原子序数为112的金属元素

鎶

鿔(Copernicium)[0]位于元素周期表第七周期,ⅡB族,是一种人造元素,元素符号为Cn,原子序数为112。[0]预测Cn的原子半径为147pm,在标准条件下是一种挥发性液体,熔点估计为283±11K,沸点为340±10K,密度为23.7g·cm-3。[0][5]Cn可以形成比HgF2更不稳定CnF2,很容易分解成Cn和F2,+4价氧化态的CnF4是可得的。鿔只用于科学研究,还没有实际的应用。[2]1996年2月9日霍夫曼等人在德国重离子研究中心在粒子加速器中用锌离子轰击铅靶首次成功合成了第112号化学元素的一个原子。为纪念著名天文学家哥白尼(Nicolaus Copernicus),将新元素命名为Copernicium,元素符号定为Cn。[6][1]截至2016年,已知Cn共有7种同位素和一种亚稳异构体,Cn的同位素全部具有放射性,以α-衰变为主,也有些会发生自发裂变,同位素半衰期在几微秒到几秒之间,其中,已知半衰期最长的为285Cn,半衰期为30s。[0]

鿔(Copernicium)[1]位于元素周期表第七周期,ⅡB族,是一种人造元素,元素符号为Cn,原子序数为112。[1]预测Cn的原子半径为147pm,在标准条件下是一种挥发性液体,熔点估计为283±11K,沸点为340±10K,密度为23.7g·cm-3。[1][6]Cn可以形成比HgF2更不稳定CnF2,很容易分解成Cn和F2,+4价氧化态的CnF4是可得的。鿔只用于科学研究,还没有实际的应用。[3]

1996年2月9日霍夫曼等人在德国重离子研究中心在粒子加速器中用锌离子轰击铅靶首次成功合成了第112号化学元素的一个原子。为纪念著名天文学家哥白尼(Nicolaus Copernicus),将新元素命名为Copernicium,元素符号定为Cn。[7][2]截至2016年,已知Cn共有7种同位素和一种亚稳异构体,Cn的同位素全部具有放射性,以α-衰变为主,也有些会发生自发裂变,同位素半衰期在几微秒到几秒之间,其中,已知半衰期最长的为285Cn,半衰期为30s。[1]

发现

1971年在俄罗斯杜布纳的联合核研究所尝试过锌-70核与铅-208核反应制备276112但并没有成功。[8]1984年,马里诺夫(Marinov)等人参考过去的实验结果,认为钨与高能质子的反应过程中可以产生寿命非常长的112号元素。随后,他们通过汞对产物进行分离,并解释了观测到的能量谱,他认为产物裂变为四个碎片,且裂变核的测量质量与具有大约160个中子的112号元素的各种数据一致,并讨论了重离子靶产生超重元素的前景。2001年国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)和国际纯粹与应用物理学联合会(IUPAP)组成的联合工作组认为该研究证据不足,不足以证明高能质子轰击钨靶过程中产生了112号元素。[9][10]

1996年2月9日霍夫曼(Sigurd Hofmann),尼诺夫(Victor Ninov)等人在德国达姆施塔特的亥姆霍兹重离子研究中心(GSI)中通过同样的方法在重离子加速器中用加速的锌-70核轰击铅-208靶,通过对产物中两条衰变链的鉴别,首次成功发现了半衰期约为0.24毫秒的277112号元素。[2]2000年5月,GSI成功地重复了这个实验,合成了另一个277112原子。2004年,日本理化学研究所(RIKEN)的科学家重复了GSI的工作,成功得到了277112号元素,同样观测到两条α-衰变链,并明确确认了277112的α-衰变产物是276Ds。[11][12]

命名

1979年,IUPAC提出以ununbium(相应符号为Uub)为112号元素的临时名称。2005年,IUPAC和IUPAP的独立专家成立了联合工作组,以确认原子序数大于111元素的优先发现者。联合工作组根据2007年6月30日之前提交给它的文档和文献,并根据以往发现新元素的标准和讨论后加强的标准,对这些文档中的数据进行分析,该组决定首先报告原子序数为112的元素的情况。[7][13]

2009年,联合工作组正式承认 ,霍夫曼等人在1996年和2002年的研究中发现112元素的相关数据和结论符合规定的标准。按照IUPAC制定的元素命名程序,德国重离子研究中心于2009年7月向国际纯粹与应用化学联合会提出了命名建议,为纪念著名天文学家哥白尼(Nicolaus Copernicus),将新元素命名为Copernicium,但当时GSI建议新元素的元素符号为“Cp”。由于“Cp”已有其他科学含义,为避免歧义,国际纯粹与应用化学联合会与发现第112号化学元素的研究小组协商,最终将新元素的元素符号定为“Cn”。因为2月19日是哥白尼(1473年—1543年)的生日,联合会选择在这一天为新元素正式冠名。[7][13]

结构

预测Cn的电子排布为[Rn]5f146d107s2。此外,相对论效应影响导致靠近原子核电子态收缩,这使得Cn更倾向于形成能量更低的体心立方(bcc)结构而非六方最密堆积(hcp)结构。此外,在不同压力下,Cn可能存在bcc(hán最低)和简单立方结构(sc)两种稳定状态,且在两种稳定状态下Cn都是金属。bcc结构下,Cn的晶胞常数a=7.52a.u.,体积为213a.u.3,体积模量45GPa,sc结构下,晶胞常数a=6.28a.u.,体积为247a.u.3,体积模量33GPa。为对弹性常数的计算表明,bcc结构下的Cn元素对四方形变的抵抗力非常低,其弹性各向异性值A=9.75最大,超过了Li的A=8.52。[3][5][6][1]

Cn的核外电子排布
Cn的核外电子排布

物理性质

预测Cn的原子半径为147pm,在标准条件下是一种挥发性液体,熔点估计为283±11K,沸点为340±10K,密度为23.7g·cm-3,升华焓为23.7kJ/(mol·K)。[1][6]Cn在整个第7周期和第12族中,7s壳层的相对论效应最大。由于7s轨道的强相对论性收缩和稳定性以及它的闭壳结构,预计它是相当惰性的,可能是一种液体金属。预测金属态的Cn原子间相互作用将很小,甚至可能导致像惰性气体那样的高挥发性。根据其同系物Zn、Cd和Hg的升华焓推测,Cn应该是相当易挥发的。然而,通过计算Cn在各种金属表面的吸附焓表明,Cn可以沉积在某些金属上,如Ag、Au、Pd或Pt,对Cn的计算结果也预测了Cn元素形成金属-金属键CnM(M = Cu,Pd,Pt,Ag和Au)的能力,经计算,112号元素与上述过渡元素形成了相当强的键,仅比HgM弱约15-20 kJ/mol[3][14]

化学性质

根据预测,Cn的第一电离能为11.97eV,第二级电离能为22.49eV,大于汞的18.75 eV,因此,Cn元素的+2价氧化态不如汞稳定,且由于+1价态的Hg可以形成二聚体,Cn的+1价态也将比汞的更不稳定,并且可能根本不会形成。由于ā系后元素6d电子不稳定性,具有较高的化学活性,高价态的Cn可能更加稳定,因此在水溶液和化合物中,更高的氧化态(如+4价)肯定是更重要的。[3]

预测Cn可以形成比HgF2更不稳定CnF2,很容易分解成Cn和F2。预测Cn的6d轨道是相对不稳定的,因此应该更多地参与配位键。在更高的氧化态下Cn应该表现出典型的过渡元素特征,因此,+4价氧化态的CnF4是可得的。与适当的极性溶剂结合时应该生成CnF5-和CnF3-,而非CnF4或CnF2。CnF4在水溶液中可能会发生强烈的水解,但Cn的溴化物碘化物入CnCl5-和CnBr5-可能会更稳定,可以存在于溶液中,更适合实验研究。[3]

同位素

已知Cn共有7种同位素和一种亚稳异构体,Cn的同位素以α-衰变为主,也有些会发生自发裂变,同位素半衰期在几秒到几微秒之间,其中,已知半衰期最长的为285Cn和286Cn,两者的半衰期为30s。[1]

核素半衰期衰变方式,分支比发现时间
277Cn790 usα=100%1996
281Cn180 msα≈100%2010
282Cn1.1 msSF≈100%2004
283Cn4.7 sα=81%; SF=19%2004
284Cn102 msSF=100%2004
285Cn30 sα=100%2004
286Cn30 sα≈100%2016

制备

重离子加速器用加速的70Zn撞击208Pb可以制得质量数为277的Cn原子,如果是238U与48Ca发生核反应,则可以生成283Cn:[2][3]

Fl元素的部分同位素在发生α-衰变时会产生Cn的同位素,如289Fl的α衰变过程中可以生成285Cn,288Fl的α衰变过程中可以生成284Cn,286Fl的α衰变过程中可以生成282Cn。[15][16]

参考资料 16

  1. Cn — Pubchem
  2. 参考 2
  3. https://www.researchgate.net/publication/226726863_Transactinide_Elements_and_Future_Elements
  4. Cn — Pubchem
  5. 参考 5
  6. 参考 6
  7. 第112号化学元素获正式名称 — 新华网
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. 参考 10
  11. 参考 11
  12. 参考 12
  13. 参考 13
  14. 参考 14
  15. 参考 15
  16. 参考 16
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