Новые химические элементы таблицы Д.И.Менделеева

Цель: Изучить новые химические  элементы, подтвержденные в  2016 году и внесенные в таблицу Д.И.Менделеева.

Задачи: 

1. Изучить способы получения новых элементов
2. Выяснить названия свойства элементов № 113, № 115, № 117, № 118
3. Узнать значение открытие новых элементов

Методы исследования: изучение научной литературой  

Периодическая система химических элементов (таблица Менделеева) представляет собой классификацию химических элементов, устанавливающую зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Первоначальный вариант таблицы был разработан Д. И. Менделеевым в 1869–1871 годах и включал 63 элемента. За последние 50 лет периодическая таблица Менделеева пополнилась 17 новыми элементами (порядковые номера 102-118). Российскими учеными из ОЯИЯ было открыто девять элементов, в том числе пять сверхтяжелых элементов за последние 10 лет.

Открытие новых элементов Периодической таблицы Менделеева всегда вызывает интерес у широкой публики. Ведь сейчас за этими открытиями стоят сложные исследования в ядерной физике и радиохимии, о которых многие не имеют представления.

В настоящее время новые элементы получают только на ускорителях тяжелых ионов. (Ранее их обнаруживали в земных минералах, продуктах ядерных реакторов и ядерных взрывов.) Тяжелыми ионами, ускоренными в циклотронах или линейных ускорителях, бомбардируют мишени из тяжелых элементов, и в результате реакции слияния с испусканием одного или нескольких нейтронов синтезируется новый элемент с порядковым номером (зарядом ядра) — суммой зарядов ядер налетающего иона и ядра мишени. Затем образующиеся ядра претерпевают радиоактивный распад. Для синтеза наиболее устойчивых изотопов выбирают такие комбинации ядер, в которых содержится по возможности большее число нейтронов и составные ядра имеют низкую энергию возбуждения. Выход получаемых тяжелых элементов чрезвычайно мал — отдельные атомы или десятки атомов, иногда за месяцы облучения на ускорителе. Период полураспада — секунды, а иногда и доли миллисекунд. Довольно сложно выделить ядра новых элементов из всей смеси образующихся продуктов ядерных реакций и правильно идентифицировать полученные продукты. Для этого создаются специальные установки, которые в результате регистрируют цепочку распадов с испусканием альфа-частиц и образованием изотопов более легких элементов, иногда цепочка оканчивается спонтанным делением ядра.

В нашей стране начиная с 1950-х годов работы по синтезу новых элементов на ускорителях тяжелых ионов проводились в Дубне под руководством акад. Г. Н. Флёрова (1913–1990) — основателя этого направления. Сейчас эти работы проводятся под научным руководством акад. Ю. Ц. Оганесяна. В мире существует лишь несколько ускорителей и установок, где можно получать трансактиноидные элементы (т. е. элементы с зарядом ядра Z более 103).

30 декабря 2016 года ИЮПАК выпустил официальный пресс-релиз, посвященный открытию новых химических элементов с атомными номерами    № 113, № 115, № 117 и № 118.

Официально объявлено, что ИЮПАК по результатам работы совместного комитета Международного союза теоретической и прикладной химии и Международного союза теоретической и прикладной физики утвердил открытие новых химических элементов Периодической таблицы Д.И.Менделеева с атомными номерами 113, 115, 117 и 118.

По результатам работы совместного комитета Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) и Международного союза теоретической и прикладной физики (IUPAP) было утверждено открытие новых химических элементов Периодической таблицы Д.И.Менделеева с атомными номерами 113, 115, 117 и 118.

Приоритет в открытии признан:

113  элемент ― коллаборация института РИКЕН (Япония);

115 и 117 элементы ― коллаборация Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна, Россия), Ливерморской национальной лаборатории (LLNL, США) и Окриджской национальной лабораторией (ORNL, США);

118 элемент ― коллаборация  ОИЯИ (Дубна, Россия) и  LLNL (США).

Синтез 115, 117 и 118 элементов осуществлен в Дубне в ОИЯИ на ускорительном комплексе У-400 Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флерова  в реакциях ускоренных ионов Са-48 с актинидными мишенями (америций-243 ― 115 элемент, берклий-249 ― 117 элемент, калифорний-249 ― 118 элемент).  

Установление приоритета — непростая задача, так как неточности в первых сообщениях об открытии в какой-то мере неизбежны. Вопрос — какие неточности существенны, а какие можно принять и насколько выводы авторов обоснованны. Решение IUPAC основывалось на отчетах объединенной рабочей группы экспертов (Joint Working Party, JWP) и разработанных ранее критериях открытия. Согласно существующей практике авторам предоставляется право предложить названия новых элементов.

Приоритетные работы были опубликованы ФЛЯР ОИЯИ и RIKEN почти одновременно в 2004 году, группа из Дубны опубликовала работу даже несколько раньше. Для синтеза новых ядер в Японии использовали «холодную» реакцию слияния, бомбардируя изотопом цинка мишень из висмута 70Zn+209Bi, с образованием изотопа 278113 (время жизни — миллисекунды и десятые доли миллисекунд).

В Дубне применили более выгодную (с точки зрения выхода и периодов полураспада) ядерную реакцию ионов тяжелого изотопа кальция и америция 48Ca+243Am, которая приводит к образованию изотопов 288115 и 287115. Эти радионуклиды, испуская альфа-частицы, распадаются сначала соответственно в 284113 и 283113 (время жизни — сотни миллисекунд), а затем по цепочке в долгоживущие изотопы элемента 105 (дубния, Db). 268Db выделяли химически и затем регистрировали спонтанное деление.

Но промежуточные нуклиды в этих цепочках распада на тот момент не были известны, и их независимая физическая идентификация не проводилась. А химическое выделение и идентификацию Db на основе ионного обмена, проведенные в ФЛЯР ОИЯИ, объединенная рабочая группа посчитала неселективными и неубедительными. Также не были приняты во внимание попытки исследовать химические свойства элемента 113 методом газовой хроматографии, хотя этот метод ранее успешно использовался для изучения химии других трансактиноидных элементов. В результате заключили, что заявка Дубны в данном случае не соответствует критериям открытия элементов.

В то же время все промежуточные продукты распада синтезированного в Японии изотопа 278113 (всего 3 события за 8 лет работы) были подтверждены, в том числе в специальных экспериментах в новом исследовательском центре по тяжелым ионам Ланжо в Китае. Таким образом, приоритет в открытии элемента 113 был признан за японской группой.

Элемент получали опять же в ядерной реакции 48Ca+243Am с образованием287115 и 288115 (время жизни — десятки и сотни миллисекунд соответственно). Позднее был получен 289115 и другие изотопы этого элемента. В отличие от первого цикла химических экспериментов, которые дубнинская группа проводила самостоятельно, позднее, в 2007 году, химическое выделение продукта распада — 268Db осуществлялось уже с привлечением американских специалистов из Ливермора, и была достаточно убедительно доказана принадлежность этого элемента — продукта распада 115-го элемента — к V группе Периодической системы.

Более того, в 2013 году коллаборации из немецкого Центра исследований c тяжелыми ионами в Дармштадте (GSI) удалось повторить дубнинские результаты по получению изотопов элемента 115 в ядерной реакции 48Ca+243Am. Таким образом, приоритет в открытии элемента 115 был признан за российско-американской группой.

Элемент 117  также был синтезирован в Дубне, в ядерной реакции 48Ca+249Bk. Роль американских коллег из Окриджа в основном состояла в изготовлении уникальной мишени берклия-249, который получали на высокопоточном реакторе в ORNL. В 2010–2013 годах было зарегистрировано всего 13 цепочек распадов 293117 и 294117, причем характеристики (время жизни и энергия альфа-распада) продукта распада 289115 соответствовали данным, полученным ранее для этого радионуклида в другой ядерной реакции 48Ca+243Am. По этой причине заявка на открытие этого элемента была признана отвечающей установленным критериям.

Элемент 118 должен являться аналогом радона и других инертных газов, и его открытие завершает седьмой период таблицы Менделеева

В 2002–2012 годах в Дубне при облучении мишени 249Cf ионами 48Ca было обнаружено несколько событий образования 294118 (время жизни — порядка 1 миллисекунды), сопровождающихся последовательным распадом 290Lv (ливермория), 286Fl (флеровия) и 282Cn (коперниция). Время жизни и энергии альфа-частиц этих изотопов Fl и Cn были подтверждены американской коллаборацией на циклотроне в Беркли, поэтому объединенная рабочая группа рекомендовала признать открытие.

14 июля по 10 августа 2003 года, в результате которых был получен 113-й элемен. Исследования проводились в Объединённом институте ядерных исследований (Дубна, Россия) на циклотроне У-400 с использованием дубненского газонаполненного сепаратора ядер отдачи (DGFRS) совместно с Ливерморской национальной лабораторией (США). В этих экспериментах в результате бомбардировки мишени из америция ионами кальция были синтезированы изотопы элемента 115 (в настоящее время получившего название «московий», Mc): три ядра 288Mc и одно ядро 287Mc. Все четыре ядра в результате альфа-распада превратились в изотопы элемента 113 (284Nh и 283Nh). Ядра элемента 113 претерпели дальнейший альфа-распад, превратившись в изотопы элемента 111 (рентгений). Цепочка последовательных альфа-распадов привела в результате к спонтанно делящимся ядрам элемента 105 (дубний).

В 2004 и 2005 годах в ОИЯИ (в коллаборации с Ливерморской национальной лабораторией) были проведены эксперименты по химической идентификации конечного продукта распада цепочки 288115 → 284113 → 280111 → 276109 → 272107 → 268105, долгоживущего (около 28 часов) изотопа 268Db. Эксперименты, в которых было исследовано ещё 20 событий, подтвердили синтез 115-го и 113-го элементов[15].

В соответствии с правилами  IUPAC авторами открытий были предложены  названия новых элементов.

Авторами открытия новых элементов предложены названия:

• Нихоний и символ Nh для элемента 113,
• Московий и символ Mc для элемента 115,
• Теннесин и символ Ts для элемента 117 и
• Оганессон и символ Og для элемента 118.

Отделение неорганической химии IUPAC рассмотрело и изучило эти предложения и рекомендует принять их. С этого времени отводится пять месяцев на их публичное обсуждение  до их официального утверждения  Советом IUPAC.

Рекомендации по наименованию были в последнее время пересмотрены и доведены до авторов открытий с целью оказания помощи при внесении предложений. Следуя традиции, вновь открытые элементы могут быть названы: (а) по имени мифологического персонажа или понятия (включая астрономический объект), (б) по названию минерала или аналогичного вещества, (в) по названию населенного пункта или географической области, (г) в соответствии  со свойствами элемента или (д) по имени ученого. В общем случае, наименования всех элементов должны иметь окончание, которое бы отражало и сохраняло единообразие с точки зрения истории и химической науки. В целом, это окончание “-ium” для элементов, принадлежащих группам 1-16, “-ine” элементов группы 17 и “-on” для элементов группы 18. Наконец, английские наименования новых химических элементов должны адекватно переводиться на другие основные языки.

Для элемента с атомным номером 113 авторы его открытия из RIKEN Nishina Center forAccelerator-Based Science (Japan) предложили название нихоний (nihonium) и символ Nh. Нихон ― один из вариантов японского произношения слова Япония и означает буквально «Страна восходящего солнца».  

Нихо́ний[ (лат Nihonium, Nh), ранее фигурировал под временными названиями уну́нтрий(лат. Ununtrium, Uut) или эка-таллий — химический элемент 13-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы III группы), 7 периода периодической системы.Атомный номер — 113. Атомная масса наиболее устойчивого из известных изотопов, 286Nh, с периодом полураспада 20 сек., составляет 286,182(5) а. е. м. Радиоактивен.

Первоначально для 113-го элемента использовалось систематическое название унунтрий (лат. Ununtrium), составленное из корней латинских числительных, соответствующих порядковому номеру: Ununtrium — дословно «одно-одно-третий», или сто тринадцатый).

Синтезировавшие элемент учёные из российского наукограда Дубна предлагали назвать его беккерелием (Becquerelium, Bq) в честь открывателя радиоактивности Анри Беккереля (ранее этим же названием предлагалось назвать 110-й элемент, который стал дармштадтием). Учёные из Японии предложили назвать элемент японием (Japonium, Jp), нисинанием (Nishinanium, Nh) — в честь физика Ёсио Нисина), или рикением (Rikenium, Rk) — в честь института RIKEN.

8 июня 2016 года ИЮПАК рекомендовал дать элементу название «нихоний» (Nihonium, Nh) в честь одного из двух японских вариантов самоназвания страны — Нихон, что переводится как «страна восходящего солнца». Название «нихоний» было формально утверждено на конгрессе ИЮПАК, который состоялся в июле 2017 года.

Для элемента с атомным номером 115 предложено название московий (moscovium) и символ Mc, а для элемента с атомным номером 117 ― теннесин (tennessine) и символ Ts. Оба наименования следуют традиции, они даны в честь места или географической области и предложены совместно первооткрывателями (авторами открытий) из Объединенного института ядерных исследований в Дубне (Россия), Окриджской национальной лаборатории (США), Университета Вандербильта (США) и Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (США).

Название московий отдает должное Московскому региону, оно дано в честь древней Русской земли, где находится Объединенный институт ядерных исследований, где в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флерова проведены приведшие к открытиям эксперименты с использованием Дубненского газонаполненного сепаратора ядер отдачи в сочетании с потенциалом ускорителя тяжелых ионов.

Название теннесин дано в знак признания вклада региона Теннеси, в том числе, Окриджской национальной лаборатории, Университета Вандербильта и Университета Теннеси в Ноксвилле в исследования сверхтяжелых элементов; работа включала в себя накопление и химическое выделение уникальных актинидных мишенных материалов для синтеза сверхтяжелых элементов на Высокопоточном изотопном реакторе Окриджской лаборатории (HFIR) и в Центре развития радиохимической технологии (REDC).

Для элемента с атомным номером 118 сотрудничающие команды авторов его открытия из Объединенного института ядерных исследований в Дубне (Россия) и  Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (США) предложили  название оганессон (oganesson) и символ Og. Предложение следует традиции оказания чести и отражает признание новаторского вклада профессора Юрия Оганесяна в исследование трансактинидных элементов. В числе его многих достижений ― открытие сверхтяжелых элементов и значительный прогресс в ядерной физике сверхтяжелых элементов, включая экспериментальное подтверждение существования «острова стабильности».

В истории существовал только еще один пример, когда имя элемента присваивалось действующему ученому. Элемент 106 был назван в 1997 году сиборгием (Sg) в честь Гленна Сиборга (1912–1999), лауреата Нобелевской премии, автора открытия плутония и целого ряда трансплутониевых элементов.

В целом решение IUPAC является признанием выдающегося вклада ученых ОИЯИ в открытие «острова стабильности» сверхтяжелых элементов, что является одним из важнейших достижений современной ядерной физики.

В сентябре 2004 года о синтезе изотопа 113-го элемента 278Nh в количестве одного атома объявила группа из института RIKEN, Япония. Они использовали реакцию слияния ядер цинка и висмута. В итоге за 8 лет японским учёным удалось зарегистрировать 3 события рождения атомов нихония: 23 июля 2004, 2 апреля 2005 и 12 августа 2012.

Два атома ещё одного изотопа — 282Nh — были синтезированы в ОИЯИ в 2007 году в реакции 237Np + 48Ca → 282Nh+ 3 1n].

Ещё два изотопа — 285Nh и 286Nh были синтезированы в ОИЯИ в 2010 году как продукты двух последовательных альфа-распадов теннессина.

В 2013 году атомы нихония были получены группой из Лундского университета в Институте тяжёлых ионов в ходе экспериментов, подтвердивших синтез нихония по методике, использованной российско-американской группой в Дубне. В 2015 году такой же синтез успешно повторили в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.

Воспроизведение синтеза методом холодного слияния, использованного японскими учёными, ни одна лаборатория пока не проводила в виду её низкой эффективности.

В августе 2015 года на съезде IUPAC в Пусане было объявлено, что доклад об элементах под номерами 113, 115, 117 и 118 уже подготовлен. Однако никакой подробной информации обнародовано не было. В декабре 2015 года было объявлено, что окончательное решение о приоритете открытия и названии химического элемента № 113 будет принято в январе 2016 года на заседании Международного союза теоретической и прикладной химии. При этом уже тогда сообщалось, что приоритет будет отдан команде исследователей RIKEN. Но уже 30 декабря 2015 года ИЮПАК официально признал открытие 113-го элемента и приоритет в этом учёных из RIKEN. Таким образом, 113-й элемент стал первым, открытым в Японии и вообще в азиатской стране.

Метод горячего слияния, использованный учёными из ОИЯИ, оказался намного эффективнее метода холодного слияния, использованного учёными из RIKEN, позволив получить несколько десятков атомов нихония против трёх у японцев. Кроме того, российско-американские эксперименты были успешно воспроизведены в Дармштадте и Беркли. Тем не менее, рабочая группа IUPAC/IUPAP признанала приоритет японских учёных в открытии, поскольку полученные ими лёгкие изотопы нихония в ходе своего распада превращались в хорошо изученные изотопы, в частности 266
107Bh, а распады тяжёлых изотопов нихония, получаемых методом горячего слияния, происходят через новые, никогда ранее не наблюдавшиеся изотопы. Также у рабочей группы возникли сомнения в возможности химически отличить дубний от резерфордия методом, использованным учёными ОИЯИ при анализе продуктов распада изотопов нихония и московия. 8 ноября стало известно об официальном внесении четырех новых химических элементов в периодическую таблицу Менделеева. Об этом сообщает Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC).

Таким образом, седьмой ряд переодической таблицы Менделеева теперь полностью завершен. На XX Менделеевском съезде ведущих химиков, проходившем в Екатеренбурге с 26 по 30 сентября 2016 года, директор Лаборатории ядерных рееакции имени Г.Н.Флерова в ОИЯИ Сергей Николаевич Дмитрев заявил о том, что в ближайшшее время ученые приступят к синтезу 119 и 120 элементов, которые станут первыми в восьмом периоде таблицы.

Пользу от развития определенной ветви фундаментальной науки часто невозможно предсказать. Какое научное значение может иметь результат об открытии новых элементов. С физической точки зрения эти результаты могут иметь значение для лучшего понимания ядерной структуры и ядерного взаимодействия. С 1960-х годов бурно обсуждался вопрос о существовании так называемых островов стабильности в районе зарядов ядер Z=114 и 126 как проявление оболочечной структуры ядер. Поэтому получение первых трансактиноидных элементов, которые имели гораздо больший период полураспада, чем предсказывалось старой «капельной» моделью строения ядра, было действительно принципиально важно. Сейчас в оболочечной модели никто не сомневается. Полученные результаты по новым элементам и новым изотопам позволяют уточнить существующие модели ядра и ядерных реакций. Хотя и не ожидается принципиально новых явлений, набор новых данных всегда полезен. Очевидно, что вершины острова стабильности существующими методами не достигнуть: просто нет таких комбинаций в ядерных реакциях — в получаемых изотопах не хватает нейтронов. Ранее много лет проводились попытки обнаружения в природных образцах СТЭ, которые были бы настолько долгоживущими, что могли остаться со времен образования Солнечной системы. Но эти попытки не увенчались успехом. Некогда заявленные результаты не нашли ни экспериментального, ни теоретического подтверждения.

С химической точки зрения ситуация несколько иная. Здесь действительно можно ожидать принципиально новых явлений. Дело в так называемых «релятивистских эффектах». В атомах с большим зарядом ядра электроны приобретают релятивистские скорости, и обычное уравнение Шрёдингера, используемое для описания атомов, уже не работает. В частности, знакомые всем «гантельки» р-электронов в VII-периоде претерпевают изменения, и одна из них превращается в шар. В результате электронная структура атомов меняется. У новых элементов возможно значительное отклонение химических свойств от экстраполированных по Периодической таблице и возникновение необычных химических свойств.

В отношении «релятивистских эффектов» существует много спекуляций, очевидно направленных на поднятие интереса к вопросу. Например, высказывалось предположение, что элемент 104 резерфордий (Rf) — формальный аналог титана, циркония и гафния — может оказаться p-элементом, по химическим свойствам близким к свинцу. Или заявлялось, что элемент 114 флеровий (Fl) — аналог свинца — может оказаться инертным газом. На самом деле при аккуратном рассмотрении выясняется, что, хотя атом Rf и имеет необычную конфигурацию внешней электронной оболочки (ds2p), по своим химическим свойствам это типичный d-элемент, аналог гафния. А Fl, обладая повышенной летучестью (как это следует и из любых экстраполяций), в конденсированном состоянии остается типичным металлом. Вообще, абсолютно некорректно любое отклонение от экстраполяции по Периодической системе приписывать «релятивистским эффектам»: оно может быть обусловлено совершенно другими причинами, например межконфигурационным взаимодействием.

Так или иначе, исследование релятивистских эффектов позволяет лучше понять и химические свойства давно известных и повсеместно применяемых элементов. Также это позволяет лучше разобраться в том, каким образом электронное строение атомов и молекул, которое можно рассчитать, определяет их конкретные химические свойства. Это до сих пор является далеко не до конца решенным вопросом. Дальнейшее продвижение по Периодической таблице может привести к образованию совсем новой группы элементов — g-элементов (начиная с элемента 121) с интересными свойствами. Все эти вопросы еще ждут подробного исследования.

Однако приходится отметить, что в последних открытиях исследования химических свойств новых элементов вообще не фигурируют (химически выделялся лишь продукт распада элемента 115 — элемент 105, Db, чтобы подтвердить конец цепочки распада). Но такое исследование трудно было провести ввиду низкого выхода и коротких периодов полураспада полученных изотопов. Тем не менее это возможно, хотя требует нового подхода к постановке химических экспериментов.

Открытие новых элементов дает еще один пример того, что значительные достижения российских ученых возможны в тесной коллаборации с учеными из США, Германии и других развитых стран. Именно такие работы и поднимают престиж нашей науки.

Вывод:

Признано получение химических элементов таблицы Д.И.Менделеева № 113, № 115, № 117, № 118, их названия. Изучены способы их получения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Аркадий Курамшин. Жизнь замечательных веществ. Издательская группа «АСТ», 2017 Серия: Научпоп Рунета Страниц: 400, твердый переплет, 145×215
2. Илья Леенсон. Химические элементы. Путеводитель по Периодической системе. Жанр:Общая химия, Популярные справочники, Путеводители. Дата написания: 2017
3. Любовь Вайткене. Химические элементы. Издательство:АСТ, 2016 г. 
4. http://www.jinr.ru/posts/otkrytie-novyh-himicheskih-elementov-s-nomerami-113-115-117-i-118/
5. http://www.vesti.ru/doc.html?id=2706669
6. .http://rareearth.ru/ru/news/20160104/01893.html
7. https://scientificrussia.ru/articles/nazvaniya-novyh-himicheskih-elementov-s-atomnymi-nomerami-113-115-117-i-118

Оригинал работы:

Новые химические элементы таблицы Д.И.Менделеева