Bohrium - Bohrium

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	Visualisierung einer erfolglosen Kernfusion, basierend auf Berechnungen der Australian National University

Bohrium, ₁₀₇ Bh
Bohrium
Aussprache	/ B ɔːr i ə m / ( hören ) ( BOR -ee-əm )
Massenzahl	[270] (unbestätigt: 278)
Bohrium im Periodensystem
	seaborgium ← bohrium → hassium
Ordnungszahl ( Z )	107
Gruppe	Gruppe 7
Zeitraum	Zeitraum 7
Block	D-Block
Elektronenkonfiguration	[ Rn ] 5f 14 6d 5 7s 2
Elektronen pro Schale	2, 8, 18, 32, 32, 13, 2
Physikalische Eigenschaften
Phase bei STP	unbekannte Phase (vorhergesagt)
Dichte (nahe rt )	26–27 g/cm 3 (vorhergesagt)
Atomare Eigenschaften
Oxidationsstufen	( +3 ), ( +4 ), ( +5 ), +7 (in Klammern: Vorhersage )
Ionisierungsenergien
Atomradius	empirisch: 128 pm (vorhergesagt)
Kovalenter Radius	141 Uhr (geschätzt)
Andere Eigenschaften
Natürliches Vorkommen	Synthetik
Kristallstruktur	hexagonal dicht gepackten (hcp) ; (vorhergesagt)
CAS-Nummer	54037-14-8
Geschichte
Benennung	nach Niels Bohr
Entdeckung	Gesellschaft für Schwerionenforschung (1981)
Haupt Isotope von bohrium
	Kategorie: Bohrium; Aussicht; sprechen; bearbeiten; \| Verweise

Bohrium ist ein synthetisches chemisches Element mit dem Symbol Bh und der Ordnungszahl 107. Es ist nach dem dänischen Physiker Niels Bohr benannt . Als synthetisches Element kann es im Labor hergestellt werden, kommt aber in der Natur nicht vor. Alle bekannten Isotope von Bohrium sind extrem radioaktiv ; das stabilste bekannte Isotop ist ²⁷⁰ Bh mit einer Halbwertszeit von ungefähr 61 Sekunden, obwohl die unbestätigten ²⁷⁸ Bh eine längere Halbwertszeit von ungefähr 690 Sekunden haben können.

Im Periodensystem ist es ein D-Block- Transactinid-Element . Es ist ein Mitglied der 7. Periode und gehört als fünftes Mitglied der 6. Reihe von Übergangsmetallen zu den Elementen der Gruppe 7 . Chemische Experimente haben bestätigt, dass sich Bohrium als das schwerere Homolog zu Rhenium in Gruppe 7 verhält . Die chemischen Eigenschaften von Bohrium sind nur teilweise charakterisiert, aber sie lassen sich gut mit der Chemie der anderen Elemente der Gruppe 7 vergleichen.

Einführung

Eine grafische Darstellung einer Kernfusionsreaktion . Zwei Kerne verschmelzen zu einem und emittieren ein Neutron . Die Reaktionen, die zu diesem Zeitpunkt neue Elemente erzeugten, waren ähnlich, mit dem einzigen möglichen Unterschied, dass manchmal mehrere singuläre Neutronen oder gar keine freigesetzt wurden.

Die schwersten Atomkerne entstehen in Kernreaktionen, bei denen zwei andere Kerne ungleicher Größe zu einem zusammengefasst werden; grob gesagt, je ungleicher die beiden Kerne in Bezug auf die Masse sind, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die beiden reagieren. Das Material aus den schwereren Kernen wird zu einem Target, das dann mit dem Strahl leichterer Kerne beschossen wird . Zwei Kerne können nur dann zu einem verschmelzen, wenn sie sich nahe genug annähern; Normalerweise stoßen sich Kerne (alle positiv geladen) aufgrund elektrostatischer Abstoßung gegenseitig ab . Die starke Wechselwirkung kann diese Abstoßung überwinden, aber nur in sehr kurzer Entfernung von einem Kern; Strahlkerne werden somit stark beschleunigt , um eine solche Abstoßung im Vergleich zur Geschwindigkeit des Strahlkerns unbedeutend zu machen. Die Annäherung zweier Kerne allein reicht nicht aus, um zu verschmelzen: Wenn sich zwei Kerne nähern, bleiben sie normalerweise für etwa 10 ⁻²⁰ Sekunden zusammen und trennen sich dann (nicht unbedingt in der gleichen Zusammensetzung wie vor der Reaktion) anstatt einen einzigen zu bilden Kern. Wenn eine Fusion stattfindet, ist die vorübergehende Verschmelzung – als zusammengesetzter Kern bezeichnet – ein angeregter Zustand . Um seine Anregungsenergie zu verlieren und einen stabileren Zustand zu erreichen, spaltet ein zusammengesetzter Kern entweder oder stößt ein oder mehrere Neutronen aus , die die Energie wegtragen . Dies geschieht etwa 10 ^–16 Sekunden nach der ersten Kollision.

Der Strahl durchdringt das Target und erreicht die nächste Kammer, den Separator; wenn ein neuer Kern entsteht, wird er mit diesem Strahl getragen. Im Separator wird der neu gebildete Kern von anderen Nukliden (dem des ursprünglichen Strahls und allen anderen Reaktionsprodukten) getrennt und zu einem Oberflächenbarrierendetektor transportiert , der den Kern stoppt. Der genaue Ort des bevorstehenden Aufpralls auf den Detektor ist markiert; ebenfalls gekennzeichnet sind seine Energie und der Zeitpunkt der Ankunft. Die Übertragung dauert ca. 10 ^-6 Sekunden; um entdeckt zu werden, muss der Kern so lange überleben. Sobald sein Zerfall registriert ist, wird der Kern erneut aufgezeichnet und der Ort, die Energie und der Zeitpunkt des Zerfalls gemessen.

Die Stabilität eines Kerns wird durch die starke Wechselwirkung gewährleistet. Seine Reichweite ist jedoch sehr kurz; wenn die Kerne größer werden, schwächt sich ihr Einfluss auf die äußersten Nukleonen ( Protonen und Neutronen) ab. Gleichzeitig wird der Kern durch elektrostatische Abstoßung zwischen Protonen zerrissen, da er eine unbegrenzte Reichweite hat. Kerne der schwersten Elemente werden daher theoretisch vorhergesagt und es wurde bisher beobachtet, dass sie hauptsächlich über Zerfallsmodi zerfallen, die durch eine solche Abstoßung verursacht werden: Alpha-Zerfall und spontane Spaltung ; diese Moden sind für Kerne superschwerer Elemente vorherrschend . Alpha-Zerfälle werden von den emittierten Alpha-Teilchen registriert , und die Zerfallsprodukte sind vor dem eigentlichen Zerfall leicht zu bestimmen; wenn ein solcher Zerfall oder eine Folge von aufeinanderfolgenden Zerfällen einen bekannten Kern ergibt, kann das ursprüngliche Produkt einer Reaktion rechnerisch bestimmt werden. Bei der spontanen Spaltung entstehen jedoch verschiedene Kerne als Produkte, so dass das ursprüngliche Nuklid nicht aus seinen Töchtern bestimmt werden kann.

Den Physikern, die eines der schwersten Elemente synthetisieren wollen, stehen somit die an den Detektoren gesammelten Informationen zur Verfügung: Ort, Energie und Ankunftszeit eines Teilchens am Detektor und die seines Zerfalls. Die Physiker analysieren diese Daten und wollen daraus schließen, dass sie tatsächlich durch ein neues Element verursacht wurden und nicht durch ein anderes Nuklid als das behauptete entstanden sein können. Oftmals reichen die bereitgestellten Daten nicht aus, um den Schluss zu ziehen, dass definitiv ein neues Element geschaffen wurde, und es gibt keine andere Erklärung für die beobachteten Effekte; Fehler bei der Interpretation der Daten wurden gemacht.

Geschichte

Element 107 wurde ursprünglich vorgeschlagen, nach Niels Bohr , einem dänischen Kernphysiker, mit dem Namen Nielsbohrium (Ns) benannt zu werden. Dieser Name wurde später von der IUPAC in Bohrium (Bh) geändert .

Entdeckung

Zwei Gruppen behaupteten , das Element entdeckt zu haben . Beweise für Bohrium wurden erstmals 1976 von einem sowjetischen Forschungsteam unter der Leitung von Yuri Oganessian gemeldet , bei dem Ziele von Wismut-209 und Blei- 208 mit beschleunigten Kernen aus Chrom- 54 bzw. Mangan- 55 beschossen wurden. Es wurden zwei Aktivitäten beobachtet, eine mit einer Halbwertszeit von ein bis zwei Millisekunden und die andere mit einer Halbwertszeit von ungefähr fünf Sekunden. Da das Verhältnis der Intensitäten dieser beiden Aktivitäten während des gesamten Experiments konstant war, wurde vorgeschlagen, dass die erste von dem Isotop Bohrium-261 und die zweite von dessen Tochter Dubnium -257 stammte . Später wurde das Dubnium-Isotop auf Dubnium-258 korrigiert, das tatsächlich eine Halbwertszeit von fünf Sekunden hat (Dubnium-257 hat eine Halbwertszeit von einer Sekunde); aber die Halbwertszeit für seine Eltern zu beobachten ist viel kürzer als die Halbwertszeit später in der endgültigen Entdeckung bohrium beobachtete bei Darmstadt im Jahr 1981. Der IUPAC / IUPAP Transfermium Arbeitsgruppe (TWG) zu dem Schluss , dass , während dubnium-258 wurde wahrscheinlich gesehen In diesem Experiment waren die Beweise für die Produktion seines Mutterstamms Bohrium-262 nicht überzeugend genug.

Im Jahr 1981 ein deutsches durch geführte Forschungsteam Peter Armbruster und Gottfried Münzenberg an dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI Helmholtzzentrum für Schwer) in Darmstadt beschossen , um ein Ziel von Wismut-209 mit beschleunigten Kernen von Chrom-54 , um 5 Atom das Isotop Bohrium-262:

²⁰⁹
₈₃Bi
+ ⁵⁴
₂₄Cr
→ ²⁶²
₁₀₇Bh
+
n

Diese Entdeckung wurde durch ihre detaillierten Messungen der Alpha-Zerfallskette der produzierten Bohriumatome zu den zuvor bekannten Isotopen von Fermium und Californium weiter untermauert . Die IUPAC /IUPAP Transfermium Working Group (TWG) hat die GSI-Kollaboration in ihrem Bericht von 1992 als offizielle Entdecker anerkannt.

Vorgeschlagene Namen

Im September 1992 schlug die deutsche Gruppe den Namen Nielsbohrium mit dem Symbol Ns vor , um den dänischen Physiker Niels Bohr zu ehren . Die sowjetischen Wissenschaftler am Joint Institute for Nuclear Research in Dubna , Russland, hatten vorgeschlagen, Element 105 (das schließlich Dubnium genannt wurde) diesen Namen zu geben, und das deutsche Team wollte sowohl Bohr als auch die Tatsache anerkennen, dass das Dubna-Team das erste war die Kalte Fusionsreaktion vorzuschlagen, um das umstrittene Problem der Benennung von Element 105 zu lösen. Das Dubna-Team stimmte dem Namensvorschlag der deutschen Gruppe für Element 107 zu.

Es gab eine Kontroverse um die Namensgebung der Elemente darüber, wie die Elemente von 104 bis 106 heißen sollten; die IUPAC hat Unnilseptium (Symbol Uns ) als temporären, systematischen Elementnamen für dieses Element angenommen. 1994 empfahl ein Komitee der IUPAC, das Element 107 Bohrium und nicht Nielsbohrium zu nennen , da es keinen Präzedenzfall für die Verwendung des vollständigen Namens eines Wissenschaftlers bei der Benennung eines Elements gab. Dies wurde von den Entdeckern abgelehnt, da einige Bedenken bestanden, dass der Name mit Bor verwechselt werden könnte und insbesondere die Namen ihrer jeweiligen Oxyanionen , Bohrate und Borate, unterschieden wurden . Die Angelegenheit wurde an die dänische IUPAC-Niederlassung übergeben, die dennoch für den Namen Bohrium stimmte , und so wurde 1997 der Name Bohrium für Element 107 international anerkannt; die Namen der jeweiligen Oxyanionen von Bor und Bohrium bleiben trotz ihrer Homophonie unverändert.

Isotope

Liste der Bohrium-Isotope
Isotop	Halbes Leben	Decay- Modus	Discovery - Jahr	Reaktion
²⁶⁰ Bh	35 ms	α	2007	²⁰⁹ Bi( ⁵² Cr,n)
²⁶¹ Bh	11,8 ms	α	1986	²⁰⁹ Bi( ⁵⁴ Cr,2n)
²⁶² Bh	84 ms	α	1981	²⁰⁹ Bi( ⁵⁴ Cr,n)
^262m Bh	9,6 ms	α	1981	²⁰⁹ Bi( ⁵⁴ Cr,n)
²⁶⁴ Bh	0,97 s	α	1994	²⁷² Rg(—,2α)
²⁶⁵ Bh	0,9 s	α	2004	²⁴³ Uhr ( ²⁶ mg, 4n)
²⁶⁶ Bh	0,9 s	α	2000	²⁴⁹ Bk( ²² Ne,5n)
²⁶⁷ Bh	17 s	α	2000	²⁴⁹ Bk( ²² Ne,4n)
²⁷⁰ Bh	61 s	α	2006	²⁸² Nh(—,3α)
²⁷¹ Bh	1,2 s	α	2003	²⁸⁷ Mc(—,4α)
²⁷² Bh	9,8 s	α	2005	²⁸⁸ Mc(—,4α)
²⁷⁴ Bh	40 s	α	2009	²⁹⁴ Ts(—,5α)
²⁷⁸ Bh	11,5 Minuten?	SF	1998?	²⁹⁰ Fl(e ⁻ ,ν _e 3α)?

Bohrium hat keine stabilen oder natürlich vorkommenden Isotope. Im Labor wurden mehrere radioaktive Isotope synthetisiert, entweder durch die Verschmelzung zweier Atome oder durch die Beobachtung des Zerfalls schwererer Elemente. Es wurden zwölf verschiedene Isotope von Bohrium mit den Atommassen 260–262, 264–267, 270–272, 274 und 278 beschrieben, von denen eines, Bohrium-262, einen bekannten metastabilen Zustand hat . Alle diese außer dem unbestätigten ²⁷⁸ Bh-Zerfall nur durch Alpha-Zerfall, obwohl vorhergesagt wird, dass einige unbekannte Bohrium-Isotope spontan spalten.

Die leichteren Isotope haben normalerweise kürzere Halbwertszeiten; Halbwertszeiten von unter 100 ms für ²⁶⁰ Bh, ²⁶¹ Bh, ²⁶² Bh und ²⁶²^m Bh wurden beobachtet. ²⁶⁴ Bh, ²⁶⁵ Bh, ²⁶⁶ Bh und ²⁷¹ Bh sind bei etwa 1 s stabiler, und ²⁶⁷ Bh und ²⁷² Bh haben Halbwertszeiten von etwa 10 s. Die schwersten Isotope sind die stabilsten, wobei ²⁷⁰ Bh und ²⁷⁴ Bh Halbwertszeiten von etwa 61 s bzw. 40 s gemessen haben, und das noch schwerere unbestätigte Isotop ²⁷⁸ Bh scheint eine noch längere Halbwertszeit von etwa 690 s zu haben.

Die protonenreichsten Isotope mit den Massen 260, 261 und 262 wurden direkt durch Kalte Fusion hergestellt, die mit den Massen 262 und 264 wurden in den Zerfallsketten von Meitnerium und Roentgenium berichtet, während die neutronenreichen Isotope mit den Massen 265, 266, 267 wurden bei Bestrahlungen von Actiniden-Targets erzeugt. Die fünf neutronenreichsten mit den Massen 270, 271, 272, 274 und 278 (unbestätigt) erscheinen in den Zerfallsketten von ²⁸² Nh, ²⁸⁷ Mc, ²⁸⁸ Mc, ²⁹⁴ Ts bzw. ²⁹⁰ Fl. Diese elf Isotope haben Halbwertszeiten im Bereich von etwa zehn Millisekunden für ^{262 m} Bh bis zu etwa einer Minute für ²⁷⁰ Bh und ²⁷⁴ Bh, bis hin zu etwa zwölf Minuten für die unbestätigten ²⁷⁸ Bh, eines der langlebigsten bekannten superschweren Nuklide.

Vorhergesagte Eigenschaften

Es wurden nur sehr wenige Eigenschaften von Bohrium oder seinen Verbindungen gemessen; Dies liegt an seiner extrem begrenzten und teuren Produktion und der Tatsache, dass Bohrium (und seine Eltern) sehr schnell zerfallen. Es wurden einige singuläre chemiebezogene Eigenschaften gemessen, aber die Eigenschaften von Bohriummetall sind unbekannt und es sind nur Vorhersagen verfügbar.

Chemisch

Bohrium ist das fünfte Mitglied der 6d-Reihe von Übergangsmetallen und das schwerste Mitglied der Gruppe 7 im Periodensystem, unterhalb von Mangan , Technetium und Rhenium . Alle Mitglieder der Gruppe zeigen leicht ihren Gruppenoxidationszustand von +7, und der Zustand wird stabiler, wenn die Gruppe absteigt. Daher wird erwartet, dass Bohrium einen stabilen +7-Zustand bildet. Technetium zeigt auch einen stabilen +4-Zustand, während Rhenium stabile +4- und +3-Zustände aufweist. Bohrium kann daher auch diese niedrigeren Zustände aufweisen. Die höhere Oxidationsstufe +7 ist eher in Oxyanionen wie Perbohrat, BhO . vorhanden⁻
₄, analog zum leichteren Permanganat , Pertechnetat und Perrhenat . Trotzdem ist Bohrium(VII) in wässriger Lösung wahrscheinlich instabil und würde wahrscheinlich leicht zum stabileren Bohrium(IV) reduziert werden.

Technetium und Rhenium bilden bekanntermaßen flüchtige Heptoxide M ₂ O ₇ (M = Tc, Re), daher sollte Bohrium auch das flüchtige Oxid Bh ₂ O _{7 bilden} . Das Oxid sollte sich in Wasser auflösen, um Perbohrinsäure, HBhO _{4 , zu bilden} . Rhenium und Technetium bilden durch die Halogenierung des Oxids eine Reihe von Oxyhalogeniden. Durch die Chlorierung des Oxids entstehen die Oxychloride MO ₃ Cl, daher sollte bei dieser Reaktion BhO ₃ Cl entstehen. Durch Fluorierung entstehen MO ₃ F und MO ₂ F ₃ für die schwereren Elemente zusätzlich zu den Rheniumverbindungen ReOF ₅ und ReF ₇ . Daher kann die Oxyfluoridbildung für Bohrium helfen, Eka-Rhenium-Eigenschaften anzuzeigen. Da die Oxychloride asymmetrisch sind und in der Gruppe immer größere Dipolmomente haben sollten , sollten sie in der Reihenfolge TcO ₃ Cl > ReO ₃ Cl > BhO ₃ Cl weniger flüchtig werden : dies wurde im Jahr 2000 experimentell durch Messung der Enthalpien von . bestätigt Adsorption dieser drei Verbindungen. Die Werte für TcO ₃ Cl und ReO ₃ Cl betragen –51 kJ/mol bzw. –61 kJ/mol; der experimentelle Wert für BhO ₃ Cl liegt bei −77.8 kJ/mol, sehr nahe am theoretisch erwarteten Wert von −78.5 kJ/mol.

Physikalisch und atomar

Es wird erwartet, dass Bohrium unter normalen Bedingungen ein Festkörper ist und eine hexagonal dicht gepackte Kristallstruktur ( ^c / _a = 1,62) annimmt, ähnlich seinem leichteren Verwandten Rhenium. Frühe Vorhersagen von Fricke schätzten seine Dichte auf 37,1 g/cm ³ , aber neuere Berechnungen sagen einen etwas niedrigeren Wert von 26–27 g/cm ³ voraus .

Der Atomradius von Bohrium wird voraussichtlich bei 128 pm liegen. Aufgrund der relativistischen Stabilisierung des 7s-Orbitals und der Destabilisierung des 6d-Orbitals wird vorhergesagt, dass das Bh ⁺ -Ion eine Elektronenkonfiguration von [Rn] 5f ¹⁴ 6d ⁴ 7s ^{2 hat} , wodurch ein 6d-Elektron anstelle eines 7s-Elektrons abgegeben wird, was ist das Gegenteil des Verhaltens seiner leichteren Homologen Mangan und Technetium. Rhenium hingegen folgt seinem schwereren Verwandten Bohrium, indem es ein 5d-Elektron vor einem 6s-Elektron abgibt, da relativistische Effekte bis zur sechsten Periode signifikant geworden sind, wo sie unter anderem die gelbe Farbe von Gold und den niedrigen Schmelzpunkt verursachen von Quecksilber . Für das Bh ²⁺ -Ion wird eine Elektronenkonfiguration von [Rn] 5f ¹⁴ 6d ³ 7s ² erwartet ; im Gegensatz dazu wird erwartet, dass das Re ²⁺ -Ion eine [Xe] 4f ¹⁴ 5d ⁵ -Konfiguration hat, diesmal analog zu Mangan und Technetium. Der Ionenradius von sechsfach koordiniertem siebenwertigem Bohrium wird voraussichtlich 58 pm betragen (heptavalentes Mangan, Technetium und Rhenium mit Werten von 46, 57 bzw. 53 pm). Fünfwertiges Bohrium sollte einen größeren Ionenradius von 83 pm haben.

Experimentelle Chemie

1995 war der erste Bericht über die versuchte Isolierung des Elements erfolglos, was zu neuen theoretischen Studien führte, um zu untersuchen, wie Bohrium am besten untersucht werden kann (unter Verwendung seiner leichteren Homologen Technetium und Rhenium zum Vergleich) und unerwünschte kontaminierende Elemente wie die dreiwertigen Aktiniden , die Gruppe 5 Elemente und Polonium .

Im Jahr 2000 wurde bestätigt, dass sich Bohrium wie ein typisches Element der Gruppe 7 verhält, obwohl relativistische Effekte wichtig sind. Ein Team des Paul Scherrer Instituts (PSI) führte eine chemische Reaktion mit sechs Atomen von ²⁶⁷ Bh durch, die bei der Reaktion zwischen ²⁴⁹ Bk und ²² Ne-Ionen gebildet wurden. Die resultierenden Atome wurden thermalisiert und mit einer HCl/O ₂ -Mischung umgesetzt , um ein flüchtiges Oxychlorid zu bilden. Die Reaktion produzierte auch Isotope seiner leichteren Homologen Technetium (als ¹⁰⁸ Tc) und Rhenium (als ¹⁶⁹ Re). Die isothermen Adsorptionskurven wurden gemessen und zeigten starke Hinweise auf die Bildung eines flüchtigen Oxychlorids mit ähnlichen Eigenschaften wie Rheniumoxychlorid. Damit war Bohrium ein typisches Mitglied der Gruppe 7. Die Adsorptionsenthalpien der Oxychloride von Technetium, Rhenium und Bohrium wurden in diesem Experiment gemessen, was sehr gut mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmte und eine Abfolge abnehmender Oxychlorid-Flüchtigkeit nach Gruppe 7 von TcO . impliziert ₃ Cl > ReO ₃ Cl > BhO ₃ Cl.

2 Bh + 3 O
₂+ 2 HCl → 2 BhO
₃Cl + H
₂

Die langlebigeren schweren Isotope von Bohrium, die als Tochter schwerer Elemente entstehen, bieten Vorteile für zukünftige radiochemische Experimente. Obwohl das schwere Isotop ²⁷⁴ Bh für seine Produktion ein seltenes und hochradioaktives Berkelium- Target erfordert , können die Isotope ²⁷² Bh, ²⁷¹ Bh und ²⁷⁰ Bh leicht als Tochter von leichter herzustellenden Moscovium- und Nihonium- Isotopen hergestellt werden.

Anmerkungen

Verweise

Literaturverzeichnis

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Externe Links

Medien im Zusammenhang mit Bohrium bei Wikimedia Commons
Bohrium im Periodensystem der Videos (University of Nottingham)

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