А не трансурановый ли ты часом? Что химикам известно о московии и оганесоне

30 ноября 2016 года главный законодатель в химии, Международный союз по теоретической и прикладной химии (IUPAC), официально включил московий, оганесон, теннессин и нихоний в таблицу Менделеева, завершив тем самым её седьмую строчку. Однако много ли мы знаем о том, на что похожи эти вещества? И узнаем ли, какие у них химические свойства? Мы решили разобраться, как учёные выясняют химию элементов, которые и живут-то всего ничего.

Голые факты

Нихоний (Nihonium), сокращение Nh, 113-й элемент. Самый устойчивый изотоп: нихоний-286, период полураспада 20 секунд. Назван в честь Японии.

Московий (Moscovium), сокращение Mc, 115-й элемент. Самый устойчивый изотоп: московий-289, период полураспада сотни миллисекунд. Назван в честь Московской области.

Теннессин (Tennessine), сокращение Ts, 117-й элемент. Самый устойчивый изотоп: теннессин-294, период полураспада десятки миллисекунд. Назван в честь Теннесси.

Оганесон (Oganesson), сокращение Og, 118-й элемент. Самый устойчивый изотоп: оганесон-294, период полураспада около одной миллисекунды. Назван в честь директора лаборатории ядерных реакций ОИЯИ (где был синтезирован элемент) Юрия Оганесяна.

Что говорят теоретики?

Периодическая таблица Менделеева так называется неслучайно. Оказывается (про это ещё и в школе рассказывали), свойства элементов меняются по определённому закону, который вывел наш соотечественник Дмитрий Иванович Менделеев. Если посмотреть на то, в какой клетке таблицы находится тот или иной элемент, а ещё лучше — обратить внимание на его соседей, то можно попытаться предсказать его свойства.

В своё время Дмитрий Иванович предсказал так свойства германия — очень важного для современной микроэлектроники вещества. В 1870 году элемент ещё не был известен, а в периодической таблице было немало незаполненных клеток. Одна из них пустовала между оловом и кремнием. Посмотрев на свойства двух этих элементов, российский химик в точности предсказал молекулярную массу, плотность и температуру плавления элемента, назвав его экасилицием — "после кремния".

Следуя той же самой логике, посмотрим на соседей сверху для новых элементов. У нихония — это таллий, индий, галлий и алюминий с бором. Таллий помимо своей ядовитости известен химикам и "двуличностью" — в одном ряде соединений он похож на алюминий, а в другом, с валентностью, равной единице, — на натрий и другие щелочные металлы. Предполагается, что нихоний в своих соединениях будет предпочтительно иметь валентность, равную единице.

Правда, из-за большого веса ядра на свойствах нихония будут сказываться релятивистские эффекты — поэтому предсказывается, что он будет менее активен, чем таллий, и больше похож на серебро. Плотность и температура плавления японского элемента тоже будет выше, чем у соседей по таблице. Первая оценивается в 16–18 грамм на кубический сантиметр (как у урана или тантала), а вторая — примерно в 430 градусов Цельсия.

Соседи московия по группе — висмут, сурьма, мышьяк, фосфор и азот. С теми же самыми оговорками о релятивистских эффектах элемент будет похож на висмут, обладая металлическими свойствами. Химики предсказывают ему высокую активность, сопоставимую с алюминием или титаном (по электродному потенциалу). Плотность московия будет близкой к плотности ртути — 13,5 грамма на кубический сантиметр. Плавиться металл будет примерно при 400 градусах Цельсия, как цинк.

Теннессин находится в предпоследнем столбце таблицы Менделеева, вместе с остальными галогенами — фтором, хлором, бромом, иодом и астатом. Если фтор и хлор — газы, то бром — тяжёлая жидкость, а иод и астат — твёрдые вещества с металлическим блеском. Скорее всего, и теннессин будет больше походить на металл. Кстати, все галогены — простые вещества формируют двухатомные молекулы, в которых пара атомов образуют связь. Химики их так и записывают F₂, Cl₂, Br₂, I₂, At₂, — вероятно, и теннессин будет существовать в виде Ts₂. В то же время привычные для химиков галогенводородные кислоты (плавиковая HF, соляная HBr и так далее) в случае теннессина, скорее всего, будут неустойчивыми. Температура плавления вещества оценивается в 350 градусов Цельсия, а плотность — примерно в 7,5 грамма на кубический сантиметр, как у железа или олова.

Оганесон, получивший название в честь директора лаборатории ядерных реакций ОИЯИ Юрия Оганесяна, относится к благородным газам. В этом смысле он "обставил" Гленна Сиборга, в честь которого также прижизненно назвали элемент — сиборгий, тяжёлый сосед вольфрама. В группе оганесона находятся гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон — все они газы, крайне неохотно вступающие в химические взаимодействия. Температуры кипения благородных газов с приближением к концу таблицы растут, но ближайший сосед оганесона — радон — всё ещё газообразен. Скорее всего, оганесон также будет либо газом, либо легко испаряющимся твёрдым (жидким) веществом.

Химическая активность благородных газов также возрастает с весом. Если гелий и неон не образуют химических связей, то у ксенона уже есть устойчивые фториды. Скорее всего, оганесон также будет сравнительно охотно образовывать химические связи.

А как узнать их химические свойства?

Работа с трансурановыми элементами осложняется не только их коротким временем жизни. Помимо того, что сам элемент, с которым работают химики, норовит превратиться в совершенно другой, более лёгкий, приходится мириться и бороться с радиоактивным излучением, которое он при этом испускает.

Свойства веществ исследуют большим количеством разных способов — например, много информации можно извлечь, просто вырастив небольшой кристаллик. Методы рентгеновской дифракции позволяют с огромной точностью установить расположение атомов в кристалле и выяснить строение исследуемой молекулы. Но для этого нужно набрать необходимое количество вещества. Последние же из добавленных в таблицу элементов были получены в количестве десятков и сотен атомов. Для сравнения, в кристалле поваренной соли миллиметрового размера 20 миллиардов атомов.

Вероятно, самый тяжёлый элемент, для которого удалось получить твёрдые соединения — это эйнштейний (99-й элемент). Самый стабильный его изотоп обладает периодом полураспада в 20,5 дня. Сложность работы с такими веществами можно проиллюстрировать недавней статьёй в Science. Химики работали с 13-миллиграммовым количеством берклия в попытке вырастить кристалл его соли с органической кислотой.

Эта попытка оказалась успешной, однако оказалось, что спустя всего четыре дня кристаллы взрывались из-за того, что внутри них накапливался слишком большой электрический заряд. И это при периоде полураспада 320 дней. При 20,5 дня полураспада соединения эйнштейния самостоятельно светятся в темноте — грамм вещества генерировал бы непрерывно киловатт тепловой энергии.

С водными растворами трансурановых элементов и превращениями мокрой химии удаётся работать вплоть до дубния, 105-го элемента и сиборгия, 106-го элемента. Для этого приходится использовать сверхбыстрые методики автоматического разделения продуктов синтеза изотопов. Учёные следят за тем, как растворы веществ проходят через специальную колонку, заполненную сорбентом, и регистрируют по распадам то, как много времени требуется молекуле вещества на путь сверху вниз. На основании этого химики делают предположения о том, в какой форме вещества находились в растворе.

Для 107-го элемента, бория, химическое соединение удалось получить в газовой фазе, в количестве всего лишь пяти молекул. Учёные смогли предположить, что изотоп со временем полураспада всего 17 секунд формировал оксихлориды, подобно другим элементам своей группы, и даже сравнил их свойства со свойствами более лёгких аналогов.

Пожалуй, наиболее удивительным экспериментом в этой череде можно назвать работу с единичными атомами флеровия — 114-го элемента периодической таблицы, период полураспада для основных изотопов которого не превышает трёх секунд. Одной из научных групп удалось зафиксировать, как два атома этого элемента "прилипли" к поверхности золота. Более того, это позволило сделать ряд предположений о химических свойствах элемента. По всей видимости, он не так химически активен, как его соседи сверху — свинец, олово, германий, кремний и углерод, но тем не менее является металлом. Кстати, теоретические расчёты для флеровия показывают, что при комнатных условиях он — жидкость.

Вместо заключения

Как видно, несмотря на краткое время жизни новых элементов, шанс узнать что-то об их химии всё-таки есть. По меньшей мере, это касается нихония с периодом полураспада в 20 секунд — нужно лишь обеспечить надёжный метод его синтеза на ускорителях. Что же касается химии теннессина, московия и оганесона — будущее покажет, сможем ли мы их с чем-нибудь соединить и посмотреть, на что это похоже.