Оганесон

Оганесон — химический элемент 18-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы восьмой группы, или группы благородных газов) седьмого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 118. Относится к семейству благородных газов. Обозначается символом Og (от лат. Oganesson). Является самым тяжёлым синтезированным элементом, а также элементом с наибольшим атомным номером, официально признанным Международным союзом теоретической и прикладной химии (IUPAC). Все изотопы оганесона крайне нестабильны и радиоактивны.

История открытия

Предпосылки и первые попытки

Теоретическая возможность существования элемента с атомным номером 118 обсуждалась ещё в середине XX века в рамках гипотезы об «островке стабильности» сверхтяжёлых ядер. Согласно этой гипотезе, некоторые изотопы элементов с определённым числом протонов и нейтронов (магические числа) могут обладать повышенной стабильностью по сравнению с соседними элементами.

Первые экспериментальные попытки синтеза 118-го элемента предпринимались в 1970-х годах в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне (Россия) и в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США), однако они не увенчались успехом. В 1999 году группа учёных из Ливерморской национальной лаборатории (США) заявила об открытии элементов 116 и 118, но в 2002 году это заявление было отозвано после обнаружения фальсификации данных.

Синтез в ОИЯИ

Успешный синтез элемента 118 был впервые осуществлён в 2002 году в Лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флёрова ОИЯИ в Дубне. Работа велась под руководством академика Юрия Цолаковича Оганесяна. В эксперименте использовался циклотрон У-400, на котором ускоренные ионы кальция-48 (48Ca) бомбардировали мишень из калифорния-249 (249Cf). Реакция проходила по схеме:

249Cf + 48Ca → 294Og + 3n

В результате было зарегистрировано образование одного ядра изотопа оганесона-294 с периодом полураспада около 0,89 миллисекунды. Этот результат был подтверждён в ходе повторных экспериментов в 2005 году, когда было синтезировано ещё два ядра. В 2006 году результаты были опубликованы в рецензируемом журнале Physical Review C.

Признание и название

Открытие элемента 118 было официально признано IUPAC в 2011 году, одновременно с признанием открытия элементов 114 (флеровий) и 116 (ливерморий). Первоначально элементу было присвоено временное систематическое название унуноктий (Uuo) — от латинских числительных «один-один-восемь».

В 2016 году IUPAC утвердил постоянное название оганесон (Oganesson) в честь Юрия Цолаковича Оганесяна за его выдающийся вклад в синтез сверхтяжёлых элементов. Это второй случай в истории, когда элемент был назван в честь учёного при его жизни (первым был сиборгий, названный в честь Гленна Сиборга). Символ элемента — Og.

Физические и химические свойства

Положение в периодической системе

Оганесон завершает седьмой период периодической таблицы и является шестым благородным газом. По своим химическим свойствам он должен быть близок к радону, однако из-за релятивистских эффектов (влияния скорости электронов, близкой к скорости света, на их энергию) его поведение может существенно отличаться от лёгких аналогов.

Предполагаемые свойства

Экспериментальное изучение химических свойств оганесона крайне затруднено из-за его чрезвычайно малого времени жизни (миллисекунды) и крайне низких выходов в реакциях синтеза (единицы атомов за несколько месяцев работы ускорителя). Все данные о его свойствах основаны на теоретических расчётах.

• Агрегатное состояние: Вопреки названию «благородный газ», оганесон, вероятно, является твёрдым веществом при нормальных условиях. Это связано с очень сильным релятивистским сжатием электронных оболочек, что приводит к высокой поляризуемости атома и, как следствие, к сильным межмолекулярным взаимодействиям (силам Лондона). По оценкам, температура кипения оганесона может составлять около 350–380 К (77–107 °C), что делает его самым тяжёлым и, вероятно, жидким или твёрдым при комнатной температуре благородным газом.
• Химическая активность: Предполагается, что оганесон может быть значительно более химически активным, чем радон. Релятивистские эффекты дестабилизируют заполненную 7p-электронную оболочку, что делает возможным образование химических связей. Расчёты показывают, что оганесон может реагировать с фтором с образованием дифторида OgF₂, а также образовывать соединения с кислородом и хлором. В отличие от лёгких благородных газов, для оганесона предсказывается положительная степень окисления, вплоть до +6.
• Энергия ионизации: Из-за релятивистских эффектов энергия ионизации оганесона (первый потенциал ионизации) оценивается примерно в 860–900 кДж/моль, что ниже, чем у радона (1037 кДж/моль), и сопоставимо с энергией ионизации ртути.

Изотопы

Наиболее стабильным из известных изотопов является оганесон-294 (294Og). Он испытывает альфа-распад с периодом полураспада около 0,89 миллисекунды, превращаясь в ливерморий-290. Другие изотопы оганесона не обнаружены.

Получение

Оганесон получают исключительно искусственным путём в ходе реакций ядерного синтеза. На сегодняшний день единственным местом, где был синтезирован этот элемент, является Лаборатория ядерных реакций имени Г. Н. Флёрова ОИЯИ в Дубне (Россия). Процесс синтеза включает в себя:

1. Получение мишени: Мишень изготавливается из высокообогащённого изотопа калифорния-249 (249Cf). Калифорний является трансурановым элементом, его получают в ядерных реакторах путём длительного нейтронного облучения плутония или кюрия.
2. Ускорение ионов: Ионы кальция-48 (48Ca) ускоряются на циклотроне до энергии, достаточной для преодоления кулоновского барьера ядра калифорния.
3. Бомбардировка: Пучок ускоренных ионов направляется на вращающуюся мишень из калифорния.
4. Сепарация и детектирование: Образовавшиеся ядра-продукты реакции отделяются от пучка и других продуктов с помощью масс-сепаратора. Затем они регистрируются детекторами, которые фиксируют альфа-распад и другие характеристики ядер.

Выход реакции крайне мал: за несколько месяцев непрерывной работы ускорителя удаётся синтезировать всего несколько атомов оганесона.

Значение и применение

В настоящее время оганесон не имеет практического применения. Его значение заключается исключительно в фундаментальной науке:

• Проверка границ периодической системы: Изучение оганесона позволяет проверить теоретические модели строения атомного ядра и электронных оболочек в условиях экстремально высокого заряда ядра.
• Исследование релятивистских эффектов: Оганесон является идеальным объектом для изучения влияния релятивистских эффектов на химические свойства элементов. Экспериментальное подтверждение или опровержение предсказаний о его необычных свойствах (например, твёрдое состояние) станет важным шагом в развитии квантовой химии.
• Поиск «островка стабильности»: Синтез оганесона и его соседей по периодической системе (флеровий, ливерморий, московий, теннессин) приближает учёных к гипотетическому «островку стабильности» — области сверхтяжёлых ядер с магическими числами нейтронов, которые могут иметь периоды полураспада в тысячи и миллионы лет.

Источники

1. Oganessian, Yu. Ts., et al. "Synthesis of the isotopes of element 118 in the 249Cf+48Ca reaction." Physical Review C 74.4 (2006): 044602.
2. Oganessian, Yu. Ts. "Heaviest nuclei from 48Ca-induced reactions." Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 34.4 (2007): R165.
3. "Discovery of the elements with atomic numbers 113, 115, 117, and 118." Pure and Applied Chemistry 88.1-2 (2016): 155-160.
4. Schwerdtfeger, P., et al. "Relativity and the chemistry of the superheavy elements." Chemical Reviews 115.10 (2015): 4407-4449.
5. Nash, C. S. "Atomic and molecular properties of elements 112, 114, and 118." The Journal of Physical Chemistry A 109.15 (2005): 3493-3500.