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Uus

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Uus   117Uus
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Uus

(Uhs)
UusUuo
外觀
半金屬狀(預測)[1]
概況
名稱·符號·序數 Ununseptium·Uus·117
元素類別 未知
可能為鹵素類金屬金屬
·週期· 17·7·p
標準原子質量 [294]
電子排布

[] 5f14 6d10 7s2 7p5
(預測)[2]
2, 8, 18, 32, 32, 18, 7
(預測)

Uus的电子層(2, 8, 18, 32, 32, 18, 7(預測))
歷史
發現 聯合核研究所勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(2010年)
物理性質
物態 固體(預測)[2][3]
密度 (接近室温
7.1–7.3(推算)[3] g·cm−3
熔點 573–773 K,300–500 °C,572–932(預測)[2] °F
沸點 823 K,550 °C,1022(預測)[2] °F
蒸汽壓
原子性質
氧化態 −1, +1, +3, +5(預測)[2]
電離能

第一:742.9(預測)[2] kJ·mol−1

第二:1785.0–1920.1(預測)[3] kJ·mol−1
原子半徑 138(預測)[3] pm
共價半徑 156–157(推算)[3] pm
雜項
CAS號 54101-14-3
最穩定同位素

主条目:Uus的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
294Uus 人造 78+370
−36
ms
α 10.81 290Uup
293Uus 人造 14+11
−4
ms
α 11.11, 11.00, 10.91 289Uup

Ununseptium是一種人工合成的超重化學元素,其臨時符號為Uus原子序為117,也被稱為eka-或117號元素。Uus在所有人工合成元素中質量第二高,在元素週期表中位於第7週期的倒數第二位置。2010年,一個美俄聯合科學團隊在俄羅斯杜布納首次宣佈發現Uus,因此Uus是最新被發現的元素。2011年的另一項實驗直接生成了Uus的其中一種子同位素,這證實了2010年實驗的一部份結果;原先的實驗在2012成功得到重現。2014年,德國亥姆霍茲重離子研究中心也宣佈成功重現該實驗。然而,負責檢驗超重元素合成實驗的IUPAC/IUPAP聯合工作小組(JWP)尚未證實Uus是否可算作已被發現。一旦予以證實,Uus將會得到永久命名,而發現者具有命名的建議權。Ununseptium是117號元素的系統命名,作為元素獲得正式命名之前的臨時名稱。科學家一般在文獻中把它稱作117號元素,而非Ununseptium。

在元素週期表中,Uus位於17族、所有鹵素以下。[註 1]Uus的性質很可能和鹵素有顯著地差異,但其熔點沸點和第一電離能則預計遵從週期表的規律。

歷史[编辑]

發現前[编辑]

2004年,位於俄羅斯莫斯科州杜布納聯合核研究所(JINR)的一個團隊提議進行合成117號元素的實驗。該實驗以(原子序20)粒子束轟擊目標體,從而產生核聚變反應。[4]但是,美國橡樹嶺國家實驗室是世界上唯一能夠製成錇的實驗室,其團隊以產量不足為由未能提供這一元素。[4]俄羅斯團隊決定轉而用鈣轟擊目標體,嘗試合成118號元素[5]

實驗需要難以取得的錇元素,有以下的原因。要產生高能離子束,需較輕的同位素。鈣-48由20個質子和28各中子組成,是具有多個過剩中子的最輕的穩定(或近穩定)同位素。下一個具有大量過剩中子的同位素為鋅-70,其質量比鈣高出許多。要與含有20個質子的鈣結合成Uus同位素,就需要含有97個質子的錇。[6]俄羅斯研究人員從地球上自然的鈣中提取少量的鈣-48,以化學方式製成了所需的鈣離子束。[7][8]

合成的原子核將具有更高的質量,更加靠近所謂的穩定島,即理論預測中穩定性特別高的一組超重原子。然而到了2013年,質量足夠高的原子核還沒有被合成,而已經合成的同位素也比穩定島同位素具有較低的中子數。[9]

發現[编辑]

用於合成Uus的錇目標體溶液
Uus同位素的衰變鏈。箭頭旁的數字分別為半衰期衰變能量。黑色數值為實驗所得,藍色數值則是理論預測值。[10]

美國團隊在2008年重啟了製造錇的計劃,並與俄羅斯團隊建立了合作關係。[4]計劃產生了22微克的錇,足以進行合成實驗。[11]錇樣本經90天冷卻後,再經90天的化學純化過程。[12]這一錇目標體必須及時送往俄羅斯,因為錇-249的半衰期只有330天,即錇的量每330天因衰變而減半。實驗必須在目標體運輸算起的六個月之內進行,否則會因樣本量過小而無法進行。[12]2009年夏,目標體裝載在五個鉛製容器中,搭乘紐約莫斯科的航班送達俄羅斯。[12]

俄羅斯海關兩次以文件不全為由拒絕了樣本的通關,因此樣本共五次飛越大西洋,一共花費了幾天時間。[12]到達以後,它被送往烏里揚諾夫斯克州季米特洛夫格勒,固定在薄片上,然後運往杜布納,安裝在JINR粒子加速器上。這是世界上用於合成超重元素的最強大的粒子加速器。[11]

實驗在2009年6月展開,直到2010年1月,弗廖洛夫核反應實驗室的科學家在內部宣佈成功探測到原子序為117的新元素的放射性衰變:一個奇數-奇數同位素和一個奇數-偶數同位素的共兩條衰變鏈,前者經6次α衰變自發裂變,後者經3次α衰變後自發裂變。[13]2010年4月9日,團隊在《物理評論快報》上刊登了該項發現的正式報告。以上的兩條衰變鏈分別屬於294Uus和293Uus同位素,其合成反應分別為:[10]

249
97
Bk
+ 48
20
Ca
297
117
Uus
* → 294
117
Uus
+ 3 1
0
n(1個事件)
249
97
Bk
+ 48
20
Ca
297
117
Uus
* → 293
117
Uus
+ 4 1
0
n(5個事件)

在Uus被合成之前,其所有子同位素都尚未被發現,[10]所以這項結果不能用於向IUPAC/IUPAP聯合工作小組(JWP)申請證實元素的發現。Uus的其中一個衰變產物Uup-289在2011年被直接合成,其衰變性質與合成Uus時所測得的數據相符。[14]不過當JWP在2007至2011年審閱各種後元素的發現時,參與發現Uus的團隊並沒有向JWP提出申請。[15]杜布納團隊在2012又成功重現了實驗,其結果與先前的實驗吻合。[16]團隊其後提交了新元素發現的申請書,[17]JWP正在審閱這一申請。[18]

2014年5月2日,德國達姆施塔特亥姆霍茲重離子研究中心的科學家宣佈成功證實了Uus的發現。[19][20]他們亦因此發現了新的鐒-266同位素。該同位素是𨧀-270的α衰變產物(在杜布納進行的實驗中,𨧀-270進行的是自發裂變),[21][22]半衰期為11小時,是所有超重元素的已知同位素中壽命最長的。鐒-266可能就位於穩定島的「岸邊」。[23]

命名[编辑]

根據德米特里·門捷列夫對未發現元素的命名方法,117號元素可稱為「eka-」或「dvi-」。1979年,國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)發佈了有關新元素命名的建議,根據這一規則117號元素應稱為「Ununseptium」,符號為Uus。[24]在元素被發現並獲得正式永久命名之前,都會先以元素系統命名法命名。但科學家一般稱之為117號元素、(117)或117。[2]根據IUPAC目前的指引,所有新元素的正式命名都要以「-ium」結尾。所以就算Uus具有鹵素性質,其名稱也不會像其他的鹵素一樣以「-ine」結尾,如氟(Flourine)和碘(Iodine)等。[25]尚未有人正式為Uus提議命名。一旦JWP承認了元素的存在,最先發現者將擁有命名的提議權。[17]

預測的性質[编辑]

原子核穩定性及同位素[编辑]

-244是質量最高的原始元素。對於以後的元素,隨著原子序的增加,原子核的穩定性迅速下降。所有原子序超過101()的同位素都會進行半衰期不超過一天的放射性衰變,其中𨧀-268除外。原子序超過82()的元素都沒有穩定的同位素。[26]不過,原子序110()至114()的元素卻具有比預測值更高的穩定性。科學家尚未明白這一現象的原因。這一超重元素穩定性增加的現象被稱為「穩定島」,最早是由格倫·西奧多·西博格所提出的。[27]Uus是所有已合成元素中質量第二高的,其放射性半衰期小於1秒,但這仍然比發現報告中的預測值高。[10]杜布納團隊相信,這一元素的成功合成直接證明了穩定島的存在。[28]

根據計算,295Uus同位素的半衰期為18 ± 7毫秒,而且曾用於合成293Uus和294Uus的錇-鈣反應也可以用來合成295Uus。但是這一反應產生295Uus的機率最多只有產生294Uus的七分之一。[29][30][31]利用量子穿隧模型來進行的計算預測,有多個Uus的同位素都能進行半衰期長達40毫秒的α衰變,其中以296Uus最為顯著(此項研究到303Uus為止)。[32]另一項利用液滴模型的研究得出了相似的結果,而且還發現,質量比301Uus高的同位素有穩定性增加的趨勢。到了335Uus,在不考慮β衰變的情況下,其半衰期甚至超過了宇宙的年齡[33]

原子及物理性質[编辑]

Uus最外層s、p和d電子的原子能級

Uus屬於元素週期表中的17族,位於五個鹵素以下()。所有Uus以上的17族元素都具有7個價電子,形成ns2np5價電子排布。對於Uus,這一規律將會持續,價電子排布預計為7s27p5[2]所以Uus的許多性質都會和鹵素相似。但是Uus和鹵素之間還有不少顯著的差別。其中一個最大的因素是自旋-軌道作用,即電子的運動與自旋之間的相互作用。這一作用在超重元素中特別強,因為它們的電子運動速度比輕元素快得多,速率與光速相當。[34]對於Uus,該作用降低了7s和7p電子能級,這使得這些電子更加穩定。其中兩個7p電子的穩定效應比其他4個電子更強。[35]7s電子的穩定效應稱為惰性電子對效應,而把7p支殼層拆分為較穩定和較不穩定兩個部份的效應則稱為支殼層分裂。對於計算化學家來說,這種分裂相當於第二量子數角量子數l從1變為1/2和3/2,分別對應於7p支殼層的較穩定和較不穩定部份。[36][註 2]Uus的價電子排布寫法可以表現出這種分裂效應:7s2
7p2
1/2
7p3
3/2
[2]

Uus的6d電子層也有分裂的現象,形成6d3/2(4個電子)和6d5/2(6個電子)支殼層。這兩個支殼層的能量都有所提升,更為接近7s電子層,[35]但科學家並沒有預測任何涉及6s電子的化學反應。7p1/2和7p3/2層之間的距離異常高,有9.8 eV[35]砹的6p支殼層分裂只有3.8 eV,[35]而且其6p1/2化學反應已經非常有限。[37]這些原因都導致Uus的化學性質與位於其上的同族元素不同。

Uus第一電離能,即從原子移除一顆電子所需的能量,預測為7.7 eV。這比上面的鹵素低,延續了週期表的趨勢。[2]它的電子親和能將會是17族中最低的,預測值為2.6或1.8 eV,這同樣符合規律。[2]當Uus處於類氫原子狀態時(即只含有一顆電子),其電子的運動速度極快,相對論效應使它的質量增加至靜止電子的1.9倍。砹的這一數值為1.27,而碘則是1.08。[38]根據相對論定律簡單地推算,可間接得出原子半徑的收縮。[38]不過,更詳細的計算卻顯示,形成了一個共價鍵的Uus原子的半徑為165 pm,而砹則是147 pm。[39]當移除了7顆外層電子後,Uus才比砹更小:Uus半徑變為57 pm,[2]砹則是61 pm。[40]

Uus的熔點沸點尚未有確切的預測值。早期論文估計,熔點為350至500 °C,沸點在550 °C;[2]另有估計熔點為350至550 °C,沸點為610 °C。[41]這些數值都比砹高,這與週期表趨勢相符。之後的一篇論文則預計Uus的沸點為345 °C[42](砹的沸點估值有309 °C、[43]337 °C[44]和370 °C,[45]但實驗值有230 °C[46]和411 °C[40])。密度預計在7.1和7.3 g·cm−3之間,這將延續鹵素密度上升的趨勢。[3]

化學性質[编辑]

IF3具有T形構造。
UusF3預計具有三角形構造。

17族中位於Uus以上的元素通常會接受一顆電子,以達致穩定的惰性氣體電子排布。這種排布中,價電子殼層含有8個電子,形成具有最低能量的八隅體構造。[47]該族元素形成八隅體的能力隨著原子序的增加而降低,因此Uus將會是17族中最不易接受一個電子的元素。在Uus預測能夠形成的氧化態中,−1態是最不常見的。[2]

兩個Uus原子預計會形成Uus–Uus鍵,與鹵素一樣形成雙原子分子。根據計算,At2分子中的σ鍵具有很強的反鍵性質;而Uus預計會持續這一趨勢,Uus2分子會有較強的π鍵性質。[2][48]UusCl分子會以單個π鍵鍵合。[48]

除了不穩定的−1態之外,預測Uus還能夠形成+5、+3和+1態。其中+1態應該是最為穩定的,因為最外層7p3/2電子的去穩定作用使它形成穩定的半滿支殼層排布;[2]砹有著類似的特性。[49]+3態同樣因7p3/2電子的去穩定作用而十分重要。[41]根據預測,+5態將非常罕見,因為7p1/2電子具有(反向)穩定作用。[2]計算並沒有得出+7態的存在。而且由於7s電子的穩定性很強,所以有科學家認為Uus的價電子核心可能只有5個電子。[50]

最簡單的Uus化合物是它的氫化物UusH。這一化合鍵是由Uus的7p3/2電子和氫的1s電子所形成的。UusH會延續鹵素氫化物的趨勢,與氫化砹(AtH)相比,其鍵長更長,離解能也更高。[2]然而在自旋-軌道作用下,UusF分子的離解能也有所提高。這是因為這一鍵合降低了Uus的電負性,使它與電負性極高的所形成的鍵更似一個離子鍵[51]UusF很可能是17族元素的一氟化物中鍵合最強的一個。[51]

價層電子對互斥理論預測,17族的三氟化物都會具有T形分子結構。所有已知的鹵素的三氟化物都有這種分子結構:AX3E2,即三個配位體(X)和兩個孤電子對(E)圍繞著一個中心原子(A)。如果不考慮相對論效應,UusF3應該會和較輕同系物一樣具有彎曲T形分子結構。不過,Uus的7s殼層電子應該不會參與任何化學反應,所以價層電子對互斥理論所預測的是一種三方金字塔形分子結構(AX3E1)。更加細緻複雜的理論則顯示,這一分子結構並不是UusF3的最佳能量狀態。這些理論所預測的是三方平面分子結構(AX3E0)。價層電子對互斥理論有可能無法準確預測超重元素的化合物分子結構。[50]另外,自旋-軌道作用大大加強了UusF3分子的穩定性。這可能是因為,Uus和氟之間電負性的巨大差異造成分子呈現一些離子的性質。[50]

備註[编辑]

  1. ^ 17族指,即以為首的一整列。17族與鹵素並不相同:鹵素只包括17族中的氟、
  2. ^ 這一量子數所表示的是電子殼層中的字母:0就是s,1就是p,2就是d,如此類推。

參考資料[编辑]

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