原子序数为102的化学元素

(Nobelium)是一種人工合成元素,符號為No原子序為102。它是以炸藥發明者及科學貢獻者阿佛烈·諾貝爾命名。鍩是一種放射性金屬,並且是第十個超鈾元素及倒數第二個錒系元素。如同所有原子序超過100的元素,鍩只能在粒子加速器中,由粒子撞擊較輕之元素生成。已知有12種鍩的同位素存在;最穩定者為半衰期為58分鐘的鍩-259,而化學上最常使用的是可被較大規模製造的鍩-255(半衰期3.1分鐘)。

鍩   102No
氫(非金屬) 氦(惰性氣體)
鋰(鹼金屬) 鈹(鹼土金屬) 硼(類金屬) 碳(非金屬) 氮(非金屬) 氧(非金屬) 氟(鹵素) 氖(惰性氣體)
鈉(鹼金屬) 鎂(鹼土金屬) 鋁(貧金屬) 矽(類金屬) 磷(非金屬) 硫(非金屬) 氯(鹵素) 氬(惰性氣體)
鉀(鹼金屬) 鈣(鹼土金屬) 鈧(過渡金屬) 鈦(過渡金屬) 釩(過渡金屬) 鉻(過渡金屬) 錳(過渡金屬) 鐵(過渡金屬) 鈷(過渡金屬) 鎳(過渡金屬) 銅(過渡金屬) 鋅(過渡金屬) 鎵(貧金屬) 鍺(類金屬) 砷(類金屬) 硒(非金屬) 溴(鹵素) 氪(惰性氣體)
銣(鹼金屬) 鍶(鹼土金屬) 釔(過渡金屬) 鋯(過渡金屬) 鈮(過渡金屬) 鉬(過渡金屬) 鎝(過渡金屬) 釕(過渡金屬) 銠(過渡金屬) 鈀(過渡金屬) 銀(過渡金屬) 鎘(過渡金屬) 銦(貧金屬) 錫(貧金屬) 銻(類金屬) 碲(類金屬) 碘(鹵素) 氙(惰性氣體)
銫(鹼金屬) 鋇(鹼土金屬) 鑭(鑭系元素) 鈰(鑭系元素) 鐠(鑭系元素) 釹(鑭系元素) 鉕(鑭系元素) 釤(鑭系元素) 銪(鑭系元素) 釓(鑭系元素) 鋱(鑭系元素) 鏑(鑭系元素) 鈥(鑭系元素) 鉺(鑭系元素) 銩(鑭系元素) 鐿(鑭系元素) 鎦(鑭系元素) 鉿(過渡金屬) 鉭(過渡金屬) 鎢(過渡金屬) 錸(過渡金屬) 鋨(過渡金屬) 銥(過渡金屬) 鉑(過渡金屬) 金(過渡金屬) 汞(過渡金屬) 鉈(貧金屬) 鉛(貧金屬) 鉍(貧金屬) 釙(貧金屬) 砈(類金屬) 氡(惰性氣體)
鍅(鹼金屬) 鐳(鹼土金屬) 錒(錒系元素) 釷(錒系元素) 鏷(錒系元素) 鈾(錒系元素) 錼(錒系元素) 鈽(錒系元素) 鋂(錒系元素) 鋦(錒系元素) 鉳(錒系元素) 鉲(錒系元素) 鑀(錒系元素) 鐨(錒系元素) 鍆(錒系元素) 鍩(錒系元素) 鐒(錒系元素) 鑪(過渡金屬) 𨧀(過渡金屬) 𨭎(過渡金屬) 𨨏(過渡金屬) 𨭆(過渡金屬) 䥑(預測為過渡金屬) 鐽(預測為過渡金屬) 錀(預測為過渡金屬) 鎶(過渡金屬) 鉨(預測為貧金屬) 鈇(貧金屬) 鏌(預測為貧金屬) 鉝(預測為貧金屬) 鿬(預測為鹵素) 鿫(預測為惰性氣體)




(Uph)
概況
名稱·符號·序數鍩(nobelium)·No·102
元素類別錒系元素
·週期·不適用 ·7·f
標準原子質量259(最穩定同位素)
電子排布[Rn] 5f14 7s2
2, 8, 18, 32, 32, 8, 2
鍩的电子層(2, 8, 18, 32, 32, 8, 2)
歷史
發現杜布納聯合原子核研究所(1966年)
物理性質
物態固體(預測)[1]
熔點1100 K,827 °C,1521 °F
蒸氣壓
原子性質
氧化態2, 3
電負性1.3(鲍林标度)
電離能第一:641.6 kJ·mol−1

第二:1254.3 kJ·mol−1

第三:2605.1 kJ·mol−1
雜項
CAS號10028-14-5
最穩定同位素
主条目:鍩的同位素
同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量MeV 產物
253No syn 1.62 min 80% α 8.14, 8.06, 8.04, 8.01 249Fm
20% β+ 253Md
254No syn 51 s 90% α 250Fm
10% β+ 254Md
255No syn 3.1 min 61% α 8.12, 8.08, 7.93 251Fm
39% β+ 2.012 255Md
257No syn 25 s 99% α 8.32, 8.22 253Fm
1% β+ 257Md
259No syn 58 min 75% α 7.69, 7.61, 7.53.... 255Fm
25% ε 259Md
10% SF -

化學實驗確認了鍩在元素週期表中表現為的較重同系物。鍩的化學性質並沒有被完全了解;大部分已知的化學性質為水溶液下。在鍩被發現之前,科學家預測了它的氧化數多為+2,以及如其他錒系元素中表現之性質的+3;這些推測後來被確認了:氧化數為+2在水溶液中遠較氧化數為+3穩定,且氧化數為+3的鍩不容易被保存。

在西元1950年至1960年代間,許多來自瑞典前蘇聯美國的實驗室都宣稱發現了鍩。瑞典的科學家不久後撤回了他們的宣稱,而發現的順序以及元素的命名在前蘇聯以及美國的科學家之間起了爭論。直到1997年,國際純化學和應用化學聯合會(IUPAC)將元素的發現歸功於前蘇聯,但因鍩的名稱已被長期使用而保留了瑞典的命名。

發現编辑

 
此元素的名稱來自於阿佛烈·諾貝爾

102號元素的發現是一個複雜的過程,而來自瑞典美國蘇聯的團體皆聲稱最早發現它。而關於102號元素的第一篇完整淺且精確的檢驗報告則在1966年來自杜布納聯合原子核研究所 ( Joint Institute of Nuclear Research at Dubna)。[3]

1957年瑞典諾貝爾研究所的物理學家第一次宣布了102號元素的發現。研究小組報告說,他們每隔半小時用碳-13撞擊一個-96原子,並持續了二十五小時。標靶在兩次撞擊間進行離子交換反應。50次的撞擊中有12次包含了會發光並有發出8.5±0.1百萬電子伏特α粒子的樣品。觀測到的半衰期為10分鐘,並且被認為是鍩-251或是鍩-253的。不過α粒子也可能來自於一個由102號元素電子補捉而產生、短壽命的同位素。[3]該團隊提出鍩(No)作為102號元素的名稱[4][5],並立即由IUPAC批准。[6]杜布納團隊於1968年表示此舉是倉促的。[7]隔年,勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家重複實驗但無法找到任何不能以背景效應解釋的8.5 MeV偵測結果。[3]

1959年,瑞典團隊試圖解釋伯克利團隊在1958年為何無法發現102號元素,並堅持認為他們(瑞典團隊)確實發現了它。不過,後來的實驗顯示:任何比259-鍩(瑞典實驗中不可能產生比它重的同位素)輕的同位素,半衰期皆小於三分鐘,而瑞典團隊的結果很可能來自 -225,釷具有8分鐘的半衰期,並會迅速經歷三重α衰變產生衰變能為8.53612MeV的-213。由於釷-225在所用反應中很容易產生,並且不會被其所用的化學方法分離出來,因此這個假設很有利。後來關於鍩的研究也表明,二價狀態比三價狀態更穩定,因此發射α粒子的樣品不能含有No,因為二價的No元素不會被其他三價錒系元素分離。[3]因此,瑞典團隊後來撤回了他們的聲稱,並將成果與背景效應聯繫起來。[6]

艾伯特·吉奧索格倫·西奧多·西博格、John R. Walton和Torbjørn Sikkeland組成的伯克利團隊於1958年宣稱合成102元素。該團隊使用新的重離子直線加速器(HILAC)並用-13和碳-12撞擊原子(95%鋦-244和5%鋦-246)。他們無法確認瑞典聲稱的8.5 MeV偵測結果,而鐨-250應來自254 102(來自Cm -246),其半衰期約為3秒。1963年後期杜布納的工實驗證實在這個反應中可以產生254 102,但實際上它的半衰期50 ± 10秒。1967年,伯克利隊試圖捍衛自己的結果,指出發現的同位素確實是鐨-250,但半衰期測量結果發現實際上同位素是鋦-244, 252 102的次產物,從更豐富的鉲- 244產生。他們並將能量差異歸因於“分辨率和漂移問題”,儘管這些問題以前沒有被報告過,也應該會影響其他結果。1977年的實驗也表明,252 102確實具有2.3秒的半衰期。然而,1973年的工作也表明,鐨-250 (半衰期1.8 s)也可能在反應中以所用能量形成[3]由此可知,很可能在該實驗中沒有實際產生鍩。[3]

1959年,該團隊繼續他們的研究並聲稱他們能夠產生一種同位素,該同位素主要通過發射8.3 MeV的α粒子而衰變,半衰期為3 s,伴隨著30%的自發裂變分支。此結果在當實被認為由鍩-254產生,不過後來改為鍩-253。但是,他們也指出,由於條件困難,不能確定是否有製造出鍩。[3]而伯克利團隊決定採用瑞典團隊提出的“nobelium”作為元素的名稱,作為對他們的尊重。[6]

244
96
Cm
+ 12
6
C
256
102
No
*
252
102
No
+ 4 1
0
n

同時,在杜布納,合成102號元素的實驗在於1958年以及1960年進行。1958年進行的第一次實驗用氧-16撞擊-239和-241,觀察到一些能量稍微超過8.5 MeV的α衰變,並且它們被認為是251,252,253 102造成的結果,儘管該團隊也說該同位素不能排除是由雜質所產生的(不會產生鍩)。雖然後來於1958年進行的實驗指出,新的同位素可以由、鉛、鉍、產生,不過科學家們仍然堅持認為,102號元素可以從這種反應中產生,提到半衰期不到30秒,衰變能量為(8.8±0.5)MeV。後來1960年的實驗證明這些是背景效應,1967年的實驗也將衰變能量降低到(8.6±0.4)MeV,但兩個值都太高而不能對應到鍩-253或鍩-254的(8.5±0.1) MeV。[3]杜布納團隊後來在1970年和1987年再次說明這些結果是沒有定論的。[3]

伯克利團隊於1961年宣稱在與碳離子的反應中發現了103號元素。他們宣稱製造出了同位素257103,同時也聲稱合成了102號元素的α衰變同位素,而該同位素擁有15秒的半衰期以及8.2 MeV的α衰變能量。它們認為此粒子為255102,而沒有給出理由。這些數值並不符合現在已知255No的數值,但符合257No,而雖然這個同位素也許有出現在這個實驗中,但當時並沒有明確的確認它的產生。[3]

杜布納於1964年的實驗中,將鈾-238靶與離子的反應合成出102號元素,並檢測元素102同位數的α衰變子體。生成物沿著製捕捉箔運送並以化學方式純化,而檢測到250-鐨以及252-鐨。由於252-鐨的產生,其母體256102也被認為有被合成出來。而252-鐨也可在這個反應中,由同時發射具有多餘中子的α粒子的反應中直接被製造出來,因此科學家採取了步驟,確保鐨-252不能直接進入銀製捕捉箔中。那時檢測到256102的半衰期為8秒,遠小於更近代、1967年所測的(3.2 ± 0.2)秒。進一步的實驗於1966年進行,利用-243(-15,4n)254102與鈾-238(氖-22,6n)254102的反應,測得254102的半衰期為(50± 10)秒。在當時,這個數值與更早的柏克利數據之間的差異並沒有被了解,然而後來的實驗證明了在杜布納實驗中,異構體250mFm的生成機率小於柏克利實驗。事後,杜布納的實驗結果應是正確的,而可視為發現元素102的結論性實驗。[3]

杜布納另一個非常具有信服力的實驗於1966年發表,同樣利用了兩個反應,結論為:254102的半衰期確實遠超過柏克利實驗的3秒。[3]柏克利於1967年以及橡樹嶺國家實驗室於1971年進行的晚期實驗完整的確認了102號元素的存在,也確認了早期的觀測。[6]柏克利團隊於1966年12月重複了杜布納的實驗,完整確認了這些實驗,並且利用這些數據分配了他們之前就已經合成、但當時無法識別的同位素,並聲稱於1958年至1961年間發現了鍩。[6]

238
92
U
+ 22
10
Ne
260
102
No
*
254
102
No
+ 6 1
0
n

1969年,杜布納團隊進行化學實驗,確認了鍩表現為鐿的較重同系物。俄羅斯的科學家將此元素命名為joliotium(符號為Jo),以紀念過世不久的科學家伊雷娜·約里奧·居禮(Irène Joliot-Curie)。這造成了持續幾十年的元素命名爭議,而不同的團隊各自使用自己命的名稱。[6]

於1992年,IUPAC以及國際純粹與應用物理學聯合會(IUPAP)的超鐨工作小組(Transfermium Working Group,TWG)重新審查了有關發現該元素的聲稱,並總結了只有杜布納於1966進行的實驗正確的檢測並指出衰變後原子序為102的原子核。因此,杜布納團隊正式的被視為鍩的發現者,儘管鍩可能於1959年就被柏克利的團隊偵測到。[3]柏克利於次年批評了這項決定,並指出重新審理101~103號元素「無用而浪費時間」。另一方面,杜布納認同了IUPAC的決定。[7]

1994年,IUPAC批准了一個嘗試解決元素命名爭議的方案,公佈了102號至109號元素的英文名稱。其中102號元素被命名為Nobelium(符號No),因為這個名稱在三十年間已被廣泛使用,而也應以這個方式紀念阿佛德.諾貝爾[8]由於1994年的命名大多不尊重發現者,引來了強烈的抗議,IUPAC於是在事後設置了一段評論期。而在1995年,IUPAC在一個新的計畫中將元素102命名為flerovium(符號Fl),以紀念前蘇聯核物理學家格奧爾基.佛雷洛夫(Гео́ргий Флёров)以及和他名稱相同的佛雷洛夫原子反應實驗室[9]這個計畫未被接受,現在flerovium成了第114號元素的英文名稱。[10]

鑒於國際上对104至107號元素名均存在較大分歧,1997年8月27日IUPAC正式對101至109號元素重新英文定名,其中恢復了102號元素「Nobelium」的名稱[8],全國科學技術名詞化學名詞審定委員會據此於1998年7月8日重新审定、公佈101至109號元素的中文命名,其中101號至103號元素仍使用原有的中文定名「鍆」(音同「門」)、「鍩」(音同「諾」)、「铹」(音同「勞」)。[11][12]

性質编辑

 
圖為鑭系和錒系元素要將一f軌域電子躍遷到d軌域所需的能量。在210Kj/mol左右為一界線,高於此界線的元素多會形成二價金屬,鍩仍有待商確。

物理性質编辑

鍩於週期表當中的左右方分別為錒系,而上方為鑭系。目前還沒有辦法大量製備鍩金屬。[13]然而,科學家已對關於鍩的性質做出許多預測以及一些初步的實驗結果。[13]

鑭系元素與錒系元素於金屬態下,可以二價 (如)或三價 (如大多數其他鑭系元素)金屬存在。前者的排列方式為fn+1s2,而後者為fnd1s2。在1975年,約翰森(Johansson)以及羅森格倫 (Rosengren)檢測了鑭系以及錒系金屬元素(皆為二價和三價金屬)的凝聚力 (結晶)的測量及預測值。[13][14]結論為:由[Rn]5f147s2 組態到[Rn]5f136d17s2組態所增加的結合能不足以補償將一個電子由5f升至6d,而這也適用於排序較後段的錒系元素;因此以及鍩皆被預測為二價金屬,然而鍩尚未被確認為如此。[13]二價態在錒系還沒有結束前逐漸增加的普通性,與隨著原子序增加而上升的5f電子相對穩定程度有關:這造成的效應之一為鍩主要是二價而不是三價,這和其它鑭系與錒系元素不同。[15]在1986年,鍩金屬的昇華熱被估計為126千焦耳/摩爾,這個數值與鑀、鐨和鍆的數值相近,而這支持了鍩會形成二價金屬的理論。[13]如同其它後段的鑭系元素(三價的鐒除外),金屬鍩應呈現為面心立方體結構[16]二價金屬鍩的原子半徑應大約為197皮米[13]鍩的熔點預測為827°C,與相鄰的鍆之預測數值相同。[17]它的密度預計為9.9±0.4g/cm2[16]

化學性質编辑

科學家對鍩化學性質的瞭解只有其在水溶液中的特性。鍩於水溶液中的氧化數可為+3或+2,而後者較穩定[13]。在鍩被發現之前,其被預測在溶液中,它會如大部分其它的錒系金屬以三價為穩定的狀態。但在1949年時,西博格預測+2價應為鍩的另一穩定態,理由為No2+的電子組態為[Rn]5f14,而其5f14殼層十分穩定。這項預測在十九年後才被證實[18]

比較鍩和的化學性質的實驗於1967年進行。實驗中將這四種元素和反應並將產物留下,結果發現鍩的氯化物會強力的吸附在固體表面上,這顯示了它的揮發性不高,如同實驗中另外三種元素的氯化物。然而,NoCl2以及NoCl3 皆被預測為不易揮發的化合物,因此此實驗無法得知鍩較常見的氧化態為何。[18]鍩在+2價下的穩定度要到了隔年的實驗才被確認,在該實驗中,使用了離子交換層析法共沉澱法對約五千個255No原子進行實驗。結果發現,鍩的行為與二價的鹼土金屬較為相似,而與其他錒系元素表現不同。這證明了在水溶液中,當沒有強氧化劑時,二價態為鍩最穩定的狀態。後來於1974年的實驗中顯示鍩與鈣離子至鍶離子間的鹼土金屬溶析。[18]鍩是內過渡元素中唯一在水溶液中,+2為最常見、最穩定型態的元素,而這是因為錒系末段5f與6d軌域間較大的能量差。[19]

E°(No3++→No2+) 的標準還原電位在1967年被估計介於+1.4 到 +1.5 V[18]之間,後來在2009年的實驗發現只有+0.75 V。[20]此大於0的值顯示No2+較No3+穩定且No3+為一好的氧化劑。E°(No2+→No0) 和E°(No3+→No0) 被廣泛接受的還原電位值分別為−2.61 and −1.26 V。E°(No4+→No3+)則被估計為+6.5 V。[18]No3+ 和 No2+ 生成的吉布斯自由能估計為−342以及−480 千焦/莫耳。[18]

原子性質编辑

鍩原子有102顆電子,其中有3顆為價電子。 它們的排列方式預測為[Rn]5f147s2(基態能項符號1S0),不過到2006年為止,此組態並沒有被實驗確認。[21]在形成化合物時,三個價電子可以全部失去,留下一個[Rn]5f13的內層,這符合了其他錒系元素在3+態時的[Rn]5fn組態。然而,其更有可能指失去兩顆價電子,留下穩定、擁有全填滿5f14層的[Rn]5f14內層。鍩的第一游離能在1974年時根據7s電子會比5s電子先解離的推測,測為(6.65 ± 0.07) 電子伏特[22]而由於鍩的高度放射性和稀少性,此數值並沒有再度被驗證。[23]1978年時初步估計配位數為6和8的No3+離子半徑分別約為90和102皮米;由實驗得知No2+離子半徑為100皮米(到兩位有效數字)。[21]計算得出No2+的水合熱為1486kJ/mol。[18]

同位素编辑

鍩的已知同位素已有十二個,質量數分別為250-260和262,皆具有放射性,[24]其三個同核異構體質量數則為251、253、254。半衰期最高的同位素和同核異構體分別為259No(58分鐘)和251No(1.7秒)。半衰期為3.1分鐘的255No因為其可透過鉲和碳反應獲得而較常為實驗用途。在259No和255No外,253No、254No、257No、256No和252No為剩下半衰期超過一秒的同位素。半衰期最低的同位素則為250No(約0.25毫秒)。[24]

製備與純化编辑

鍩的同位素大多以撞擊錒系元素標靶()產生,鐒-262衰變後產出的鍩-262除外。[25]最常使用的到鍩-255可利用碳-12撞擊-248或鉲-249產出(通常使用後者)。以每秒3兆個73百萬電子伏特的碳-12離子照射350微克 公分−2 的鉲-249標靶於十分鐘內可產出大約1200個鍩-255原子。[25]

一旦成功做出了鍩-255,便可使用類似於用於分離鄰近錒系元素的方式將其分離出來。鍩-255的反沖的動量會使它們遠離標靶,並將它們帶到標靶後面的金屬箔(通常為),這時通常會同時使用氣體(通常是氦氣)來固定鍩-255,並將它們以氣流從反應室的小開口中帶離。使用長毛細管,並在氦氣中加入氯化鉀,鍩原子可以被輸送幾十公尺遠。[26]收集在金屬箔上的鍩可以用稀空氣酸除去而不至於使金屬箔完全溶解,然後可以利用其趨向二價態的性質(與其他三價錒系元素不同)來分離它們[26]:在通常被使用的分離條件下((HDEHP)作為固定有機相,0.05 M鹽酸作為流動相,或使用3M鹽酸作為陽離子交換的洗脫液樹脂柱),鍩將通過色譜柱並分離,而其他三價錒系元素將留在色譜柱上。[26]然而,如果使用金箔,因為以色譜層析柱分離出鍩前須使用陰離子交換色譜法分離出金,所以該過程將會變複雜。[26]

參考文獻编辑

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外部連結编辑