Copernicio

El copernicio es un elemento químico sintético con el símbolo Cn y el número atómico 112. Sus isótopos conocidos son extremadamente radiactivos y solo se han creado en un laboratorio. El isótopo conocido más estable, copernicium-285, tiene una vida media de aproximadamente 28 segundos. Copernicium fue creado por primera vez en 1996 por el Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados ​​cerca de Darmstadt, Alemania. Lleva el nombre del astrónomo Nicolás Copérnico.

En la tabla periódica de los elementos, el copernicio es un elemento transactínido del bloque d y un elemento del grupo 12. Durante las reacciones con el oro, se ha demostrado que es un elemento extremadamente volátil, tanto que posiblemente sea un gas o un líquido volátil a temperatura y presión estándar.

Se calcula que el copernicio tiene varias propiedades que difieren de sus homólogos más ligeros en el grupo 12, zinc, cadmio y mercurio; debido a los efectos relativistas, puede ceder sus electrones 6d en lugar de los 7s, y puede tener más similitudes con los gases nobles como el radón que con sus homólogos del grupo 12. Los cálculos indican que el copernicio puede mostrar el estado de oxidación +4, mientras que el mercurio lo muestra en un solo compuesto de existencia cuestionada y el zinc y el cadmio no lo muestran en absoluto. También se ha predicho que será más difícil oxidar el copernicio desde su estado neutral que los otros elementos del grupo 12. Las predicciones varían sobre si el copernicio sólido sería un metal, un semiconductor o un aislante. El copernicio es uno de los elementos más pesados ​​cuyas propiedades químicas se han investigado experimentalmente.

Introducción

Los núcleos atómicos más pesados ​​se crean en reacciones nucleares que combinan otros dos núcleos de tamaño desigual en uno; aproximadamente, cuanto más desiguales sean los dos núcleos en términos de masa, mayor será la posibilidad de que los dos reaccionen. El material hecho de los núcleos más pesados ​​se convierte en un objetivo, que luego es bombardeado por el haz de núcleos más ligeros. Dos núcleos solo pueden fusionarse en uno si se acercan lo suficiente; normalmente, los núcleos (todos con carga positiva) se repelen entre sí debido a la repulsión electrostática. La interacción fuerte puede superar esta repulsión pero solo a una distancia muy corta de un núcleo; los núcleos del haz son así muy acelerados para que dicha repulsión sea insignificante en comparación con la velocidad del núcleo del haz.Acercarse solo no es suficiente para que dos núcleos se fusionen: cuando dos núcleos se acercan, generalmente permanecen juntos durante aproximadamente 10 segundos y luego se separan (no necesariamente en la misma composición que antes de la reacción) en lugar de formar un solo núcleo. Si se produce la fusión, la fusión temporal, denominada núcleo compuesto, es un estado excitado. Para perder su energía de excitación y alcanzar un estado más estable, un núcleo compuesto se fisiona o expulsa uno o varios neutrones, que se llevan la energía. Esto ocurre en aproximadamente 10 segundos después de la colisión inicial.

El rayo atraviesa el objetivo y llega a la siguiente cámara, el separador; si se produce un nuevo núcleo, se transporta con este rayo. En el separador, el núcleo recién producido se separa de otros nucleidos (el del haz original y cualquier otro producto de reacción) y se transfiere a un detector de barrera de superficie, que detiene el núcleo. Se marca la ubicación exacta del próximo impacto en el detector; también están marcadas su energía y el momento de la llegada. La transferencia tarda unos 10 segundos; para ser detectado, el núcleo debe sobrevivir tanto tiempo. El núcleo se registra nuevamente una vez que se registra su desintegración, y se miden la ubicación, la energía y el tiempo de la desintegración.

La estabilidad de un núcleo es proporcionada por la interacción fuerte. Sin embargo, su rango es muy corto; a medida que los núcleos se hacen más grandes, su influencia sobre los nucleones más externos (protones y neutrones) se debilita. Al mismo tiempo, el núcleo se desgarra por la repulsión electrostática entre los protones, ya que tiene un alcance ilimitado. Por lo tanto, los núcleos de los elementos más pesados ​​​​se predicen teóricamente y hasta ahora se ha observado que se desintegran principalmente a través de modos de desintegración causados ​​​​por dicha repulsión: desintegración alfa y fisión espontánea;estos modos son predominantes para núcleos de elementos superpesados. Las desintegraciones alfa son registradas por las partículas alfa emitidas, y los productos de desintegración son fáciles de determinar antes de la desintegración real; si tal desintegración o una serie de desintegraciones consecutivas produce un núcleo conocido, el producto original de una reacción se puede determinar aritméticamente. Sin embargo, la fisión espontánea produce varios núcleos como productos, por lo que el nucleido original no puede determinarse a partir de sus hijos.

La información disponible para los físicos que pretenden sintetizar uno de los elementos más pesados ​​es, por lo tanto, la información recopilada en los detectores: ubicación, energía y tiempo de llegada de una partícula al detector, y los de su desintegración. Los físicos analizan estos datos y buscan concluir que efectivamente fue causado por un nuevo elemento y no podría haber sido causado por un nucleido diferente al que se afirma. A menudo, los datos proporcionados son insuficientes para concluir que definitivamente se creó un nuevo elemento y no hay otra explicación para los efectos observados; se han cometido errores en la interpretación de los datos.

Historia

Descubrimiento

Copernicium se creó por primera vez el 9 de febrero de 1996 en la Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) en Darmstadt, Alemania, por Sigurd Hofmann, Victor Ninov et al. Este elemento se creó disparando núcleos de zinc-70 acelerados a un objetivo hecho de núcleos de plomo-208 en un acelerador de iones pesados. Se produjo un solo átomo de copernicio con un número de masa de 277. (Originalmente se informó un segundo, pero se descubrió que se basaba en datos fabricados por Ninov y, por lo tanto, se retractó).₈₂Pb +₃₀Zn →₁₁₂Cn* →₁₁₂cn +₀norte

En mayo de 2000, el GSI repitió con éxito el experimento para sintetizar otro átomo de copernicium-277. Esta reacción se repitió en RIKEN usando la configuración de búsqueda de un elemento súper pesado usando un separador de retroceso lleno de gas en 2004 y 2013 para sintetizar tres átomos más y confirmar los datos de desintegración informados por el equipo de GSI. Esta reacción también se había probado previamente en 1971 en el Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear en Dubna, Rusia, para apuntar a Cn (producido en el canal 2n), pero sin éxito.

El Grupo de Trabajo Conjunto (JWP) de IUPAC/IUPAP evaluó la afirmación del descubrimiento de copernicium por parte del equipo de GSI en 2001 y 2003. En ambos casos, encontraron que no había pruebas suficientes para respaldar su afirmación. Esto se relacionó principalmente con los datos de desintegración contradictorios del conocido nucleido rutherfordio-261. Sin embargo, entre 2001 y 2005, el equipo de GSI estudió la reacción Cm(Mg,5n) Hs y pudo confirmar los datos de descomposición del hassio-269 y el rutherfordio-261. Se encontró que los datos existentes sobre rutherfordio-261 eran para un isómero, ahora denominado rutherfordio-261m.

En mayo de 2009, el JWP informó nuevamente sobre las afirmaciones del descubrimiento del elemento 112 y reconoció oficialmente al equipo de GSI como los descubridores del elemento 112. Esta decisión se basó en la confirmación de las propiedades de descomposición de los núcleos hijos, así como en los experimentos confirmatorios en RIKEN.

También se ha trabajado en el Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear en Dubna, Rusia desde 1998 para sintetizar el isótopo más pesado Cn en la reacción de fusión en caliente U(Ca,3n) Cn; la mayoría de los átomos observados de Cn se desintegraron por fisión espontánea, aunque se detectó una rama de desintegración alfa a Ds. Si bien los experimentos iniciales tenían como objetivo asignar el nucleido producido con su larga vida media observada de 3 minutos en función de su comportamiento químico, se descubrió que no era similar al mercurio como se esperaba (el copernicio se encuentra debajo del mercurio en la tabla periódica), y, de hecho, ahora parece que la actividad de larga duración podría no haber sido de Cn en absoluto, sino de su hija de captura de electronesRg en cambio, con una vida media más corta de 4 segundos asociada con Cn. (Otra posibilidad es la asignación a un estado isomérico metaestable, Cn). Si bien los bombardeos cruzados posteriores en las reacciones Pu+ Ca y Cm+ Ca lograron confirmar las propiedades de Cn y sus padres Fl y Lv, y desempeñaron un papel importante en la aceptación de los descubrimientos de flerovium y livermorium (elementos 114 y 116) por parte del JWP en 2011, este trabajo se originó después del trabajo de GSI sobre Cn y se asignó prioridad a GSI.

Denominación

Utilizando la nomenclatura de Mendeleev para elementos no identificados y no descubiertos, el copernicio debería conocerse como eka-mercurio. En 1979, la IUPAC publicó recomendaciones según las cuales el elemento se llamaría ununbium (con el símbolo correspondiente de Uub), un nombre de elemento sistemático como marcador de posición, hasta que se descubriera el elemento (y luego se confirmara el descubrimiento) y se le diera un nombre permanente. decidido sobre. Aunque se usa ampliamente en la comunidad química en todos los niveles, desde las aulas de química hasta los libros de texto avanzados, las recomendaciones fueron ignoradas en su mayoría entre los científicos en el campo, quienes lo llamaron "elemento 112", con el símbolo de E112, (112), o incluso simplemente 112.

Después de reconocer el descubrimiento del equipo de GSI, la IUPAC les pidió que sugirieran un nombre permanente para el elemento 112. El 14 de julio de 2009, propusieron copernicium con el símbolo del elemento Cp, en honor a Nicolaus Copernicus "para honrar a un destacado científico que cambió nuestra visión del mundo".

Durante el período estándar de discusión de seis meses entre la comunidad científica sobre la denominación, se señaló que el símbolo Cp se asoció anteriormente con el nombre casiopeio (casiopio), ahora conocido como lutecio (Lu), y el compuesto ciclopentadieno. Por esta razón, la IUPAC rechazó el uso de Cp como símbolo futuro, lo que llevó al equipo de GSI a presentar el símbolo Cn como alternativa. El 19 de febrero de 2010, el 537 aniversario del nacimiento de Copérnico, la IUPAC aceptó oficialmente el nombre y el símbolo propuestos.

Isótopos

Copernicium no tiene isótopos estables o naturales. Se han sintetizado varios isótopos radiactivos en el laboratorio, ya sea mediante la fusión de dos átomos o mediante la observación de la descomposición de elementos más pesados. Se han informado siete isótopos diferentes con números de masa 277 y 281-286, y se ha informado un isómero metaestable no confirmado en Cn. La mayoría de estos se desintegran predominantemente a través de la desintegración alfa, pero algunos sufren fisión espontánea y el copernicium-283 puede tener una rama de captura de electrones.

El isótopo copernicium-283 fue fundamental en la confirmación de los descubrimientos de los elementos flerovium y livermorium.

Vidas medias

Todos los isótopos de copernicium confirmados son extremadamente inestables y radiactivos; en general, los isótopos más pesados ​​son más estables que los más ligeros. El isótopo conocido más estable, Cn, tiene una vida media de 29 segundos; Cn tiene una vida media de 4 segundos, y Cn y Cn no confirmados tienen vidas medias de aproximadamente 15 y 8,45 segundos, respectivamente. Otros isótopos tienen vidas medias más cortas que un segundo. Cn y Cn tienen vidas medias del orden de 0,1 segundos, y los otros dos isótopos tienen vidas medias ligeramente inferiores a un milisegundo. Se prevé que los isótopos pesados ​​Cn yCn puede tener vidas medias de más de unas pocas décadas, ya que se predice que se encuentran cerca del centro de la isla teórica de estabilidad, y pueden haberse producido en el proceso r y ser detectables en los rayos cósmicos, aunque serían aproximadamente 10 veces más abundante que el plomo.

Los isótopos más ligeros de copernicio se han sintetizado por fusión directa entre dos núcleos más ligeros y como productos de desintegración (a excepción de Cn, que no se sabe que sea un producto de desintegración), mientras que los isótopos más pesados ​​solo se sabe que se producen por desintegración de núcleos más pesados.. El isótopo más pesado producido por fusión directa es Cn; los tres isótopos más pesados, Cn, Cn y Cn, solo se han observado como productos de descomposición de elementos con números atómicos más grandes.

En 1999, científicos estadounidenses de la Universidad de California, Berkeley, anunciaron que habían logrado sintetizar tres átomos de Og. Se informó que estos núcleos progenitores emitieron sucesivamente tres partículas alfa para formar núcleos de copernicium-281, que supuestamente sufrieron desintegración alfa, emitiendo partículas alfa con una energía de desintegración de 10,68 MeV y una vida media de 0,90 ms, pero su afirmación se retractó en 2001. ya que se había basado en datos fabricados por Ninov. Este isótopo fue realmente producido en 2010 por el mismo equipo; los nuevos datos contradecían los datos inventados anteriores.

Propiedades predichas

Se han medido muy pocas propiedades del copernicio o sus compuestos; esto se debe a su producción extremadamente limitada y costosa y al hecho de que el copernicium (y sus padres) se descompone muy rápidamente. Se han medido algunas propiedades químicas singulares, así como el punto de ebullición, pero las propiedades del metal copernicium siguen siendo generalmente desconocidas y, en su mayor parte, solo se dispone de predicciones.

Químico

El copernicio es el décimo y último miembro de la serie 6d y es el elemento más pesado del grupo 12 en la tabla periódica, por debajo del zinc, el cadmio y el mercurio. Se predice que difiere significativamente de los elementos más ligeros del grupo 12. Se espera que las subcapas s de valencia de los elementos del grupo 12 y los elementos del período 7 se contraigan relativísticamente con mayor fuerza en el copernicio. Esto y la configuración de capa cerrada del copernicio hacen que probablemente sea un metal muy noble. Se prevé un potencial de reducción estándar de +2,1 V para el par Cn/Cn. La primera energía de ionización prevista de Copernicium de 1155 kJ/mol casi coincide con la del gas noble xenón en 1170,4 kJ/mol.Los enlaces metálicos de Copernicium también deberían ser muy débiles, lo que posiblemente lo haga extremadamente volátil como los gases nobles y potencialmente lo haga gaseoso a temperatura ambiente. Sin embargo, debería poder formar enlaces metal-metal con cobre, paladio, platino, plata y oro; se prevé que estos enlaces sean solo entre 15 y 20 kJ/mol más débiles que los enlaces análogos con el mercurio. En oposición a la sugerencia anterior, los cálculos ab initio con un alto nivel de precisión predijeron que la química del copernicio monovalente se parece más a la del mercurio que a la de los gases nobles. El último resultado puede explicarse por la enorme interacción espín-órbita que reduce significativamente la energía del estado vacante 7p _1/2 de copernicio.

Una vez que se ioniza el copernicio, su química puede presentar varias diferencias con las del zinc, el cadmio y el mercurio. Debido a la estabilización de los orbitales electrónicos 7s y la desestabilización de los 6d causada por efectos relativistas, es probable que Cn tenga una configuración electrónica [Rn]5f 6d 7s, utilizando los orbitales 6d antes que el 7s, a diferencia de sus homólogos. El hecho de que los electrones 6d participen más fácilmente en el enlace químico significa que una vez que se ioniza el copernicio, puede comportarse más como un metal de transición que sus homólogos más ligeros, especialmente en el posible estado de oxidación +4. En soluciones acuosas, el copernicio puede formar los estados de oxidación +2 y quizás +4. El ion diatómico Hg₂, con mercurio en el estado de oxidación +1, es bien conocido, pero el Cn₂Se prevé que el ion sea inestable o incluso inexistente. El fluoruro de copernicio (II), CnF ₂, debería ser más inestable que el compuesto de mercurio análogo, el fluoruro de mercurio (II) (HgF ₂), e incluso puede descomponerse espontáneamente en sus elementos constituyentes. Como el elemento reactivo más electronegativo, el flúor puede ser el único elemento capaz de oxidar el copernicio aún más a los estados de oxidación +4 e incluso +6 en CnF ₄ y CnF ₆; este último puede requerir condiciones de aislamiento de matriz para ser detectado, como en la detección disputada de HgF ₄. CnF ₄ debería ser más estable que CnF ₂. En disolventes polares, se predice que el copernicio formará preferentemente elCNF₅y CNF₃aniones en lugar de los fluoruros neutros análogos (CnF ₄ y CnF ₂, respectivamente), aunque los iones de bromuro o yoduro análogos pueden ser más estables frente a la hidrólisis en solución acuosa. Los aniones CnCl₄y CnBr₄también debe poder existir en solución acuosa. La formación de fluoruros de copernicio (II) y (IV) termodinámicamente estables sería análoga a la química del xenón. De manera análoga al cianuro de mercurio (II) (Hg(CN) ₂), se espera que el copernicio forme un cianuro estable, Cn(CN) ₂.

Físico y atómico

El copernicio debería ser un metal denso, con una densidad de 14,0 g/cm en estado líquido a 300 K; esto es similar a la densidad conocida del mercurio, que es 13,534 g/cm. (El copernicio sólido a la misma temperatura debería tener una densidad mayor de 14,7 g/cm.) Esto se debe a que los efectos del peso atómico más alto del copernicio se cancelan por sus distancias interatómicas más grandes en comparación con el mercurio. Algunos cálculos predijeron que el copernicio sería un gas a temperatura ambiente debido a su configuración electrónica de capa cerrada, lo que lo convertiría en el primer metal gaseoso de la tabla periódica.Un cálculo de 2019 está de acuerdo con estas predicciones sobre el papel de los efectos relativistas, lo que sugiere que el copernicio será un líquido volátil unido por fuerzas de dispersión en condiciones estándar. Su punto de fusión se estima en283 ± 11 K y su punto de ebullición en340 ± 10 K, este último de acuerdo con el valor estimado experimentalmente de357+112−108 k _ Se espera que el radio atómico de copernicium sea alrededor de 147 pm. Debido a la estabilización relativista del orbital 7s y la desestabilización del orbital 6d, se prevé que los iones Cn y Cn cedan electrones 6d en lugar de electrones 7s, que es lo opuesto al comportamiento de sus homólogos más ligeros.

Además de la contracción relativista y la unión de la subcapa 7s, se espera que el orbital 6d _5/2 se desestabilice debido al acoplamiento espín-órbita, lo que hace que se comporte de manera similar al orbital 7s en términos de tamaño, forma y energía. Las predicciones de la estructura de bandas esperada de copernicium son variadas. Los cálculos de 2007 esperaban que el copernicio pudiera ser un semiconductor con una banda prohibida de alrededor de 0,2 eV, cristalizando en la estructura cristalina compacta hexagonal. Sin embargo, los cálculos en 2017 y 2018 sugirieron que el copernicio debería ser un metal noble en condiciones estándar con una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo: por lo tanto, no debería tener banda prohibida, como el mercurio, aunque se espera que la densidad de estados en el nivel de Fermi sea ser menor para el copernicio que para el mercurio.Luego, los cálculos de 2019 sugirieron que, de hecho, el copernicio tiene una gran brecha de banda de 6,4 ± 0,2 eV, que debería ser similar a la del gas noble radón (predicho como 7,1 eV) y lo convertiría en un aislante; Estos cálculos predicen que el copernicio a granel estará ligado principalmente por fuerzas de dispersión, como los gases nobles. Al igual que el mercurio, el radón y el flerovio, pero no el oganesón (eka-radon), se calcula que el copernicio no tiene afinidad electrónica.

Química experimental en fase gaseosa atómica

El interés en la química del copernicio fue despertado por las predicciones de que tendría los mayores efectos relativistas en todo el período 7 y el grupo 12 y, de hecho, entre los 118 elementos conocidos. Se espera que el copernicio tenga la configuración electrónica del estado fundamental [Rn] 5f 6d 7sy por tanto debería pertenecer al grupo 12 de la tabla periódica, según el principio de Aufbau. Como tal, debería comportarse como el homólogo más pesado del mercurio y formar fuertes compuestos binarios con metales nobles como el oro. Los experimentos que investigan la reactividad del copernicio se han centrado en la adsorción de átomos del elemento 112 sobre una superficie de oro mantenida a temperaturas variables, para calcular una entalpía de adsorción. Debido a la estabilización relativista de los electrones 7s, el copernicio muestra propiedades similares al radón. Se realizaron experimentos con la formación simultánea de radioisótopos de mercurio y radón, lo que permitió comparar las características de adsorción.

Los primeros experimentos químicos con copernicio se realizaron mediante la reacción U(Ca,3n) Cn. La detección se realizó por fisión espontánea del isótopo original reivindicado con una vida media de 5 minutos. El análisis de los datos indicó que el copernicio era más volátil que el mercurio y tenía propiedades de gas noble. Sin embargo, la confusión sobre la síntesis de copernicium-283 ha puesto en duda estos resultados experimentales. Dada esta incertidumbre, entre abril y mayo de 2006 en el JINR, un equipo FLNR-PSI realizó experimentos para probar la síntesis de este isótopo como hijo en la reacción nuclear Pu(Ca,3n) Fl. (La reacción de fusión Pu + Ca tiene una sección transversal ligeramente mayor que la U +Ca reacción, por lo que la mejor manera de producir copernicium para la experimentación química es como un producto excedente como la hija de flerovium.) En este experimento, dos átomos de copernicium-283 fueron identificados sin ambigüedades y las propiedades de adsorción fueron interpretadas para mostrar que el copernicium es un homólogo más volátil del mercurio, debido a la formación de un débil enlace metal-metal con el oro. Esto concuerda con las indicaciones generales de algunos cálculos relativistas de que el copernicio es "más o menos" homólogo al mercurio. Sin embargo, se señaló en 2019 que este resultado puede deberse simplemente a fuertes interacciones de dispersión.

En abril de 2007, se repitió este experimento y se identificaron positivamente otros tres átomos de copernicium-283. La propiedad de adsorción se confirmó e indicó que el copernicio tiene propiedades de adsorción de acuerdo con ser el miembro más pesado del grupo 12. Estos experimentos también permitieron la primera estimación experimental del punto de ebullición del copernicio: 84₋₁₀₈ °C, por lo que puede ser un gas en condiciones estándar.

Debido a que los elementos más livianos del grupo 12 a menudo se encuentran como minerales de calcogenuro, en 2015 se realizaron experimentos para depositar átomos de copernicio en una superficie de selenio para formar seleniuro de copernicio, CnSe. Se observó la reacción de los átomos de copernicio con el selenio trigonal para formar un seleniuro, con -Δ H _ads (t-Se) > 48 kJ/mol, siendo menor el impedimento cinético para la formación de seleniuro para el copernicio que para el mercurio. Esto fue inesperado ya que la estabilidad de los seleniuros del grupo 12 tiende a disminuir en el grupo de ZnSe a HgSe.