Ununenio

Ununennium, también conocido como eka-francio o elemento 119, es el hipotético elemento químico de símbolo Uue y el número atómico 119. Ununennium y Uue son el nombre y el símbolo IUPAC sistemáticos temporales, respectivamente, que se utilizan hasta que se descubre y confirma el elemento y se decide un nombre permanente al. En la tabla periódica de los elementos, se espera que sea un elemento del bloque s, un metal alcalino y el primer elemento del octavo período. Es el elemento más ligero que aún no ha sido sintetizado.

Un intento de sintetizar el elemento ha estado en curso desde 2018 en RIKEN en Japón. El Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear en Dubna, Rusia, planea hacer un intento en algún momento en el futuro, pero no se ha dado a conocer al público una fecha precisa. La evidencia teórica y experimental ha demostrado que la síntesis de ununennium probablemente será mucho más difícil que la de los elementos anteriores, e incluso puede ser el penúltimo elemento que se puede sintetizar con la tecnología actual.

La posición de Ununennium como el séptimo metal alcalino sugiere que tendría propiedades similares a las de sus congéneres más ligeros. Sin embargo, los efectos relativistas pueden hacer que algunas de sus propiedades difieran de las que se esperan de una aplicación directa de tendencias periódicas. Por ejemplo, se espera que el ununenio sea menos reactivo que el cesio y el francio y tenga un comportamiento más cercano al potasio o al rubidio, y aunque debería mostrar el estado de oxidación característico +1 de los metales alcalinos, también se prevé que muestre el +3 y + 5 estados de oxidación, que son desconocidos en cualquier otro metal alcalino.

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

Intentos de síntesis

Los elementos 114 a 118 (flerovium a oganesson) fueron descubiertos en "fusión en caliente" reacciones en el Instituto Conjunto para la Investigación Nuclear (JINR) en Dubna, Rusia. Esto implicó bombardear los actínidos plutonio a través de californio con calcio-48, un isótopo rico en neutrones casi estable que podría usarse como proyectil para producir más isótopos ricos en neutrones de elementos superpesados. (El término "caliente" se refiere a la alta energía de excitación del núcleo compuesto resultante). Esto no puede continuarse fácilmente hasta el elemento 119, porque requeriría un objetivo del siguiente actínido einstenio. Se necesitarían decenas de miligramos de einstenio para tener una probabilidad razonable de éxito, pero hasta ahora solo se han producido microgramos. En 1985 se hizo un intento de hacer el elemento 119 a partir de calcio-48 y menos de un microgramo de einstenio en el acelerador superHILAC en Berkeley, California, pero no tuvo éxito.

La producción más práctica de más elementos superpesados requiere proyectiles más pesados que ⁴⁸Ca, pero esto hace que la reacción sea más simétrica y le da menos posibilidades de éxito. Los intentos de sintetizar el elemento 119 superan los límites de la tecnología actual, debido a las secciones transversales decrecientes de las reacciones de producción y las vidas medias probablemente cortas de los isótopos producidos, que se espera que sean del orden de microsegundos.

De abril a septiembre de 2012, se intentó sintetizar los isótopos ²⁹⁵Uue y ²⁹⁶Uue bombardeando un objetivo de berkelio-249 con titanio-50 en la Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados en Darmstadt, Alemania. Se predijo que esta reacción entre ²⁴⁹Bk y ⁵⁰Ti sería la reacción práctica más favorable para la formación de ununennio, ya que es la reacción más asimétrica disponible. Además, como el berkelio-249 se descompone en californio-249 (el siguiente elemento) con una vida media corta de 327 días, esto permitió buscar los elementos 119 y 120 simultáneamente. Debido a las vidas medias cortas pronosticadas, el equipo de GSI utilizó nuevos métodos "rápidos" electrónica capaz de registrar eventos de decaimiento en microsegundos.

²⁴⁹
₉₇Bk
+ ⁵⁰
₂₂Ti
→ ²⁹⁹
₁₁₉Uue
* → sin átomos

²⁴⁹
₉₈Cf
+ ⁵⁰
₂₂Ti
→ ²⁹⁹
₁₂₀Ubn
* → sin átomos

No se observó ni el elemento 119 ni el elemento 120. Originalmente, se planeó que el experimento continuara hasta noviembre de 2012, pero se detuvo antes de tiempo para utilizar el objetivo ²⁴⁹Bk para confirmar la síntesis de tennessine (cambiando así los proyectiles a ⁴⁸ California).

El equipo de RIKEN en Wakō, Japón, comenzó a bombardear objetivos de curio-248 con un haz de vanadio-51 en enero de 2018 para buscar el elemento 119. Se eligió el curio como objetivo, en lugar del berkelio o el californio más pesados, ya que estos objetivos más pesados son difíciles de preparar. Los objetivos de ²⁴⁸cm fueron proporcionados por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. RIKEN desarrolló un haz de vanadio de alta intensidad. El experimento comenzó en un ciclotrón mientras RIKEN actualizaba sus aceleradores lineales; la actualización se completó en 2020. El bombardeo puede continuar con ambas máquinas hasta que se observe el primer evento; el experimento se ejecuta actualmente de forma intermitente durante al menos 100 días al año. Los esfuerzos del equipo RIKEN están siendo financiados por el Emperador de Japón.

²⁴⁸
₉₆Cm
+ ⁵¹
₂₃V
→ ²⁹⁹
₁₁₉Uue
* → no átomos todavía

Se espera que los isótopos producidos de ununenio sufran dos desintegraciones alfa a isótopos conocidos de moscovio, ²⁸⁸Mc y ²⁸⁷Mc. Esto los anclaría a una secuencia conocida de cinco o seis desintegraciones alfa adicionales, respectivamente, y corroboraría su producción.

El equipo de JINR planea intentar la síntesis del elemento 119 en el futuro, pero no se ha hecho público un plazo preciso. No se han utilizado vigas más pesadas que ⁴⁸Ca en el JINR para producir elementos tan pesados, pero se están desarrollando activamente.

Nombramiento

Usando la nomenclatura de Mendeleev para elementos no identificados y no descubiertos, ununennium debería conocerse como eka-francium. Usando las recomendaciones de la IUPAC de 1979, el elemento debe llamarse temporalmente ununennium (símbolo Uue) hasta que se descubra, se confirme el descubrimiento y se elija un nombre permanente. Aunque se utilizan ampliamente en la comunidad química en todos los niveles, desde las aulas de química hasta los libros de texto avanzados, las recomendaciones se ignoran en su mayoría entre los científicos que trabajan teórica o experimentalmente con elementos superpesados, quienes lo llaman "elemento 119", con el símbolo E119, (119) o 119.

Propiedades previstas

Estabilidad nuclear e isótopos

Un gráfico de estabilidad nuclida utilizado por el equipo de Dubna en 2010. Los isótopos caracterizados se muestran con fronteras. Más allá del elemento 118 (oganesson, el último elemento conocido), se espera que la línea de los nuclidos conocidos entre rápidamente en una región de inestabilidad, sin media vida por más de un microsegundo elemento 121. El anillo blanco encierra la ubicación predicha de la isla de estabilidad.

Los orbitales con alto número de cuántico azimutal se elevan en energía, eliminando lo que de otro modo sería una brecha en la energía orbital correspondiente a un protón cerrado en el elemento 114, como se muestra en el diagrama izquierdo que no tiene en cuenta este efecto. Esto eleva la siguiente cáscara de protones a la región alrededor del elemento 120, como se muestra en el diagrama correcto, aumentando potencialmente las semividas del elemento 119 y 120 isótopos.

La estabilidad de los núcleos disminuye considerablemente con el aumento del número atómico después del curio, el elemento 96, cuya vida media es cuatro órdenes de magnitud mayor que la de cualquier elemento de número superior conocido actualmente. Todos los isótopos con un número atómico superior a 101 sufren una desintegración radiactiva con vidas medias inferiores a 30 horas. Ningún elemento con número atómico superior a 82 (después del plomo) tiene isótopos estables. Sin embargo, por razones que aún no se conocen bien, se produce un ligero aumento de la estabilidad nuclear en torno a los números atómicos 110-114, lo que da lugar a la aparición de lo que se conoce en física nuclear como la "isla de la estabilidad". Este concepto, propuesto por el profesor de la Universidad de California Glenn Seaborg, explica por qué los elementos superpesados duran más de lo previsto.

Las vidas medias de descomposición alfa predichas para ^291–307Uue son del orden de microsegundos. La vida media de desintegración alfa más larga prevista es de ~485 microsegundos para el isótopo ²⁹⁴Uue. Cuando se tienen en cuenta todos los modos de descomposición, las vidas medias previstas se reducen aún más a solo decenas de microsegundos. Algunos isótopos más pesados pueden ser más estables; Fricke y Waber predijeron que ³¹⁵Uue sería el isótopo de ununenio más estable en 1971. Esto tiene consecuencias para la síntesis de ununenio, ya que los isótopos con vidas medias inferiores a un microsegundo se desintegrarían antes de llegar al detector, y el los isótopos más pesados no pueden sintetizarse mediante la colisión de ningún objetivo utilizable conocido y núcleos de proyectiles. Sin embargo, los nuevos modelos teóricos muestran que la brecha de energía esperada entre los orbitales de protones 2f_7/2 (relleno en el elemento 114) y 2f_5/2 (relleno en el elemento 120) es más pequeño de lo esperado, por lo que el elemento 114 ya no parece ser una capa nuclear esférica cerrada estable, y esta brecha de energía puede aumentar la estabilidad de los elementos 119 y 120. Ahora se espera que el próximo núcleo doblemente mágico esté alrededor de la esférica ³⁰⁶Ubb (elemento 122), pero la baja vida media esperada y la sección transversal de baja producción de este nucleido hacen que su síntesis sea un desafío.

Atómica y física

Al ser el primer elemento del período 8, se prevé que el ununenio sea un metal alcalino, ocupando su lugar en la tabla periódica debajo del litio, el sodio, el potasio, el rubidio, el cesio y el francio. Cada uno de estos elementos tiene un electrón de valencia en el orbital s más externo (configuración electrónica de valencia ns¹), que se pierde fácilmente en las reacciones químicas para formar la oxidación +1 estado: asi los metales alcalinos son elementos muy reactivos. Se predice que Ununennium continuará la tendencia y tendrá una configuración electrónica de valencia de 8s¹. Por lo tanto, se espera que se comporte como sus congéneres más ligeros; sin embargo, también se prevé que difiera de los metales alcalinos más ligeros en algunas propiedades.

La razón principal de las diferencias previstas entre el ununenio y los demás metales alcalinos es la interacción espín-órbita (SO), la interacción mutua entre los electrones' movimiento y giro. La interacción SO es especialmente fuerte para los elementos superpesados porque sus electrones se mueven más rápido (a velocidades comparables a la velocidad de la luz) que los de los átomos más ligeros. En los átomos de ununenio, reduce los niveles de energía de los electrones 7p y 8s, estabilizando los electrones correspondientes, pero dos de los niveles de energía de los electrones 7p están más estabilizados que los otros cuatro. El efecto se llama división de subcapa, ya que divide la subcapa 7p en partes más estabilizadas y menos estabilizadas. Los químicos computacionales entienden la división como un cambio del segundo número cuántico (azimutal) ℓ de 1 a 1⁄2 y 3⁄2 para las partes más y menos estabilizadas de la subcapa 7p, respectivamente. Por lo tanto, el electrón 8s externo del ununenio se estabiliza y se vuelve más difícil de eliminar de lo esperado, mientras que los electrones 7p_3/2 se desestabilizan correspondientemente, lo que quizás les permita participar en reacciones químicas. Esta estabilización del orbital s más externo (que ya es significativo en el francio) es el factor clave que afecta la química del ununenio y hace que todas las tendencias de las propiedades atómicas y moleculares de los metales alcalinos cambien de dirección después del cesio.

Empírico (Na-Cs, Mg-Ra) y predicho (Fr-Uhp, Ubn-Uh) radio atómico de los metales de tierra alcalinos y alcalinos del tercer al noveno período, medido en angstroms

Empirical (Na-Cs), semi-empirical (Fr), y predijo (Uue) afinidades de electrones de los metales alcalinos del tercer al octavo período, medido en voltios de electrones. Disminuyen de Li a Cs, pero el valor de Fr, 492±10 meV, es 20 meV más alto que el de Cs, y el de Uue es mucho más alto todavía en 662 meV.

Empírico (Na–Fr, Mg–Ra) y predicho (Uue–Uhp, Ubn–Uhh) energía de ionización de los metales de tierra alcalinos y alcalinos del tercer al noveno período, medido en voltios de electrones

Debido a la estabilización de su electrón 8s exterior, se predice que la primera energía de ionización del ununenio (la energía necesaria para eliminar un electrón de un átomo neutro) será de 4,53 eV, superior a la de los metales alcalinos conocidos de potasio en adelante. Este efecto es tan grande que se predice que el unbionio (elemento 121) tiene una energía de ionización más baja de 4,45 eV, por lo que el metal alcalino en el período 8 no tendría la energía de ionización más baja del período, como ocurre en todos los períodos anteriores. Se espera que la afinidad electrónica de Ununennium sea mucho mayor que la del cesio y el francio; de hecho, se espera que el ununenio tenga una afinidad electrónica superior a la de todos los metales alcalinos más ligeros, aproximadamente 0,662 eV, cercana a la del cobalto (0,662 eV) y el cromo (0,676 eV). Los efectos relativistas también causan una caída muy grande en la polarizabilidad de ununennium a 169.7 a.u. De hecho, la polarizabilidad del dipolo estático (α_D) del ununenio, una cantidad para la cual los impactos de la relatividad son proporcionales al cuadrado del número atómico del elemento, se ha calculado que es pequeño y similar al del sodio.

Se predice que el electrón del átomo de ununenio similar al hidrógeno, oxidado por lo que solo tiene un electrón, Uue¹¹⁸⁺, se moverá tan rápido que su masa es 1,99 veces mayor que la de un átomo inmóvil. electrón, una consecuencia de los efectos relativistas. A modo de comparación, la cifra para el francio similar al hidrógeno es 1,29 y la cifra para el cesio similar al hidrógeno es 1,091. Según simples extrapolaciones de las leyes de la relatividad, eso indica indirectamente la contracción del radio atómico a alrededor de 240 pm, muy cerca de la del rubidio (247 pm); el radio metálico también se reduce correspondientemente a 260 pm. Se espera que el radio iónico de Uue⁺ sea de 180 pm.

Se prevé que el ununennio tenga un punto de fusión entre 0 °C y 30 °C: por lo tanto, puede ser un líquido a temperatura ambiente. No se sabe si esto continúa la tendencia de disminución de los puntos de fusión en el grupo, ya que el punto de fusión del cesio es de 28,5 °C y el del francio se estima en alrededor de 8,0 °C. Se espera que el punto de ebullición del ununenio sea de alrededor de 630 °C, similar al del francio, estimado en alrededor de 620 °C; esto es más bajo que el punto de ebullición del cesio de 671 °C. Se ha pronosticado que la densidad del ununenio oscila entre 3 y 4 g/cm³, lo que continúa con la tendencia de aumentar la densidad en el grupo: la densidad del francio se estima en 2,48 g/cm ³, y se sabe que el del cesio es de 1,93 g/cm³.

Química

Se prevé que la química del ununenio sea similar a la de los metales alcalinos, pero probablemente se comportaría más como el potasio o el rubidio que como el cesio o el francio. Esto se debe a efectos relativistas, ya que en su ausencia, las tendencias periódicas predecirían que el ununenio sería aún más reactivo que el cesio y el francio. Esta reactividad reducida se debe a la estabilización relativista del electrón de valencia del ununenio, aumentando la energía de primera ionización del ununenio y disminuyendo los radios metálico e iónico; este efecto ya se ve para el francio.

La química del ununenio en el estado de oxidación +1 debería ser más similar a la química del rubidio que a la del francio. Por otro lado, se prevé que el radio iónico del ion Uue⁺ sea mayor que el del Rb⁺, porque los orbitales 7p están desestabilizados y, por lo tanto, son más grandes que el orbitales p de las capas inferiores. Ununennium también puede mostrar el estado de oxidación +3, que no se ve en ningún otro metal alcalino, además del estado de oxidación +1 que es característico de los otros metales alcalinos y también es el principal estado de oxidación de todos los metales alcalinos conocidos: esto se debe a la desestabilización y expansión del espinor 7p_3/2, lo que hace que sus electrones más externos tengan una energía de ionización más baja de lo que cabría esperar. Se ha sugerido que la actividad química del espinor 7p_3/2 hace posible el estado de oxidación +5 en [UueF₆]⁻, análogo a [SbF₆]⁻ o [BrF₆]⁻. El compuesto análogo de francio (V), [FrF₆]⁻, también podría lograrse, pero no se conoce experimentalmente.

Se espera que muchos compuestos de ununenio tengan un gran carácter covalente, debido a la participación de los electrones 7p_3/2 en el enlace: este efecto también se observa en menor medida en el francio, que muestra alguna contribución de 6p_3/2 a la unión en superóxido de francio (FrO₂). Por lo tanto, en lugar de que el ununenio sea el elemento más electropositivo, como parecería indicar una simple extrapolación, el cesio conserva esta posición, con una electronegatividad del ununenio muy probablemente cercana a la del sodio (0,93 en la escala de Pauling). Se prevé que el potencial de reducción estándar del par Uue⁺/Uue sea −2,9 V, el mismo que el del par Fr⁺/Fr y ligeramente superior al del par Pareja K⁺/K en −2.931 V.

Longitudes óseas y energías de disociación de lazos de MAu (M = un metal alcalino). Todos los datos se predicen, excepto las energías de disociación de lazos de KAu, RbAu y CsAu.

Compuesto	Longitud ósea (Å)	Bond-disociation energía (kJ/mol)
KAu	2.856	2.75
RbAu	2.967	2.48
CsAu	3.050	2.53
FrAu	3.097	2.75
UueAu	3.074	2.44

En la fase gaseosa, ya muy bajas temperaturas en la fase condensada, los metales alcalinos forman moléculas diatómicas unidas covalentemente. Las longitudes de enlace metal-metal en estas moléculas M₂ aumentan hacia abajo en el grupo de Li2 a Cs₂, pero luego disminuyen después de eso a Uue₂, debido a los efectos relativistas antes mencionados que estabilizan el orbital 8s. La tendencia opuesta se muestra para las energías de disociación de enlace metal-metal. El enlace Uue-Uue debe ser un poco más fuerte que el enlace K-K. A partir de estas energías de disociación M₂, se predice que la entalpía de sublimación (ΔH_sub) del ununenio será de 94 kJ/mol (el valor para el francio debe estar alrededor de 77 kJ/mol).

Se espera que la molécula UueF tenga un carácter covalente significativo debido a la alta afinidad electrónica del ununenio. El enlace en UueF es predominantemente entre un orbital 7p en ununennio y un orbital 2p en flúor, con contribuciones menores del orbital 2s del flúor y el 8s, 6d_z², y los otros dos orbitales 7p de ununenio. Esto es muy diferente del comportamiento de los elementos del bloque s, así como del oro y el mercurio, en los que los orbitales s (a veces mezclados con los orbitales d) son los que participan en el enlace. El enlace Uue-F se expande relativistamente debido a la división del orbital 7p en espinores 7p_1/2 y 7p_3/2, forzando a los electrones de enlace al orbital más grande medido por extensión radial: una expansión similar en la longitud del enlace se encuentra en los hidruros AtH y TsH. El enlace Uue-Au debería ser el más débil de todos los enlaces entre el oro y un metal alcalino, pero aun así debería ser estable. Esto da entalpías de adsorción de tamaño mediano extrapoladas (−ΔH_ads) de 106 kJ/mol en oro (el valor de francio debería ser 136 kJ/mol), 76 kJ/ mol sobre platino y 63 kJ/mol sobre plata, el más pequeño de todos los metales alcalinos, que demuestran que sería factible estudiar la adsorción cromatográfica de ununenio sobre superficies de metales nobles. Se prevé que la entalpía de adsorción de ununenio sobre una superficie de teflón sea de 17,6 kJ/mol, que sería la más baja entre los metales alcalinos. Los valores de ΔH_sub y −ΔH_ads para los metales alcalinos cambian en direcciones opuestas a medida que aumenta el número atómico.