Bohrium

Bohrium é um elemento químico sintético com o símbolo Bh e número atômico 107. Seu nome é uma homenagem ao físico dinamarquês Niels Bohr. Como elemento sintético, pode ser criado em laboratório, mas não é encontrado na natureza. Todos os isótopos conhecidos de bório são altamente radioativos; o isótopo conhecido mais estável é ²⁷⁰Bh com uma meia-vida de aproximadamente 2,4 minutos, embora o não confirmado ²⁷⁸Bh possa ter uma meia-vida mais longa de cerca de 11,5 minutos.

Na tabela periódica, é um elemento transactinídeo do bloco d. É um membro do 7º período e pertence ao grupo 7 elementos como o quinto membro da série 6d de metais de transição. Experimentos químicos confirmaram que o bóhrio se comporta como o homólogo mais pesado do rênio no grupo 7. As propriedades químicas do bóhrio são caracterizadas apenas parcialmente, mas se comparam bem com a química dos outros elementos do grupo 7.

Introdução

Uma representação gráfica de uma reação de fusão nuclear. Dois núcleos se fundem em um, emitindo um nêutron. Até agora, reações que criaram novos elementos eram semelhantes, com a única diferença possível que vários neutrões singulares às vezes foram liberados, ou nenhum em tudo.

Os núcleos atômicos mais pesados são criados em reações nucleares que combinam dois outros núcleos de tamanho desigual em um; grosso modo, quanto mais desiguais os dois núcleos em termos de massa, maior a possibilidade de que os dois reajam. O material feito dos núcleos mais pesados é transformado em um alvo, que é então bombardeado pelo feixe de núcleos mais leves. Dois núcleos podem se fundir em um só se eles se aproximarem o suficiente um do outro; normalmente, os núcleos (todos carregados positivamente) se repelem devido à repulsão eletrostática. A interação forte pode superar essa repulsão, mas apenas a uma distância muito curta de um núcleo; os núcleos do feixe são, portanto, muito acelerados para tornar essa repulsão insignificante em comparação com a velocidade do núcleo do feixe. Aproximar-se sozinho não é suficiente para a fusão de dois núcleos: quando dois núcleos se aproximam, eles geralmente permanecem juntos por aproximadamente 10⁻²⁰ segundos e depois se separam (não necessariamente na mesma composição de antes do reação) em vez de formar um único núcleo. Se a fusão ocorrer, a fusão temporária – denominada núcleo composto – é um estado excitado. Para perder sua energia de excitação e atingir um estado mais estável, um núcleo composto fissiona ou ejeta um ou vários nêutrons, que carregam a energia. Isso ocorre em aproximadamente 10⁻¹⁶ segundos após a colisão inicial.

O feixe passa pelo alvo e atinge a próxima câmara, o separador; se um novo núcleo é produzido, ele é carregado com esse feixe. No separador, o núcleo recém-produzido é separado de outros nuclídeos (aquele do feixe original e quaisquer outros produtos da reação) e transferido para um detector de barreira de superfície, que para o núcleo. A localização exata do próximo impacto no detector é marcada; também estão marcadas a sua energia e a hora da chegada. A transferência leva cerca de 10⁻⁶ segundos; para ser detectado, o núcleo deve sobreviver por tanto tempo. O núcleo é registrado novamente uma vez que seu decaimento é registrado, e a localização, a energia e o tempo do decaimento são medidos.

A estabilidade de um núcleo é fornecida pela interação forte. No entanto, seu alcance é muito curto; à medida que os núcleos se tornam maiores, sua influência nos núcleons mais externos (prótons e nêutrons) enfraquece. Ao mesmo tempo, o núcleo é dilacerado pela repulsão eletrostática entre os prótons, pois tem alcance ilimitado. Núcleos dos elementos mais pesados são teoricamente previstos e até agora foram observados decaindo principalmente por meio de modos de decaimento causados por tal repulsão: decaimento alfa e fissão espontânea; estes modos são predominantes para núcleos de elementos superpesados. Os decaimentos alfa são registrados pelas partículas alfa emitidas, e os produtos de decaimento são fáceis de determinar antes do decaimento real; se tal decaimento ou uma série de decaimentos consecutivos produz um núcleo conhecido, o produto original de uma reação pode ser determinado aritmeticamente. A fissão espontânea, no entanto, produz vários núcleos como produtos, de modo que o nuclídeo original não pode ser determinado a partir de seus filhos.

As informações disponíveis para os físicos que pretendem sintetizar um dos elementos mais pesados são, portanto, as informações coletadas nos detectores: localização, energia e tempo de chegada de uma partícula ao detector e os de seu decaimento. Os físicos analisam esses dados e procuram concluir que foi realmente causado por um novo elemento e não poderia ter sido causado por um nuclídeo diferente do alegado. Muitas vezes, os dados fornecidos são insuficientes para concluir que um novo elemento foi definitivamente criado e não há outra explicação para os efeitos observados; foram cometidos erros na interpretação dos dados.

História

Elemento 107 foi originalmente proposto para ser nomeado após Niels Bohr, um físico nuclear dinamarquês, com o nome Nielsboh (Ns). Este nome foi posteriormente alterado por IUPAC para Búzio (Bh).

Descoberta

Dois grupos reivindicaram a descoberta do elemento. A evidência de bóhrio foi relatada pela primeira vez em 1976 por uma equipe de pesquisa soviética liderada por Yuri Oganessian, na qual alvos de bismuto-209 e chumbo-208 foram bombardeados com núcleos acelerados de cromo-54 e manganês-55, respectivamente. Foram observadas duas atividades, uma com meia-vida de um a dois milissegundos e outra com meia-vida de aproximadamente cinco segundos. Como a proporção das intensidades dessas duas atividades foi constante ao longo do experimento, foi proposto que a primeira fosse do isótopo bohrium-261 e que a segunda fosse de seu filho dubnium-257. Mais tarde, o isótopo de dubnium foi corrigido para dubnium-258, que de fato tem uma meia-vida de cinco segundos (o dubnium-257 tem uma meia-vida de um segundo); no entanto, a meia-vida observada para seu pai é muito mais curta do que as meias-vidas observadas posteriormente na descoberta definitiva de bóhrium em Darmstadt em 1981. O IUPAC/IUPAP Transfermium Working Group (TWG) concluiu que, embora o dubnium-258 tenha sido provavelmente visto neste experimento, a evidência para a produção de seu pai bohrium-262 não foi convincente o suficiente.

Em 1981, uma equipe de pesquisa alemã liderada por Peter Armbruster e Gottfried Münzenberg no GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (GSI Helmholtzzenrum für Schwerionenforschung) em Darmstadt bombardeou um alvo de bismuto-209 com núcleos acelerados de cromo-54 para produzir 5 átomos do isótopo bohrium-262:

20983 B. + 5424Cr. → 262107 B. + n

Esta descoberta foi substanciada por suas medições detalhadas da cadeia de decaimento alfa dos átomos de bóhrio produzidos para isótopos previamente conhecidos de férmio e califórnio. O IUPAC/IUPAP Transfermium Working Group (TWG) reconheceu a colaboração GSI como descobridores oficiais em seu relatório de 1992.

Nomes propostos

Em setembro de 1992, o grupo alemão sugeriu o nome nielsbohrium com o símbolo Ns para homenagear o físico dinamarquês Niels Bohr. Os cientistas soviéticos do Joint Institute for Nuclear Research em Dubna, na Rússia, sugeriram que esse nome fosse dado ao elemento 105 (que finalmente foi chamado de dubnium) e a equipe alemã desejava reconhecer Bohr e o fato de que a equipe de Dubna foi a primeira para propor a reação de fusão a frio e, simultaneamente, ajudar a resolver o problema controverso da nomeação do elemento 105. A equipe de Dubna concordou com a proposta de nomenclatura do grupo alemão para o elemento 107.

Houve uma controvérsia na nomenclatura dos elementos sobre como os elementos de 104 a 106 deveriam ser chamados; a IUPAC adotou unnilseptium (símbolo Uns) como um nome de elemento temporário e sistemático para este elemento. Em 1994, um comitê da IUPAC recomendou que o elemento 107 fosse nomeado bohrium, não nielsbohrium, uma vez que não havia precedente para usar o nome completo de um cientista na nomeação de um elemento. Isso foi contestado pelos descobridores, pois havia alguma preocupação de que o nome pudesse ser confundido com boro e, em particular, a distinção dos nomes de seus respectivos oxianions, bohrate e borate. A questão foi entregue à filial dinamarquesa da IUPAC que, apesar disso, votou a favor do nome bohrium, e assim o nome bohrium para o elemento 107 foi reconhecido internacionalmente em 1997; os nomes dos respectivos oxianions de boro e bohrium permanecem inalterados, apesar de sua homofonia.

Isótopos

Bohrium não tem isótopos estáveis ou naturais. Vários isótopos radioativos foram sintetizados em laboratório, seja pela fusão de dois átomos ou pela observação do decaimento de elementos mais pesados. Doze isótopos diferentes de bohrium foram relatados com massas atômicas 260–262, 264–267, 270–272, 274 e 278, um dos quais, bohrium-262, tem um estado metaestável conhecido. Todos estes, exceto o não confirmado ²⁷⁸Bh, decaem apenas por decaimento alfa, embora alguns isótopos desconhecidos de bório sejam previstos para sofrer fissão espontânea.

Os isótopos mais leves geralmente têm meias-vidas mais curtas; meias-vidas de menos de 100 ms para ²⁶⁰Bh, ²⁶¹Bh, ²⁶²Bh e ^262mBh foram observadas. ²⁶⁴Bh, ²⁶⁵Bh, ²⁶⁶Bh e ²⁷¹Bh são mais estáveis em torno de 1 s e ²⁶⁷Bh e ²⁷²Bh têm meias-vidas de cerca de 10 s. Os isótopos mais pesados são os mais estáveis, com ²⁷⁰Bh e ²⁷⁴Bh medindo meias-vidas de cerca de 2,4 min e 40 s, respectivamente, e o isótopo não confirmado ainda mais pesado ²⁷⁸Bh parece ter uma meia-vida ainda mais longa de cerca de 11,5 minutos.

Os isótopos mais ricos em prótons com massas 260, 261 e 262 foram produzidos diretamente por fusão a frio, aqueles com massa 262 e 264 foram relatados nas cadeias de decaimento de meitnério e roentgênio, enquanto os isótopos ricos em nêutrons com massas 265, 266, 267 foram criados em irradiações de alvos de actinídeos. Os cinco mais ricos em nêutrons com massas 270, 271, 272, 274 e 278 (não confirmados) aparecem nas cadeias de decaimento de ²⁸²Nh, ²⁸⁷Mc, ²⁸⁸Mc, ²⁹⁴Ts e ²⁹⁰Fl respectivamente. As meias-vidas dos isótopos de bório variam de cerca de dez milissegundos para ^262mBh a cerca de um minuto para ²⁷⁰Bh e ²⁷⁴Bh, estendendo-se até cerca de 11,5 minutos para o não confirmado ²⁷⁸Bh, um dos nuclídeos superpesados conhecidos de vida mais longa.

Propriedades previstas

Muito poucas propriedades do bóhrio ou de seus compostos foram medidas; isso se deve à sua produção extremamente limitada e cara e ao fato de que o bóhrio (e seus pais) decai muito rapidamente. Algumas propriedades singulares relacionadas à química foram medidas, mas as propriedades do metal bóhrio permanecem desconhecidas e apenas previsões estão disponíveis.

Químico

Bohrium é o quinto membro da série 6d de metais de transição e o membro mais pesado do grupo 7 na tabela periódica, abaixo do manganês, tecnécio e rênio. Todos os membros do grupo retratam prontamente seu estado de oxidação de grupo de +7 e o estado se torna mais estável à medida que o grupo desce. Assim, espera-se que o bório forme um estado +7 estável. O tecnécio também mostra um estado estável +4, enquanto o rênio exibe estados estáveis +4 e +3. Bohrium pode, portanto, mostrar esses estados inferiores também. O estado de oxidação +7 mais alto é mais provável de existir em oxiânions, como perbohrate, BhO⁻
₄, análogo ao mais leve permanganato, pertecnetato e perrenato. No entanto, o bório (VII) provavelmente é instável em solução aquosa e provavelmente seria facilmente reduzido ao bório (IV) mais estável.

Tecnécio e rênio são conhecidos por formar heptóxidos voláteis M₂O₇ (M = Tc, Re), então o bóhrio também deve formar o óxido volátil Bh ₂O₇. O óxido deve se dissolver em água para formar ácido perbórico, HBhO₄. Rênio e tecnécio formam uma gama de oxi-halogenetos da halogenação do óxido. A cloração do óxido forma os oxicloretos MO₃Cl, então BhO₃Cl deve ser formado nesta reação. A fluoração resulta em MO₃F e MO₂F₃ para os elementos mais pesados, além dos compostos de rênio ReOF₅ e ReF₇. Portanto, a formação de oxifluoreto para o bório pode ajudar a indicar as propriedades do ecarênio. Uma vez que os oxicloretos são assimétricos e devem ter momentos de dipolo cada vez maiores descendo o grupo, eles devem se tornar menos voláteis na ordem TcO₃Cl > ReO₃Cl > BhO₃Cl: isso foi confirmado experimentalmente em 2000, medindo as entalpias de adsorção desses três compostos. Os valores para TcO₃Cl e ReO₃Cl são −51 kJ/mol e −61 kJ/mol, respectivamente; o valor experimental para BhO₃Cl é −77,8 kJ/mol, muito próximo do valor teoricamente esperado de −78,5 kJ/mol.

Físico e atômico

Espera-se que o bóhrio seja um sólido em condições normais e assuma uma estrutura cristalina hexagonal compacta (^c/_a = 1,62), semelhante ao seu congênere mais leve, o rênio. As primeiras previsões de Fricke estimavam sua densidade em 37,1 g/cm³, mas cálculos mais recentes preveem um valor um pouco menor de 26–27 g/cm³.

Espera-se que o raio atômico do bóhrio seja de cerca de 128 pm. Devido à estabilização relativística do orbital 7s e à desestabilização do orbital 6d, prevê-se que o íon Bh⁺ tenha uma configuração eletrônica de [Rn] 5f¹⁴ 6d⁴ 7s², desistindo de um elétron 6d em vez de um elétron 7s, que é o oposto do comportamento de seus homólogos mais leves, manganês e tecnécio. O rênio, por outro lado, segue seu congênere mais pesado, o bório, ao ceder um elétron 5d antes de um elétron 6s, pois os efeitos relativísticos se tornaram significativos no sexto período, onde causam, entre outras coisas, a cor amarela do ouro e o baixo ponto de fusão. de mercúrio. Espera-se que o íon Bh²⁺ tenha uma configuração eletrônica de [Rn] 5f¹⁴ 6d³ 7s²; em contraste, espera-se que o Re²⁺ tenha uma configuração [Xe] 4f¹⁴ 5d⁵, desta vez análoga ao manganês e ao tecnécio. Espera-se que o raio iônico do bório hexacoordenado heptavalente seja 58 pm (manganês heptavalente, tecnécio e rênio com valores de 46, 57 e 53 pm, respectivamente). O bório pentavalente deve ter um raio iônico maior de 83 pm.

Química experimental

Em 1995, o primeiro relatório sobre a tentativa de isolamento do elemento não teve sucesso, levando a novos estudos teóricos para investigar a melhor forma de investigar o bóhrio (usando seus homólogos mais leves, tecnécio e rênio, para comparação) e removendo elementos contaminantes indesejados, como os actinídeos trivalentes, os elementos do grupo 5 e o polônio.

Em 2000, foi confirmado que, embora os efeitos relativísticos sejam importantes, o bóhrio se comporta como um elemento típico do grupo 7. Uma equipe do Instituto Paul Scherrer (PSI) conduziu uma reação química usando seis átomos de ²⁶⁷Bh produzidos na reação entre ²⁴⁹Bk e ²² íons Ne. Os átomos resultantes foram termalizados e reagidos com uma mistura de HCl/O₂ para formar um oxicloreto volátil. A reação também produziu isótopos de seus homólogos mais leves, tecnécio (como ¹⁰⁸Tc) e rênio (como ¹⁶⁹Re). As curvas de adsorção isotérmica foram medidas e deram fortes evidências para a formação de um oxicloreto volátil com propriedades semelhantes às do oxicloreto de rênio. Isso colocou o bóhrio como um membro típico do grupo 7. As entalpias de adsorção dos oxicloretos de tecnécio, rênio e bório foram medidas neste experimento, concordando muito bem com as previsões teóricas e implicando uma sequência de diminuição da volatilidade do oxicloreto no grupo 7 de TcO ₃Cl > ReO₃Cl > BhO₃Cl.

2 Bh + 3 O
₂ + 2 HCl → 2 BhO
₃Cl + H. H. H.
₂

Os isótopos pesados de vida mais longa do bóhrio, produzidos como filhos de elementos mais pesados, oferecem vantagens para futuros experimentos radioquímicos. Embora o isótopo pesado ²⁷⁴Bh requeira um alvo de berquélio raro e altamente radioativo para sua produção, os isótopos ²⁷²Bh, ²⁷¹Bh e ²⁷⁰Bh pode ser prontamente produzido como filhas de isótopos de moscóvio e nihônio mais facilmente produzidos.