Hassio

Hassium es un elemento químico con el símbolo Hs y el número atómico 108. Hassium es altamente radiactivo; sus isótopos conocidos más estables tienen vidas medias de aproximadamente diez segundos. Uno de sus isótopos, ²⁷⁰Hs, tiene números mágicos tanto de protones como de neutrones para núcleos deformados, lo que le otorga mayor estabilidad frente a la fisión espontánea. El hassio es un elemento superpesado; se ha producido en un laboratorio sólo en cantidades muy pequeñas fusionando núcleos pesados con otros más ligeros. Se han planteado hipótesis sobre ocurrencias naturales del elemento, pero nunca se han encontrado.

En la tabla periódica de elementos, el hassio es un elemento transactínido, miembro del 7º período y grupo 8; por lo tanto, es el sexto miembro de la serie 6d de metales de transición. Los experimentos químicos han confirmado que el hassio se comporta como el homólogo más pesado del osmio, reaccionando fácilmente con el oxígeno para formar un tetróxido volátil. Las propiedades químicas del hassio solo se han caracterizado parcialmente, pero se comparan bien con la química de los otros elementos del grupo 8.

La principal innovación que condujo al descubrimiento del hassio fue la técnica de fusión fría, en la que los núcleos fusionados no diferían tanto en masa como en técnicas anteriores. Se basó en una mayor estabilidad de los núcleos objetivo, lo que a su vez disminuyó la energía de excitación. Esto disminuyó el número de expulsiones de neutrones durante la síntesis, creando núcleos resultantes más pesados y estables. La técnica se probó por primera vez en el Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear (JINR) en Dubna, Óblast de Moscú, RSFS de Rusia, Unión Soviética, en 1974. JINR usó esta técnica para intentar la síntesis del elemento 108 en 1978, 1983 y 1984; el último experimento resultó en una afirmación de que se había producido el elemento 108. Más tarde, en 1984, siguió una afirmación de síntesis de la Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) en Darmstadt, Hesse, Alemania Occidental. El informe de 1993 del Grupo de Trabajo de Transfermium, formado por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada y la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada, concluyó que el informe de Darmstadt era concluyente por sí solo, mientras que el de Dubna no lo era, y un crédito importante fue asignado a los científicos alemanes. GSI anunció formalmente que deseaba nombrar el elemento hassium en honor al estado alemán de Hesse (Hassia en latín), hogar de la instalación en 1992; este nombre fue aceptado como definitivo en 1997.

Introducción a los elementos más pesados

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.

Descubrimiento

Esquema de un aparato para la creación de elementos súper pesados, basado en el Separador de Recopilación de Gas Dubna establecido en el Laboratorio de Reacciones Nucleares de Flerov en JINR. La trayectoria dentro del detector y el aparato de enfoque del haz cambia debido a un imán dipolo en los imanes antiguos y cuádrupoles de este último.

Fusión en frío

Las reacciones nucleares utilizadas en la década de 1960 dieron como resultado altas energías de excitación que requerían la expulsión de cuatro o cinco neutrones; estas reacciones utilizaron objetivos hechos de elementos con números atómicos altos para maximizar la diferencia de tamaño entre los dos núcleos en una reacción. Si bien esto aumentó la posibilidad de fusión debido a la menor repulsión electrostática entre el objetivo y el proyectil, los núcleos compuestos formados a menudo se rompieron y no sobrevivieron para formar un nuevo elemento. Además, los procesos de fusión inevitablemente producen núcleos pobres en neutrones, ya que los elementos más pesados requieren más neutrones por protón para maximizar la estabilidad; por lo tanto, la eyección necesaria de neutrones da como resultado productos finales que suelen tener una vida útil más corta. Como tal, los rayos de luz (de seis a diez protones) permitieron la síntesis de elementos solo hasta 106.

Para avanzar a elementos más pesados, el físico soviético Yuri Oganessian del Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear (JINR) en Dubna, Óblast de Moscú, RSFS de Rusia, Unión Soviética, propuso un mecanismo diferente, en el que el núcleo bombardeado sería plomo-208, que tiene números mágicos de protones y neutrones, u otro núcleo cercano. Cada protón y neutrón tiene un valor fijo de energía en reposo; los de todos los protones son iguales y también lo son los de todos los neutrones. En un núcleo, parte de esta energía se desvía para unir protones y neutrones; si un núcleo tiene un número mágico de protones y/o neutrones, entonces se desvía aún más de su energía restante, lo que le da al nucleido una estabilidad adicional. Esta estabilidad adicional requiere más energía para que un núcleo externo rompa el existente y lo penetre. Más energía desviada a los nucleones de unión significa menos energía en reposo, lo que a su vez significa menos masa (la masa es proporcional a la energía en reposo). Los números atómicos más iguales de los núcleos que reaccionan dan como resultado una mayor repulsión electrostática entre ellos, pero el menor exceso de masa del núcleo objetivo lo equilibra. Esto deja menos energía de excitación para el núcleo compuesto recién creado, lo que requiere menos eyecciones de neutrones para alcanzar un estado estable. Debido a esta diferencia de energía, el mecanismo anterior se conoció como "fusión en caliente" y el segundo como "fusión fría".

La fusión fría se declaró exitosa por primera vez en 1974 en JINR, cuando se probó la síntesis del elemento aún no descubierto 106. Se proyectó que estos nuevos núcleos se desintegrarían a través de la fisión espontánea. Los físicos de JINR concluyeron que el elemento 106 se produjo en el experimento porque ningún núcleo en fisión conocido en ese momento mostró parámetros de fisión similares a los observados durante el experimento y porque el cambio de cualquiera de los dos núcleos en las reacciones anuló los efectos observados. Los físicos del Laboratorio Lawrence Berkeley (LBL; originalmente Laboratorio de Radiación, RL, y luego Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, LBNL) de la Universidad de California en Berkeley, California, Estados Unidos, también expresaron gran interés en la nueva técnica. Cuando se le preguntó qué tan lejos podría llegar este nuevo método y si los objetivos de plomo eran una física & # 39; Klondike, respondió Oganessian, "Klondike puede ser una exageración [...] Pero pronto, intentaremos obtener elementos 107 ... 108 en estas reacciones.& #34;

Informes

La síntesis del elemento 108 se intentó por primera vez en 1978 por un equipo de investigación dirigido por Oganessian en el JINR. El equipo utilizó una reacción que generaría el elemento 108, específicamente, el isótopo ²⁷⁰108, a partir de la fusión del radio (específicamente, el isótopo ²²⁶
₈₈Ra
) y calcio (⁴⁸
₂₀Ca
). Los investigadores no estaban seguros al interpretar sus datos, y su artículo no afirmaba sin ambigüedades haber descubierto el elemento. El mismo año, otro equipo de JINR investigó la posibilidad de síntesis del elemento 108 en reacciones entre plomo (²⁰⁸
₈₂Pb
) y hierro (⁵⁸
₂₆Fe
); no estaban seguros al interpretar los datos, lo que sugiere la posibilidad de que el elemento 108 no se haya creado.

Acelerador lineal de partículas de GSI UNILAC, donde se descubrió el hassio y donde se observó por primera vez su química

En 1983, se realizaron nuevos experimentos en JINR. Los experimentos probablemente resultaron en la síntesis del elemento 108; bismuto (²⁰⁹
₈₃Bi
) fue bombardeado con manganeso (⁵⁵
₂₅Mn
) a obtener ²⁶³108, dirigir (²⁰⁷
₈₂Pb, ²⁰⁸
₈₂Pb
) fue bombardeado con hierro (⁵⁸
₂₆Fe
) para obtener ²⁶⁴108 y californio ( ²⁴⁹
₉₈Cf
) fue bombardeado con neón (²²
₁₀Ne
) para obtener ²⁷⁰108. Estos experimentos no se reclamaron como un descubrimiento y Oganessian los anunció en una conferencia y no en un informe escrito.

En 1984, los investigadores de JINR en Dubna realizaron experimentos establecidos de manera idéntica a los anteriores; bombardearon objetivos de bismuto y plomo con iones de manganeso y hierro, elementos más ligeros, respectivamente. Se registraron veintiún eventos de fisión espontánea; los investigadores concluyeron que fueron causados por ²⁶⁴108.

Más tarde, en 1984, un equipo de investigación dirigido por Peter Armbruster y Gottfried Münzenberg en Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI; Institute for Heavy Ion Research) en Darmstadt, Hesse, Alemania Occidental, intentó crear el elemento 108. El equipo bombardeó un líder (²⁰⁸
₈₂Pb
) objetivo con hierro acelerado (⁵⁸
₂₆Fe
) núcleos. El experimento de GSI para crear el elemento 108 se retrasó hasta después de la creación del elemento 109 en 1982, ya que los cálculos anteriores habían sugerido que los isótopos pares del elemento 108 tendría una vida media de fisión espontánea de menos de un microsegundo, lo que dificultaría su detección e identificación. El experimento del elemento 108 finalmente siguió adelante después de sintetizar ²⁶⁶109 y se descubrió que decaía por emisión alfa, lo que sugiere que los isótopos del elemento 108 haría lo mismo, y esto fue corroborado por un experimento destinado a sintetizar isótopos del elemento 106. GSI informó la síntesis de tres átomos de ²⁶⁵108. Dos años más tarde, reportaron la síntesis de un átomo del par-par ²⁶⁴108.

Arbitraje

En 1985, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) y la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP) formaron el Grupo de Trabajo de Transfermium (TWG) para evaluar los descubrimientos y establecer los nombres finales de los elementos con números atómicos mayores de 100. El partido sostuvo reuniones con delegados de los tres institutos competidores; en 1990 establecieron criterios para el reconocimiento de un elemento y en 1991 terminaron el trabajo de valoración de los descubrimientos y se disolvieron. Estos resultados fueron publicados en 1993.

Según el informe, los trabajos de 1984 de JINR y GSI establecieron de manera simultánea e independiente la síntesis del elemento 108. De los dos trabajos de 1984, se dijo que el de GSI era suficiente como descubrimiento por sí solo. El trabajo de JINR, que precedió al de GSI, "muy probablemente" muestra la síntesis del elemento 108. Sin embargo, eso se determinó en retrospectiva dado el trabajo de Darmstadt; el trabajo de JINR se centró en identificar químicamente nietas remotas de isótopos del elemento 108 (lo que no podía excluir la posibilidad de que estos isótopos hijos tuvieran otros progenitores), mientras que el trabajo de GSI identificó claramente el camino de descomposición de esos elementos 108 isótopos. El informe concluyó que el mayor crédito debe otorgarse a GSI. En respuestas escritas a este fallo, tanto JINR como GSI estuvieron de acuerdo con sus conclusiones. En la misma respuesta, GSI confirmó que ellos y JINR pudieron resolver todos los conflictos entre ellos.

Nombramiento

Históricamente, un elemento recién descubierto fue nombrado por su descubridor. La primera regulación llegó en 1947, cuando la IUPAC decidió nombrar la regulación requerida en caso de que hubiera nombres en conflicto. Estos asuntos debían ser resueltos por la Comisión de Nomenclatura Inorgánica y la Comisión de Pesos Atómicos. Revisarían los nombres en caso de conflicto y seleccionarían uno; la decisión se basaría en una serie de factores, como el uso, y no sería un indicador de la prioridad de una reivindicación. Las dos comisiones recomendarían un nombre al Consejo de la IUPAC, que sería la autoridad final. Los descubridores tenían el derecho de nombrar un elemento, pero su nombre estaría sujeto a la aprobación de la IUPAC. La Comisión de Pesos Atómicos se distanció de la denominación de elementos en la mayoría de los casos.

Según la nomenclatura de Mendeleev para elementos sin nombre y sin descubrir, el hassio se conocería como "eka-osmio", como en "el primer elemento debajo del osmio en la tabla periódica" (del sánscrito eka que significa "uno"). En 1979, la IUPAC publicó recomendaciones según las cuales el elemento se denominaría "unniloctium" y asignó el símbolo correspondiente de "Uno", un nombre de elemento sistemático como marcador de posición hasta que se descubrió el elemento y luego se confirmó el descubrimiento, y se decidió un nombre permanente. Aunque estas recomendaciones fueron ampliamente seguidas en la comunidad química, los físicos competidores en el campo las ignoraron. Lo llamaron "element 108", con los símbolos E108, (108) o 108, o utilizó el nombre propuesto "hassium".

Festival de Hessentag en 2011, celebrando la cultura del estado alemán de Hesse, después de la cual el hasio se llama

En 1990, en un intento de romper un punto muerto en el establecimiento de la prioridad del descubrimiento y la denominación de varios elementos, la IUPAC reafirmó en su nomenclatura de química inorgánica que después de que se estableciera la existencia de un elemento, los descubridores podían proponer un nombre. (Además, la Comisión de Pesos Atómicos fue excluida del proceso de denominación). La primera publicación sobre criterios para el descubrimiento de un elemento, publicada en 1991, especificó la necesidad de reconocimiento por parte del TWG.

Armbruster y sus colegas, los descubridores alemanes oficialmente reconocidos, celebraron una ceremonia de nombramiento de los elementos 107 a 109, que habían sido reconocidos como descubiertos por GSI, el 7 de septiembre 1992. Para el elemento 108, los científicos propusieron el nombre "hassium". Se deriva del nombre en latín Hassia del estado alemán de Hesse, donde se encuentra el instituto. Este nombre fue propuesto a la IUPAC en una respuesta escrita a su decisión sobre la prioridad de las reivindicaciones de descubrimiento de elementos, firmada el 29 de septiembre de 1992.

El proceso de nombrar el elemento 108 fue parte de un proceso más amplio de nombrar una serie de elementos comenzando con el elemento 101; tres equipos, JINR, GSI y LBL, reclamaron descubrimientos de varios elementos y el derecho a nombrar esos elementos. A veces, estas afirmaciones chocaron; dado que se consideraba que un descubridor tenía derecho a nombrar un elemento, los conflictos sobre la prioridad del descubrimiento a menudo resultaban en conflictos sobre los nombres de estos nuevos elementos. Estos conflictos se conocieron como las Guerras Transfermium. Diferentes sugerencias para nombrar todo el conjunto de elementos desde 101 en adelante y ocasionalmente asignaron nombres sugeridos por un equipo para ser usados por elementos descubiertos por otro. Sin embargo, no todas las sugerencias recibieron la misma aprobación; los equipos protestaron abiertamente por las propuestas de nombres en varias ocasiones.

En 1994, la Comisión de Nomenclatura de Química Inorgánica de la IUPAC recomendó que el elemento 108 se llamara "hahnio" (Hn) en honor al físico alemán Otto Hahn, por lo que los elementos que llevan el nombre de Hahn y Lise Meitner (se recomendó que el elemento 109 se llamara meitnerio, siguiendo la sugerencia de GSI) uno al lado del otro, en honor a su descubrimiento conjunto de la fisión nuclear; IUPAC comentó que sentían que la sugerencia alemana era oscura. GSI protestó diciendo que esta propuesta contradecía la convención de larga data de dar al descubridor el derecho de sugerir un nombre; la Sociedad Química Estadounidense apoyó a GSI. El nombre "hahnium", aunque con el símbolo diferente Ha, ya había sido propuesto y utilizado por los científicos estadounidenses para el elemento 105, por el cual tenían una disputa de descubrimiento con JINR; protestaron así por la confusión de nombres. Tras el alboroto, la IUPAC formó un comité ad hoc de representantes de las organizaciones nacionales adherentes de los tres países sede de las instituciones competidoras; produjeron un nuevo conjunto de nombres en 1995. El elemento 108 se llamó nuevamente hahnium; esta propuesta también fue retirada. El compromiso final se alcanzó en 1996 y se publicó en 1997; el elemento 108 se denominó hassium (Hs). Simultáneamente, se asignó el nombre dubnium (Db; de Dubna, la ubicación de JINR) al elemento 105, y el nombre hahnium no se utilizó para ningún elemento.

La justificación oficial de esta denominación, junto con la de darmstadtio para el elemento 110, fue que completaba un conjunto de nombres geográficos para la ubicación del GSI; este conjunto había sido iniciado por los nombres del siglo XIX europio y germanio. Este conjunto serviría como respuesta a la denominación anterior de americio, californio y berkelio para elementos descubiertos en Berkeley. Armbruster comentó sobre esto: “Esta mala tradición fue establecida por Berkeley. Queríamos hacerlo por Europa." Más tarde, al comentar sobre el nombre del elemento 112, Armbruster dijo: "Hice todo lo posible para asegurarme de que no sigamos con los científicos alemanes y las ciudades alemanas".

Isótopos

El hassio 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. A partir de 2019, la cantidad de todo el hassio jamás producido fue del orden de cientos de átomos. Se han informado trece isótopos con números de masa que van desde 263 a 277 (con las excepciones de 274 y 276), cuatro de los cuales (hasio-265, -266, -267 y -277) tienen estados metaestables conocidos, aunque el de hassio -277 no está confirmado. La mayoría de estos isótopos se desintegran predominantemente a través de la desintegración alfa; este es el más común para todos los isótopos para los que se dispone de características de descomposición integrales, con la única excepción del hassio-277, que sufre una fisión espontánea. Los isótopos más livianos generalmente se sintetizaron por fusión directa entre dos núcleos más livianos, mientras que los isótopos más pesados generalmente se observaron como productos de descomposición de núcleos con números atómicos más grandes.

Los núcleos atómicos tienen capas nucleares bien establecidas, y la existencia de estas capas proporciona a los núcleos una estabilidad adicional. Si un núcleo tiene cierto número de protones o neutrones, llamados números mágicos, que completan ciertas capas nucleares, entonces el núcleo es aún más estable frente a la descomposición. Los números mágicos más altos conocidos son 82 para protones y 126 para neutrones. Esta noción a veces se amplía para incluir números adicionales entre esos números mágicos, que también brindan cierta estabilidad adicional e indican el cierre de "subcapas". A diferencia de los núcleos más ligeros más conocidos, los núcleos superpesados están deformados. Hasta la década de 1960, el modelo de gota líquida fue la explicación dominante de la estructura nuclear. Sugirió que la barrera de fisión desaparecería para núcleos con alrededor de 280 nucleones. Por lo tanto, se pensó que la fisión espontánea ocurriría casi instantáneamente antes de que los núcleos pudieran formar una estructura que pudiera estabilizarlos; parecía que los núcleos con Z ≈ 103 eran demasiado pesados para existir durante un período de tiempo considerable.

El último modelo de capa nuclear sugería que los núcleos con unos trescientos nucleones formarían una isla de estabilidad en la que los núcleos serían más resistentes a la fisión espontánea y sufrirían principalmente una desintegración alfa con vidas medias más largas, y el siguiente núcleo doblemente mágico (que tiene números mágicos tanto de protones como de neutrones) se encuentra en el centro de la isla de estabilidad en las cercanías de Z = 110–114 y el número de neutrones mágicos predicho N = 184. Los descubrimientos posteriores sugirieron que la isla predicha podría estar más lejos de lo previsto originalmente; también mostraron que los núcleos intermedios entre los actínidos de larga duración y la isla predicha se deforman y obtienen una estabilidad adicional a partir de los efectos de capa. La adición a la estabilidad frente a la fisión espontánea debería ser particularmente grande frente a la fisión espontánea, aunque también sería pronunciado el aumento de la estabilidad frente a la desintegración alfa. El centro de la región en un gráfico de nucleidos que correspondería a esta estabilidad para núcleos deformados se determinó como ²⁷⁰Hs, y se esperaba que 108 fuera un número mágico para protones para núcleos deformados, núcleos que están lejos de esférico—y 162 un número mágico para neutrones para tales núcleos. Los experimentos en núcleos superpesados más livianos, así como en aquellos más cercanos a la isla esperada, han mostrado una estabilidad mayor a la anticipada frente a la fisión espontánea, lo que demuestra la importancia de los efectos de capa en los núcleos.

Los modelos teóricos predicen una región de inestabilidad para algunos isótopos de hassio alrededor de A = 275 y N = 168–170, que se encuentra entre los cierres previstos de la capa de neutrones en N = 162 para núcleos deformados y N = 184 para núcleos esféricos. Se prevé que los nucleidos dentro de esta región tengan alturas de barrera de fisión bajas, lo que da como resultado vidas medias parciales cortas hacia la fisión espontánea. Esta predicción está respaldada por la vida media observada de once milisegundos de ²⁷⁷Hs y la vida media de cinco milisegundos de la isobara vecina ²⁷⁷Mt porque los factores de impedimento de la Se demostró que el nucleón impar era mucho más bajo de lo esperado. Las vidas medias medidas son incluso más bajas que las previstas originalmente para las ²⁷⁶H y ²⁷⁸D pares-pares, lo que sugiere una brecha en la estabilidad lejos de los cierres de la cubierta y tal vez un debilitamiento de los cierres de concha en esta región.

En 1991, los físicos polacos Zygmunt Patyk y Adam Sobiczewski predijeron que 108 es un número mágico de protones para núcleos deformados y 162 es un número mágico de neutrones para esos núcleos. Esto significa que dichos núcleos están permanentemente deformados en su estado fundamental, pero tienen barreras de fisión altas y estrechas para una mayor deformación y, por lo tanto, vidas relativamente largas hacia la fisión espontánea. Las perspectivas computacionales para la estabilización del caparazón para ²⁷⁰H lo convirtieron en un candidato prometedor para un núcleo doblemente mágico deformado. Los datos experimentales son escasos, pero los investigadores interpretan los datos existentes para respaldar la asignación de N = 162 como un número mágico. En particular, esta conclusión se extrajo de los datos de descomposición de ²⁶⁹Hs, ²⁷⁰Hs y ²⁷¹Hs. En 1997, el físico polaco Robert Smolańczuk calculó que el isótopo ²⁹²Hs podría ser el núcleo superpesado más estable frente a la desintegración alfa y la fisión espontánea como consecuencia de la clase N = 184 cierre de caparazón.

Ocurrencia natural

Molybdenite

No se sabe que el hassio se produzca naturalmente en la Tierra; las vidas medias de todos sus isótopos conocidos son lo suficientemente cortas como para que ningún hassio primordial haya sobrevivido hasta el día de hoy. Esto no descarta la posibilidad de la existencia de isótopos o isómeros nucleares desconocidos de vida más larga, algunos de los cuales aún podrían existir en pequeñas cantidades si tienen una vida lo suficientemente larga. Ya en 1914, el físico alemán Richard Swinne propuso el elemento 108 como fuente de rayos X en la capa de hielo de Groenlandia. Aunque Swinne no pudo verificar esta observación y, por lo tanto, no reclamó el descubrimiento, propuso en 1931 la existencia de "regiones" de elementos transuránicos de larga duración, incluido uno alrededor de Z = 108.

En 1963, el geólogo y físico soviético Viktor Cherdyntsev, que anteriormente había afirmado la existencia del curio-247 primordial, afirmó haber descubierto el elemento 108, específicamente el ²⁶⁷ 108 isótopo, que supuestamente tenía una vida media de 400 a 500 millones de años, en molibdenita natural y sugirió el nombre provisional sergenio (símbolo Sg); este nombre tiene su origen en el nombre de la Ruta de la Seda y se explicó como "procedente de Kazajstán" para ello. Su razón para afirmar que el sergenio era el homólogo más pesado del osmio era que los minerales que supuestamente contenían sergenio formaban óxidos volátiles cuando se hervían en ácido nítrico, de manera similar al osmio.

Los hallazgos de Cherdyntsev fueron criticados por el físico soviético Vladimir Kulakov con el argumento de que algunas de las propiedades que Cherdyntsev afirmaba que tenía el sergenio eran inconsistentes con la física nuclear vigente en ese momento. Las preguntas principales planteadas por Kulakov fueron que la supuesta energía de desintegración alfa del sergenio era muchos órdenes de magnitud más baja de lo esperado y que la vida media dada era ocho órdenes de magnitud más corta de lo que se prediría para un nucleido en desintegración alfa con la supuesta desintegración. energía. Al mismo tiempo, una vida media corregida en la región de 10¹⁶ años sería imposible porque implicaría que las muestras contenían alrededor de cien miligramos de sergenio. En 2003, se sugirió que la desintegración alfa observada con una energía de 4,5 MeV podría deberse a una transición de baja energía y fuertemente mejorada entre diferentes estados hiperdeformados de un isótopo de hassio alrededor de ²⁷¹Hs, lo que sugiere que la existencia de elementos superpesados en la naturaleza era al menos posible, aunque improbable.

En 2006, el geólogo ruso Alexei Ivanov planteó la hipótesis de que un isómero de ²⁷¹Hs podría tener una vida media de alrededor de (2.5±0.5)×10⁸ años, lo que explicaría la observación de partículas alfa con energías en torno a 4,4 MeV en algunas muestras de molibdenita y osmiridio. Este isómero de ²⁷¹Hs podría producirse a partir de la desintegración beta de ²⁷¹Bh y ²⁷¹Sg, que siendo homólogos al renio y al molibdeno respectivamente, debería ocurrir en la molibdenita junto con el renio y el molibdeno si ocurrieran en la naturaleza. Dado que el hassio es homólogo al osmio, debería aparecer junto con el osmio en el osmiridio si se encuentra en la naturaleza. Las cadenas de descomposición de ²⁷¹Bh y ²⁷¹Sg son hipotéticas y la vida media prevista de este hipotético isómero de hassio no es lo suficientemente larga como para que quede una cantidad suficiente en la Tierra. Es posible que se depositen más ²⁷¹H en la Tierra a medida que el Sistema Solar viaja a través de los brazos espirales de la Vía Láctea; esto explicaría los excesos de plutonio-239 que se encuentran en los fondos oceánicos del Océano Pacífico y el Golfo de Finlandia. Sin embargo, se prevé que los minerales enriquecidos con ²⁷¹Hs tengan excesos de sus descendientes, el uranio-235 y el plomo-207; también tendrían diferentes proporciones de elementos que se forman durante la fisión espontánea, como criptón, zirconio y xenón. La presencia natural de hassio en minerales como la molibdenita y la osmirida es teóricamente posible, pero muy poco probable.

En 2004, JINR inició una búsqueda de hassio natural en el Laboratorio Subterráneo de Modane en Modane, Auvergne-Rhône-Alpes, Francia; esto se hizo bajo tierra para evitar interferencias y falsos positivos de los rayos cósmicos. En 2008-09, un experimento realizado en el laboratorio resultó en la detección de varios eventos registrados de multiplicidad de neutrones (número de neutrones libres emitidos después de que un neutrón golpeó un núcleo y se fisionó) por encima de tres en osmio natural, y en 2012: 13, estos hallazgos fueron reafirmados en otro experimento realizado en el laboratorio. Estos resultados insinuaron que el hassio natural podría existir potencialmente en la naturaleza en cantidades que permitan su detección por medio de la química analítica, pero esta conclusión se basa en la suposición explícita de que existe un isótopo de hassio de larga vida al que se podrían atribuir los eventos registrados.

Dado que ²⁹²Hs puede ser particularmente estable contra la descomposición alfa y la fisión espontánea, se consideró como un candidato para existir en la naturaleza. Sin embargo, se prevé que este nucleido sea muy inestable hacia la desintegración beta y cualquier isótopo de hassio estable en beta como ²⁸⁶Hs sería demasiado inestable en los otros canales de desintegración para ser observado en la naturaleza. Una búsqueda en 2012 de ²⁹²Hs en la naturaleza junto con su homólogo osmio en el Laboratorio Maier-Leibnitz en Garching, Baviera, Alemania, no tuvo éxito y estableció un límite superior para su abundancia en 3×10 ⁻¹⁵ gramos de hassio por gramo de osmio.

Propiedades previstas

Varios cálculos sugieren que el hassio debería ser el elemento del grupo 8 más pesado hasta el momento, de acuerdo con la ley periódica. Sus propiedades generalmente deberían coincidir con las esperadas para un homólogo más pesado de osmio; como es el caso de todos los transactínidos, se espera que surjan algunas desviaciones de los efectos relativistas.

Se han medido muy pocas propiedades del hassio o sus compuestos; esto se debe a su producción extremadamente limitada y costosa y al hecho de que el hassio (y sus padres) se descompone muy rápidamente. Se han medido algunas propiedades singulares relacionadas con la química, como la entalpía de adsorción del tetróxido de hassio, pero las propiedades del hassio metálico siguen sin conocerse y solo se dispone de predicciones.

Efectos relativistas

Niveles de energía de los orbitales más externos de los átomos de precipitación y osmio en electronvoltios, con y sin tener en cuenta los efectos relativistas. Observe la falta de división de spin-orbit (y por lo tanto la falta de distinción entre d_3/2 y d_5/2 orbitales) en cálculos no relativistas.

Deberían surgir efectos relativistas en el hassio debido a la alta carga de sus núcleos, lo que hace que los electrones alrededor del núcleo se muevan más rápido, tan rápido que su velocidad se vuelve comparable a la velocidad de la luz. Hay tres efectos principales: el efecto relativista directo, el efecto relativista indirecto y la división espín-órbita. (Los cálculos existentes no tienen en cuenta las interacciones de Breit, pero son insignificantes y su omisión solo puede generar una incertidumbre de los cálculos actuales de no más del 2 %).

A medida que aumenta el número atómico, también lo hace la atracción electrostática entre un electrón y el núcleo. Esto hace que aumente la velocidad del electrón, lo que conduce a un aumento de su masa. Esto a su vez conduce a la contracción de los orbitales atómicos, más específicamente los orbitales s y p_1/2. Sus electrones se unen más estrechamente al átomo y son más difíciles de extraer del núcleo. Este es el efecto relativista directo. Originalmente se pensó que era fuerte solo para los electrones más internos, pero luego se estableció que también influye significativamente en los electrones de valencia.

Dado que los orbitales s y p_1/2 están más cerca del núcleo, toman una mayor parte de la carga eléctrica del núcleo sobre sí mismos ("blindaje"). Esto deja menos carga para la atracción de los electrones restantes, cuyos orbitales se expanden, haciéndolos más fáciles de extraer del núcleo. Este es el efecto relativista indirecto. Como resultado de la combinación de los efectos relativistas directos e indirectos, el ion Hs⁺, en comparación con el átomo neutro, carece de un electrón 6d, en lugar de un electrón 7s. En comparación, Os⁺ carece de un electrón 6s en comparación con el átomo neutro. El radio iónico (en estado de oxidación +8) del hassio es mayor que el del osmio debido a la expansión relativista de los orbitales 6p_3/2, que son los orbitales más externos para un Hs^{8 +} ion (aunque en la práctica tales iones altamente cargados estarían demasiado polarizados en ambientes químicos para tener mucha realidad).

Hay varios tipos de orbitales electrónicos, indicados con las letras s, p, d y f (se espera que los orbitales g comiencen a ser químicamente activos entre los elementos después del elemento 120). Cada uno de estos corresponde a un número cuántico azimutal l: s a 0, p a 1, d a 2 y f a 3. Cada electrón también corresponde a un número cuántico de espín s, que puede ser igual a +1/2 o −1/2. Por lo tanto, el número cuántico del momento angular total j = l + s es igual a j = l ± 1/ 2 (excepto para l = 0, por lo que para ambos electrones en cada orbital j = 0 + 1/2 = 1/2). El espín de un electrón interactúa relativistamente con su órbita, y esta interacción conduce a la división de una subcapa en dos con diferentes energías (la que tiene j = l − 1/2 tiene menos energía y, por lo tanto, estos electrones son más difíciles de extraer): por ejemplo, de los seis electrones 6p, dos se convierten en 6p_1/2 y cuatro se convierten en 6p_3/2. Esta es la división espín-órbita (a veces también denominada división de subcapa o acoplamiento jj). Es más visible con los electrones p, que no juegan un papel importante en la química del hassio, pero los de los electrones d y f están dentro del mismo orden de magnitud (cuantitativamente, la división espín-órbita se expresa en unidades de energía, como electronvoltios).

Estos efectos relativistas son responsables del aumento esperado de la energía de ionización, la disminución de la afinidad electrónica y el aumento de la estabilidad del estado de oxidación +8 en comparación con el osmio; sin ellos, las tendencias se invertirían. Los efectos relativistas disminuyen las energías de atomización de los compuestos de hassio porque la división espín-órbita del orbital d reduce la energía de enlace entre los electrones y el núcleo y porque los efectos relativistas disminuyen el carácter iónico en el enlace.

Física y atómica

Química experimental

En ferroceno, los anillos de ciclopentadienilo están en una conformación escalonada.

En ruthenocene y osmocene, los anillos de ciclopentadienilo están en una conformación eclipsada. Hassoceno también se predice tener esta estructura.

El primer objetivo de la investigación química fue la formación del tetróxido; se eligió porque el rutenio y el osmio forman tetróxidos volátiles, siendo los únicos metales de transición que muestran un compuesto estable en el estado de oxidación +8. A pesar de que esta selección para los estudios químicos en fase gaseosa fue clara desde el principio, la caracterización química del hassio se consideró una tarea difícil durante mucho tiempo. Aunque los isótopos de hassio se sintetizaron por primera vez en 1984, no fue hasta 1996 que se sintetizó un isótopo de hassio lo suficientemente longevo como para permitir estudios químicos. Desafortunadamente, este isótopo de hassio, ²⁶⁹Hs, se sintetizó indirectamente a partir de la descomposición de ²⁷⁷Cn; los métodos de síntesis indirecta no solo no son favorables para los estudios químicos, sino que la reacción que produjo el isótopo ²⁷⁷Cn tuvo un rendimiento bajo: su sección transversal fue de solo 1 pb, y por lo tanto no proporcionó suficientes átomos de hassio para una investigación química. Síntesis directa de ²⁶⁹Hs y ²⁷⁰Hs en la reacción ²⁴⁸Cm(²⁶Mg,xn)^274−xHs (x = 4 o 5) parecía más prometedor porque la sección transversal de esta reacción era un poco mayor a 7 pb. Este rendimiento seguía siendo unas diez veces inferior al de la reacción utilizada para la caracterización química del bohrio. Se tuvieron que introducir nuevas técnicas de irradiación, separación y detección antes de que el hassio pudiera caracterizarse químicamente con éxito.

El rutenio y el osmio tienen una química muy similar debido a la contracción de los lantánidos, pero el hierro muestra algunas diferencias con respecto a ellos; por ejemplo, aunque el rutenio y el osmio forman tetróxidos estables en los que el metal se encuentra en el estado de oxidación +8, el hierro no. En preparación para la caracterización química del hassio, la investigación se centró en el rutenio y el osmio en lugar del hierro porque se esperaba que el hassium fuera similar al rutenio y al osmio, ya que los datos pronosticados sobre el hassium coincidían estrechamente con los de esos dos.

Los primeros experimentos químicos se realizaron mediante termocromatografía de gases en 2001, utilizando como referencia los radioisótopos sintéticos de osmio ¹⁷²Os y ¹⁷³Os. Durante el experimento, se sintetizaron siete átomos de hassio mediante las reacciones ²⁴⁸Cm(²⁶Mg,5n)²⁶⁹Hs y ²⁴⁸Cm(²⁶Mg,4n)²⁷⁰Hs. Luego se termalizaron y oxidaron en una mezcla de gases de helio y oxígeno para formar moléculas de tetróxido de hassio.

Hs + 2 O₂ → HsO₄

La temperatura de deposición medida del tetróxido de hassio fue más alta que la del tetróxido de osmio, lo que indicó que el primero era el menos volátil, y esto colocó al hassio firmemente en el grupo 8. La entalpía de adsorción para HsO₄ medido, −46±2 kJ/mol, fue significativamente más bajo que el valor predicho, −36.7 ±1.5 kJ/mol, lo que indica que OsO₄ es más volátil que HsO ₄, contradiciendo cálculos anteriores que implicaban que deberían tener volatilidades muy similares. A modo de comparación, el valor de OsO₄ es −39±1 kJ/mol. (Los cálculos que arrojaron una coincidencia más cercana a los datos experimentales se produjeron después del experimento, en 2008). Es posible que el tetróxido de hassio interactúe de manera diferente con el nitruro de silicio que con el dióxido de silicio, los productos químicos utilizados para el detector; se requiere más investigación para establecer si existe una diferencia entre tales interacciones y si ha influido en las mediciones. Dicha investigación incluiría mediciones más precisas de las propiedades nucleares de ²⁶⁹Hs y comparaciones con RuO₄ además de OsO₄.

En 2004, los científicos hicieron reaccionar tetróxido de hassio e hidróxido de sodio para formar hassato de sodio (VIII), una reacción bien conocida con el osmio. Esta fue la primera reacción ácido-base con un compuesto de hassio, formando hassato de sodio (VIII):

HsO
₄ + 2 NaOH → Na
₂[HsO]
₄(OH)
₂]

El equipo de la Universidad de Mainz planeó en 2008 estudiar la electrodeposición de átomos de hassio usando la nueva instalación TASCA en GSI. Su objetivo era utilizar la reacción ²²⁶Ra(⁴⁸Ca,4n)²⁷⁰Hs. Los científicos de GSI esperaban utilizar TASCA para estudiar la síntesis y las propiedades del hassoceno compuesto de hassio(II), Hs(C5H5)₂, utilizando la reacción ²²⁶Ra(⁴⁸Ca,xn). Este compuesto es análogo a los compuestos más ligeros ferroceno, rutenoceno y osmoceno, y se espera que tenga los dos anillos de ciclopentadienilo en una conformación eclipsada como el rutenoceno y el osmoceno y no en una conformación escalonada como el ferroceno. Se eligió el hassoceno, que se espera que sea un compuesto estable y altamente volátil, porque tiene hassio en el estado de oxidación formal bajo de +2, aunque el enlace entre el metal y los anillos es principalmente covalente en los metalocenos, en lugar del alto + 8 que se había investigado previamente, y se esperaba que los efectos relativistas fueran más fuertes en el estado de oxidación más bajo. La estructura altamente simétrica del hassoceno y su bajo número de átomos facilitan los cálculos relativistas. A partir de 2021, no hay informes experimentales de hassoceno.