Rok 2016 – będzie rewolucja w układzie okresowym!

Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) oficjalnie potwierdziła, że w nadchodzącym roku zapowiadają się ważne zmiany w układzie okresowym pierwiastków. Wynalazek Dmitrija Mendelejewa po ulepszeniach ma się dobrze i już wkrótce poznamy cztery nowe nazwy pierwiastków o liczbach atomowych 113, 115, 117 i 118. Oznacza to, iż okres 7 będzie całkowicie zapełniony, a tymczasowe łacińskie nazwy ununtrium, ununpentium, ununseptium oraz ununoctium przestaną obowiązywać.

Rys. 1 Układ okresowy, prawa autorskie: Łukasz Surma

Idea otrzymywania nowych pierwiastków chemicznych sięga czasów zimnej wojny, a swoisty wyścig w tej dziedzinie prowadzą głównie 4 ośrodki naukowe: Lawrence Berkeley National Laboratory (Kalifornia, USA), Zjednoczony Instytut Badań Jądrowych w Dubnej (Rosja), Instytut Badań Ciężkich Jonów w Wixhausen (Darmstadt, Niemcy) oraz Instytut Riken (Japonia). W ciągu ostatnich 25 lat z powodzeniem udało się wytworzyć około 40 dość stabilnych izotopów, które w sumie reprezentują dziewięć zupełnie nowych superciężkich pierwiastków. Część z nich otrzymała swoje nazwy, tj. darmsztad (₁₁₀Ds), rentgen (₁₁₁Rg), kopernik (₁₁₂Cn), flerow (₁₁₄Fl) oraz liwermor (₁₁₆Lv) – ostatnie dwie zostały wprowadzone w 2013 roku, pozostałe pierwiastki musiały poczekać aż do tego roku.

Pierwiastki te mają bardzo krótki czasy połowicznego zaniku:

	pierwiastek 113 – 6 stabilnych izotopów, najstabilniejszy: ²⁸⁶Uut – około 19,6 sekundy
	pierwiastek 115 – 4 stabilne izotopy, najstabilniejszy: ²⁸⁹Uup – 220 milisekund
	pierwiastek 117 – 2 stabilne izotopy, najstabilniejszy: ²⁹⁴Uus – około 77,9 milisekundy
	pierwiastek 118 – 1 stabilny izotop: ²⁹⁴Uuo – około 0,89 milisekundy

Każdy z izotopów był otrzymywany poprzez kolizyjne zderzanie ze sobą jąder atomowych stabilniejszych pierwiastków, np. ²⁰⁹Bi, ⁴⁸Ca. W wyniku bombardowania tarczy (wykonanej z „cięższego” izotopu) przez „lżejsze” cząstki powstawało od 1 do 10 atomów. Nowo powstałe jądra ulegały dalszym przemianom promieniotwórczym, których analiza pozwalała na ocenę powodzenia eksperymentu. Rozpędzanie „cząstek-pocisków” do odpowiednich prędkości odbywało się w potężnych akceleratorach, a proces trwał minimum kilka tygodni i pochłaniał mnóstwo energii – a to oznacza spory koszt całego przedsięwzięcia.

Nasuwa się pytanie, po co tyle zachodu, aby otrzymać tylko kilka atomów, które i tak się rozpadną? Tytuł sugeruje, że celem jest wypełnienie pustych miejsc w układzie okresowym. Poniekąd tak, ale w rzeczywistości badania nad syntezą superciężkich pierwiastków mają na celu dokładniejsze zbadanie efektu relatywistycznego wzrostu masy atomowej^[4]. Konsekwencją tego efektu jest zmniejszenie odległości elektronów walencyjnych od jądra atomowego. Elektrony walencyjne w takich atomach osiągają prędkość rzędu 80% prędkości światła (C = 299 792 458 m/s)^[3]. Zrozumienie relatywistycznego wzrostu masy może przyczynić się do potwierdzenia hipotezy wysp stabilności.

Notka edytorska: Hipoteza wysp stabilności jest bardzo ciekawą teorią, która zakłada istnienie izotopów superciężkich pierwiastków o wysokiej stabilności. Najbardziej optymistyczne przewidywania mówią o czasie połowicznego rozpadu sięgającym milionów lat! W tym momencie żaden znany pierwiastek cięższy od ołowiu nie posiada stabilnych izotopów. Istnieje jednak np. izotop uranu o t_1/2 rzędu miliardów lat, który można w śladowych ilościach znaleźć na Ziemi. Model powłokowy zakłada, że dla pewnych określonych liczb protonów i neutronów jądra stają się dużo bardziej stabilne. Liczby takie nazywa się liczbami magicznymi. Teoretyczne obliczenia sugerują, że wśród nieodkrytych jeszcze pierwiastków największą stabilność powinny wykazywać takie o liczbie protonów 114, 120 lub 126 oraz liczbie neutronów 184 lub 196. Zostało to przedstawione na rysunku poniżej. Żaden z tych pierwiastków nie został jeszcze zbadany, ale zbliżamy się do ich odkrycia. Wydaje mi się, że byłoby to niebagatelne wydarzenie, które mogłoby doprowadzić np. do syntezy związków o zupełnie nieznanych nam właściwościach czy materiałów złożonych z bardzo ciężkich pierwiastków.

Rys. 2 Wizualizacja trwałości izotopów w zależności od liczby neutronów (N) oraz protonów (Z) w jądrze atomowym^[9]

Wracając do meritum – prawdopodobnie pod koniec stycznia jako pierwszy otrzyma nazwę pierwiastek 113. Tymczasowo jest nazywany ununtrium lub eka-tal. Został on zsyntezowany 1 lutego (Dubna, Rosja) oraz 28 września (Riken, Japonia) 2004 roku, a w 2012 roku eksperyment został z powodzeniem powtórzony w Instytucie Riken. W grudniu 2015 roku IUPAC ogłosiła, że japoński zespół naukowców najlepiej zbadał i udokumentował proces i otrzymał przywilej nazwania pierwiastka. Nieoficjalnie mówi się o możliwych łacińskich wersjach: japonium (na cześć Japonii – pierwszego kraju azjatyckiego, który zsyntezował superciężki pierwiastek) , rikenium (nazwa ośrodka, w którym prowadzono badania) lub nishinanium (na cześć prof. Yoshio Nishina, kierownika badań japońskiego zespołu)^[2]. Trudno przewidzieć brzmienie polskiej nazwy – pierwsze propozycje Komisji Terminologii Chemicznej Polskiego Towarzystwa Chemicznego zapewne pojawią się, gdy IUPAC zatwierdzi nazwę łacińską.

Pierwiastki o liczbach atomowych: 115 (tymczasowa nazwa: ununpentium lub eka-bizmut), 117 (tymczasowa nazwa: ununseptium lub eka-astat), 118 (tymczasowa nazwa: ununoctium lub eka-radon) zostały otrzymane w ośrodku badawczym w Dubnej w latach 2004-2010. Zespół rosyjsko-amerykański ze Zjednoczonego Instytutu Badań Jądrowych w Dubnej dotychczas zaproponował następujące nazwy (bez szczególnych wskazań): langevinium (na cześć prof. Paula Langevina, francuskiego fizyka, twórcy teorii para- i diamagnetyzmu), moscovium (dla uhonorowania obwodu moskiewskiego, w którym znajduje się ośrodek w Dubnej, gdzie dokonano syntezy pierwiastków) oraz dubnadium (na cześć miasta: Dubna)^[2,6-8]. Czas pokaże jak te nazwy zostaną przyporządkowane.

Oczywiście uzupełnienie brakujących nazw w okresie 7 nie oznacza zamknięcia układu okresowego. Jeśli hipoteza wysp stabilności jest słuszna to tylko kwestią czasu pozostaje otrzymanie kolejnych izotopów. Już teraz prowadzi się syntezy pierwiastków o liczbach atomowych: 122, 124, 126 i 127. Póki co, żadna z podjętych prób nie zakończyła się sukcesem, mimo to otwarcie okresu 8 jest tylko kwestią kilku lat.