Коперниций

Коперниций — химический элемент 12-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы второй группы) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 112. Обозначается символом Cn (от лат. Copernicium). Относится к трансактиноидам и является искусственно синтезированным радиоактивным элементом. В стандартных условиях предположительно является жидким металлом, однако его физические и химические свойства изучены крайне мало из-за короткого периода полураспада и малых количеств полученного вещества.

История открытия

Синтез

Впервые коперниций был синтезирован 9 февраля 1996 года в Центре исследования тяжёлых ионов (GSI, Дармштадт, Германия). Группа учёных под руководством Петера Армбрустера и Зигурда Хофмана бомбардировала мишень из свинца-208 ускоренными ионами цинка-70. В результате реакции слияния ядер был получен единственный атом изотопа коперниция-277 с периодом полураспада около 0,24 миллисекунды.

Реакция синтеза: 208Pb + 70Zn → 277Cn + n.

В 2000 году та же группа подтвердила синтез, получив ещё несколько атомов. Позднее, в 2004 году, коперниций был также синтезирован в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна, Россия) в реакции слияния кальция-48 и плутония-244, что позволило получить более долгоживущий изотоп — 285Cn (период полураспада около 30 секунд).

Название

Первоначально элемент получил временное систематическое название унунбий (Uub) — от латинских числительных «один-один-два». В 2009 году Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) утвердил название «коперниций» в честь астронома Николая Коперника. Символ элемента был изменён с Cp на Cn, так как символ Cp ранее использовался для обозначения химического соединения циклопентадиенил.

Изотопы

На данный момент известно несколько изотопов коперниция с массовыми числами от 277 до 285. Все они радиоактивны и распадаются преимущественно путём альфа-распада или спонтанного деления. Наиболее стабильным является изотоп 285Cn с периодом полураспада около 30 секунд. Изотоп 283Cn имеет период полураспада около 4 секунд. Остальные изотопы живут от долей миллисекунды до нескольких секунд.

Физические и химические свойства

Предсказанные свойства

Из-за чрезвычайно малого количества полученного вещества (единичные атомы) и короткого времени жизни экспериментальное изучение свойств коперниция крайне затруднено. Большинство данных о его свойствах основано на теоретических расчётах и экстраполяции в рамках периодического закона.

Коперниций, как член 12-й группы, предположительно является «постпереходным» металлом. Ожидается, что он будет иметь плотность около 23,7 г/см³, что делает его одним из самых плотных элементов (сравнимо с осмием и иридием). Температура плавления оценивается примерно в 110 °C, а температура кипения — в 60 °C (по другим данным — около 357 °C). Таким образом, при стандартных условиях коперниций может быть жидким металлом, аналогично ртути (Hg) и галлию (Ga).

Релятивистские эффекты

На химические свойства коперниция сильно влияют релятивистские эффекты — явления, возникающие из-за высоких скоростей движения электронов вблизи массивного ядра. Эти эффекты приводят к сжатию и стабилизации 7s-орбиталей, а также к дестабилизации 6d-орбиталей. В результате ожидается, что коперниций будет проявлять свойства, отличные от его более лёгких аналогов — цинка, кадмия и ртути. В частности, он может быть менее летучим, чем ртуть, и проявлять более благородный характер (то есть быть менее реакционноспособным).

Экспериментальные данные

Первые химические эксперименты с коперницием были проведены в 2007 году в ОИЯИ (Дубна) и в 2010 году в GSI (Дармштадт). Исследователи изучали адсорбцию атомов коперниция на поверхности золота. Результаты показали, что коперниций ведёт себя как летучий металл, подобно ртути, но его адсорбционные свойства указывают на более сильные релятивистские эффекты, чем предполагалось ранее. В частности, было установлено, что коперниций образует более слабые связи с золотом, чем ртуть, что подтверждает его «благородный» характер.

Получение

Коперниций получают исключительно в ядерных реакциях слияния. Наиболее распространённые методы:

1. Реакция с цинком-70: 208Pb + 70Zn → 277Cn + n. Используется в GSI.
2. Реакция с кальцием-48: 244Pu + 48Ca → 285Cn + 3n (и другие варианты). Используется в ОИЯИ.

Выход реакции крайне мал: для получения одного атома коперниция требуется несколько дней или недель непрерывной бомбардировки мишени. Полученные атомы отделяются от продуктов реакции с помощью электромагнитных сепараторов и детектируются по их радиоактивному распаду.

Применение

В настоящее время коперниций не имеет практического применения из-за его чрезвычайно малого количества, короткого времени жизни и высокой стоимости получения. Его изучение представляет исключительно научный интерес для фундаментальной ядерной физики и химии. Исследования коперниция помогают уточнять модели ядерных реакций, проверять теории релятивистских эффектов и расширять границы периодической таблицы.

Интересные факты

• Коперниций — один из немногих элементов, названных в честь учёного, не являющегося химиком (Николай Коперник был астрономом).
• Первоначально предложенный символ Cp был отклонён, так как он совпадал с обозначением циклопентадиенильного аниона в металлоорганической химии.
• Из-за релятивистских эффектов коперниций может быть первым элементом 12-й группы, который не образует стабильных соединений с галогенами (например, CnCl2), что отличает его от цинка, кадмия и ртути.
• В 2010 году группа учёных из GSI и ОИЯИ впервые провела химические эксперименты с коперницией, измерив его адсорбционную энтальпию на золоте, что позволило оценить его летучесть.

Источники

• Hoffman, D. C., Ghiorso, A., & Seaborg, G. T. (2000). The Transuranium People: The Inside Story. World Scientific.
• Oganessian, Yu. Ts., et al. (2004). Synthesis of the isotopes of element 112 in the 244Pu+48Ca reaction. Physical Review C, 70(6), 064609.
• Eichler, R., et al. (2007). Chemical characterization of element 112. Nature, 447(7140), 72–75.
• IUPAC (2009). Element 112 is named Copernicium. Pure and Applied Chemistry, 81(8), 1531–1544.
• Schädel, M. (2006). Chemistry of the superheavy elements. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 364(1841), 383–399.