Einsteinium - Einsteinium

Einsteinium,  ₉₉ Es

Einsteinium
Aussprache	/ Aɪ n s t aɪ n i ə m / ( eyen- STY -nee-əm )
Aussehen	silbrig; leuchtet im Dunkeln blau
Massenzahl	[252]
Einsteinium im Periodensystem
Wasserstoff Helium Lithium Beryllium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Neon Natrium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwefel Chlor Argon Kalium Kalzium Scandium Titan Vanadium Chrom Mangan Eisen Kobalt Nickel Kupfer Zink Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirkonium Niob Molybdän Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silber Cadmium Indium Zinn Antimon Tellur Jod Xenon Cäsium Barium Lanthan Cer Praseodym Neodym Promethium Samarium Europa Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platin Gold Quecksilber (Element) Thallium Das Blei Wismut Polonium Astatin Radon Francium Radium Aktinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Amerika Kurium Berkelium Kalifornien Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Röntgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moskau Lebermorium Tennessine Oganesson Ho ↑ Es ↓ (Upt) Californium ← Einsteinium → Fermium
Ordnungszahl ( Z )	99
Gruppe	Gruppe n/a
Zeitraum	Zeitraum 7
Block	f-block
Elektronenkonfiguration	[ Rn ] 5f 11 7s 2
Elektronen pro Schale	2, 8, 18, 32, 29, 8, 2
Physikalische Eigenschaften
Phase bei  STP	fest
Schmelzpunkt	1133  K ​(860 °C, ​1580 °F)
Siedepunkt	1269 K ​(996 °C, ​1825 °F) (geschätzt)
Dichte (nahe  rt )	8,84 g / cm 3
Atomare Eigenschaften
Oxidationsstufen	+2, +3 , +4
Elektronegativität	Pauling-Skala: 1,3
Ionisierungsenergien
Spektrallinien von Einsteinium
Andere Eigenschaften
Natürliches Vorkommen	Synthetik
Kristallstruktur	kubisch-flächenzentrierten (fcc)
Magnetische Bestellung	paramagnetisch
CAS-Nummer	7429-92-7
Geschichte
Benennung	nach Albert Einstein
Entdeckung	Lawrence Berkeley National Laboratory (1952)
Haupt Isotope von einsteinium
Isotop Fülle Halbwertszeit ( t 1/2 ) Decay-Modus Produkt 252 Es syn 471.7 d α 248 Bk ε 252 Cf β − 252 Fm 253 Es syn 20,47 Tage SF – α 249 Bk 254 Es syn 275,7 Tage ε 254 Cf β − 254 Fm α 250 Bk 255 Es syn 39,8 d β − 255 Fm α 251 Bk SF –
Kategorie: Einsteinium Aussicht sprechen bearbeiten | Verweise

Einsteinium ist ein synthetisches Element mit dem Symbol Es und der Ordnungszahl 99. Einsteinium gehört zur Aktinidenreihe und ist das siebte transuranische Element . Es wurde zu Ehren von Albert Einstein benannt .

Einsteinium wurde als Bestandteil der Trümmer der ersten Wasserstoffbombenexplosion im Jahr 1952 entdeckt. Sein häufigstes Isotop Einsteinium-253 (Halbwertszeit 20,47 Tage) wird künstlich durch den Zerfall von Californium -253 in einigen speziellen Hochleistungs- Kernreaktoren hergestellt mit einem Gesamtertrag in der Größenordnung von einem Milligramm pro Jahr. Auf die Reaktorsynthese folgt ein komplexer Prozess zur Abtrennung von Einsteinium-253 von anderen Aktiniden und ihren Zerfallsprodukten. Andere Isotope werden in verschiedenen Laboratorien synthetisiert, jedoch in viel geringeren Mengen, indem schwere Aktinidenelemente mit leichten Ionen beschossen werden. Aufgrund der geringen Mengen an produziertem Einsteinium und der kurzen Halbwertszeit seines am leichtesten herzustellenden Isotops gibt es derzeit kaum praktische Anwendungen dafür außerhalb der wissenschaftlichen Grundlagenforschung. Insbesondere wurde 1955 mit Einsteinium erstmals 17 Atome des neuen Elements Mendelevium synthetisiert .

Einsteinium ist ein weiches, silbriges, paramagnetisches Metall . Seine Chemie ist typisch für die späten Actiniden, wobei die Oxidationsstufe +3 überwiegt ; die Oxidationsstufe +2 ist auch zugänglich, insbesondere in Feststoffen. Die hohe Radioaktivität von Einsteinium-253 erzeugt ein sichtbares Leuchten und beschädigt schnell sein kristallines Metallgitter mit einer freigesetzten Wärme von etwa 1000 Watt pro Gramm. Die Schwierigkeit bei der Untersuchung seiner Eigenschaften ist auf den Zerfall von Einsteinium-253 in Berkelium -249 und dann Californium-249 mit einer Rate von etwa 3% pro Tag zurückzuführen. Das Isotop von Einsteinium mit der längsten Halbwertszeit, Einsteinium-252 (Halbwertszeit 471,7 Tage), wäre für die Untersuchung physikalischer Eigenschaften besser geeignet, hat sich jedoch als weitaus schwieriger herzustellen erwiesen und ist nur in winzigen Mengen verfügbar und nicht in großen Mengen. Einsteinium ist das Element mit der höchsten Ordnungszahl, das in seiner reinen Form in makroskopischen Mengen beobachtet wurde, und dies war das gemeinsame kurzlebige Isotop Einsteinium-253.

Isotope des Einsteiniums sind wie alle synthetischen Transurane sehr radioaktiv und gelten bei Einnahme als hoch gesundheitsgefährdend.

Geschichte

Einsteinium wurde erstmals im Dezember 1952 von Albert Ghiorso und Mitarbeitern an der University of California in Berkeley in Zusammenarbeit mit den Argonne und Los Alamos National Laboratories im Fallout des Ivy-Mike- Atomtests identifiziert . Der Test wurde am 1. November 1952 auf dem Enewetak Atoll im Pazifischen Ozean durchgeführt und war der erste erfolgreiche Test einer Wasserstoffbombe . Eine erste Untersuchung der Trümmer der Explosion hatte die Produktion eines neuen Isotops von Plutonium ergeben .²⁴⁴
₉₄Pu
, das nur durch die Absorption von sechs Neutronen durch einen Uran-238- Kern und anschließende zwei Beta-Zerfälle entstanden sein kann .

${\displaystyle {\ce {^{238}_{92}U->[{\ce {+6(n,\gamma)}}][-2\\beta^{-}]{}_{94 }^{244}Pu}}}$

Damals hielt man die Mehrfach-Neutronenabsorption für einen äußerst seltenen Prozess, aber die Identifizierung von ²⁴⁴
₉₄Pu
wies darauf hin, dass noch mehr Neutronen von den Urankernen eingefangen worden sein könnten, wodurch neue Elemente erzeugt werden, die schwerer als Californium sind .

Ghiorso und Mitarbeiter analysierten Filterpapiere, die in Flugzeugen durch die Explosionswolke geflogen wurden (die gleiche Probenahmetechnik, die verwendet wurde, um die ²⁴⁴
₉₄Pu
). Größere Mengen an radioaktivem Material wurden später aus Korallentrümmer des Atolls isoliert, die zu der US Die Trennung vermuteter neuer Elemente geliefert wurden , wurde in Gegenwart einer durchgeführten Citronensäure / Ammoniumpufferlösung in einem schwachen sauren Medium ( pH ≈ 3,5 ), unter Verwendung von Ionenaustausch bei erhöhten Temperaturen; am Ende wurden weniger als 200 Atome Einsteinium zurückgewonnen. Dennoch konnte Element 99 (Einsteinium), nämlich sein Isotop ²⁵³ Es, über seinen charakteristischen hochenergetischen Alpha-Zerfall bei 6,6 MeV nachgewiesen werden. Es wurde durch den Einfang von 15 Neutronen durch Uran-238- Kerne erzeugt, gefolgt von sieben Beta-Zerfällen und hatte eine Halbwertszeit von 20,5 Tagen. Möglich wurde eine solche Mehrfach-Neutronenabsorption durch die hohe Neutronenflussdichte während der Detonation, so dass neu erzeugte schwere Isotope genügend Neutronen absorbieren mussten, bevor sie in leichtere Elemente zerfallen konnten. Neutroneneinfang erhöhte zunächst die Massenzahl, ohne die Ordnungszahl des Nuklids zu ändern , und die begleitenden Beta-Zerfälle führten zu einem allmählichen Anstieg der Ordnungszahl:

${\displaystyle {\ce {^{238}_{92}U ->[{\ce {+15n}}][6 \beta^-] ^{253}_{98}Vgl ->[\beta^ -] ^{253}_{99}Es}}}$

Etwa ²³⁸ U-Atome könnten jedoch zwei zusätzliche Neutronen (insgesamt 17) absorbieren, was zu ²⁵⁵ Es sowie zum ²⁵⁵ Fm-Isotop eines anderen neuen Elements, Fermium, führt . Die Entdeckung der neuen Elemente und die damit verbundenen neuen Daten zum Mehrfach-Neutroneneinfang wurden aufgrund der Spannungen im Kalten Krieg und der Konkurrenz mit der Sowjetunion in der Nukleartechnologie zunächst bis 1955 auf Befehl des US-Militärs geheim gehalten . Der schnelle Einfang so vieler Neutronen würde jedoch die notwendige direkte experimentelle Bestätigung der sogenannten r-Prozess- Mehrfach-Neutronenabsorption liefern, die zur Erklärung der kosmischen Nukleosynthese (Produktion) bestimmter schwerer chemischer Elemente (schwerer als Nickel) in Supernova- Explosionen erforderlich ist Betazerfall . Ein solcher Prozess ist notwendig, um die Existenz vieler stabiler Elemente im Universum zu erklären.

Inzwischen wurden in den Labors von Berkeley und Argonee in einer Kernreaktion zwischen Stickstoff -14 und Uran-238 Isotope des Elements 99 (sowie des neuen Elements 100, Fermium ) und später durch intensive Neutronenbestrahlung von Plutonium oder Californium hergestellt :

${\displaystyle {\ce {^{252}_{98}Vgl ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{253}_{98}Vgl ->[\beta^-][ 17.81 {\ce {d}}] ^{253}_{99}Es ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{254}_{99}Es ->[\beta^- ] ^{254}_{100}Fm}}}$

Diese Ergebnisse wurden 1954 in mehreren Artikeln veröffentlicht mit dem Hinweis, dass dies nicht die ersten Studien waren, die an den Elementen durchgeführt wurden. Das Berkeley-Team berichtete auch über einige Ergebnisse zu den chemischen Eigenschaften von Einsteinium und Fermium. Die Ergebnisse von Ivy Mike wurden freigegeben und 1955 veröffentlicht.

Bei ihrer Entdeckung der Elemente 99 und 100 hatten die amerikanischen Teams mit einer Gruppe am Nobel-Institut für Physik in Stockholm , Schweden, konkurriert . Ende 1953 – Anfang 1954 gelang der schwedischen Gruppe die Synthese leichter Isotope des Elements 100, insbesondere ²⁵⁰ Fm, durch Beschuss von Uran mit Sauerstoffkernen. Diese Ergebnisse wurden ebenfalls 1954 veröffentlicht. Dennoch wurde die Priorität des Berkeley-Teams allgemein anerkannt, da seine Veröffentlichungen dem schwedischen Artikel vorausgingen und auf den zuvor nicht veröffentlichten Ergebnissen der thermonuklearen Explosion von 1952 beruhten; so erhielt das Berkeley-Team das Privileg, die neuen Elemente zu benennen. Da die Bemühungen, die zum Design von Ivy Mike geführt hatten, den Codenamen Project PANDA trugen, hatte Element 99 scherzhaft den Spitznamen "Pandemonium", aber die von der Berkeley-Gruppe vorgeschlagenen offiziellen Namen stammten von zwei prominenten Wissenschaftlern, Albert Einstein und Enrico Fermi : "Wir schlagen vor für den Namen für das Element mit der Ordnungszahl 99 Einsteinium (Symbol E) nach Albert Einstein und für den Namen für das Element mit der Ordnungszahl 100 Fermium (Symbol Fm) nach Enrico Fermi." Sowohl Einstein als auch Fermi starben zwischen dem Zeitpunkt, an dem die Namen ursprünglich vorgeschlagen wurden, und als sie bekannt gegeben wurden. Die Entdeckung dieser neuen Elemente wurde von Albert Ghiorso auf der ersten Genfer Atomkonferenz vom 8. bis 20. August 1955 bekannt gegeben. Das Symbol für Einsteinium wurde zuerst als "E" angegeben und später von der IUPAC in "Es" geändert.

Eigenschaften

Physisch

Einsteinium ist ein synthetisches, silbrig-weißes, radioaktives Metall. Im Periodensystem befindet es sich rechts vom Aktiniden- Californium , links vom Aktiniden- Fermium und unterhalb des Lanthaniden- Holmiums, mit dem es viele Ähnlichkeiten in den physikalischen und chemischen Eigenschaften hat. Seine Dichte von 8,84 g/cm ³ ist geringer als die von Californium (15,1 g/cm ³ ) und fast gleich der von Holmium (8,79 g/cm ³ ), obwohl atomares Einsteinium viel schwerer als Holmium ist. Auch der Schmelzpunkt von Einsteinium (860 °C) ist relativ niedrig – unterhalb von Californium (900 °C), Fermium (1527 °C) und Holmium (1461 °C). Einsteinium ist ein Weichmetall mit einem Volumenmodul von nur 15 GPa, einem der niedrigsten Werte unter den Nicht- Alkalimetallen .

Im Gegensatz zu den leichteren Actiniden Californium , Berkelium , Curium und Americium , die bei Umgebungsbedingungen in einer doppelten hexagonalen Struktur kristallisieren , hat Einsteinium vermutlich eine kubischflächenzentrierte ( fcc ) Symmetrie mit der Raumgruppe Fm 3 m und der Gitterkonstanten a = 575 Uhr. Es gibt jedoch einen Bericht über hexagonales Einsteiniummetall bei Raumtemperatur mit a = 398 pm und c = 650 pm, das beim Erhitzen auf 300 °C in die fcc- Phase überging .

Die durch die Radioaktivität von Einsteinium induzierte Selbstschädigung ist so stark, dass sie das Kristallgitter schnell zerstört und die dabei freigesetzte Energie, 1000 Watt pro Gramm ²⁵³ Es, ein sichtbares Leuchten induziert. Diese Prozesse können zu der relativ geringen Dichte und dem relativ niedrigen Schmelzpunkt von Einsteinium beitragen. Aufgrund der geringen Größe der verfügbaren Proben wurde der Schmelzpunkt von Einsteinium außerdem oft durch Beobachten der Erwärmung der Probe in einem Elektronenmikroskop abgeleitet. So könnten die Oberflächeneffekte bei kleinen Proben den Schmelzpunktwert verringern.

Das Metall ist dreiwertig und weist eine auffallend hohe Flüchtigkeit auf. Um die Eigenstrahlungsschäden zu reduzieren, werden die meisten Messungen von festem Einsteinium und seinen Verbindungen direkt nach dem thermischen Glühen durchgeführt. Außerdem werden einige Verbindungen unter der Atmosphäre des reduzierenden Gases untersucht, zum Beispiel H ₂ O+ HCl für EsOCl, so dass die Probe während ihrer Zersetzung teilweise nachwächst.

Abgesehen von der Selbstzerstörung von festem Einsteinium und seinen Verbindungen gehören zu den anderen intrinsischen Schwierigkeiten bei der Untersuchung dieses Elements die Knappheit – das häufigste ^253- Es-Isotop ist nur ein- oder zweimal im Jahr in Mengen im Sub-Milligramm-Bereich verfügbar – und die Selbstkontamination durch schnelle Umwandlung von Einsteinium in Berkelium und dann in Californium mit einer Rate von etwa 3,3% pro Tag:

${\displaystyle {\ce {^{253}_{99}Es ->[\alpha][20 {\ce {d}}] ^{249}_{97}Bk ->[\beta^-][ 314 {\ce {d}}] ^{249}_{98}Vgl.}}}$

Daher sind die meisten Einsteiniumproben kontaminiert, und ihre intrinsischen Eigenschaften werden oft durch Rückextrapolation experimenteller Daten, die im Laufe der Zeit gesammelt wurden, abgeleitet. Andere experimentelle Techniken zur Umgehung des Kontaminationsproblems umfassen die selektive optische Anregung von Einsteiniumionen durch einen abstimmbaren Laser, wie zum Beispiel das Studium seiner Lumineszenzeigenschaften.

Magnetische Eigenschaften wurden für Einsteinium-Metall, sein Oxid und Fluorid untersucht. Alle drei Materialien zeigten paramagnetisches Curie-Weiss- Verhalten von flüssigem Helium bis Raumtemperatur. Die effektiven magnetischen Momente wurden abgeleitet als10,4 ± 0,3  µ _B für Es ₂ O ₃ und11,4 ± 0,3 µ _B für EsF ₃ , die höchsten Werte unter den Aktiniden, und die entsprechenden Curie-Temperaturen betragen 53 und 37 K.

Chemisch

Wie alle Aktiniden ist Einsteinium eher reaktiv. Sein dreiwertiger Oxidationszustand ist in Feststoffen und wässrigen Lösungen am stabilsten, wo er eine blassrosa Farbe induziert. Die Existenz von zweiwertigem Einsteinium ist insbesondere in der Festphase fest etabliert; ein solcher +2-Zustand wird bei vielen anderen Aktiniden, einschließlich Protactinium , Uran , Neptunium , Plutonium, Curium und Berkelium, nicht beobachtet . Einsteinium(II)-Verbindungen können beispielsweise durch Reduktion von Einsteinium(III) mit Samarium(II)-chlorid erhalten werden . Die Oxidationsstufe +4 wurde aus Dampfstudien postuliert und ist noch ungewiss.

Isotope

Für Einsteinium sind neunzehn Isotope und drei Kernisomere mit Massenzahlen von 240 bis 257 bekannt. Alle sind radioaktiv und das stabilste Nuklid, ²⁵² Es, hat eine Halbwertszeit von 471,7 Tagen. Die nächststabilsten Isotope sind ²⁵⁴ Es (Halbwertszeit 275,7 Tage), ²⁵⁵ Es (39,8 Tage) und ²⁵³ Es (20,47 Tage). Alle übrigen Isotope haben Halbwertszeiten von weniger als 40 Stunden und die meisten von ihnen zerfallen innerhalb von weniger als 30 Minuten. Von den drei Kernisomeren ist das stabilste ^{254 m} Es mit einer Halbwertszeit von 39,3 Stunden.

Kernspaltung

Einsteinium hat eine hohe Kernspaltungsrate , die zu einer niedrigen kritischen Masse für eine anhaltende nukleare Kettenreaktion führt . Diese Masse beträgt 9,89 Kilogramm für eine blanke Kugel aus ²⁵⁴ Es-Isotop und lässt sich mit einem 30 Zentimeter dicken Neutronenreflektor aus Stahl auf 2,9 Kilogramm oder mit einem 20 Zentimeter dicken Reflektor aus Wasser sogar auf 2,26 Kilogramm senken . Aber auch diese geringe kritische Masse übertrifft die bisher isolierte Gesamtmenge an Einsteinium, insbesondere des seltenen Isotops ²⁵⁴ Es, bei weitem .

Natürliches Vorkommen

Aufgrund der kurzen Halbwertszeit aller Isotope von Einsteinium ist jedes primordiale Einsteinium, also Einsteinium, das möglicherweise während seiner Entstehung auf der Erde vorhanden gewesen sein könnte, längst zerfallen. Die Synthese von Einsteinium aus natürlich vorkommenden Aktiniden Uran und Thorium in der Erdkruste erfordert mehrfachen Neutroneneinfang, was ein äußerst unwahrscheinliches Ereignis ist. Daher wird das gesamte terrestrische Einsteinium in wissenschaftlichen Labors, Hochleistungskernreaktoren oder in Atomwaffentests hergestellt und ist erst innerhalb weniger Jahre ab dem Zeitpunkt der Synthese vorhanden.

Die transuranischen Elemente von Americium bis Fermium , einschließlich Einsteinium, kamen natürlich im natürlichen Kernspaltungsreaktor von Oklo vor , tun dies jedoch nicht mehr.

Einsteinium wurde 2008 in Przybylskis Stern beobachtet und nachgewiesen .

Synthese und Extraktion

Einsteinium wird in winzigen Mengen hergestellt, indem leichtere Aktiniden mit Neutronen in speziellen Hochfluss -Kernreaktoren beschossen werden . Die weltweit wichtigsten Strahlungsquellen sind der 85-Megawatt- High-Flux-Isotopen-Reaktor (HFIR) am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, USA, und der SM-2-Schleifenreaktor am Research Institute of Atomic Reactors (NIIAR) in Dimitrovgrad, Russland . die beide der Herstellung von Transcurium-  Elementen ( Z > 96) gewidmet sind. Diese Anlagen haben ähnliche Leistungs- und Flussniveaus und es wird erwartet, dass sie über vergleichbare Produktionskapazitäten für Transcuriumelemente verfügen, obwohl die bei NIIAR produzierten Mengen nicht allgemein bekannt sind. In einer "typischen Verarbeitungskampagne" in Oak Ridge werden Dutzende Gramm Curium bestrahlt, um Dezigramm-Mengen an Californium , Milligramm-Mengen Berkelium ( ²⁴⁹ Bk) und Einsteinium und Pikogramm-Mengen Fermium zu produzieren .

Die erste mikroskopische Probe von ²⁵³ Es mit einem Gewicht von etwa 10 Nanogramm wurde 1961 am HFIR hergestellt. Eine spezielle Magnetwaage wurde entwickelt, um ihr Gewicht abzuschätzen. Später wurden größere Chargen ausgehend von mehreren Kilogramm Plutonium mit Einsteinium-Ausbeuten (meist ²⁵³ Es) von 0,48 Milligramm 1967–1970, 3,2 Milligramm 1971–1973 produziert, gefolgt von einer konstanten Produktion von etwa 3 Milligramm pro Jahr zwischen 1974 und 1978. Diese Größen beziehen sich jedoch auf den Integralbetrag im Target direkt nach der Bestrahlung. Nachfolgende Trennverfahren reduzierten die Menge an isotopenreinem Einsteinium ungefähr um das Zehnfache.

Laborsynthese

Schwere Neutronenbestrahlung von Plutonium führt zu vier Hauptisotopen von Einsteinium: ²⁵³ Es (α-Strahler mit einer Halbwertszeit von 20,47 Tagen und einer spontanen Spaltungshalbwertszeit von 7×10 ⁵ Jahren); ^{254 m} Es (β-Strahler mit Halbwertszeit 39,3 Stunden), ²⁵⁴ Es (α-Strahler mit Halbwertszeit von ca. 276 Tagen) und ²⁵⁵ Es (β-Strahler mit Halbwertszeit von 39,8 Tagen). Ein alternativer Weg beinhaltet die Bombardierung von Uran-238 mit hochintensiven Stickstoff- oder Sauerstoffionenstrahlen.

Einsteinium-247 (Halbwertszeit 4,55 Minuten) wurde durch Bestrahlen von Americium-241 mit Kohlenstoff oder Uran-238 mit Stickstoffionen hergestellt. Letztere Reaktion wurde erstmals 1967 in Dubna, Russland, realisiert, und die beteiligten Wissenschaftler wurden mit dem Lenin-Komsomol-Preis ausgezeichnet .

Das Isotop ²⁴⁸ Es wurde durch Bestrahlung von ²⁴⁹ Cf mit Deuteriumionen hergestellt . Es zerfällt hauptsächlich durch Elektronenemission zu ²⁴⁸ Cf mit einer Halbwertszeit von25 ± 5 Minuten, sondern setzt auch α-Teilchen mit einer Energie von 6,87 MeV frei, mit einem Verhältnis von Elektronen zu α-Teilchen von etwa 400.

${\displaystyle {\ce {^{249}_{98}Cf + ^{2}_{1}D -> ^{248}_{99}Es + 3^{1}_{0}n}} \quad \left({\ce {^{248}_{99}Es ->[\epsilon][27 {\ce {min}}] ^{248}_{98}Cf}}\right)}$

Die schwereren Isotope ²⁴⁹ Es, ²⁵⁰ Es, ²⁵¹ Es und ²⁵² Es wurden durch Beschuss von ²⁴⁹ Bk mit α-Teilchen erhalten. Dabei werden ein bis vier Neutronen freigesetzt, die die Bildung von vier verschiedenen Isotopen in einer Reaktion ermöglichen.

${\displaystyle {\ce {^{249}_{97}Bk ->[+\alpha] ^{249.250.251.252}_{99}Es}}}$

Einsteinium-253 wurde durch Bestrahlung eines 0,1–0,2 Milligramm ²⁵² Cf-Targets mit einem thermischen Neutronenfluss von (2–5) × 10 ¹⁴ Neutronen·cm ⁻² ·s ⁻¹ für 500–900 Stunden hergestellt:

${\displaystyle {\ce {^{252}_{98}Vgl ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{253}_{98}Vgl ->[\beta^-][ 17.81 {\ce {d}}] ^{253}_{99}Es}}}$

Im Jahr 2020 konnten Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory 233 Nanogramm ²⁵⁴ Es herstellen, einen neuen Weltrekord. Dadurch konnten erstmals einige chemische Eigenschaften des Elements untersucht werden.

Synthese bei nuklearen Explosionen

Die Analyse der Trümmer des 10- Megatonnen- Atomtests von Ivy Mike war Teil eines langfristigen Projekts. Eines der Ziele war die Untersuchung der Effizienz der Produktion von Transuranelementen bei nuklearen Hochleistungsexplosionen. Die Motivation für diese Experimente war, dass die Synthese solcher Elemente aus Uran einen mehrfachen Neutroneneinfang erfordert. Die Wahrscheinlichkeit solcher Ereignisse steigt mit dem Neutronenfluss , und Kernexplosionen sind die stärksten künstlichen Neutronenquellen und liefern innerhalb einer Mikrosekunde Dichten in der Größenordnung von 10 ²³ Neutronen/cm ² oder etwa 10 ²⁹ Neutronen/(cm ² ·s ). Im Vergleich dazu beträgt der Fluss des HFIR-Reaktors 5 × 10 ¹⁵ Neutronen/(cm ² ·s). Direkt auf dem Enewetak-Atoll wurde ein spezielles Labor für die vorläufige Analyse von Trümmern eingerichtet, da einige Isotope zerfallen sein könnten, bis die Trümmerproben das amerikanische Festland erreichten. Das Labor erhielt so schnell wie möglich Proben zur Analyse von Flugzeugen, die mit Papierfiltern ausgestattet waren die nach den Tests über das Atoll flog. Während man hoffte, neue chemische Elemente zu entdecken, die schwerer als Fermium sind, wurde selbst nach einer Reihe von Megatonnenexplosionen zwischen 1954 und 1956 auf dem Atoll keines davon gefunden.

Die atmosphärischen Ergebnisse wurden durch die in den 1960er Jahren auf dem Nevada Test Site gesammelten unterirdischen Testdaten ergänzt , da man hoffte, dass starke Explosionen auf engstem Raum zu verbesserten Erträgen und schwereren Isotopen führen könnten. Neben den traditionellen Uranladungen wurden Kombinationen von Uran mit Americium und Thorium sowie eine gemischte Plutonium-Neptunium-Ladung versucht, die jedoch hinsichtlich der Ausbeute weniger erfolgreich waren und auf stärkere Verluste schwerer Isotope aufgrund erhöhter Spaltungsraten zurückgeführt wurden bei schweren Elementladungen. Die Produktisolierung war problematisch, da die Explosionen Trümmer durch Schmelzen und Verdampfen des umgebenden Gesteins in Tiefen von 300 bis 600 Metern verbreiteten. Das Bohren in solche Tiefen zur Gewinnung der Produkte war sowohl langsam als auch in Bezug auf die gesammelten Mengen ineffizient.

Von den neun unterirdischen Tests, die zwischen 1962 und 1969 durchgeführt wurden, war der letzte der leistungsstärkste und hatte die höchste Ausbeute an Transuranelementen. Milligramm Einsteinium, für das normalerweise ein Jahr Bestrahlung in einem Hochleistungsreaktor benötigt würde, wurden innerhalb einer Mikrosekunde hergestellt. Das größte praktische Problem des gesamten Vorschlags war jedoch das Sammeln der radioaktiven Trümmer, die durch die starke Explosion verteilt wurden. Flugzeugfilter adsorbierten nur etwa 4 × 10 ^{– 14} der Gesamtmenge, und das Sammeln von Tonnen von Korallen auf dem Enewetak Atoll erhöhte diesen Anteil nur um zwei Größenordnungen. Die Gewinnung von etwa 500 Kilogramm unterirdischem Gestein 60 Tage nach der Hutch-Explosion konnte nur etwa 1 × 10 ^{− 7} der Gesamtladung zurückgewinnen. Die Menge an Transuran-Elementen in dieser 500-kg-Charge war nur 30-mal höher als in einem 0,4 kg schweren Gestein, das 7 Tage nach dem Test aufgenommen wurde, was die stark nichtlineare Abhängigkeit der Transuran-Elemente-Ausbeute von der Menge des zurückgewonnenen radioaktiven Gesteins zeigte. Vor dem Test wurden vor dem Test Schächte gebohrt, um die Probensammlung nach der Explosion zu beschleunigen, so dass durch die Explosion radioaktives Material aus dem Epizentrum durch die Schächte und in oberflächennahe Sammelvolumina ausgestoßen würde. Diese Methode wurde in zwei Tests erprobt und lieferte sofort Hunderte Kilogramm Material, jedoch mit einer dreimal niedrigeren Aktinidenkonzentration als in Proben, die nach dem Bohren gewonnen wurden. Während ein solches Verfahren in wissenschaftlichen Studien von kurzlebigen Isotopen effizient gewesen sein könnte, konnte es die Gesamtsammeleffizienz der produzierten Aktiniden nicht verbessern.

Obwohl in den Atomtesttrümmern keine neuen Elemente (außer Einsteinium und Fermium) nachgewiesen werden konnten und die Gesamtausbeuten an Transuranelementen enttäuschend niedrig waren, lieferten diese Tests jedoch deutlich höhere Mengen an seltenen schweren Isotopen als bisher in Labors verfügbar.

Trennung

Das Abtrennungsverfahren von Einsteinium hängt von der Synthesemethode ab. Beim Leichtionen-Bombardement innerhalb eines Zyklotrons wird das Schwerionen-Target auf einer dünnen Folie befestigt und das erzeugte Einsteinium wird nach der Bestrahlung einfach von der Folie abgewaschen. Die produzierten Mengen bei solchen Experimenten sind jedoch relativ gering. Die Ausbeuten sind bei der Reaktorbestrahlung viel höher, aber dort ist das Produkt ein Gemisch aus verschiedenen Aktiniden-Isotopen sowie Lanthaniden, die bei den Kernspaltungszerfällen entstehen. In diesem Fall ist die Isolierung von Einsteinium ein langwieriges Verfahren, das mehrere sich wiederholende Schritte des Kationenaustauschs bei erhöhter Temperatur und Druck und Chromatographie umfasst. Die Trennung von Berkelium ist wichtig, denn das am häufigsten in Kernreaktoren produzierte Einsteinium-Isotop, ²⁵³ Es, zerfällt mit einer Halbwertszeit von nur 20 Tagen auf ²⁴⁹ Bk, was auf der Zeitskala der meisten Experimente schnell ist. Diese Trennung beruht auf der Tatsache, dass Berkelium leicht in den festen +4-Zustand oxidiert und ausfällt, während andere Aktiniden, einschließlich Einsteinium, in Lösungen in ihrem +3-Zustand verbleiben.

Die Abtrennung von dreiwertigen Actiniden von Lanthanoid-Spaltungsprodukten kann durch eine Kationenaustauscherharzsäule unter Verwendung einer mit Salzsäure (HCl) gesättigten Lösung aus 90 % Wasser/10 % Ethanol als Elutionsmittel erfolgen . Es folgt normalerweise eine Anionenaustauschchromatographie unter Verwendung von 6 molarer HCl als Elutionsmittel. Eine mit Ammoniumsalzen behandelte Kationenaustauscherharzsäule (Dowex-50-Austauschsäule) wird dann verwendet, um die Fraktionen zu trennen, die die Elemente 99, 100 und 101 enthalten. Diese Elemente können dann einfach anhand ihrer Elutionsposition/-zeit identifiziert werden, unter Verwendung von α-Hydroxyisobutyrat Lösung (α-HIB) als Elutionsmittel.

Die Abtrennung der 3+-Actiniden kann auch durch Lösungsmittelextraktionschromatographie unter Verwendung von Bis-(2-ethylhexyl)-Phosphorsäure (abgekürzt als HDEHP) als stationäre organische Phase und Salpetersäure als mobiler wässriger Phase erreicht werden. Die Elutionssequenz der Actiniden ist umgekehrt zu der der Kationenaustauscherharzsäule. Das nach diesem Verfahren abgetrennte Einsteinium hat gegenüber der Trennung mit einer Harzsäule den Vorteil, frei von organischen Komplexbildnern zu sein.

Vorbereitung des Metalls

Einsteinium ist hochreaktiv und daher sind starke Reduktionsmittel erforderlich, um aus seinen Verbindungen das reine Metall zu gewinnen. Dies kann durch Reduktion von Einsteinium(III)fluorid mit metallischem Lithium erreicht werden :

EsF ₃ + 3 Li → Es + 3 LiF

Aufgrund seines niedrigen Schmelzpunkts und der hohen Rate an Eigenstrahlungsschäden hat Einsteinium jedoch einen hohen Dampfdruck, der höher ist als der von Lithiumfluorid. Dies macht diese Reduktionsreaktion ziemlich ineffizient. Es wurde in den frühen Herstellungsversuchen ausprobiert und schnell zugunsten der Reduktion von Einsteinium(III)-oxid mit Lanthanmetall aufgegeben :

Es ₂ O ₃ + 2 La → 2 Es + La ₂ O ₃

Chemische Komponenten

Kristallstruktur und Gitterkonstanten einiger Es-Verbindungen

Verbindung	Farbe	Symmetrie	Raumgruppe	Nein	Birnensymbol	ein ( Uhr )	b (pm)	c (pm)
Es 2 O 3	Farblos	Kubisch	Ia 3	206	cI80	1076,6
Es 2 O 3	Farblos	Monoklinik	C2/m	12	mS30	1411	359	880
Es 2 O 3	Farblos	Sechseckig	P 3 m1	164	hP5	370		600
EsF 3		Sechseckig
EsF 4		Monoklinik	C2/c	fünfzehn	mS60
EsCl 3	Orange	Sechseckig	C6 3 /m		hP8	727		410
EsBr 3	Gelb	Monoklinik	C2/m	12	mS16	727	1259	681
EsI 3	Bernstein	Sechseckig	R 3	148	hR24	753		2084
EsOCl		Tetragonal	P4/nmm			394.8		670.2

Oxide

Einsteinium(III)-oxid (Es ₂ O ₃ ) wurde durch Verbrennen von Einsteinium(III)-nitrat gewonnen. Es bildet farblose kubische Kristalle, die zunächst aus Mikrogrammproben von etwa 30 Nanometern Größe charakterisiert wurden. Für dieses Oxid sind zwei weitere Phasen bekannt, monoklin und hexagonal. Die Bildung einer bestimmten Es ₂ O ₃ -Phase hängt von der Herstellungstechnik und der Probenhistorie ab, und es gibt kein klares Phasendiagramm. Durch Selbstbestrahlung oder Selbsterhitzung können spontane Umwandlungen zwischen den drei Phasen auftreten. Die hexagonale Phase ist isotypisch mit Lanthan(III)-oxid, wobei das Es ³⁺ -Ion von einer 6-koordinierten Gruppe von O ²⁻ -Ionen umgeben ist.

Halogenide

Einsteinium Halogenide sind für den Oxidationsstufen 2 und 3 bekannt. Der stabilste Zustand ist +3 für alle Halogenide von Fluorid bis Iodid.

Einsteinium(III)-fluorid (EsF ₃ ) kann durch Reaktion mit Fluorid- Ionen aus Einsteinium(III)-chlorid-Lösungen ausgefällt werden . Ein alternatives Herstellungsverfahren besteht darin, Einsteinium(III)-oxid Chlortrifluorid (ClF ₃ ) oder F ₂ -Gas bei einem Druck von 1–2 Atmosphären und einer Temperatur zwischen 300 und 400 °C auszusetzen. Die EsF ₃ -Kristallstruktur ist hexagonal, wie in Californium(III)-Fluorid (CfF ₃ ), wo die Es ³⁺ -Ionen 8-fach durch Fluorionen in einer zweifachen trigonalen Prismenanordnung koordiniert sind .

Einsteinium(III)-chlorid (EsCl ₃ ) kann durch Tempern von Einsteinium(III)-oxid in der Atmosphäre trockener Chlorwasserstoffdämpfe bei etwa 500 °C für etwa 20 Minuten hergestellt werden. Es kristallisiert beim Abkühlen bei etwa 425 °C zu einem orangefarbenen Feststoff mit hexagonaler Struktur vom UCl ₃ -Typ , in dem Einsteiniumatome 9-fach von Chloratomen in einer dreifachen trigonalen Prismengeometrie koordiniert sind. Einsteinium(III)-bromid (EsBr ₃ ) ist ein blassgelber Feststoff mit einer monoklinen Struktur vom AlCl ₃ -Typ , bei dem die Einsteiniumatome oktaedrisch durch Brom koordiniert sind (Koordinationszahl 6).

Die zweiwertigen Verbindungen des Einsteiniums werden durch Reduktion der dreiwertigen Halogenide mit Wasserstoff erhalten :

2 EsX ₃ + H ₂ → 2 EsX ₂ + 2 HX, X = F, Cl, Br, I

Einsteinium(II)-chlorid (EsCl ₂ ), Einsteinium(II)-bromid (EsBr ₂ ) und Einsteinium(II)-iodid (EsI ₂ ) wurden hergestellt und durch optische Absorption charakterisiert, wobei noch keine Strukturinformationen verfügbar sind.

Bekannte Oxyhalogenide von Einsteinium umfassen EsOCl, EsOBr und EsOI. Diese Salze werden synthetisiert, indem man ein Trihalogenid mit einem Dampfgemisch aus Wasser und dem entsprechenden Halogenwasserstoff behandelt: zum Beispiel EsCl ₃ + H ₂ O/HCl, um EsOCl zu erhalten.

Organoeinsteiniumverbindungen

Die hohe Radioaktivität von Einsteinium hat eine potenzielle Verwendung in der Strahlentherapie , und metallorganische Komplexe wurden synthetisiert, um Einsteiniumatome an ein geeignetes Organ im Körper abzugeben. Die Experimente wurden auf die Injektion einsteinium ausgeführt Citrat (sowie fermium Verbindungen) zu Hunden. Einsteinium(III) wurde auch in Beta-Diketon- Chelatkomplexe eingebaut , da analoge Komplexe mit Lanthaniden zuvor unter metallorganischen Verbindungen die stärkste UV-angeregte Lumineszenz zeigten. Bei der Herstellung von Einsteiniumkomplexen wurden die Es ³⁺ -Ionen 1000fach mit Gd ³⁺ -Ionen verdünnt . Dadurch konnten die Strahlenschäden reduziert werden, so dass die Verbindungen während der für die Messungen benötigten Zeit von 20 Minuten nicht zerfielen. Die resultierende Lumineszenz von Es ³⁺ war viel zu schwach, um nachgewiesen zu werden. Dies wurde durch die ungünstigen relativen Energien der einzelnen Bestandteile der Verbindung erklärt, die einen effizienten Energietransfer von der Chelatmatrix auf Es ³⁺ -Ionen behinderten . Ähnliche Schlussfolgerungen wurden für andere Actiniden Americium, Berkelium und Fermium gezogen.

Lumineszenz von Es ³⁺ -Ionen wurde jedoch sowohl in anorganischen Salzsäurelösungen als auch in organischen Lösungen mit Di(2-ethylhexyl)orthophosphorsäure beobachtet. Es zeigt einen breiten Peak bei ca. 1064 Nanometern (Halbwertsbreite ca. 100 nm), der durch grünes Licht (ca. 495 nm Wellenlänge) resonant angeregt werden kann. Die Lumineszenz hat eine Lebensdauer von mehreren Mikrosekunden und die Quantenausbeute liegt unter 0,1%. Die im Vergleich zu Lanthaniden relativ hohen strahlungslosen Zerfallsraten in Es ³⁺ waren mit der stärkeren Wechselwirkung der f-Elektronen mit den inneren Es ³⁺ -Elektronen verbunden.

Anwendungen

Außerhalb der wissenschaftlichen Grundlagenforschung zur Herstellung von höheren Transuranelementen und Transactiniden gibt es fast keine Verwendung für Einsteiniumisotope .

1955 wurde Mendelevium durch Bestrahlung eines Targets, das aus etwa 10 ⁹ Atomen von ²⁵³ Es bestand, im 60-Zoll-Zyklotron des Berkeley Laboratory synthetisiert . Die resultierende Reaktion mit ²⁵³ Es(α,n) ²⁵⁶ Md lieferte 17 Atome des neuen Elements mit der Ordnungszahl 101.

Das seltene Isotop Einsteinium-254 wird wegen seiner großen Masse, der relativ langen Halbwertszeit von 270 Tagen und der Verfügbarkeit in signifikanten Mengen von mehreren Mikrogramm für die Herstellung ultraschwerer Elemente bevorzugt . Daher wurde Einsteinium-254 als Zielmolekül bei dem Versuch der Synthese von Ununennium (Element 119) im Jahr 1985 verwendet, indem es mit Calcium-48- Ionen am superHILAC- Linearbeschleuniger in Berkeley, Kalifornien, beschossen wurde. Es wurden keine Atome identifiziert, was eine Obergrenze für den Wirkungsquerschnitt dieser Reaktion bei 300 Nanobarns festlegt .

${\displaystyle {\ce {{^{254}_{99}Es}+{^{48}_{20}Ca}->{^{302}_{119}Uue^{\ast }}-> keine\ Atome}}}$

Einsteinium-254 wurde als Kalibrierungsmarker im chemischen Analysespektrometer (" alpha-streuender Oberflächenanalysator ") der Surveyor 5- Mondsonde verwendet. Die große Masse dieses Isotops reduzierte die spektrale Überlappung zwischen den Signalen des Markers und den untersuchten leichteren Elementen der Mondoberfläche.

Sicherheit

Die meisten der verfügbaren Daten zur Einsteinium-Toxizität stammen aus Tierversuchen. Bei der Aufnahme durch Ratten gelangen nur etwa 0,01% Einsteinium in den Blutkreislauf. Von dort gehen ca. 65% in die Knochen, wo es ohne seinen radioaktiven Zerfall ca. 50 Jahre verbleiben würde, ganz zu schweigen von der 3-jährigen maximalen Lebensdauer der Ratte, 25% in die Lunge (biologische Halbwertszeit ca 20 Jahre, obwohl dies durch die kurzen Halbwertszeiten der Einsteinium-Isotope wieder irrelevant wird), 0,035% auf die Hoden oder 0,01% auf die Eierstöcke – wo Einsteinium auf unbestimmte Zeit bleibt. Etwa 10 % der aufgenommenen Menge werden ausgeschieden. Die Verteilung von Einsteinium über die Knochenoberflächen ist gleichmäßig und ähnelt der von Plutonium.

Verweise

Literaturverzeichnis

• Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemie der Elemente (2. Aufl.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0080379418.
• Haar, Richard G. (2006). "Einsteinium". In Morss, Lester R.; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean (Hrsg.). Die Chemie der Actiniden- und Transactiniden-Elemente (PDF) . 3 (3. Aufl.). Dordrecht, Niederlande: Springer. S. 1577–1620. doi : 10.1007/1-4020-3598-5_12 . ISBN 978-1-4020-3555-5. Archiviert vom Original (PDF) am 17.07.2010.
• Holleman, Arnold F. & Wiberg, Nils (2007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (102. Aufl.). Berlin: de Gruyter. ISBN 978-3-11-017770-1.
• Seaborg, GT, Hrsg. (23. Januar 1978). Tagungsband des Symposiums zum 25-jährigen Jubiläum von Elements 99 und 100 (PDF) . Bericht LBL-7701.

Externe Links

• Einsteinium im Periodensystem der Videos (University of Nottingham)
• Altersbedingte Faktoren des Radionuklidstoffwechsels und der Dosimetrie: Proceedings – enthält mehrere gesundheitsbezogene Studien zu Einsteinium