Sciencemag.cz
Doporučujeme
Mezinárodní vědecký tým poprvé popsal chemické vlastnosti 2 uměle vyrobených supertěžkých prvků moscovia (moskovium, český ekvivalent ale prý dosud není oficiální) a nihonia (prvky 115 a 113). Moscovium se tak stalo nejtěžším prvkem, který byl kdy studován z hlediska chemických vlastností.
Oba nově charakterizované prvky jsou chemicky o něco reaktivnější než flerovium (prvek 114, tedy v tabulce mezi nimi), které bylo zkoumáno již dříve.
Experimenty na GSI/FAIR v Darmstadtu nyní souběžně poskytují údaje o třech supertěžkých prvcích 113, 114 a 115, což umožňuje spolehlivou klasifikaci jejich vlastností a obecnější posouzení „fungování“ periodické tabulky v této extrémní oblasti.
Jak se prvky stávají těžšími, větší množství kladně nabitých protonů v jádře urychluje elektrony rotující kolem jádra na stále vyšší rychlosti – tak vysoké, že se začnou projevovat relativistické efekty. V důsledku této rychlosti jsou elektrony těžší. Už i v obyčejném olovu (82 protonů) se začínají dít podobné podivnosti a dokonce mají (údajně) i praktický význam – uplatňují se při chemických reakcích v bateriích obsahujících olovo.
Jaký supertěžký prvek by mohl být obdobou olova, s relativistickými efekty ještě většími? Přímo se nabízí soused, který v periodické tabulce bude pod olovem (ve stejném sloupci/skupině), flerovium (114). Bylo ovšem zjištěno, že je olovu dost nepodobný, snadno se mění na plyn a je méně chemicky reaktivní.
Vědci se proto rozhodli prozkoumat i dva sousedy flerovia, prvky 113 (nihonium) a 115 (moscovium). Zatímco první náznaky chemických vlastností nihonia již byly zaznamenány, nikdo dosud nedokázal zkoumat chemii moscovia – i jeho nejstabilnější známý izotop existuje jen asi 20 setin sekundy.
Nová studie došla k závěru, že prvky 113 a 115 jsou chemicky reaktivnější než 114.
K získání tohoto výsledku stačilo pozorování pouhé hrstky atomů. Přesto bylo k dosažení tohoto výsledku zapotřebí dvou měsíců nepřetržité nepřetržité práce na urychlovači těžkých iontů GSI/FAIR. Na výsledku se dále podíleli vědci z Johannes Gutenberg University Mainz (Mohuč) a Helmholtz Institute Mainz. K výrobě supertěžkých prvků tým ozařoval tenké fólie obsahující americium-243 (prvek 95), které je samo o sobě umělým prvkem, intenzivními svazky iontů vápníku-48 (prvek 20). Jejich fúze vedla ke vzniku jader moscovia-288 (prvek 115), která se během zlomku sekundy přeměnila na nihonium-284 (prvek 113).
Inertní plyn proplachoval oba prvky přes soustavu detektorů pokrytou tenkou vrstvou křemene. Detektory zaznamenávaly rozpad jednotlivých supertěžkých atomů, což umožňovalo určit, zda atomy vytvoří s křemenem dostatečně silnou chemickou vazbu, která je udrží v místě, kde se poprvé setkají s povrchem. Slabší vazba vede k dalšímu transportu plynem. Vzorek registrovaný v poli detektorů tak poskytuje informace o síle chemických vazeb a tedy i o chemické reaktivitě prvků. Prvky s nízkou reaktivitou mohou dokonce opustit pole, ale pouze proto, aby se setkaly s detektory pokrytými zlatem. Vazby se zlatem jsou obecně silnější než s křemenem, čímž je zajištěno, že každý studovaný atom je skutečně zachycen a zaregistrován.
Tyto procesy probíhaly tak rychle, že vědci byli schopni pozorovat velmi krátce žijící moscovium-288 a v ještě větší míře (což ovšem znamená přibližně dva detekované atomy týdně) z něho vznikající nihonium-284.
Celkem byly zaznamenány čtyři atomy moscovia, všechny v křemenem pokryté soustavě. Mezi 14 detekovanými atomy nihonia bylo pozorováno usazování převážně na křemeni, což ukazuje na vznik chemické vazby. Jeden atom nihonia se dostal na pole pokryté zlatem, což naznačuje, že vazba na křemen není příliš silná. To je v kontrastu s chováním lehčích homologů thalia (pro nihonium) a bismutu (pro moscovium), o nichž je známo, že oba tvoří s křemenem silné vazby. Podobně olovo, homolog flerovia, tvoří s křemenem silné vazby, zatímco flerovium nikoli.
Kompletní soubor dat o těchto prvcích ukazuje, že supertěžké prvky jsou mnohem méně reaktivní než jejich lehčí homology, což se přičítá právě silnějším relativistickým relativistickým efektům (PH: chápu to tak, že těžší elektrony jsou „línější“). Flerovium má zřejmě navíc chemické slupky zaplněné nějak podobně jako vzácné plyny, tak je ještě inertnější.
„Výsledky demonstrují vliv Einsteinovy teorie relativity na periodickou tabulku a zároveň stanovují nový rekord pro nejtěžší prvek studovaný z pohledu jeho chemických vlastností,“ praví průvodní tisková zpráva.
Praktické využití těchto poznatků je prozatím asi nulové – výše popisované prvky se rychle rozpadají a naopak je dokážeme vyrábět jen velmi pomalu.
A. Yakushev et al, Manifestation of relativistic effects in the chemical properties of nihonium and moscovium revealed by gas chromatography studies, Frontiers in Chemistry (2024). DOI: 10.3389/fchem.2024.1474820 přeloženo / zkráceno
Výřez periodické tabulky prvků: Výška sloupců zvýrazněných prvků představuje sílu vazby na křemenném povrchu. Kredit: A. Yakushev/Ch.E. Düllmann
Zdroj: Helmholtz Association of German Research Centres / Phys.org
Poznámka PH: Naivně by šlo namítnout, že chlór je také méně reaktivní než fluór a k vysvětlení tohoto teorii relativity nepotřebujeme. Jenže to je dáno tím, že v tomto případě jde o schopnost elektrony přitahovat. Naopak u prvků tvořících kationty směrem dolů ve sloupci reaktivita normálně roste.
Sice tomu uplne nerozumim, ale podle me je problem v tom, ze relativisticke efekty zmeni strukturu valencnich „slupek“, ne ze by primo ovlivnovaly valencni elektrony (ty nemaji relativisticke energie).
Relativisticke energie maji vnitrni elektrony, a tim dojde ke zmene vnitrnich elektronovych „slupek“, uz tam proste nejsou zadne s, p, d orbitaly. A tim se zmeni mnozstvi elektronu, ktere vyplnuji valencni „slupky“, a tim jsou ovlivnene chemicke vlastnosti.
no, vypadá to skutečně na změny orbitalů – když tam uvádějí, že flerovium pod olovem má konfiguraci nějak obdobnou vzácným plynům…?