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原子序数为118的化学元素

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Oganesson)是一種人工合成化學元素化學符號Og原子序為118。在元素週期表上,鿫位於p區,是第7週期的最後一個元素。2002年,一個俄美合作的科學家團隊在位於俄羅斯杜布納聯合核研究所首次合成鿫。國際純化學和應用化學聯合會(IUPAC)及國際純粹與應用物理學聯合會(IUPAP)所組成的聯合工作小組在2015年12月確認此項發現。為肯定核物理學家尤里·奧加涅相在超重元素合成工作上的重大貢獻[14],IUPAC於2016年11月28日正式將此元素命名為「Oganesson」。[15][16]

鿫   118Og
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)
Ts(預測為鹵素)
Og(預測為惰性氣體)




(Usb)
Uue
概況
名稱·符號·序數 鿫(Oganesson)·Og·118
元素類別 未知
可能為稀有氣體
·週期· 18 ·7·p
標準原子質量 (未經證實:295)
電子排布

[Rn] 5f14 6d10 7s2 7p6(預測)[1][2]
2, 8, 18, 32, 32, 18, 8(預測)

鿫的电子層(2, 8, 18, 32, 32, 18, 8(預測))
歷史
預測 尼爾斯·玻爾(1922年)
發現 聯合核研究所勞倫斯利福摩爾國家實驗室(2002年)
物理性質
物態 固體(預測)[1]
熔點時液體密度 4.9–5.1(預測)[3] g·cm−3
沸點 350±30 K,80±30 °C,170±50(推算)[1] °F
臨界點 439 K,6.8(推算)[4] MPa
熔化熱 23.5(推算)[4] kJ·mol−1
汽化熱 19.4(推算)[4] kJ·mol−1
蒸氣壓
原子性質
氧化態 (預測)−1,[2] 0, +1,[5] +2[6], +4[6], +6[2]
電離能

第一:860.1(預測)[7] kJ·mol−1

第二:1560(預測)[8] kJ·mol−1
共價半徑 157(預測)[9] pm
雜項
晶體結構

面心立方


(推算)[10]
CAS號54144-19-3
最穩定同位素

主条目:鿫的同位素

同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量MeV 產物
294Og[11] 合成 0.69 ms[12] α 11.65±0.06 290Lv
SF -
295Og[13] 合成 181 ms? α 11.81 291Lv

鿫是原子序和原子量最高的已知元素。鿫原子具有放射性,極不穩定。自2005年起,科學家只成功合成了五個(亦有可能為六個)鿫-294原子。[17]正因為如此,科學家很難通過實驗來判斷其性質以及可能存在的化合物。不過,科學家仍然能夠通過理論計算做出不少的預測,其中包括一些出人意料的性質。例如,18族元素的其他元素均為反應性低的惰性氣體,但同族的鿫卻可能有非常高的反應性。[1]科學家曾經認為鿫在標準狀況下是一種氣體,但因相對論效應,鿫在標準狀況下應該是一種固體[1]

目录

歷史编辑

早期推測编辑

最早猜測118號元素有可能存在的,是丹麥物理學家尼爾斯·玻爾。他在1922年寫道,這一元素在元素週期表上應位於以下,成為第七種惰性氣體。[18]阿里斯蒂德·馮·格羅塞英语Aristid von Grosse在1965年發表的論文中預測了118號元素的性質。人工合成元素的方法在1922年還未被研發出來,同樣,在1965年還沒有出現穩定島這一理論概念,因此這兩項是具有先見之明的理論預測。從玻爾預測至鿫終於被成功合成,經過了八十年。不過,鿫的化學性質是否遵循同族元素的規律,仍有待揭曉。[8]

未經證實的發現编辑

1998年末,波蘭物理學家羅伯特·斯莫蘭楚克英语Robert Smolańczuk發表了聚合原子核來合成超重原子的所需計算,其中也包括了鿫。[19]他的計算顯示,在嚴格控制的環境下聚合,就能製成鿫,反應的發生機率(截面)和此前合成𨭎所用的鉛聚合反應相當。然而,也有理論預測顯示,隨著所產生元素的原子序的提高,利用鉛或的聚變反應截面會指數下降,這和斯莫蘭楚克的計算相悖。[19]

1999年,勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員利用這些計算,宣佈製成了和鿫,並將發現發表於《物理評論快報》。[20]不久後,此項發現又登上了《科學》。[21]研究團隊宣稱成功進行了以下核反應

86
36
Kr
+ 208
82
Pb
293
118
Og
+ n .

翌年,由於其他的實驗室及勞倫斯伯克利國家實驗室本身都未能重複這些結果,研究團隊因此撤回了這項發現。[22]2002年6月,實驗室主任宣佈原先兩個元素的發現結果,是建立在第一作者維克托・尼諾夫英语Victor Ninov所假造的數據上的。[23][24]

新的實驗結果和理論計算都證實,隨著所產生核素的原子序的提高,以鉛或鉍為目標體的聚變反應截面的確會指數下降。[25]

發現编辑

2002年,一個由美國和俄羅斯科學家所組成的團隊在位於俄羅斯杜布納聯合核研究所首次真正探測到鿫原子的衰變。團隊由亞美尼亞裔俄籍核物理學家尤里·奧加涅相領導,成員包括來自美國加州勞倫斯利福摩爾國家實驗室的科學家。[26]團隊並沒有即時公佈此項發現,因為294Og的衰變能量與212mPo吻合,而後者是超重元素合成過程中聚變反應的常見雜質。要直到2005年再一次實驗證實之後,團隊才正式宣佈發現新元素。[27]研究人員在2006年10月9日宣佈[11]間接地探測到一共三個(可能為四個)鿫-294原子核:包括2002年探測到的一個(或兩個),[28]以及2005年探測到的另外兩個。合成反應為:[29][30][31][32][33]

249
98
Cf
+ 48
20
Ca
294
118
Og
+ 3 n .
 
鿫-294同位素衰變途徑。[11]每一級均列出衰變能量和平均半衰期。綠色數字為進行自發裂變的原子比率。

2011年,國際純化學和應用化學聯合會(IUPAC)在評估過杜布納和利福摩爾合作團隊2006年的研究結果後宣佈:「觀測到的三次Z = 118同位素衰變事件有比較好的內部冗餘,但這些事件都沒有以已知原子核作為基礎,所以不滿足正式發現的條件。」[34]

由於核聚變反應的發生概率很低(聚變截面~0.3–0.6 pb,即(3–6)×10−41 m2),所以實驗一共花時四個月,在向目標體發射一共2.5×1019離子之後,才首次探測到與鿫成功合成相符的事件。[35]該事件隨機發生的可能性估計小於100,000分之1,所以研究人員很有把握這並不是誤測。[36]

實驗共觀測到三個鿫-294原子經α衰變成為鉝-290,也有可能觀測到一個鿫原子發生自發裂變。由於只觀測到三個原子的衰變,因此計算出來的半衰期有着很大的不確定性:0.89+1.07
−0.31
 ms
[11]α衰變的反應式為:

294
118
Og
290
116
Lv
+ 4
2
He

為了確定產生的是294Og,科學家再用48Ca離子束撞擊245Cm目標體,製成290Lv原子核:

245
96
Cm
+ 48
20
Ca
290
116
Lv
+ 3 n

然後比較290Lv294Og衰變鏈是否吻合。[11]290Lv原子核極不穩定,14毫秒後便衰變成286Fl,再經自發裂變或α衰變成為282Cn,最後發生自發裂變。[11]

根據量子穿隧模型所做的預測,294Og的α衰變半衰期為0.66+0.23
−0.18
 ms
[37]實驗Q值於2004年發表。[38]理論Q值比實驗Q值稍低。[39]

證實编辑

2011年,位於德國達姆施塔特亥姆霍茲重離子研究中心在利用248Cm+54Cr反應試圖合成120號元素Ubn時,可能觀測到一個295Og原子。然而實驗數據的不確定性較大,因此無法確切判斷所觀測到的是299120和295Og的衰變鏈。數據顯示,295Og的半衰期為181毫秒,比294Og的0.7毫秒長得多。[13]

2015年12月,國際純化學和應用化學聯合會(IUPAC)及國際純粹與應用物理學聯合會(IUPAP)所組成的聯合工作小組承認了118號元素的確實發現,並肯定發現者為杜布納和利福摩爾合作團隊。[40]此次能夠承認發現的原因包括,294Og286Fl衰變產物的性質在2009年和2010年得到勞倫斯伯克利國家實驗室證實,杜布納團隊又於2012年再次觀測到294Og的衰變鏈,且衰變參數與先前所測量的相符。聯合核研究所的那項研究原本是為了通過249Bk(48Ca,3n)反應合成294Ts,但因為249Bk的半衰期非常短,目標體有一大部分已衰變為249Cf,合成反應因此產生出了鿫,而非[41]

為了合成295Og296Og這兩個更重的同位素,杜布納團隊又在2015年至2016年進行了類似的實驗,以48Ca作為發射體,並以249Cf250Cf251Cf同位素的混合物為目標體。實驗共利用了兩個離子束能量:252 MeV和258 MeV。用較低能量束時,只探測到一個原子,其衰變鏈和先前已知的294Og相符(即最終衰變至286Fl,然後自發裂變);用較高能量束時,並未觀測到任何原子。[42]

命名编辑

 
鿫是以亞美尼亞裔俄籍核物理學家尤里·奧加涅相命名,以肯定他在人工合成元素上的重大貢獻。亞美尼亞在2017年12月28日推出的一款郵票(圖)上,印有奧加涅相的頭像和鿫-294的衰變鏈。

德米特里·門捷列夫為有待命名或尚未發現的元素發明了一套命名法,根據這套命名法,鿫應稱為「eka-」(1960年代之前則稱為「eka-emanation」,emanation是氡的舊稱)。[10]1979年,IUPAC訂下了一套元素系統命名法,118號元素應稱為「ununoctium」,化學符號為「Uuo」。[43]IUPAC建議在元素經證實發現之前,應該以此名稱代替。[44]儘管各級化學教科書都廣泛使用著IUPAC的命名,但行內的科學家卻一般稱之為「118號元素」,化學符號為「E118」、「(118)」或「118」。[2]

在2001年研究結果被撤回之前,勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員曾建議,以團隊的領導成員阿伯特·吉奧索命名新元素為「ghiorsium」(符號Gh)。[45]

俄羅斯科學家最早在2006年宣佈合成118號元素。根據IUPAC建議,新元素的命名權屬於其最早發現者。[46]聯合核研究所主任曾經在2007年表示,研究團隊正考慮兩個名字:以杜布納的研究實驗室創立人格奧爾基·弗廖羅夫命名為「flyorium」(現成為114號元素的名稱,flerovium),及以研究所所在地莫斯科州命名為「moskovium」(現成為115元素的名稱,moscovium)。[47]他也認為,雖然此項發現是俄美團隊合作的成果(目標體元素鐦是由美國團隊提供),但118號元素名正言順地應以俄羅斯的人物或地點命名,因為聯合核研究所的弗廖羅夫核反應實驗室是世界上唯一一座能取得這種成果的設施。[48]

(helium)以外,稀有氣體的名稱均以「-on」結尾:(neon)、(argon)、(krypton)、(xenon)和(radon)。在鿫發現當時,IUPAC規定所有新元素名稱都必須以「-ium」結尾,一般以「-ine」結尾的鹵素和一般以「-on」結尾的稀有氣體元素也不例外。[49]做臨時代替之用的系統命名「ununoctium」就符合這項規定。不過,IUPAC在2016年又公佈了新的命名建議:新的18族元素,無論性質是否屬於稀有氣體,其名稱都要以「-on」結尾。[50]

2016年6月,IUPAC宣佈118號元素的發現者考慮把它命名為「oganesson」(符號Og),以肯定亞美尼亞裔俄籍核物理學家尤里·奧加涅相在超重元素研究上的重大貢獻。奧加涅相投身核物理研究六十年,106號到118號元素就是直接利用他和他的團隊所研發的方法來合成的。[51]2016年11月28日,「oganesson」成為118號元素的正式名稱。[14]奧加涅相事後對新元素以他命名表達了以下的感想:[52]

這對我來說是一項榮譽。118號元素是由俄羅斯聯合核研究所以及美國勞倫斯利福摩爾國家實驗室的科學家們發現的,oganesson這個名字也是我的同事們所提出的。我的子孫都已在美國定居多年,但我的女兒給我寫了信,說她在聽聞這個消息之後,一宿未眠,因為她一直在哭。[52] — 尤里·奧加涅相

鏌、鿬和鿫的命名典禮在2017年3月2日莫斯科俄羅斯科學院舉行。[53]

2017年1月15日,中華人民共和國全国科学技术名词审定委员会联合国家语言文字工作委员会组织化学、物理学、语言学界专家召开了113号、115号、117号、118号元素中文定名会,將此元素命名為「鿫」。[54][55]2017年4月5日,中華民國國家教育研究院的化學名詞審譯委員會審譯修正通過之「化學元素一覽表」將此元素命名為「鿫」,音同「澳」。[56]2018年6月5日,「鿫」字被正式加入統一碼11.0版本中,碼位為U+9FEB。

性質编辑

原子核穩定性與同位素编辑

 
鿫(第118行)位於穩定島之上,其原子核應比預測的更加穩定。

從96號元素開始,原子序越高,原子核的穩定性越低。鋦以後所有元素的半衰期都比鋦短四個數量級。原子序超過101()的所有同位素都會發生放射性衰變,半衰期都在30個小時以下。原子序超過82()的元素均沒有穩定的同位素。[57]這是因為原子核中,質子和質子之間的庫侖相斥力隨著質子數量的上升而加強,以致強核力無法再避免原子核發生自發裂變。計算顯示,假如不考慮其他增加穩定性的因素,質子數超過104()的所有元素都不可能存在。[58]然而,科學家在1960年代提出,當質子數和中子數分別在114和184附近時,核殼層處於滿充、閉合狀態,原子核的穩定性應獲得增強。這就是所謂的「穩定島」,島上核素的半衰期理論上可以達到數千年甚至數百萬年。人工合成實驗固然還沒有達到穩定島範圍內的同位素,但單從包含鿫在內的超重元素存在的事實,就足以證明增強穩定性的效應是存在的。整體趨勢是,已知超重核素的壽命的確隨著靠近穩定島區域而指數上升。[59][60]鿫具有放射性,半衰期不到一毫秒,但這個數值已經比一些預測值高。[37][61]這幾點都是穩定島存在的間接證據。[62]

根據量子穿隧模型計算,預計存在若干個富含中子,半衰期接近1 ms的鿫同位素。[63][64]

理論計算顯示,鿫的一些同位素可能比已知的294Og更為穩定,這包括293Og295Og296Og297Og298Og300Og302Og[37][65]其中297Og能產生長壽原子核的可能性最高,[37][65]從而很可能成為未來鿫合成研究的目標方向。313Og附近一些中子數高得多的同位素也有可能有較長的壽命。[66]這些更重、更穩定的同位素對研究鿫的化學性質有很大的幫助,所以位於杜布納的科學團隊計劃在2017年下半年進行一系列實驗,以249Cf250Cf251Cf的混合物作為目標體,並以48Ca為發射體,目標是合成295Og296Og這兩個新的同位素。聯合核研究所計劃在2020年重複此項實驗,產生297Og。同一條反應也有可能會生成293Og及其子同位素289Lv。聯合核研究所和日本理化學研究所計劃在2017年至2018年利用248Cm50Ti的聚變反應來合成295Og296Og[42][67][68]

計算出的原子和物理性質编辑

鿫屬於18族元素,不含價電子。同族的其他元素統稱惰性氣體,對大部分常見的化學反應(如燃燒反應等)呈惰性。這是因為這些元素的最外電子殼層八個電子充滿,參與化學反應的價電子被緊緊束縛住,使原子處於十分穩定的最低能量組態。[69]同樣,鿫的最外電子殼層相信也是閉合的,價電子排佈為7s27p6[1]

有科學家推測,鿫的物理和化學性質和同族其他元素相近,特別是和週期表上位於它以上的類似。[70]單從元素週期規律推斷,鿫的反應性會比氡稍高。然而,理論計算卻指出,鿫的反應性會比氡高得多。[6]除此之外,鿫甚至有可能比更加活躍,後二者在週期表上位於反應性更高的之下。[1]鿫反應性之所以會有大大提升,是因為其最後一個充滿的7p亞電子殼層從能量考量上穩定性降低,且亞殼層有徑向擴張的現象。[1]更準確地說,7p電子和惰性7s電子之間強大的自旋-軌道作用使得價電子殼層到了鈇就已閉合,鿫的閉合殼層的穩定性故此會大大降低。[1]計算還顯示,和其他惰性氣體不同,鿫在結合一個電子時會釋放能量,也就是說,它的電子親和能為正數。[71][72]這是因為在相對論效應下,8s能級的穩定性會提高,7p3/2能級的穩定性則會降低。[73]根據預測,鎶和鈇沒有電子親和性。[74][75]但另一方面,量子電動力學效應卻會大大降低這種親和性。這意味著,此類效應所帶來的修正項對超重元素的性質有很大的影響。[71]

鿫預計會有很強的極化性,幾乎是氡的兩倍。[1]根據惰性氣體的趨勢推算,鿫的沸點在320和380 K之間,[1]比先前估算的263 K[76]和247 K高得多。[77]儘管這些計算的不確定性很大,但足以斷定,鿫在標準情況下呈氣態的可能性很低。[1]而且,其他惰性氣體的液態溫度範圍較窄,只有2至9 K,所以鿫在標準情況下最有可能是固體。假如鿫在標準情況下的確是氣體,就算是單原子氣體,它也會是標準情況下密度最高的氣態物質之一。

由於極化性極高,所以鿫的電離能會異乎尋常的低(和鉛相近,[5]且比鈇低得多[78]),而且具有標準凝聚態。[1]相對論效應對鿫的原子核和電子雲結構都有較強的影響:鿫的7p軌域在自旋-軌道效應下有很強的分裂,所以價電子和核心電子亞殼層會「散開」成為均勻的電子費米氣體,這和相對論效應較弱的氡和氙不同。[79]在核子(特別是中子)方面也有類似的情況。這種現象在中子殼層閉合的302Og原子核開始出現,並在殼層閉合,尚未發現的472164超重原子核(含164個質子,308個中子)尤為突出。[79]

預測存在的化合物编辑

 
XeF4的結構呈平面四方形
 
OgF4的結構預計將是四面體形

目前唯一一種經證實存在的鿫同位素294Og半衰期太短,其化學性質無法通過實驗直接探究。因此,科學家至今還沒有合成任何鿫化合物。[27]不過,自1964年開始,科學家就對鿫的化合物做過不少的理論計算[10]他們預測,如果電離能足夠高的話,鿫就會很難氧化,所以它最常見的氧化態就會和其他惰性氣體一樣為零。[80]但是,也有科學家發表過與之相悖的理論預測。[8]

計算顯示,雙原子分子Og2鍵合作用強度與Hg2相當,鍵離解能為6 kJ/mol,大約為Rn2的四倍。[1]出乎意料的是,計算出的鍵長Rn2短0.16 Å,意味著鿫原子之間有著很強的鍵合作用。[1]另一方面,OgH+的鍵離解能(即鿫的質子親和能)則比RnH+低。[1]

根據預測,鿫和之間的作用力非常弱,可以視為純粹的范德華力,而不是真正的化學鍵。[5]不過,鿫會和高電負性元素形成化學鍵,所產生的化合物預計比所形成的化合物更穩定。[5]+2和+4氧化態預計可以在OgF2OgF4中穩定存在。[81]因為7p1/2亞殼層被緊緊束縛,所以+6態的穩定性會相對較低。[8]這個現象,和鿫反應性比正常高的現象,都源自同一個原理。例如,鿫和F2結合形成OgF2時,會釋放106 kcal/mol的能量,其中46 kcal/mol就來自自旋-軌道作用。[5]以相似的分子RnF2做類比,它形成時所釋放的49 kcal/mol能量之中,有10 kcal/mol出自自旋-軌道作用。[5]該作用也提高了OgF4分子四面體形Td構型的穩定性,這有別於XeF4平面四方D4h構型(估計也是RnF4的分子構型)。[81]鿫氟鍵更有可能屬於離子鍵,而非共價鍵,所以鿫氟化物都不具揮發性。[6][82]根據預測,由於鿫有很高的電正性,所以OgF2屬於半離子分子。[83]同樣因為電正性,鿫能夠和成鍵,[6]這和其他的惰性氣體有所不同(其實氙和氡有可能也可以和氯成鍵)。[84][85]

參見编辑

參考資料编辑

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延伸閱讀编辑

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外部連結编辑