очень мало, поскольку он был получен лишь в небольших количествах, распадающихся в течение нескольких секунд. Аномально большая стабильность некоторых сверхтяжелых нуклидов, включая некоторые изотопы нихония, объясняется теорией «острова стабильности». Эксперименты подтверждают эту теорию: период полураспада подтвержденных изотопов нихония увеличивается от миллисекунд до секунд по мере добавления нейтронов и приближения к «острову». Нихоний, как предполагается, обладает свойствами, сходными со свойствами его гомологов — бора, алюминия, галлия, индия и таллия. Все, кроме бора, являются постпереходными металлами, и ожидается, что нихоний также будет постпереходным металлом. Однако он должен проявлять и существенные отличия от них; например, нихоний должен быть более стабильным в степени окисления +1, чем в +3, как таллий, но в степени окисления +1 он должен вести себя скорее как серебро и астатин, чем как таллий. Предварительные эксперименты 2017 года показали, что элементарный нихоний не обладает высокой летучестью, а его химия остается в значительной степени неизученной.

Nihonium is a synthetic chemical element; it has symbol Nh and atomic number 113. It is extremely radioactive: its most stable known isotope, nihonium 286, has a half life of about 10 seconds. In the periodic table, nihonium is a transactinide element in the p block. It is a member of period 7 and group 13. Nihonium was first reported to have been created in 2003 by a Russian–American collaboration at the Joint Institute for Nuclear Research (JINR) in Dubna, Russia, and in 2004 by a team of Japanese scientists at Riken in Wakō, Japan. The confirmation of their claims in the ensuing years involved independent teams of scientists working in the United States, Germany, Sweden, and China, as well as the original claimants in Russia and Japan. In 2015, the IUPAC/IUPAP Joint Working Party recognised the element and assigned the priority of the discovery and naming rights for the element to Riken. The Riken team suggested the name nihonium in 2016, which was approved in the same year. The name comes from the common Japanese name for Japan (日本). Very little is known about nihonium, as it has only been made in very small amounts that decay within seconds. The anomalously long lives of some superheavy nuclides, including some nihonium isotopes, are explained by the "island of stability" theory. Experiments support the theory, with the half lives of the confirmed nihonium isotopes increasing from milliseconds to seconds as neutrons are added and the island is approached. Nihonium has been calculated to have similar properties to its homologues boron, aluminium, gallium, indium, and thallium. All but boron are post transition metals, and nihonium is expected to be a post transition metal as well. It should also show several major differences from them; for example, nihonium should be more stable in the +1 oxidation state than the +3 state, like thallium, but in the +1 state nihonium should behave more like silver and astatine than thallium. Preliminary experiments in 2017 showed that elemental nihonium is not very volatile; its chemistry remains largely unexplored.

Введение

Сверхтяжёлый элемент

Утверждение открытий

В декабре 2015 года IUPAC опубликовал в пресс-релизе выводы нового доклада JWP, в котором элемент 113 был признан открытым институтом Рикен, а элементы 115, 117 и 118 – коллаборациями с участием JINR. JINR посчитал признание открытия элемента 113 институтом Рикен неожиданным, ссылаясь на собственный синтез элементов 115 и 113 в 2003 году и указывая на прецеденты с элементами 103, 104 и 105, когда IUPAC предоставил совместное признание JINR и LBNL. Они заявили, что уважают решение IUPAC, но оставили за собой право определить свою позицию после официальной публикации отчетов JWP. Полные отчеты JWP были опубликованы 21 января 2016 года. JWP признал открытие элемента 113, отдав приоритет институту Рикен. Они отметили, что, хотя индивидуальные энергии распада каждого нуклида в цепи распада 278113 были противоречивыми, их сумма теперь подтверждена как согласованная, что убедительно свидетельствует о том, что начальные и конечные состояния в 278113 и его дочернем нуклиде 262Db были одинаковыми во всех трех зарегистрированных событиях. Распад 262Db на 258Lr и 254Md был известен ранее, что надежно привязывает цепь распада 278113 к известным областям карты нуклидов. JWP посчитал, что коллаборации JINR–LLNL 2004 и 2007 годов, в результате которых элемент 113 был получен как дочерний нуклид элемента 115, не соответствуют критериям открытия, поскольку им не удалось убедительно определить атомные номера своих нуклидов посредством перекрестных бомбардировок, которые считались необходимыми, так как их цепи распада не были привязаны к ранее известным нуклидам. Они также сочли, что опасения, высказанные предыдущим JWP относительно их химической идентификации дочернего нуклида дубния, не были должным образом устранены. JWP признал коллаборацию JINR–LLNL–ORNL–Vanderbilt 2010 года открывателями элементов 117 и 115 и подтвердил, что элемент 113 был получен как их дочерний нуклид, однако не предоставил этой работе совместного признания. После публикации отчетов JWP Сергей Димитриев, директор Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова в JINR, где были сделаны открытия, заявил, что он доволен решением IUPAC, отметив время, затраченное институтом Рикен на их эксперимент, и их хорошие отношения с Моритой, который изучал основы синтеза сверхтяжелых элементов в JINR. Два члена команды JINR опубликовали статью в научном журнале, опровергающую критику в отношении согласованности их данных по элементам 113, 115 и 117 в июне 2017 года.

In December 2015, the conclusions of a new JWP report were published by IUPAC in a press release, in which element 113 was awarded to Riken; elements 115, 117, and 118 were awarded to the collaborations involving the JINR. The JINR considered the awarding of element 113 to Riken unexpected, citing their own 2003 production of elements 115 and 113, and pointing to the precedents of elements 103, 104, and 105 where IUPAC had awarded joint credit to the JINR and LBNL. They stated that they respected IUPAC's decision, but reserved determination of their position for the official publication of the JWP reports. The full JWP reports were published on 21 January 2016. The JWP recognised the discovery of element 113, assigning priority to Riken. They noted that while the individual decay energies of each nuclide in the decay chain of 278113 were inconsistent, their sum was now confirmed to be consistent, strongly suggesting that the initial and final states in 278113 and its daughter 262Db were the same for all three events. The decay of 262Db to 258Lr and 254Md was previously known, firmly anchoring the decay chain of 278113 to known regions of the chart of nuclides. The JWP considered that the JINR–LLNL collaborations of 2004 and 2007, producing element 113 as the daughter of element 115, did not meet the discovery criteria as they had not convincingly determined the atomic numbers of their nuclides through cross bombardments, which were considered necessary since their decay chains were not anchored to previously known nuclides. They also considered that the previous JWP's concerns over their chemical identification of the dubnium daughter had not been adequately addressed. The JWP recognised the JINR–LLNL–ORNL–Vanderbilt collaboration of 2010 as having discovered elements 117 and 115, and accepted that element 113 had been produced as their daughter, but did not give this work shared credit. After the publication of the JWP reports, Sergey Dimitriev, the lab director of the Flerov lab at the JINR where the discoveries were made, remarked that he was happy with IUPAC's decision, mentioning the time Riken spent on their experiment and their good relations with Morita, who had learnt the basics of synthesising superheavy elements at the JINR. Two members of the JINR team published a journal article rebutting these criticisms against the congruence of their data on elements 113, 115, and 117 in June 2017.

Именование

Используя номенклатуру Менделеева для неназванных и неоткрытых элементов, нихоний был бы известен как эка-таллий. В 1979 году IUPAC опубликовала рекомендации, согласно которым элемент должен был называться унунтрий (с соответствующим символом Uut) – систематическое название элемента как временное обозначение, пока открытие элемента не будет подтверждено и не будет принято решение о его названии. Эти рекомендации широко использовались в химическом сообществе на всех уровнях, от школьных классов химии до продвинутых учебников, но в основном игнорировались учеными, работающими непосредственно в этой области, которые называли его «элементом 113» с символами E113, (113) или просто 113, а также «рикением» – по названию института. После признания открытия команда Рикена собралась в феврале 2016 года, чтобы определить название. Морита выразил желание, чтобы название подчеркнуло тот факт, что элемент 113 был открыт в Японии. Рассматривалось название «япониум», которое позволило бы легко установить связь с Японией для неяпонцев, но оно было отклонено, поскольку слово «jap» считается этническим оскорблением. После часа обсуждения было выбрано название «нихоний»: оно происходит от 日本, одного из двух японских произношений названия Японии. Открыватели также хотели подчеркнуть поддержку их исследований японским народом (Рикен почти полностью финансируется государством), восстановить утраченную гордость и доверие к науке среди тех, кто пострадал от аварии на Фукусимской АЭС. В марте 2016 года Морита предложил IUPAC название «нихоний» с символом Nh. Таким образом, IUPAC и IUPAP опубликовали это предложение в июне того же года и установили пятимесячный срок для сбора комментариев, после чего название должно было быть официально утверждено на конференции. Название было официально утверждено в ноябре 2016 года. Церемония присвоения имени новому элементу состоялась в Токио, Япония, в марте 2017 года, в присутствии Нарухито, тогдашнего наследного принца Японии.

Изотопы

Более тяжелые трибромид нихония (NhBr3) и трийодид (NhI3) имеют тригональную планарную геометрию из-за усиленного стерического отталкивания между внешними атомами; соответственно, в их связях не наблюдается значительного участия 6d-орбиталей, хотя большой энергетический зазор между 7s- и 7p-орбиталями приводит к снижению sp2-гибридизации по сравнению с их аналогами бора. Состояние +3 стабилизировано для таллия в анионных комплексах, таких как TlI4, и наличие возможного вакантного координационного центра в более легких T-образных тригалогенидах нихония, вероятно, позволит добиться аналогичной стабилизации NhF4 и, возможно, NhCl4. Изотопы 284Nh, 285Nh и 286Nh имеют периоды полураспада, достаточные для проведения химических исследований. В эксперименте 2017 года в ОИЯИ, в котором 284Nh и 285Nh были получены в реакции 243Am+48Ca как продукты распада 288Mc и 289Mc, эта проблема была решена путем удаления кварцевой поверхности и использования только ПТФЭ. После химического разделения атомы нихония не были обнаружены, что указывает на неожиданно сильное удержание атомов нихония на поверхностях ПТФЭ. Этот экспериментальный результат, касающийся предела взаимодействия атомов нихония с поверхностью ПТФЭ, существенно противоречит предыдущей теории, которая предсказывала более низкое значение – 14,00 кДж/моль. Это позволяет предположить, что вид нихония, участвовавший в предыдущем эксперименте, вероятно, не был элементарным нихонием, а гидроксидом нихония, и для дальнейшего изучения поведения элементарного нихония потребуются высокотемпературные методы, такие как вакуумная хроматография. Бром, насыщенный трибромидом бора, был предложен в качестве газа-носителя для экспериментов по химии нихония; он окисляет более легкий конгенер нихония – таллий – до таллия(III), предоставляя возможность исследовать степени окисления нихония, подобно более ранним экспериментам с бромидами элементов 5-й группы, включая сверхтяжелый дубний.