Röntgenium - Roentgenium

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

Röntgenium, ₁₁₁ Rg
Röntgenium
Aussprache
Aussehen	silbrig (vorhergesagt)
Massenzahl	[282] (unbestätigt: 286)
Röntgenium im Periodensystem
	Darmstadtium ← Röntgenium → Copernicium
Ordnungszahl ( Z )	111
Gruppe	Gruppe 11
Zeitraum	Zeitraum 7
Block	D-Block
Elektronenkonfiguration	[ Rn ] 5f 14 6d 9 7s 2 (vorhergesagt)
Elektronen pro Schale	2, 8, 18, 32, 32, 17, 2 (vorhergesagt)
Physikalische Eigenschaften
Phase bei STP	solide (vorhergesagt)
Dichte (nahe rt )	22–24 g/cm 3 (vorhergesagt)
Atomare Eigenschaften
Oxidationsstufen	(−1), (+1), ( +3 ), (+5), (+7) (vorhergesagt)
Ionisierungsenergien
Atomradius	empirisch: 138 pm (vorhergesagt)
Kovalenter Radius	121 Uhr (geschätzt)
Andere Eigenschaften
Natürliches Vorkommen	Synthetik
Kristallstruktur	kubisch raumzentrierte (bcc) ; (vorhergesagt)
CAS-Nummer	54386-24-2
Geschichte
Benennung	nach Wilhelm Röntgen
Entdeckung	Gesellschaft für Schwerionenforschung (1994)
Haupt Isotope von roentgenium
α (10%)	277 Mio. t
	Kategorie: Röntgenium; Aussicht; sprechen; bearbeiten; \| Verweise

Roentgenium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Rg und der Ordnungszahl 111. Es ist ein extrem radioaktives synthetisches Element , das im Labor hergestellt werden kann, aber in der Natur nicht vorkommt. Das stabilste bekannte Isotop, Roentgenium-282, hat eine Halbwertszeit von 100 Sekunden, obwohl das unbestätigte Roentgenium-286 eine längere Halbwertszeit von etwa 10,7 Minuten haben kann. Roentgenium wurde erstmals 1994 vom GSI Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung in der Nähe von Darmstadt entwickelt. Es ist nach dem Physiker Wilhelm Röntgen ( auch Roentgen geschrieben) benannt, der die Röntgenstrahlung entdeckte . Nur wenige Röntgeniumatome wurden jemals synthetisiert, und sie enthalten keine aktuelle praktische Anwendung über die wissenschaftliche Untersuchung hinaus.

Im Periodensystem ist es ein D-Block- Transactinid-Element . Es ist ein Mitglied der 7. Periode und wird in die Elemente der Gruppe 11 eingeordnet , obwohl keine chemischen Experimente durchgeführt wurden, um zu bestätigen, dass es sich als das schwerere Homolog zu Gold in Gruppe 11 als neuntes Mitglied der 6d-Reihe von Übergangsmetallen verhält . Es wird berechnet, dass Roentgenium ähnliche Eigenschaften wie seine leichteren Homologen Kupfer , Silber und Gold hat, obwohl es einige Unterschiede zu ihnen aufweisen kann. Es wird angenommen, dass Roentgenium bei Raumtemperatur ein Feststoff ist und in seinem regulären Zustand ein metallisches Aussehen hat.

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

Roentgenium wurde nach dem Physiker Wilhelm Röntgen , dem Entdecker der Röntgenstrahlung, benannt .

Kulisse für die Präsentation der Entdeckung und Anerkennung von Roentgenium bei GSI Darmstadt

Offizielle Entdeckung

Roentgenium wurde zuerst synthetisiert von einem internationalen Team unter der Leitung Sigurd Hofmann an der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt , Deutschland , am 8. Dezember 1994. Das Team beschoss , um ein Ziel von Wismut-209 mit beschleunigten Kernen von Nickel -64 und entdeckte drei Kerne des Isotops Röntgenium-272:

²⁰⁹
₈₃Bi
+ ⁶⁴
₂₈Ni
→ ²⁷²
₁₁₁Rg
+ ¹
₀n

Diese Reaktion war zuvor 1986 am Joint Institute for Nuclear Research in Dubna (damals in der Sowjetunion ) durchgeführt worden, aber damals wurden keine Atome von ²⁷² Rg beobachtet. 2001 kam die Gemeinsame Arbeitsgruppe von IUPAC/IUPAP (JWP) zu dem Schluss, dass es zu diesem Zeitpunkt keine ausreichenden Beweise für die Entdeckung gab. Das GSI-Team wiederholte sein Experiment im Jahr 2002 und entdeckte drei weitere Atome. In ihrem Bericht von 2003 entschied die JWP, dass das GSI-Team für die Entdeckung dieses Elements gewürdigt werden sollte.

Benennung

Mit Mendelejews Nomenklatur für unbenannte und unentdeckte Elemente sollte Roentgenium als Eka- Gold bekannt sein . 1979 veröffentlichte die IUPAC Empfehlungen, nach denen das Element unununium (mit dem entsprechenden Symbol von Uuu ) heißen sollte , ein systematischer Elementname als Platzhalter , bis das Element entdeckt (und die Entdeckung dann bestätigt) wurde und ein dauerhafter Name war entschieden zu. Obwohl die Empfehlungen in der chemischen Gemeinschaft auf allen Ebenen, vom Chemieunterricht bis hin zu fortgeschrittenen Lehrbüchern, weit verbreitet sind, wurden die Empfehlungen von Wissenschaftlern auf diesem Gebiet meist ignoriert, die es Element 111 nannten , mit dem Symbol von E111 , (111) oder sogar einfach 111 .

Der Name Roentgenium (Rg) wurde 2004 vom GSI-Team vorgeschlagen, um den deutschen Physiker Wilhelm Conrad Röntgen , den Entdecker der Röntgenstrahlung , zu ehren . Dieser Name wurde am 1. November 2004 von der IUPAC akzeptiert .

Isotope

Roentgenium hat keine stabilen oder natürlich vorkommenden Isotope. Im Labor wurden mehrere radioaktive Isotope synthetisiert, entweder durch Kernfusion leichterer Elemente oder als Zerfallszwischenprodukte schwererer Elemente. Neun verschiedene Isotope von Roentgenium mit den Atommassen 272, 274, 278–283 und 286 (283 und 286 unbestätigt) wurden beschrieben, von denen zwei, Roentgenium-272 und Roentgenium-274, bekannte, aber unbestätigte metastabile Zustände aufweisen . All diese zerfallen durch Alphazerfall oder spontane Spaltung, obwohl ²⁸⁰ Rg auch einen Elektroneneinfangzweig haben kann .

Stabilität und Halbwertszeiten

Liste der Roentgenium-Isotope
Isotop	Halbes Leben		Decay- Modus	Discovery - Jahr	Discovery - Reaktion
Isotop	Wert	Ref	Decay- Modus	Discovery - Jahr	Discovery - Reaktion
²⁷² Rg	4,5 ms		α	1994	²⁰⁹ Bi( ⁶⁴ Ni,n)
²⁷⁴ Rg	29 ms		α	2004	²⁷⁸ Nh(—,α)
²⁷⁸ Rg	4,2 ms		α	2006	²⁸² Nh(—,α)
²⁷⁹ Rg	90 ms		α	2003	²⁸⁷ Mc(—,2α)
²⁸⁰ Rg	4,6 s		α, EC	2003	²⁸⁸ Mc(—,2α)
²⁸¹ Rg	17 s		SF, α	2010	²⁹³ Ts(—,3α)
²⁸² Rg	1,7 Minuten		α	2010	²⁹⁴ Ts(—,3α)
²⁸³ Rg	5,1 Minuten		SF	1999	²⁸³ Cn(e ⁻ ,ν _e )
²⁸⁶ Rg	10,7 Minuten		α	1998	²⁹⁰ Fl(e ⁻ ,ν _e α)

Alle Roentgenium-Isotope sind extrem instabil und radioaktiv; Im Allgemeinen sind die schwereren Isotope stabiler als die leichteren. Das stabilste bekannte Röntgenium-Isotop, ²⁸² Rg, ist auch das schwerste bekannte Röntgenium-Isotop; es hat eine Halbwertszeit von 100 Sekunden. Das unbestätigte ²⁸⁶ Rg ist noch schwerer und scheint eine noch längere Halbwertszeit von etwa 10,7 Minuten zu haben, was es zu einem der langlebigsten bekannten superschweren Nuklide machen würde; ebenso scheint das unbestätigte ²⁸³ Rg eine lange Halbwertszeit von etwa 5,1 Minuten zu haben. Auch die Isotope ²⁸⁰ Rg und ²⁸¹ Rg haben Halbwertszeiten von über einer Sekunde. Die restlichen Isotope haben Halbwertszeiten im Millisekundenbereich.

Vorhergesagte Eigenschaften

Außer den Kerneigenschaften wurden keine Eigenschaften von Roentgenium oder seinen Verbindungen gemessen; Dies liegt an seiner extrem begrenzten und teuren Produktion und der Tatsache, dass Röntgenium (und seine Eltern) sehr schnell zerfallen. Die Eigenschaften von Roentgenium-Metall bleiben unbekannt und es liegen nur Vorhersagen vor.

Chemisch

Roentgenium ist das neunte Mitglied der 6d-Reihe von Übergangsmetallen . Berechnungen zu seinen Ionisationspotentialen und Atom- und Ionenradien ähneln denen seines leichteren Homologen Gold , was darauf hindeutet, dass die grundlegenden Eigenschaften von Roentgenium denen der anderen Elemente der Gruppe 11 , Kupfer , Silber und Gold ähneln ; es wird jedoch auch vorhergesagt, dass es mehrere Unterschiede zu seinen leichteren Homologen aufweist.

Röntgenium gilt als Edelmetall . Das Standardelektrodenpotential von 1,9 V für das Rg ³⁺ /Rg-Paar ist größer als das von 1,5 V für das Au ³⁺ /Au-Paar. Die von Röntgenium vorhergesagte erste Ionisationsenergie von 1020 kJ/mol entspricht fast der des Edelgases Radon mit 1037 kJ/mol. Basierend auf den stabilsten Oxidationsstufen der leichteren Elemente der Gruppe 11 wird vorhergesagt, dass Roentgenium stabile +5- und +3-Oxidationsstufen aufweist, mit einer weniger stabilen +1-Stufe. Der +3-Zustand wird als der stabilste vorhergesagt. Es wird erwartet, dass Roentgenium(III) eine vergleichbare Reaktivität wie Gold(III) aufweist, aber stabiler sein und eine größere Vielfalt an Verbindungen bilden sollte. Gold bildet aufgrund relativistischer Effekte auch einen einigermaßen stabilen −1-Zustand, und es wurde vorgeschlagen, dass Roentgenium dies auch tun könnte: Trotzdem wird erwartet, dass die Elektronenaffinität von Roentgenium etwa 1,6 eV (37 kcal/mol ) beträgt , deutlich niedriger als Gold-Wert von 2,3 eV (53 kcal/mol), so dass Röntgenide möglicherweise nicht stabil oder sogar möglich sind. Die 6d-Orbitale werden durch relativistische Effekte und Spin-Bahn-Wechselwirkungen gegen Ende der vierten Übergangsmetallreihe destabilisiert , wodurch das Roentgenium(V) mit hoher Oxidationsstufe stabiler wird als sein leichteres Homologes Gold(V) (nur bekannt in Goldpentafluorid , Au ₂ F ₁₀ ), da die 6d-Elektronen stärker an der Bindung beteiligt sind. Die Spin-Bahn-Wechselwirkungen stabilisieren molekulare Röntgeniumverbindungen mit mehr bindenden 6d-Elektronen; zum Beispiel RgF⁻
₆ist voraussichtlich stabiler als RgF⁻
₄, von dem erwartet wird, dass es stabiler ist als RgF⁻
₂. Die Stabilität von RgF⁻
₆ist homolog zu dem von AuF⁻
₆; das Silberanalogon AgF⁻
₆ist unbekannt und wird voraussichtlich nur geringfügig stabil gegen Zersetzung zu AgF . sein⁻
₄und F ₂ . Darüber hinaus wird erwartet, dass Rg ₂ F ₁₀ gegenüber der Zersetzung stabil ist, genau analog zu Au ₂ F ₁₀ , während Ag ₂ F ₁₀ gegenüber der Zersetzung zu Ag ₂ F ₆ und F ₂ instabil sein sollte . Goldheptafluorid , AuF ₇ , ist als Gold(V)-Difluor-Komplex AuF ₅ ·F _{2 bekannt} , der eine niedrigere Energie hat als ein echtes Gold(VII)-Heptafluorid; RgF ₇ wird stattdessen als stabiler als echtes Roentgenium(VII) -Heptafluorid berechnet, obwohl es etwas instabil wäre, da seine Zersetzung zu Rg ₂ F ₁₀ und F ₂ bei Raumtemperatur eine kleine Menge Energie freisetzt. Es wird erwartet, dass Röntgenium(I) schwer erhältlich ist. Gold leicht bildet den Cyanid - Komplex Au (CN)⁻
₂, das bei seiner Gewinnung aus Erz durch den Prozess der Goldcyanidierung verwendet wird ; Roentgenium wird voraussichtlich nachziehen und Rg(CN) bilden⁻
₂.

Die wahrscheinliche Chemie des Roentgeniums hat mehr Interesse gefunden als die der beiden vorherigen Elemente Meitnerium und Darmstadtium , da erwartet wird, dass die Valenz-S- Unterschalen der Elemente der 11. Berechnungen an der molekularen Verbindung Rg H zeigen, dass relativistische Effekte die Stärke der Röntgen-Wasserstoff-Bindung verdoppeln, obwohl Spin-Bahn-Wechselwirkungen sie ebenfalls um 0.7 eV (16 kcal/mol) schwächen. Die Verbindungen Au X und RgX mit X = F , Cl , Br , O , Au oder Rg wurden ebenfalls untersucht. Rg ⁺ wird als das weichste Metallion vorhergesagt , sogar noch weicher als Au ⁺ , obwohl es umstritten ist, ob es sich wie eine Säure oder eine Base verhalten würde . In wässriger Lösung würde Rg ⁺ das Aqua-Ion [Rg(H ₂ O) ₂ ] ⁺ mit einem Rg-O-Bindungsabstand von 207.1 pm bilden . Es wird auch erwartet, dass es mit Ammoniak , Phosphin und Schwefelwasserstoff Rg(I)-Komplexe bildet .

Physikalisch und atomar

Es wird erwartet, dass Roentgenium unter normalen Bedingungen fest ist und in der kubischraumzentrierten Struktur kristallisiert, im Gegensatz zu seinen leichteren Artgenossen, die in der kubischflächenzentrierten Struktur kristallisieren , da von ihm erwartet wird, dass es unterschiedliche Elektronenladungsdichten aufweist. Es sollte ein sehr schweres Metall mit einer Dichte von etwa 22–24 g/cm ^{3 sein} ; im Vergleich dazu hat das dichteste bekannte Element, dessen Dichte gemessen wurde, Osmium , eine Dichte von 22,61 g/cm ³ .

Die stabilen Elemente der Gruppe 11 Kupfer, Silber und Gold haben alle eine äußere Elektronenkonfiguration (n−1)d ¹⁰ ns ¹ . Für jedes dieser Elemente hat der erste angeregte Zustand ihrer Atome eine Konfiguration (n−1)d ⁹ ns ² . Aufgrund der Spin-Bahn-Kopplung zwischen den d-Elektronen wird dieser Zustand in ein Paar von Energieniveaus aufgespalten. Bei Kupfer führt der Energieunterschied zwischen dem Grundzustand und dem niedrigsten angeregten Zustand dazu, dass das Metall rötlich erscheint. Bei Silber weitet sich die Energielücke und es wird silbrig. Mit steigender Ordnungszahl werden die angeregten Niveaus jedoch durch relativistische Effekte stabilisiert und in Gold nimmt die Energielücke wieder ab und es erscheint Gold. Für Röntgenium zeigen Berechnungen, dass das 6d ⁹ 7s ² -Niveau so weit stabilisiert ist, dass es zum Grundzustand wird und das 6d ¹⁰ 7s ¹ -Niveau zum ersten angeregten Zustand wird. Der resultierende Energieunterschied zwischen dem neuen Grundzustand und dem ersten angeregten Zustand ist ähnlich dem von Silber, und es wird erwartet, dass Röntgenium silbrig aussieht. Der Atomradius von Röntgenium wird voraussichtlich bei etwa 138 pm liegen.

Experimentelle Chemie

Aufgrund der geringen Ausbeuten von Reaktionen, die Roentgeniumisotope erzeugen, muss noch eine eindeutige Bestimmung der chemischen Eigenschaften von Röntgenium festgestellt werden. Für chemische Untersuchungen an einem Transactinid müssen mindestens vier Atome produziert werden, die Halbwertszeit des verwendeten Isotops muss mindestens 1 Sekunde betragen und die Produktionsrate muss mindestens ein Atom pro Woche betragen. Obwohl die Halbwertszeit von ²⁸² Rg, dem stabilsten bestätigten Roentgenium-Isotop, 100 Sekunden beträgt, lang genug, um chemische Studien durchzuführen, ist ein weiteres Hindernis die Notwendigkeit, die Produktionsrate von Roentgenium-Isotopen zu erhöhen und Experimente über Wochen dauern zu lassen oder Monate, um statistisch signifikante Ergebnisse zu erhalten. Trennung und Detektion müssen kontinuierlich durchgeführt werden, um die Roentgenium-Isotope abzutrennen und es automatisierten Systemen zu ermöglichen, mit der Gasphasen- und Lösungschemie von Roentgenium zu experimentieren, da die Ausbeuten für schwerere Elemente voraussichtlich geringer sein werden als für leichtere Elemente. Allerdings hat die experimentelle Chemie der roentgenium nicht so viel Aufmerksamkeit wie die der schwereren Elemente aus den empfangenen copernicium zu Livermorium trotz frühes Interesse an der theoretischen Vorhersagen aufgrund relativistischer Effekte auf die n s Subshell in der Gruppe 11 ein Maximum bei roentgenium erreichen. Die Isotope ²⁸⁰ Rg und ²⁸¹ Rg sind vielversprechend für chemische Experimente und könnten als Enkelinnen der Moscovium- Isotope ²⁸⁸ Mc bzw. ²⁸⁹ Mc hergestellt werden; ihre Eltern sind die nihonium Isotope ²⁸⁴ Nh und ²⁸⁵ Nh, die bereits erste chemische Untersuchungen erhalten haben.

Siehe auch

Insel der Stabilität

Anmerkungen

Verweise

Literaturverzeichnis

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Externe Links

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

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