Rutherfordio

Rutherfordio es un elemento químico con el símbolo Rf y el número atómico 104, llamado así por el físico británico nacido en Nueva Zelanda Ernest Rutherford. Como elemento sintético, no se encuentra en la naturaleza y solo se puede fabricar en un laboratorio. Es radiactivo; el isótopo conocido más estable, Rf, tiene una vida media de ~1,3 horas.

En la tabla periódica, es un elemento del bloque d y el segundo de los elementos de transición de la cuarta fila. Está en el período 7 y es un elemento del grupo 4. Los experimentos químicos han confirmado que el rutherfordio se comporta como el homólogo más pesado del hafnio en el grupo 4. Las propiedades químicas del rutherfordio se caracterizan solo en parte. Se comparan bien con los otros elementos del grupo 4, aunque algunos cálculos habían indicado que el elemento podría mostrar propiedades significativamente diferentes debido a efectos relativistas.

En la década de 1960, se produjeron pequeñas cantidades de rutherfordio en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de la Unión Soviética y en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California. La prioridad del descubrimiento y, por lo tanto, el nombre del elemento fue disputado entre científicos soviéticos y estadounidenses, y no fue hasta 1997 que la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) estableció el rutherfordio como el nombre oficial del elemento.

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

Según los informes, el rutherfordio se detectó por primera vez en 1964 en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear en Dubna (Unión Soviética en ese momento). Allí, los investigadores bombardearon un objetivo de plutonio-242 con iones de neón-22 y separaron los productos de reacción mediante termocromatografía de gradiente después de la conversión en cloruros por interacción con ZrCl ₄. El equipo identificó actividad de fisión espontánea contenida dentro de un cloruro volátil que presenta propiedades de eka-hafnio. Aunque la vida media no se determinó con precisión, los cálculos posteriores indicaron que lo más probable es que el producto fuera rutherfordio-259 (Rf en notación estándar):₉₄PU+₁₀Nordeste→₁₀₄radiofrecuencia→₁₀₄radiofrecuenciaClase ₄

En 1969, investigadores de la Universidad de California, Berkeley, sintetizaron de manera concluyente el elemento bombardeando un objetivo de californio-249 con iones de carbono-12 y midieron la descomposición alfa de Rf, correlacionada con la descomposición hija de nobelio-253:₉₈Cf.+₆C→₁₀₄radiofrecuencia+ 4norte

La síntesis estadounidense se confirmó de forma independiente en 1973 y aseguró la identificación de rutherfordio como padre mediante la observación de rayos X K-alfa en la firma elemental del producto de desintegración Rf, nobelio-253.

Controversia de nombres

Los científicos rusos propusieron el nombre kurchatovium y los científicos estadounidenses sugirieron el nombre rutherfordio para el nuevo elemento. En 1992, el Grupo de Trabajo Transfermium (TWG) de IUPAC/IUPAP evaluó las afirmaciones de descubrimiento y concluyó que ambos equipos proporcionaron evidencia contemporánea a la síntesis del elemento 104 y que el crédito debe ser compartido entre los dos grupos.

El grupo estadounidense escribió una respuesta mordaz a los hallazgos del TWG, afirmando que habían dado demasiado énfasis a los resultados del grupo de Dubna. En particular, señalaron que el grupo ruso había alterado los detalles de sus afirmaciones varias veces durante un período de 20 años, un hecho que el equipo ruso no niega. También destacaron que el TWG había dado demasiada credibilidad a los experimentos químicos realizados por los rusos y acusaron al TWG de no tener personal debidamente calificado en el comité. El GTT respondió diciendo que no era así y, tras evaluar cada punto planteado por el grupo estadounidense, dijo que no encontraba ninguna razón para alterar su conclusión con respecto a la prioridad del descubrimiento. La IUPAC finalmente usó el nombre sugerido por el equipo estadounidense (rutherfordium).

Como consecuencia de las afirmaciones iniciales en competencia de descubrimiento, surgió una controversia sobre la denominación de elementos. Dado que los soviéticos afirmaron haber detectado por primera vez el nuevo elemento, sugirieron el nombre kurchatovium (Ku) en honor a Igor Kurchatov (1903-1960), exjefe de investigación nuclear soviética. Este nombre había sido utilizado en libros del bloque soviético como nombre oficial del elemento. Los estadounidenses, sin embargo, propusieron rutherfordio (Rf) para el nuevo elemento en honor a Ernest Rutherford, conocido como el "padre" de la física nuclear. La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) adoptó unnilquadium (Unq) como un nombre de elemento sistemático temporal, derivado de los nombres latinos de los dígitos 1, 0 y 4. En 1994, IUPAC sugirió el nombre dubnio(Db) para ser utilizado ya que se sugirió el rutherfordio para el elemento 106 y la IUPAC consideró que el equipo de Dubna debería ser reconocido por sus contribuciones. Sin embargo, todavía había una disputa sobre los nombres de los elementos 104–107. En 1997 los equipos involucrados resolvieron la disputa y adoptaron el nombre actual de rutherfordio. El nombre dubnio se le dio al elemento 105 al mismo tiempo.

Isótopos

Isótopo	Media vida	Modo de descomposición	Año de descubrimiento	Reacción
radiofrecuencia	48 μs	α, SF	1994	Pb(Ti,n)
radiofrecuencia	23 μs	SF	1994	Pb(Ti,2n)
radiofrecuencia	2,3 s	ε?, α, SF	1974	Pb(Ti,2n)
radiofrecuencia	6,4 ms	α, SF	1974	Pb(Ti,2n)
radiofrecuencia	4,7 s	ε, α, SF	1969	Cf(C,4n)
radiofrecuencia	4,1 segundos	ε, α, SF	1969	Cf(C,4n)
radiofrecuencia	14,7 ms	α, SF	1969	Cf(C,4n)
radiofrecuencia	3,2 s	α, SF	1969	Cf(C,3n)
radiofrecuencia	2,5 s	ε	1969	Cf(C,3n)
radiofrecuencia	21 ms	α, SF	1969	Cm(O,4n)
radiofrecuencia	78 segundos	α, SF	1970	Cm(O,5n)
radiofrecuencia	4 segundos	ε, α, SF	2001	Pu(Ne,5n)
radiofrecuencia	2,3 s	α, SF	1996	Pu(Ne,4n)
radiofrecuencia	15 minutos	α, SF	1999	DB(mi,vmi)
¿Rf?	8 segundos	α, SF	1999	DB(mi,vmi)
radiofrecuencia	1,1 minutos	SF	2010	Sg(—,a)
radiofrecuencia	23 s?	SF	2007?	DB(mi,vmi)?
radiofrecuencia	1,3 horas	SF	2004	Sg(—,a)
radiofrecuencia	1.4 s?	SF	2004?	DB(mi,vmi)?
radiofrecuencia	20 ms?	SF	2010?	DB(mi,vmi)?

Rutherfordio 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 dieciséis isótopos diferentes con masas atómicas de 253 a 270 (con las excepciones de 264 y 269). La mayoría de estos se descomponen predominantemente a través de vías de fisión espontánea.

Estabilidad y vidas medias.

De los isótopos cuyas vidas medias se conocen, los isótopos más ligeros suelen tener vidas medias más cortas; Se observaron semividas inferiores a 50 μs para Rf y Rf. Rf, Rf, Rf son más estables alrededor de 10 ms, Rf, Rf, Rf y Rf viven entre 1 y 5 segundos, y Rf, Rf y Rf son más estables, alrededor de 1,1, 1,5 y 10 minutos respectivamente. Los isótopos más pesados ​​son los más estables, y Rf tiene una vida media medida de aproximadamente 1,3 horas.

Los isótopos más ligeros se sintetizaron por fusión directa entre dos núcleos más ligeros y como productos de descomposición. El isótopo más pesado producido por fusión directa es Rf; los isótopos más pesados ​​solo se han observado como productos de descomposición de elementos con números atómicos más grandes. Los isótopos pesados ​​Rf y Rf también se han informado como hijas de captura de electrones de los isótopos de dubnio Db y Db, pero tienen vidas medias cortas para la fisión espontánea. Parece probable que lo mismo sea cierto para Rf, una probable hija de Db. Estos tres isótopos permanecen sin confirmar.

En 1999, científicos estadounidenses de la Universidad de California, Berkeley, anunciaron que habían logrado sintetizar tres átomos de Og. Se informó que estos núcleos originales emitieron sucesivamente siete partículas alfa para formar núcleos de Rf, pero su afirmación se retractó en 2001. Este isótopo se descubrió más tarde en 2010 como el producto final en la cadena de descomposición de Fl.

Propiedades predichas

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

Químico

Rutherfordio es el primer elemento transactínido y el segundo miembro de la serie 6d de metales de transición. Los cálculos sobre sus potenciales de ionización, radio atómico, así como radios, energías orbitales y niveles de suelo de sus estados ionizados son similares a los del hafnio y muy diferentes a los del plomo. Por lo tanto, se concluyó que las propiedades básicas del rutherfordio se parecerán a las de otros elementos del grupo 4, por debajo del titanio, el zirconio y el hafnio. Algunas de sus propiedades se determinaron mediante experimentos en fase gaseosa y química acuosa. El estado de oxidación +4 es el único estado estable para los dos últimos elementos y, por lo tanto, el rutherfordio también debería exhibir un estado estable +4. Además, también se espera que el rutherfordio pueda formar un estado +3 menos estable.Se prevé que el potencial de reducción estándar del par Rf/Rf sea superior a −1,7 V.

Las predicciones iniciales de las propiedades químicas del rutherfordio se basaron en cálculos que indicaban que los efectos relativistas en la capa de electrones podrían ser lo suficientemente fuertes como para que los orbitales 7p tuvieran un nivel de energía más bajo que los orbitales 6d, dándole una configuración electrónica de valencia de 6d 7s 7p o incluso 7s 7p, lo que hace que el elemento se comporte más como plomo que como hafnio. Con mejores métodos de cálculo y estudios experimentales de las propiedades químicas de los compuestos de rutherfordio se podría demostrar que esto no sucede y que, en cambio, el rutherfordio se comporta como el resto de los elementos del grupo 4. Posteriormente se demostró en cálculos ab initio con el alto nivel de precisión que el átomo de Rf tiene el estado fundamental con el 6dConfiguración de valencia 7s y estado excitado bajo 6d 7s 7p con una energía de excitación de solo 0,3–0,5 eV.

De manera análoga al circonio y al hafnio, el rutherfordio se proyecta para formar un óxido refractario muy estable, RfO ₂. Reacciona con los halógenos para formar tetrahaluros, RfX ₄, que se hidrolizan al contacto con el agua para formar oxihaluros RfOX ₂. Los tetrahaluros son sólidos volátiles que existen como moléculas tetraédricas monoméricas en la fase de vapor.

En la fase acuosa, el ion Rf se hidroliza menos que el titanio (IV) y en un grado similar al del zirconio y el hafnio, dando como resultado el ion RfO. El tratamiento de los haluros con iones de haluros promueve la formación de iones complejos. El uso de iones de cloruro y bromuro produce los complejos de hexahaluro RfCl₆y RfBr₆. Para los complejos de fluoruro, el circonio y el hafnio tienden a formar complejos hepta y octa. Por lo tanto, para el ion rutherfordio más grande, los complejos RfF₆, Rff₇y RFF₈es posible.

Físico y atómico

Se espera que el rutherfordio sea sólido en condiciones normales y tenga una estructura cristalina compacta hexagonal (/ _a = 1,61), similar a su congénere más ligero, el hafnio. Debe ser un metal con una densidad de ~17 g/cm. Se espera que el radio atómico del rutherfordio sea de ~150 pm. Debido a la estabilización relativista del orbital 7s y la desestabilización del orbital 6d, se prevé que los iones Rf y Rf cedan electrones 6d en lugar de electrones 7s, que es lo opuesto al comportamiento de sus homólogos más ligeros.Cuando está bajo alta presión (calculada de diversas formas como 72 o ~ 50 GPa), se espera que el rutherfordio haga la transición a una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo; el hafnio se transforma a esta estructura a 71 ± 1 GPa, pero tiene una estructura ω intermedia que se transforma a 38 ± 8 GPa que debería faltar para el rutherfordio.

Química experimental

Fórmula	nombres
RfCl 4	tetracloruro de rutherfordio, cloruro de rutherfordio (IV)
RfBr 4	tetrabromuro de rutherfordio, bromuro de rutherfordio (IV)
RfOCl 2	oxicloruro de rutherfordio, cloruro derutherfordilo (IV), óxido de dicloruro de rutherfordio (IV)
[ RfCl6 ]	hexaclororuterfordato (IV)
[RfF 6 ]	hexafluororutherfordato (IV)
K 2 [RfCl 6 ]	hexaclororuterfordato de potasio (IV)

Fase gaseosa

Los primeros trabajos sobre el estudio de la química del rutherfordio se centraron en la termocromatografía de gases y la medición de las curvas de adsorción de la temperatura de deposición relativa. El trabajo inicial se llevó a cabo en Dubna en un intento de reafirmar su descubrimiento del elemento. El trabajo reciente es más confiable con respecto a la identificación de los radioisótopos originales de rutherfordio. El isótopo Rf se ha utilizado para estos estudios, aunque el isótopo Rf de larga vida (producido en la cadena de descomposición de Lv, Fl y Cn) puede ser ventajoso para futuros experimentos. Los experimentos se basaron en la expectativa de que el rutherfordio comenzaría la nueva serie 6d de elementos y, por lo tanto, debería formar un tetracloruro volátil debido a la naturaleza tetraédrica de la molécula.El cloruro de ruterfordio (IV) es más volátil que su homólogo más ligero, el cloruro de hafnio (IV) (HfCl ₄) porque sus enlaces son más covalentes.

Una serie de experimentos confirmaron que el rutherfordio se comporta como un miembro típico del grupo 4, formando un cloruro tetravalente (RfCl ₄) y bromuro (RfBr ₄), así como un oxicloruro (RfOCl ₂). Se observó una volatilidad disminuida para RfCl₄cuando se proporciona cloruro de potasio como fase sólida en lugar de gas, altamente indicativo de la formación de K no volátil₂RfCl₆sal mixta

Fase acuosa

Se espera que el rutherfordio tenga la configuración electrónica [Rn]5f 6d 7s y, por lo tanto, se comporte como el homólogo más pesado del hafnio en el grupo 4 de la tabla periódica. Por lo tanto, debería formar fácilmente un ion Rf hidratado en una solución de ácido fuerte y debería formar fácilmente complejos en soluciones de ácido clorhídrico, bromhídrico o fluorhídrico.

Los estudios de química acuosa más concluyentes del rutherfordio han sido realizados por el equipo japonés del Instituto de Investigación de Energía Atómica de Japón utilizando el isótopo Rf. Los experimentos de extracción de soluciones de ácido clorhídrico utilizando isótopos de rutherfordio, hafnio, zirconio, así como el torio, elemento del pseudogrupo 4, han demostrado un comportamiento no actínido para el rutherfordio. Una comparación con sus homólogos más livianos colocó al rutherfordio firmemente en el grupo 4 e indicó la formación de un complejo de hexaclororutherfordato en soluciones de cloruro, de manera similar al hafnio y al zirconio.radiofrecuencia+ 6Cl→ [ RfCl₆]

Se observaron resultados muy similares en soluciones de ácido fluorhídrico. Las diferencias en las curvas de extracción se interpretaron como una afinidad más débil por el ion fluoruro y la formación del ion hexafluororutherfordato, mientras que los iones hafnio y zirconio forman un complejo de siete u ocho iones fluoruro en las concentraciones utilizadas:radiofrecuencia+ 6F→ [ RfF₆]