Els empèdocles moderns – Yuri Oganessian (2010) i l’element 117 – ununsepti (Uus)

L’element 117 rep la denominació provisional de “ununseptium”. Properament se li assignarà un nom definitiu. Teòricament és un element del grup 17, la qual cosa farà que es presenti, en anglès, la qüestió de si atorgar-li el sufix que, d’ençà de Humphry Davy, s’utilitza per als noms dels elements halògens. El cas és que no tenim la seguretat que l’ununsepti sigui realment un halògen. Aquest problema terminològic, relativament menor, ens recorda amb quina incertesa hem d’afrontar l’expansió de la taula periòdica. La base de la periodicitat rau principalment en l’estructura de l’escorça electrònica. Per al període 8, hom ha proposat diferents configuracions electròniques. Els elements 119 i 120 serien elements 8s. Els elements 121-155 eren superactínids, i entre ells hom ha volgut distingir entre elements 5g (superactínids de grup g) i elements 6f (superactínids de grup f). Ara bé, ja en el 1975, Burkhard Fricke assenyalava que en tota aquesta sèrie es feia difícil d’escatir a quins dels orbitals externs possibles (7d3/2, 8p1/2, 6f5/2 i 5g7/2. Els elements 156-164 es correspondrien al bloc d. Ningú no ha provat de sintetitzar cap element més enllà de l’element 126, però hi ha una literatura abundant sobre prediccions teòriques d’aquests elements. Hom ha calculat l’existència d’una illa d’estabilitat al voltant de l’isòtop 482164. Els elements 165-172 serien els que tancarien el període 8, però els càlculs teòrics mostren un encavalcament entre el període 8 i el període 9. Així els elements 165 i 166 pertocarien al bloc s (com a 9s), mentre que els elements 167-172 pertocarien pròpiament al bloc p (com a 8p).

Un possible esquema de la taula periòdica fins a l’element 184. Els períodes 8, 9 i 10, en aquest esquema, s’encavalquen. De fet, ja hem vist en els primers períodes, com l’ordre d’emplenament dels diferents orbitals alterna successivament diferents nivells: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 5f, 6d, etc.

Yuri Oganessian i la descoberta de l’ununsepti

Юрий Цолакович Оганесян

De tots els elements del període 8, el de síntesi més difícil és l’ununsepti. És lògic que també hagi estat el darrer a sintetitzar-se. Els primers intents robustos per fer possible aquesta síntesi remunten al 2004. Llavors, l’equip d’Oganessian del Laboratori Flerov de l’Institut Conjunt de Recerca Nuclear, a Dubna, va proposar a l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) un experiment basat en el bombardament d’una diana de berqueli amb ions de calci-48. L’ORNL era l’únic centre amb una capacitat suficient per a sintetitzar berqueli a una escala suficient. Però l’ORNL en aquells moments no tenia previst sintetitzar berqueli, i això va fer que l’intent quedés suspès, tota vegada que el Laboratori Flerov s’estimava més en aquelles circumstàncies centrar els esforços en la síntesi d’ununocti (amb dianes més assequibles, de californi).

És cert que hi havia altres combinacions per provar de sintetitzar ununsepti, que no passaven pel berqueli. Ara bé, a Dubna s’estimaven més treballar amb aquesta diana, perquè era la que més s’ajustava als projectils de calci-48, l’isòtop més lleuger amb un excés neutrònic tan considerable.

El GSI de Darmstadt, d’altra banda, havien pensat en alternatives a aquesta reacció, com ara 244Pu(51V,xn)295-x117 o 243Am(50Ti,xn)293-x117.

En el 2008, Oak Ridge reprengué la producció de berqueli, de manera que s’obrí una finestra per fer l’experiment proposat en el 2004. En total es generaren uns 22 mg de berqueli (fonamentalment, berqueli-249). Després de 90 dies de refredament i 90 dies de purificació química, hom disposava de material adequat. La semivida del berqueli-249, però, és de 330 dies, de manera que calia escurçar el màxim possible les etapes següent a no pas més de sis mesos.

Solució de berqueli durant el procés de confecció del material que havia de servir de diana per a la síntesi d’ununsepti. Entre el procés de la pròpia síntesi del berqueli i de la seva purificació van caldre 250 dies, un període considerable si atenem que la semivida material del berqueli-249 és de 330 dies

A mitjan del 2009, en un vol comercial de Nova York a Moscou, hom transportà en cinc contenidors de plom petites quantitats de berqueli. Les autoritats duaneres russes van refusar l’entrada d’aquests contenidors per falta de la documentació adient. La càrrega es passejà durant diversos dies, no sense abans tornar a Moscou per ser refusada en una altra ocasió. En total va fer cinc vols transatlàntics fins que en la tercera arribada a Moscou, fou acceptada, i transferida a l’Institut de Recerca de Reactors Atòmics de Dimitrovgrad.

A Dimitrovgrad, la càrrega de berqueli fou dipositada en una placa de titani, formant una pel•lícula de 300 nm de gruix. La placa fou transportada a Dubna, i col•locada en l’accelerador de partícules.

El flux de calci-48, com en altres ocasions, fou preparat a Dubna a partir de mostres de calci. Amb aquest flux començaren a bombardar la diana de berqueli el juny del 2009.

El gener del 2010 recopilaven a Dubna les dades de l’experiment. S’hi havien detectat dos tipus de cadenes d’alfa-desintegracions atribuïbles a l’ununsepti. La primera, detectada en una ocasió, es correspondria a un isòtop de nombres protònic i neutrònic senars, i consistia en sis alfa-desintegracions culminades en una fissió espontània. La segona, detectada en cinc ocasions, es corresponia a un isòtop de nombre protònic senar i de nombre neutrònic parell, integrada per tres alfa-desintegracions abans de la fissió.

En l’experiment i en l’anàlisi de dades participaren els següents investigadors:
– per l’Institut Conjunt de Recerca Nuclear de Dubna: Yu. Ts. Oganessian, F. Sh. Abdullin, S. N. Dimitriev, M. G. Itkis, Yu. V. Lobanov, A. N. Mezentsev, A. N. Polyakov, R. N. Sagaidak, I. V. Shirokovski, V. G. Subbotin, A. M. Sukhov, Yu. S. Tsyganov, V. K. Utyonkov, A. A. Voinov i G. K. Vostokin.
– pel Laboratori Nacional d’Oak Ridge: P. D. Bailey, D. E. Benker, J. G. Ezold, C. E. Porter, F. D. Riley, J. B. Roberto i K. P. Rykaczewski.
– per la Universitat de Nevada a Las Vegas: M. E. Bennett.
– pel Departament de Física i Astronomia de la Universitat de Vanderbilt a Nashville: J. H. Hamilton, A. V. Ramayya.
– pel Laboratori Nacional Lawrence de Livermore: R. A. Henderson, K. J. Moody, S. L. Nelson, D. A. Shaughnessy, M. A. Stoyer i P. A. Wilk.
– per l’Institut de Recerca de Reactors Atòmic de Dimitrovgrad: M. A. Ryabinin.

Les dades obtingudes a Dubna foren examinades a Livermore, on atribuiren els dos senyals als isòtops 294Uus i 293Uus. Calcularen que els nuclis tindrien unes semivides de l’ordre de 10-5 s, suficients per formar àtoms. El 9 d’abril del 2010 eren publicats els resultats com a “síntesi d’un nou element amb nombre atòmic de 117”.

Interpretació d’Oganessian et al. (2010) del seu experiment sobre la reacció 249Bk(48Ca,xn)297-xUus.

L’experiment no tan sols suposava la descoberta de l’element 117, sinó també la del seguit d’isòtops que formaven part de les dues cadenes d’alfa-desintegració. Aquest fet mateix impossibilitava fer ús d’experiments previs per confirmar les identificacions proposades. En el 2011, hom sintetitzà directament per primera vegada l’isòtop 289Uup, amb uns resultats similars als obtinguts en l’experiment del 2009. És simptomàtic, doncs, que el Comitè Conjunt de IUPAC/IUPAP del 2011 no arribés ni avaluar tan sols la possible descoberta de l’element 117.

En el 2012, es repetí a Dubna l’experiment, amb detecció de set àtoms d’ununsepti. Oganessian et al. (2013) obtingueren, doncs, dades addicionals, alhora que compatibles amb les de l’experiment del 2009. Ja el setembre del 2012 se sentiren amb prou forces com per donar per confirmada la descoberta de l’element 117.

En el 2014, en el marc d’una col•laboració entre l’ORNL i el GSI de Darmstadt es repetí el bombardament de berqueli-249 amb calci-48, amb detecció de dos àtoms, mercès a la qual Khuyagbaatar et al. (2014) confirmaven la descoberta de l’ununsepti.

El 30 de desembre del 2015, el Comitè Conjunt de la IUPAC i IUPAP reconeixia la descoberta dels elements que romanien encara per completar el període setè: 113, 115, 117 i 118. La descoberta de l’element 117 era atribuïda a la col•laboració formada per Dubna, Livermore i Oak Ridge, i els encomanava de proposar un nom i un símbol per a l’element.

De moment, no s’ha fet oficial cap proposta de denominació, i ni tan sols hi ha gaire rumors. Com ja s’ha dit una qüestió pendent és si els descobridors, en fer la proposta en anglès, faran servir el sufix “-ine” tradicionalment associat amb els halògens.

L’ununsepti: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard de l’ununsepti és de 294 uma, corresponent a la de l’isòtop de semivida més llarga. Val a dir, però, que ara tan sols es coneixen dos isòtops d’aquest element:
– ununsepti-293 (293Uus; 293,20824 uma). Nucli format per 117 protons i 176 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,022 s. Decau a ununpenti-289, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Fou sintetitzat originàriament en el 2009.
– ununsepti-294 (294Uus; 294,21046 uma). Nucli format per 117 protons i 177 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,051 s. Decau a ununpenti-290, amb emissió d’un nucli d’heli-4. Fou sintetitzat originàriament en el 2009.

Pel que fa als isòtops més pesants, encara no descoberts, la síntesi és encara més difícil. L’isòtop més estable seria l’ununsepti-296, amb una semivida de 40 ms. Per a isòtop més pesants, a partir de l’ununsepti-301, l’alfa-desintegració es fa més i més rara, i domina la beta-desintegració, especialment quan arribem a l’ununsepti-335.

L’àtom neutre d’ununsepti conté 117 electrons, amb una configuració basal d’escorça teòrica de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f146s26p66d107s27p5. És un transactínid, concretament l’eka-àstat, és a dir l’element del període 7 per al grup 17 (el grup dels halògens), dins del bloc p. Hom dubta però si es tractaria d’un element realment halògen o d’un metal•loid. Com a element radioactiu purament artificial, de síntesi tan difícil, el coneixement empíric és extraordinàriament limitat. Els estats d’oxidació més habituals serien +3 i +1, encara que també el trobaríem amb +5 i -1. El radi atòmic seria de 1,38•10-10 m.

En condicions estàndards de pressió i temperatura, l’ununsepti elemental es presentaria en forma de sòlid, amb una densitat de 7100-7300 kg•m-3.

En condicions estàndards de pressió, l’ununsepti elemental fondria a 623-823 K, i bulliria a 883 K.

La reactivitat de l’ununsepti és segurament diferent de la dels halògens menys pesants. Si en els halògens clàssics, la configuració electrònica de valença és de ns2np5, en el cas de l’ununsepti és de 7s27p1/227p3/23.

Nivells energètics per als orbitals més externs de l’àstat i de l’ununsepti

Ara com ara, però, no hi ha hagut experiments de caracterització química de l’ununsepti. Més enllà dels pocs àtoms que se n’han sintetitzat a Dubna, a Darmstadt o a d’altres laboratoris especialitzats, no se sap de la presència d’aquest element a la natura.

La síntesi de l’ununsepti

L’única reacció practicada doncs amb èxit per a la síntesi d’ununsepti és una reacció de fusió en calent, 249Bk(48Ca,xn)297-xUus. Aquesta reacció fou assajada per primera vegada a Dubna en un experiment de set mesos (juliol del 2009 – febrer del 2010) amb producció d’un àtom de 294Uus i de cinc àtoms de 293117. En un segon experiment, realitzat el maig del 2010 a Dubna, se’n detectaren dos àtoms més de 294Uus. En el 2014, a Darmstadt, la reacció fou reproduïda, amb detecció de dos àtoms de 294Uus.

Existeix un ventall de reaccions possibles per aconseguir la síntesi d’aquests i d’altres isòtops d’ununsepti, però cap no ha estat assajada:
153Eu(136Xe,xn)289-xUus.
208Pb(81Br,xn)289-xUus.
209Bi(82Se,xn)291-xUus.
232Th(59Co,xn)291-xUus.
231Pa(58Fe,xn)289-xUus.
238U(55Mn,xn)293-xUus.
237Np(54Cr,xn)291-xUus.
244Pu(51V,xn)295-xUus.
243Am(50Ti,xn)293-xUus.
248Cm(45Sc,xn)293-xUus.
250Cm(45Sc,xn)295-xUus.
249Cf(41K,xn)290-xUus.
252Cf(41K,xn)293-xUus.
253Es(40Ar,xn)293-xUus.

La síntesi directa d’isòtops més pesants de l’ununsepti (>295) resulta força prohibitiva, i és possible que hom arribi abans a adquirir-los abans com a subproductes de la síntesi dels elements 119 o 121. La síntesi d’aquests elements ha estat assajada, però sense cap detecció confirmada.

Per fer estudis bàsics sobre la química de l’ununsepti serà necessari arribar a aquests isòtops més pesants i amb una semivida no tan breu.

De moment, però, cal remarcar que la recerca feta en la síntesi d’ununsepti ha permès la descoberta indirecta d’un seguit d’isòtops d’elements més lleugers (meitneri-277 en el 2013, laurenci-266 en el 2014) i a tindre més dades sobre el possible nombre neutrònic màgic de 184, i el seu paper en l’estructura dels nuclis atòmics superpesants.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: