Darmstadtio

Darmstadtio es un elemento químico de símbolo Ds y número atómico 110. Es un elemento sintético extremadamente radiactivo. El isótopo conocido más estable, el darmstadtio-281, tiene una vida media de aproximadamente 12,7 segundos. Darmstadtium fue creado por primera vez en 1994 por el Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados en la ciudad de Darmstadt, Alemania, por lo que recibió su nombre.

En la tabla periódica, es un elemento transactínido del bloque d. Es un miembro del 7º período y se coloca en el grupo 10 de elementos, aunque todavía no se han realizado experimentos químicos para confirmar que se comporta como el homólogo más pesado del platino en el grupo 10 como el octavo miembro de la serie 6d de transición. rieles. Se calcula que el darmstadtio tiene propiedades similares a las de sus homólogos más ligeros, el níquel, el paladio y el platino.

Introducción

Una imagen gráfica de una reacción de fusión nuclear. Dos núcleos se funden en uno, emitiendo un neutron. Hasta ahora, las reacciones que crearon nuevos elementos fueron similares, con la única diferencia posible de que varios neutrones singulares a veces fueron liberados, o ninguno en absoluto.

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 10⁻²⁰ segundos y luego se separan (no necesariamente en la misma composición que antes del 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 10⁻¹⁶ 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 10⁻⁶ 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 la proporciona 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 buscan 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

El centro de la ciudad de Darmstadt, el nombre de darmstadtium

Descubrimiento

El darmstadtio se creó por primera vez el 9 de noviembre de 1994 en el Instituto de Investigación de Iones Pesados (Gesellschaft für Schwerionenforschung, GSI) en Darmstadt, Alemania, por Peter Armbruster y Gottfried Münzenberg, bajo la dirección de Sigurd Hofmann. El equipo bombardeó un objetivo de plomo-208 con núcleos acelerados de níquel-62 en un acelerador de iones pesados y detectó un solo átomo del isótopo darmstadtio-269:

²⁰⁸
₈₂Pb + ⁶²
₂₈Ni → ²⁶⁹
₁₁₀Ds + ¹
₀n

Dos átomos más siguieron el 12 y el 17 de noviembre. (Originalmente se informó que se había encontrado otro el 11 de noviembre, pero resultó estar basado en datos fabricados por Victor Ninov, y luego se retractó).

En la misma serie de experimentos, el mismo equipo también llevó a cabo la reacción utilizando iones de níquel-64 más pesados. Durante dos ejecuciones, 9 átomos de ²⁷¹
Ds se detectaron de manera convincente mediante la correlación con las propiedades de descomposición hija conocidas:

²⁰⁸
₈₂Pb + ⁶⁴
₂₈Ni → ²⁷¹
₁₁₀Ds + ¹
₀n

Antes de esto, hubo intentos fallidos de síntesis en 1986–87 en el Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear en Dubna (entonces en la Unión Soviética) y en 1990 en el GSI. Un intento de 1995 en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley resultó en señales que sugerían, pero no apuntaban de manera concluyente, al descubrimiento de un nuevo isótopo ²⁶⁷
Ds formado en el bombardeo de ²⁰⁹
Bi with ⁵⁹
Co, y un intento igualmente inconcluso de 1994 en el JINR mostró signos de ²⁷³
Ds producidos a partir de ²⁴⁴
Pu y ³⁴
S. Cada equipo propuso su propio nombre para el elemento 110: el equipo estadounidense propuso hahnium en honor a Otto Hahn en un intento de resolver la controversia de nombrar el elemento 105 (para el que habían estado sugiriendo durante mucho tiempo este nombre), el ruso El equipo propuso becquerelium por Henri Becquerel, y el equipo alemán propuso darmstadtium por Darmstadt, la ubicación de su instituto. El Grupo de Trabajo Conjunto (JWP) de IUPAC/IUPAP reconoció al equipo de GSI como descubridores en su informe de 2001, otorgándoles el derecho de sugerir un nombre para el elemento.

Nombramiento

Usando la nomenclatura de Mendeleev para elementos sin nombre y sin descubrir, el darmstadtio debería conocerse como eka-platino. En 1979, la IUPAC publicó recomendaciones según las cuales el elemento se llamaría ununnilium (con el símbolo correspondiente de Uun), un nombre de elemento sistemático como marcador de posición, hasta que el elemento fue descubierto (y luego confirmado el descubrimiento) y se decidió un nombre permanente. 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 110", con el símbolo de E110 , (110) o simplemente 110.

En 1996, el equipo ruso propuso el nombre becquerelium en honor a Henri Becquerel. El equipo estadounidense en 1997 propuso el nombre hahnium en honor a Otto Hahn (anteriormente este nombre se había utilizado para el elemento 105).

El nombre darmstadtium (Ds) fue sugerido por el equipo de GSI en honor a la ciudad de Darmstadt, donde se descubrió el elemento. El equipo de GSI originalmente también consideró nombrar el elemento wixhausium, por el suburbio de Darmstadt conocido como Wixhausen donde se descubrió el elemento, pero finalmente se decidió por darmstadtium. Policium también se había propuesto como una broma debido a que el número de teléfono de emergencia en Alemania es el 1-1-0. El nuevo nombre darmstadtium fue recomendado oficialmente por la IUPAC el 16 de agosto de 2003.

Isótopos

Darmstadtium 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 diez isótopos diferentes de darmstadtio con masas atómicas 267, 269–271, 273, 276, 277 y 279–281, aunque el darmstadtio-267 no está confirmado. Tres isótopos de darmstadtium, darmstadtium-270, darmstadtium-271 y darmstadtium-281, tienen estados metaestables conocidos, aunque el de darmstadtium-281 no está confirmado. La mayoría de estos se desintegran predominantemente a través de la desintegración alfa, pero algunos sufren fisión espontánea.

Estabilidad y semividas

Este gráfico de modos de desintegración según el modelo del Organismo de Energía Atómica de Japón predice varios nuclidos superheaviados dentro de la isla de estabilidad con media vida total superior a un año (circulado) y sometidos principalmente a decaimiento alfa, alcanzando el pico ²⁹⁴Ds con una vida media estimada de 300 años.

Todos los isótopos de darmstadtio son extremadamente inestables y radiactivos; en general, los isótopos más pesados son más estables que los más ligeros. El isótopo de darmstadtio conocido más estable, ²⁸¹Ds, es también el isótopo de darmstadtio más pesado conocido; tiene una vida media de 12,7 segundos. El isótopo ²⁷⁹Ds tiene una vida media de 0,18 segundos, mientras que el ^281mDs no confirmado tiene una vida media de 0,9 segundos. Los siete isótopos restantes y los dos estados metaestables tienen vidas medias entre 1 microsegundo y 70 milisegundos. Sin embargo, algunos isótopos de darmstadtio desconocidos pueden tener vidas medias más largas.

El cálculo teórico en un modelo de tunelización cuántica reproduce los datos experimentales de vida media de desintegración alfa para los isótopos de darmstadtio conocidos. También predice que el isótopo no descubierto ²⁹⁴Ds, que tiene un número mágico de neutrones (184), tendría una vida media de desintegración alfa del orden de 311 años; Sin embargo, exactamente el mismo enfoque predice una semivida alfa de ~350 años para el isótopo no mágico ²⁹³Ds.

Propiedades previstas

Aparte de las propiedades nucleares, no se han medido propiedades del darmstadtio ni de sus compuestos; esto se debe a su producción extremadamente limitada y costosa y al hecho de que el darmstadtio (y sus padres) se descompone muy rápidamente. Las propiedades del metal darmstadtio siguen siendo desconocidas y solo se dispone de predicciones.

Química

El darmstadtio es el octavo miembro de la serie 6d de metales de transición y debería parecerse mucho a los metales del grupo del platino. Los cálculos sobre sus potenciales de ionización y radios atómicos e iónicos son similares a los de su homólogo más ligero, el platino, lo que implica que las propiedades básicas del darmstadtio se parecerán a las de los otros elementos del grupo 10, níquel, paladio y platino.

La predicción de las propiedades químicas probables del darmstadtio no ha recibido mucha atención recientemente. Darmstadtium debe ser un metal muy noble. El potencial de reducción estándar predicho para el par Ds²⁺/Ds es de 1,7 V. Según los estados de oxidación más estables de los elementos del grupo 10 más livianos, se predice que los estados de oxidación más estables del darmstadtio serán los +6, +4 y +2 estados; sin embargo, se prevé que el estado neutro sea el más estable en soluciones acuosas. En comparación, se sabe que solo el platino muestra el estado de oxidación máximo del grupo, +6, mientras que los estados más estables son +4 y +2 tanto para el níquel como para el paladio. Se espera además que los estados de oxidación máximos de los elementos desde el bohrio (elemento 107) hasta el darmstadtio (elemento 110) puedan ser estables en la fase gaseosa pero no en solución acuosa. Se prevé que el hexafluoruro de darmstadtio (DsF₆) tenga propiedades muy similares a las de su homólogo más ligero, el hexafluoruro de platino (PtF₆), con estructuras electrónicas y potenciales de ionización muy similares. También se espera que tenga la misma geometría molecular octaédrica que PtF₆. Otros compuestos de darmstadtio previstos son el carburo de darmstadtio (DsC) y el tetracloruro de darmstadtio (DsCl₄), de los cuales se espera que se comporten como sus homólogos más ligeros. A diferencia del platino, que preferentemente forma un complejo de cianuro en su estado de oxidación +2, Pt(CN)₂, se espera que el darmstadtio permanezca preferentemente en su estado neutro y forme Ds(CN)²⁻
₂ en su lugar, formando un fuerte enlace Ds-C con algún carácter de enlace múltiple.

Física y atómica

Se espera que el darmstadtio sea sólido en condiciones normales y cristalice en la estructura cúbica centrada en el cuerpo, a diferencia de sus congéneres más ligeros que cristalizan en la estructura cúbica centrada en las caras, porque se espera que tenga densidades de carga de electrones diferentes a las de ellos. Debe ser un metal muy pesado con una densidad de alrededor de 26-27 g/cm³. En comparación, el elemento más denso conocido del que se ha medido su densidad, el osmio, tiene una densidad de solo 22,61 g/cm³.

Se calcula que la configuración electrónica externa del darmstadtio es 6d⁸ 7s², que obedece al principio de Aufbau y no sigue la configuración electrónica externa del platino de 5d⁹ 6s¹. Esto se debe a la estabilización relativista del par de electrones 7s² durante todo el séptimo período, por lo que se espera que ninguno de los elementos del 104 al 112 tenga configuraciones electrónicas que violen el principio de Aufbau. Se espera que el radio atómico del darmstadtio sea de alrededor de 132 pm.

Química experimental

Aún no se ha establecido una determinación inequívoca de las características químicas del darmstadtio debido a la corta vida media de los isótopos de darmstadtio y a un número limitado de posibles compuestos volátiles que podrían estudiarse a una escala muy pequeña. Uno de los pocos compuestos de darmstadtio que probablemente sea lo suficientemente volátil es el hexafluoruro de darmstadtio (DsF
₆), como su homólogo platino más ligero hexafluoruro (PtF
₆) es volátil por encima de los 60 °C y, por lo tanto, el compuesto análogo de darmstadtio también podría ser suficientemente volátil; un octafluoruro volátil (DsF
₈) también podría ser posible. Para que se realicen estudios químicos en una transactínida, se deben producir al menos cuatro átomos, la vida media del isótopo utilizado debe ser de al menos 1 segundo y la tasa de producción debe ser de al menos un átomo por semana. Aunque la vida media de ²⁸¹Ds, el isótopo de darmstadtio confirmado más estable, es de 12,7 segundos, tiempo suficiente para realizar estudios químicos, otro obstáculo es la necesidad de aumentar la tasa de producción de isótopos de darmstadtio y permitir que los experimentos continúen durante semanas o meses para que se puedan obtener resultados estadísticamente significativos. La separación y la detección deben llevarse a cabo de forma continua para separar los isótopos de darmstadtio y tener sistemas automatizados que experimenten con la fase gaseosa y la química de la solución de darmstadtio, ya que se prevé que los rendimientos de los elementos más pesados sean menores que los de los elementos más ligeros; algunas de las técnicas de separación utilizadas para el bohrio y el hassio podrían reutilizarse. Sin embargo, la química experimental del darmstadtio no ha recibido tanta atención como la de los elementos más pesados, desde el copernicio hasta el livermorio.

Los isótopos de darmstadtio más ricos en neutrones son los más estables y, por lo tanto, más prometedores para los estudios químicos. Sin embargo, solo se pueden producir indirectamente a partir de la desintegración alfa de elementos más pesados, y los métodos de síntesis indirecta no son tan favorables para los estudios químicos como los métodos de síntesis directa. Los isótopos ²⁷⁶Ds y ²⁷⁷Ds más ricos en neutrones podrían producirse directamente en la reacción entre el torio-232 y el calcio-48, pero se esperaba que el rendimiento fuera bajo. Tras varios intentos fallidos, se produjo un solo átomo de ²⁷⁶Ds en esta reacción en 2022, con una vida media corta y un bajo rendimiento de acuerdo con las predicciones, aunque aún no se han publicado los valores exactos. Además, ²⁷⁷Ds se sintetizó con éxito utilizando métodos indirectos (como nieta de ²⁸⁵Fl) y se descubrió que tiene una vida media corta de 3,5 ms, no lo suficiente para realizar estudios químicos. El único isótopo de darmstadtio conocido con una vida media lo suficientemente larga para la investigación química es ²⁸¹Ds, que tendría que producirse como nieta de ²⁸⁹Fl.