El dubnio es un elemento químico sintético ; tiene símbolo Db y número atómico 105. Es altamente radiactivo: el isótopo más estable conocido , el dubnio-268, tiene una vida media de unas 16 horas. Esto limita en gran medida la investigación ampliada sobre el elemento.
El dubnio no se produce de forma natural en la Tierra y se produce artificialmente. El Instituto Conjunto Soviético de Investigación Nuclear (JINR) reivindicó el primer descubrimiento del elemento en 1968, seguido por el Laboratorio estadounidense Lawrence Berkeley en 1970. Ambos equipos propusieron sus nombres para el nuevo elemento y los utilizaron sin aprobación formal. La disputa de larga data se resolvió en 1993 mediante una investigación oficial de las afirmaciones de descubrimiento por parte del Grupo de Trabajo Transfermium, formado por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada y la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada , lo que resultó en que el crédito por el descubrimiento fuera oficialmente compartido entre ambos equipos. El elemento fue nombrado formalmente dubnium en 1997 en honor a la ciudad de Dubna , el sitio del JINR.
La investigación teórica establece al dubnio como miembro del grupo 5 en la serie 6d de metales de transición , ubicándolo debajo del vanadio , el niobio y el tantalio . El dubnio debería compartir la mayoría de las propiedades, como su configuración electrónica de valencia y tener un estado de oxidación dominante +5, con los otros elementos del grupo 5, con algunas anomalías debidas a efectos relativistas . Una investigación limitada de la química del dubnio lo ha confirmado.
Un núcleo atómico superpesado [a] se crea en una reacción nuclear que combina otros dos núcleos de tamaño desigual [b] en uno; En términos generales, cuanto más desiguales sean los dos núcleos en términos de masa, mayor será la posibilidad de que los dos reaccionen. [20] El material formado por los núcleos más pesados se convierte en un objetivo, que luego es bombardeado por el haz de núcleos más ligeros. Dos núcleos sólo pueden fusionarse en uno si se acercan lo suficiente entre sí; normalmente, los núcleos (todos cargados positivamente) se repelen entre sí debido a la repulsión electrostática . La interacción fuerte puede superar esta repulsión, pero sólo a una distancia muy corta de un núcleo; Por tanto, los núcleos del haz se aceleran mucho para que dicha repulsión sea insignificante en comparación con la velocidad del núcleo del haz. [21] La energía aplicada a los núcleos del haz para acelerarlos puede hacer que alcancen velocidades de hasta una décima parte de la velocidad de la luz . Sin embargo, si se aplica demasiada energía, el núcleo del haz puede desmoronarse. [21]
Acercarse lo suficiente por sí solo no es suficiente para que dos núcleos se fusionen: cuando dos núcleos se acercan, generalmente permanecen juntos durante aproximadamente 10 −20 segundos y luego se separan (no necesariamente en la misma composición que antes de la reacción) en lugar de formar un núcleo. núcleo único. [21] [22] Esto sucede porque durante el intento de formación de un solo núcleo, la repulsión electrostática desgarra el núcleo que se está formando. [21] Cada par de un objetivo y un haz se caracteriza por su sección transversal : la probabilidad de que se produzca la fusión si dos núcleos se acercan entre sí expresada en términos del área transversal que la partícula incidente debe chocar para que se produzca la fusión. . [c] Esta fusión puede ocurrir como resultado del efecto cuántico en el que los núcleos pueden hacer túneles a través de la repulsión electrostática. Si los dos núcleos pueden permanecer cerca durante esa fase, múltiples interacciones nucleares dan como resultado una redistribución de la energía y un equilibrio energético. [21]
La fusión resultante es un estado excitado [25] , denominado núcleo compuesto , y por tanto es muy inestable. [21] Para alcanzar un estado más estable, la fusión temporal puede fisionarse sin la formación de un núcleo más estable. [26] Alternativamente, el núcleo compuesto puede expulsar algunos neutrones , lo que se llevaría la energía de excitación; si este último no fuera suficiente para la expulsión de neutrones, la fusión produciría un rayo gamma . Esto sucede aproximadamente 10 -16 segundos después de la colisión nuclear inicial y da como resultado la creación de un núcleo más estable. [26] La definición del Grupo de Trabajo Conjunto (JWP) de la IUPAC/IUPAP establece que un elemento químico sólo puede reconocerse como descubierto si un núcleo del mismo no se ha desintegrado en 10 −14 segundos. Este valor se eligió como una estimación de cuánto tiempo le toma a un núcleo adquirir sus electrones externos y así mostrar sus propiedades químicas. [27] [d]
El rayo atraviesa el objetivo y llega a la siguiente cámara, el separador; si se produce un nuevo núcleo, este es transportado con este haz. [29] En el separador, el núcleo recién producido se separa de otros nucleidos (el del haz original y cualquier otro producto de reacción) [e] y se transfiere a un detector de barrera de superficie , que detiene el núcleo. Se marca la ubicación exacta del próximo impacto en el detector; también están marcadas su energía y el momento de la llegada. [29] La transferencia tarda unos 10 −6 segundos; Para ser detectado, el núcleo debe sobrevivir tanto tiempo. [32] El núcleo se registra nuevamente una vez que se registra su desintegración, y se miden la ubicación, la energía y el tiempo de la desintegración. [29]
La estabilidad de un núcleo es proporcionada por la interacción fuerte. Sin embargo, su alcance es muy corto; A medida que los núcleos crecen, su influencia sobre los nucleones más externos ( protones y neutrones) se debilita. Al mismo tiempo, el núcleo se desgarra por la repulsión electrostática entre protones y su alcance no está limitado. [33] La energía de enlace total proporcionada por la interacción fuerte aumenta linealmente con el número de nucleones, mientras que la repulsión electrostática aumenta con el cuadrado del número atómico, es decir, este último crece más rápido y se vuelve cada vez más importante para los núcleos pesados y superpesados. [34] [35] Por lo tanto, se predice teóricamente que los núcleos superpesados [36] y hasta ahora se ha observado [37] que se desintegran predominantemente a través de modos de desintegración causados por dicha repulsión: desintegración alfa y fisión espontánea . [f] Casi todos los emisores alfa tienen más de 210 nucleones, [39] y el nucleido más ligero que sufre principalmente fisión espontánea tiene 238. [40] En ambos modos de desintegración, las barreras de energía correspondientes para cada modo inhiben la desintegración de los núcleos , pero pueden ser atravesado por un túnel. [34] [35]
Las partículas alfa se producen comúnmente en desintegraciones radiactivas porque la masa de una partícula alfa por nucleón es lo suficientemente pequeña como para dejar algo de energía para que la partícula alfa se utilice como energía cinética para salir del núcleo. [42] La fisión espontánea es causada por la repulsión electrostática que desgarra el núcleo y produce varios núcleos en diferentes casos de fisión de núcleos idénticos. [35] A medida que aumenta el número atómico, la fisión espontánea rápidamente se vuelve más importante: las vidas medias parciales de la fisión espontánea disminuyen en 23 órdenes de magnitud desde el uranio (elemento 92) al nobelio (elemento 102), [43] y en 30 órdenes de magnitud del torio (elemento 90) al fermio (elemento 100). [44] El modelo anterior de gota de líquido sugería así que la fisión espontánea se produciría casi instantáneamente debido a la desaparición de la barrera de fisión para los núcleos con aproximadamente 280 nucleones. [35] [45] El modelo de capa nuclear posterior sugirió que los núcleos con alrededor de 300 nucleones formarían una isla de estabilidad en la que los núcleos serían más resistentes a la fisión espontánea y sufrirían principalmente una desintegración alfa con vidas medias más largas. [35] [45] Descubrimientos posteriores sugirieron que la isla prevista podría estar más lejos de lo previsto originalmente; También demostraron que los núcleos intermedios entre los actínidos de larga vida y la isla predicha se deforman y obtienen estabilidad adicional debido a los efectos de las capas. [46] Los experimentos con núcleos superpesados más ligeros, [47] así como con aquellos más cercanos a la isla esperada, [43] han demostrado una estabilidad mayor de la prevista anteriormente contra la fisión espontánea, lo que muestra la importancia de los efectos de las capas en los núcleos. [gramo]
Las desintegraciones alfa son registradas por las partículas alfa emitidas, y los productos de desintegración son fáciles de determinar antes de la desintegración real; Si tal desintegración o una serie de desintegraciones consecutivas produce un núcleo conocido, el producto original de una reacción puede determinarse fácilmente. [h] (Que todas las desintegraciones dentro de una cadena de desintegración estuvieran efectivamente relacionadas entre sí se establece por la ubicación de estas desintegraciones, que deben estar en el mismo lugar). [29] El núcleo conocido puede reconocerse por las características específicas de la desintegración sufre como energía de desintegración (o más específicamente, la energía cinética de la partícula emitida). [i] Sin embargo, la fisión espontánea produce varios núcleos como productos, por lo que el nucleido original no puede determinarse a partir de sus hijos. [j]
La información de que disponen los físicos que desean sintetizar un elemento superpesado es, por tanto, la información recogida en los detectores: ubicación, energía y tiempo de llegada de una partícula al detector, así como de su desintegración. Los físicos analizan estos datos y tratan de concluir que efectivamente fue causado por un nuevo elemento y no podría haber sido causado por un nucleido diferente al afirmado. A menudo, los datos proporcionados son insuficientes para llegar a la conclusión de que definitivamente se creó un nuevo elemento y no hay otra explicación para los efectos observados; Se han cometido errores en la interpretación de los datos. [k]El uranio , elemento 92, es el elemento más pesado que se encuentra en cantidades significativas en la naturaleza; Los elementos más pesados sólo pueden producirse prácticamente mediante síntesis. La primera síntesis de un nuevo elemento ( neptunio , elemento 93) fue realizada en 1940 por un equipo de investigadores de Estados Unidos. [58] En los años siguientes, los científicos estadounidenses sintetizaron los elementos hasta el mendelevio , el elemento 101, que fue sintetizado en 1955. A partir del elemento 102 , la prioridad de los descubrimientos fue disputada entre los físicos estadounidenses y soviéticos. [59] Su rivalidad resultó en una carrera por nuevos elementos y crédito por sus descubrimientos, más tarde denominada Guerras Transfermium . [60]
El primer informe sobre el descubrimiento del elemento 105 provino del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR) en Dubna , Óblast de Moscú , Unión Soviética , en abril de 1968. Los científicos bombardearon 243 Am con un haz de 22 iones Ne , y reportaron 9,4 MeV. (con una vida media de 0,1 a 3 segundos) y 9,7 MeV ( t 1/2 > 0,05 s) actividades alfa seguidas de actividades alfa similares a las de 256 103 o 257 103. Según predicciones teóricas anteriores, las dos actividades las líneas fueron asignadas a 261 105 y 260 105, respectivamente. [62]
Después de observar las desintegraciones alfa del elemento 105, los investigadores se propusieron observar la fisión espontánea (SF) del elemento y estudiar los fragmentos de fisión resultantes. Publicaron un artículo en febrero de 1970, informando múltiples ejemplos de dos de estas actividades, con vidas medias de 14 ms y2,2 ± 0,5 s . Asignaron la primera actividad a 242mf Am [l] y atribuyeron la última actividad a un isótopo del elemento 105. Sugirieron que era poco probable que esta actividad pudiera provenir de una reacción de transferencia en lugar del elemento 105, porque el índice de rendimiento para esta reacción fue significativamente menor que el de la reacción de transferencia que produce Am de 242 mf , de acuerdo con las predicciones teóricas. Para establecer que esta actividad no se debía a una reacción ( 22 Ne, x n), los investigadores bombardearon un objetivo de 243 Am con 18 iones de O; las reacciones que produjeron 256 103 y 257 103 mostraron muy poca actividad SF (que coincide con los datos establecidos), y la reacción que produjo 258 103 y 259 103 más pesados no produjo actividad SF en absoluto, de acuerdo con los datos teóricos. Los investigadores concluyeron que las actividades observadas provenían del SF del elemento 105. [62]
En abril de 1970, un equipo del Laboratorio Lawrence Berkeley (LBL), en Berkeley , California , Estados Unidos, afirmó haber sintetizado el elemento 105 bombardeando californio-249 con iones nitrógeno-15 , con una actividad alfa de 9,1 MeV. Para garantizar que esta actividad no procediera de una reacción diferente, el equipo intentó otras reacciones: bombardear 249 Cf con 14 N, Pb con 15 N y Hg con 15 N. Dijeron que no se encontró tal actividad en esas reacciones. Las características de los núcleos hijos coincidían con las de 256 103, lo que implica que los núcleos padres eran de 260 105. [62]
Estos resultados no confirmaron los hallazgos de JINR con respecto a la desintegración alfa de 9,4 MeV o 9,7 MeV de 260 105, dejando solo 261 105 como isótopo posiblemente producido. [62]
Luego, JINR intentó otro experimento para crear el elemento 105, publicado en un informe en mayo de 1970. Afirmaron que habían sintetizado más núcleos del elemento 105 y que el experimento confirmaba su trabajo anterior. Según el artículo, el isótopo producido por JINR fue probablemente 261 105, o posiblemente 260 105. [62] Este informe incluyó un examen químico inicial: se aplicó la versión de gradiente térmico del método de cromatografía de gases para demostrar que el cloruro de lo que se había formado a partir de la actividad del SF casi igualaba a la del pentacloruro de niobio , en lugar del tetracloruro de hafnio . El equipo identificó una actividad de SF de 2,2 segundos en un cloruro volátil que presenta propiedades de eka-tantalio e infirió que la fuente de la actividad de SF debe haber sido el elemento 105. [62]
En junio de 1970, JINR realizó mejoras en su primer experimento, utilizando un objetivo más puro y reduciendo la intensidad de las reacciones de transferencia instalando un colimador antes del receptor. Esta vez, pudieron encontrar actividades alfa de 9,1 MeV con isótopos hijos identificables como 256 103 o 257 103, lo que implica que el isótopo original era 260 105 o 261 105. [62]
JINR no propuso un nombre después de su primer informe que afirmaba la síntesis del elemento 105, lo que habría sido la práctica habitual. Esto llevó a LBL a creer que JINR no tenía suficientes datos experimentales para respaldar su afirmación. [63] Después de recopilar más datos, JINR propuso el nombre bohrio (Bo) en honor al físico nuclear danés Niels Bohr , fundador de las teorías de la estructura atómica y la teoría cuántica ; [64] pronto cambiaron su propuesta a nielsbohrium (Ns) para evitar confusión con el boro . [65] Otro nombre propuesto fue dubnium . [66] [67] Cuando LBL anunció por primera vez su síntesis del elemento 105, propusieron que el nuevo elemento se llamara hahnio (Ha) en honor al químico alemán Otto Hahn , el "padre de la química nuclear", creando así una controversia sobre el nombre de los elementos . [68]
A principios de la década de 1970, ambos equipos informaron sobre la síntesis del siguiente elemento, el elemento 106, pero no sugirieron nombres. [69] JINR sugirió establecer un comité internacional para aclarar los criterios de descubrimiento. Esta propuesta fue aceptada en 1974 y se formó un grupo conjunto neutral. [70] Ninguno de los equipos mostró interés en resolver el conflicto a través de un tercero, por lo que los principales científicos de LBL, Albert Ghiorso y Glenn Seaborg , viajaron a Dubna en 1975 y se reunieron con los principales científicos de JINR: Georgy Flerov , Yuri Oganessian y otros, tratar de resolver el conflicto internamente y hacer innecesario el grupo conjunto neutral; Después de dos horas de discusiones, esto fracasó. [71] El grupo neutral conjunto nunca se reunió para evaluar las reclamaciones y el conflicto quedó sin resolver. [70] En 1979, la IUPAC sugirió que se utilizaran nombres de elementos sistemáticos como marcadores de posición hasta que se establecieran nombres permanentes; debajo de él, el elemento 105 sería unnilpentium , de las raíces latinas un- y nil- y la raíz griega pent- (que significa "uno", "cero" y "cinco", respectivamente, los dígitos del número atómico). Ambos equipos lo ignoraron porque no querían debilitar sus reclamos pendientes. [72]
En 1981, la Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI; Sociedad para la Investigación de Iones Pesados ) en Darmstadt , Hesse , Alemania Occidental, afirmó la síntesis del elemento 107; su informe salió cinco años después del primer informe de JINR, pero con mayor precisión, haciendo una afirmación más sólida sobre el descubrimiento. [62] GSI reconoció los esfuerzos de JINR al sugerir el nombre nielsbohrium para el nuevo elemento. [70] JINR no sugirió un nuevo nombre para el elemento 105, afirmando que era más importante determinar primero a sus descubridores. [70]
En 1985, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) y la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP) formaron un Grupo de Trabajo Transfermium (TWG) para evaluar los descubrimientos y establecer nombres finales para los elementos controvertidos. [62] El partido celebró reuniones con delegados de los tres institutos competidores; en 1990 establecieron criterios para el reconocimiento de un elemento y en 1991 terminaron el trabajo de evaluación de los descubrimientos y se disolvieron. Estos resultados se publicaron en 1993. Según el informe, el primer experimento definitivamente exitoso fue el experimento LBL de abril de 1970, seguido de cerca por el experimento JINR de junio de 1970, por lo que el crédito por el descubrimiento del elemento debe ser compartido entre los dos equipos. [62]
LBL dijo que el aporte de JINR fue sobrevalorado en la revisión. Afirmaron que JINR sólo pudo demostrar sin ambigüedades la síntesis del elemento 105 un año después de que lo hicieran. JINR y GSI respaldaron el informe. [70]
En 1994, la IUPAC publicó una recomendación sobre la denominación de los elementos en disputa. Para el elemento 105, propusieron joliocio (Jl) en honor al físico francés Frédéric Joliot-Curie , contribuyente al desarrollo de la física y la química nucleares; Este nombre fue propuesto originalmente por el equipo soviético para el elemento 102, que para entonces ya se había llamado durante mucho tiempo nobelio . [73] Esta recomendación fue criticada por los científicos estadounidenses por varias razones. En primer lugar, sus sugerencias estaban revueltas: los nombres rutherfordio y hahnio , originalmente sugeridos por Berkeley para los elementos 104 y 105, fueron reasignados respectivamente a los elementos 106 y 108. En segundo lugar, los elementos 104 y 105 recibieron nombres favorecidos por JINR, a pesar del reconocimiento anterior de LBL. como co-descubridor igual para ambos. En tercer lugar y más importante, la IUPAC rechazó el nombre seaborgio para el elemento 106, después de haber aprobado una regla según la cual un elemento no podía llevar el nombre de una persona viva, a pesar de que el informe de 1993 había otorgado al equipo del LBL el crédito exclusivo por su descubrimiento. [74]
En 1995, la IUPAC abandonó la controvertida regla y estableció un comité de representantes nacionales destinado a encontrar un compromiso. Sugirieron seaborgio para el elemento 106 a cambio de la eliminación de todas las demás propuestas estadounidenses, excepto el nombre establecido lawrencium para el elemento 103. El nombre igualmente arraigado nobelium para el elemento 102 fue reemplazado por flerovium en honor a Georgy Flerov, tras el reconocimiento por parte de la Asamblea Legislativa de 1993. informan que ese elemento se había sintetizado por primera vez en Dubna. Esto fue rechazado por los científicos estadounidenses y la decisión fue retractada. [75] [3] El nombre flerovium se utilizó más tarde para el elemento 114. [76]
En 1996, la IUPAC celebró otra reunión, reconsideró todos los nombres disponibles y aceptó otro conjunto de recomendaciones; fue aprobado y publicado en 1997. [77] El elemento 105 recibió el nombre de dubnio (Db), en honor a Dubna en Rusia, la ubicación del JINR; Las sugerencias estadounidenses se utilizaron para los elementos 102, 103, 104 y 106. El nombre dubnium se había utilizado para el elemento 104 en la recomendación anterior de la IUPAC. Los científicos americanos aprobaron "a regañadientes" esta decisión. [78] La IUPAC señaló que el laboratorio de Berkeley ya había sido reconocido varias veces, al nombrar berkelio , californio y americio , y que la aceptación de los nombres rutherfordio y seaborgio para los elementos 104 y 106 debería compensarse reconociendo las contribuciones de JINR. al descubrimiento de los elementos 104, 105 y 106. [79]
Incluso después de 1997, LBL todavía usaba a veces el nombre hahnio para el elemento 105 en su propio material, y lo hizo tan recientemente como 2014. [80] [81] [82] [83] Sin embargo, el problema se resolvió en la literatura como dice Jens Volker. Kratz, editor de Radiochimica Acta , se negó a aceptar artículos que no utilizaran la nomenclatura IUPAC de 1997. [84]
El dubnio, que tiene un número atómico de 105, es un elemento superpesado ; Como todos los elementos con números atómicos tan altos, es muy inestable. El isótopo de dubnio más duradero conocido, 268 Db, tiene una vida media de alrededor de un día. [86] No se han observado isótopos estables, y un cálculo de 2012 realizado por JINR sugirió que las vidas medias de todos los isótopos de dubnio no excederían significativamente un día. [85] [m] El dubnio sólo puede obtenerse mediante producción artificial. [norte]
La corta vida media del dubnio limita la experimentación. Esto se ve agravado por el hecho de que los isótopos más estables son los más difíciles de sintetizar. [89] Los elementos con un número atómico más bajo tienen isótopos estables con una relación neutrón-protón más baja que aquellos con un número atómico más alto, lo que significa que el objetivo y los núcleos del haz que podrían emplearse para crear el elemento superpesado tienen menos neutrones de los necesarios para formar estos. isótopos más estables. ( A partir de la década de 2010 se están considerando diferentes técnicas basadas en reacciones rápidas de captura y transferencia de neutrones, pero las basadas en la colisión de un núcleo grande y pequeño todavía dominan la investigación en el área ) .
En cada experimento sólo se pueden producir unos pocos átomos de 268 Db y, por tanto, los tiempos de vida medidos varían significativamente durante el proceso. A partir de 2022, tras experimentos adicionales realizados en la fábrica de elementos superpesados de JINR (que inició operaciones en 2019), se mide que la vida media de 268 Db esdieciséis+
6-4horas. [13] El segundo isótopo más estable, 270 Db, se ha producido en cantidades aún más pequeñas: tres átomos en total, con tiempos de vida de 33,4 h, [92] 1,3 h y 1,6 h. [93] Estos dos son los isótopos de dubnio más pesados hasta la fecha, y ambos se produjeron como resultado de la desintegración de los núcleos más pesados 288 Mc y 294 Ts y no directamente, porque los experimentos que los produjeron fueron diseñados originalmente en Dubna para 48 Ca. vigas. [94] Para su masa, el 48 Ca tiene, con mucho, el mayor exceso de neutrones de todos los núcleos prácticamente estables, tanto cuantitativos como relativos, [86] lo que en consecuencia ayuda a sintetizar núcleos superpesados con más neutrones, pero esta ganancia se compensa con la menor probabilidad de Fusión para números atómicos elevados. [95]
Según la ley periódica , el dubnio debería pertenecer al grupo 5, junto con el vanadio , el niobio y el tantalio . Varios estudios han investigado las propiedades del elemento 105 y han descubierto que, en general, coincidían con las predicciones de la ley periódica. Sin embargo, pueden producirse desviaciones importantes debido a efectos relativistas , [o] que cambian drásticamente las propiedades físicas tanto a escala atómica como macroscópica. Estas propiedades siguen siendo difíciles de medir por varias razones: las dificultades de producción de átomos superpesados, las bajas tasas de producción, que sólo permiten escalas microscópicas, los requisitos de un laboratorio de radioquímica para probar los átomos, las cortas vidas medias de esos átomos, y la presencia de muchas actividades no deseadas además de las de síntesis de átomos superpesados. Hasta ahora, los estudios sólo se han realizado en átomos individuales. [3]
Un efecto relativista directo es que a medida que aumenta el número atómico de los elementos, los electrones más internos comienzan a girar más rápido alrededor del núcleo como resultado de un aumento de la atracción electromagnética entre un electrón y un núcleo. Se han encontrado efectos similares para los orbitales s más externos (y los p 1/2 , aunque en dubnio no están ocupados): por ejemplo, el orbital 7s se contrae un 25% de tamaño y se estabiliza en 2,6 eV . [3]
Un efecto más indirecto es que los orbitales s y p 1/2 contraídos protegen la carga del núcleo de manera más efectiva, dejando menos espacio para los electrones d y f externos, que por lo tanto se mueven en orbitales más grandes. El dubnio se ve muy afectado por esto: a diferencia de los miembros anteriores del grupo 5, sus electrones 7s son ligeramente más difíciles de extraer que sus electrones 6d. [3]
Otro efecto es la interacción espín-órbita , en particular la división espín-órbita, que divide la subcapa 6d (el número cuántico azimutal ℓ de la capa ad es 2) en dos subcapas, y cuatro de los diez orbitales tienen su ℓ reducido a 3/2. y seis elevados a 5/2. Se elevan los diez niveles de energía; cuatro de ellos son más bajos que los otros seis. (Los tres electrones 6d normalmente ocupan los niveles de energía más bajos, 6d 3/2 .) [3]
Un átomo de dubnio (Db + ) individualmente ionizado debería perder un electrón 6d en comparación con un átomo neutro; Los átomos de dubnio doblemente (Db 2+ ) o triplemente (Db 3+ ) ionizados deberían eliminar electrones 7s, a diferencia de sus homólogos más ligeros. A pesar de los cambios, todavía se espera que el dubnio tenga cinco electrones de valencia. Como los orbitales 6d del dubnio están más desestabilizados que los 5d del tantalio, y se espera que a Db 3+ le queden dos electrones 6d, en lugar de 7s, se espera que el estado de oxidación +3 resultante sea inestable e incluso más raro que ese. de tantalio. El potencial de ionización del dubnio en su estado de oxidación máximo +5 debería ser ligeramente menor que el del tantalio y el radio iónico del dubnio debería aumentar en comparación con el tantalio; esto tiene un efecto significativo en la química del dubnio. [3]
Los átomos de dubnio en estado sólido deben disponerse en una configuración cúbica centrada en el cuerpo , como los elementos anteriores del grupo 5. [4] La densidad prevista del dubnio es 21,6 g/cm 3 . [5]
La química computacional es más simple en la química en fase gaseosa , en la que las interacciones entre moléculas pueden ignorarse como insignificantes. Varios autores [3] han investigado el pentacloruro de dubnio; Los cálculos muestran que es consistente con las leyes periódicas al exhibir las propiedades de un compuesto de un elemento del grupo 5. Por ejemplo, los niveles de orbitales moleculares indican que el dubnio utiliza tres niveles de electrones 6d como se esperaba. En comparación con su análogo de tantalio, se espera que el pentacloruro de dubnio muestre un mayor carácter covalente : una disminución en la carga efectiva de un átomo y un aumento en la población superpuesta (entre los orbitales del dubnio y el cloro). [3]
Los cálculos de la química de la solución indican que el estado de oxidación máximo del dubnio, +5, será más estable que los del niobio y el tantalio y los estados +3 y +4 serán menos estables. La tendencia hacia la hidrólisis de cationes con el estado de oxidación más alto debería seguir disminuyendo dentro del grupo 5, pero todavía se espera que sea bastante rápida. Se espera que la complejación del dubnio siga las tendencias del grupo 5 en su riqueza. Los cálculos para los hidroxocloridocomplejos han mostrado una inversión en las tendencias de formación de complejos y extracción de elementos del grupo 5, siendo el dubnio más propenso a hacerlo que el tantalio. [3]
Los resultados experimentales de la química del dubnio se remontan a 1974 y 1976. Los investigadores del JINR utilizaron un sistema termocromatográfico y concluyeron que la volatilidad del bromuro de dubnio era menor que la del bromuro de niobio y aproximadamente la misma que la del bromuro de hafnio. No es seguro que los productos de fisión detectados confirmaran que el padre fuera efectivamente el elemento 105. Estos resultados pueden implicar que el dubnio se comporta más como hafnio que como niobio. [3]
Los siguientes estudios sobre la química del dubnio se llevaron a cabo en 1988, en Berkeley. Examinaron si el estado de oxidación más estable del dubnio en solución acuosa era +5. El dubnium se ahumó dos veces y se lavó con ácido nítrico concentrado ; Luego se comparó la sorción de dubnio en cubreobjetos de vidrio con la de los elementos del grupo 5, niobio y tantalio, y con la de los elementos del grupo 4, circonio y hafnio, producidos en condiciones similares. Se sabe que los elementos del grupo 5 se absorben en superficies de vidrio; los elementos del grupo 4 no. Dubnium fue confirmado como miembro del grupo 5. Sorprendentemente, el comportamiento de extracción de una solución mixta de ácido nítrico y fluorhídrico en metil isobutil cetona fue diferente entre dubnio, tantalio y niobio. El dubnio no se extrajo y su comportamiento se parecía más al niobio que al tantalio, lo que indica que el comportamiento complejante no podía predecirse únicamente a partir de simples extrapolaciones de tendencias dentro de un grupo de la tabla periódica. [3]
Esto impulsó una mayor exploración del comportamiento químico de los complejos de dubnio. Varios laboratorios realizaron conjuntamente miles de experimentos cromatográficos repetitivos entre 1988 y 1993. Todos los elementos del grupo 5 y el protactinio se extrajeron del ácido clorhídrico concentrado ; después de mezclar con concentraciones más bajas de cloruro de hidrógeno, se agregaron pequeñas cantidades de fluoruro de hidrógeno para iniciar la reextracción selectiva. El dubnio mostró un comportamiento diferente al del tantalio pero similar al del niobio y su pseudohomólogo protactinio en concentraciones de cloruro de hidrógeno inferiores a 12 moles por litro . Esta similitud con los dos elementos sugirió que el complejo formado era DbOX−
4o [Db(OH)
2X
4]−
. Después de experimentos de extracción de dubnio a partir de bromuro de hidrógeno en diisobutilcarbinol (2,6-dimetilheptan-4-ol), un extractante específico para protactinio, con eluciones posteriores con la mezcla de cloruro de hidrógeno/fluoruro de hidrógeno, así como con cloruro de hidrógeno, se descubrió que el dubnio ser menos propenso a la extracción que el protactinio o el niobio. Esto se explicó como una tendencia creciente a formar complejos no extraíbles de múltiples cargas negativas. Experimentos adicionales en 1992 confirmaron la estabilidad del estado +5: se demostró que Db(V) se podía extraer de columnas de intercambio catiónico con α-hidroxiisobutirato, como los elementos del grupo 5 y el protactinio; Db(III) y Db(IV) no lo fueron. En 1998 y 1999, nuevas predicciones sugirieron que el dubnio se extraería casi tan bien como el niobio y mejor que el tantalio de soluciones de haluros, lo que se confirmó más tarde. [3]
Los primeros experimentos de cromatografía de gases isotérmica se realizaron en 1992 con 262 Db (vida media de 35 segundos). Las volatilidades del niobio y el tantalio fueron similares dentro de los límites de error, pero el dubnio pareció ser significativamente menos volátil. Se postuló que trazas de oxígeno en el sistema podrían haber conducido a la formación de DbOBr.
3, que se predijo que sería menos volátil que DbBr
5. Experimentos posteriores en 1996 demostraron que los cloruros del grupo 5 eran más volátiles que los bromuros correspondientes, con la excepción del tantalio, presumiblemente debido a la formación de TaOCl .
3. Estudios posteriores de volatilidad de cloruros de dubnio y niobio en función de presiones parciales controladas de oxígeno mostraron que la formación de oxicloruros y la volatilidad general dependen de las concentraciones de oxígeno. Se demostró que los oxicloruros eran menos volátiles que los cloruros. [3]
En 2004-2005, investigadores de Dubna y Livermore identificaron un nuevo isótopo de dubnio, 268 Db, como producto de la desintegración alfa quíntuple del elemento recién creado 115 . Este nuevo isótopo demostró tener una vida lo suficientemente larga como para permitir más experimentación química, con una vida media de más de un día. En el experimento de 2004, se eliminó una fina capa de dubnio de la superficie del objetivo y se disolvió en agua regia con trazadores y un portador de lantano , del cual se precipitaron varias especies +3, +4 y +5 al agregar hidróxido de amonio . El precipitado se lavó y se disolvió en ácido clorhídrico, donde se convirtió en forma de nitrato y luego se secó sobre una película y se contó. Conteniendo principalmente una especie +5, que fue inmediatamente asignada a dubnium, también tenía una especie +4; Basándose en ese resultado, el equipo decidió que se necesitaba una separación química adicional. En 2005, se repitió el experimento, siendo el producto final un precipitado de hidróxido en lugar de nitrato, que se procesó adicionalmente tanto en Livermore (basado en cromatografía de fase inversa) como en Dubna (basado en cromatografía de intercambio aniónico). La especie +5 fue efectivamente aislada; El dubnio apareció tres veces en fracciones de tantalio únicamente y nunca en fracciones de solo niobio. Se observó que estos experimentos fueron insuficientes para sacar conclusiones sobre el perfil químico general del dubnio. [96]
En 2009, en el acelerador en tándem de la JAEA en Japón, se procesó dubnio en una solución de ácido nítrico y fluorhídrico, en concentraciones en las que el niobio forma NbOF.−
4y el tantalio forma TaF−
6. El comportamiento del dubnio fue cercano al del niobio pero no al del tantalio; así se dedujo que el dubnio formó DbOF−
4. A partir de la información disponible, se concluyó que el dubnio a menudo se comportaba como el niobio, a veces como el protactinio, pero rara vez como el tantalio. [97]
En 2021, los oxicloruros volátiles pesados del grupo 5 MOCl 3 (M = Nb, Ta, Db) se estudiaron experimentalmente en el acelerador en tándem de la JAEA. Se encontró que la tendencia en las volatilidades era NbOCl 3 > TaOCl 3 ≥ DbOCl 3 , de modo que el dubnio se comporta de acuerdo con las tendencias periódicas. [98]
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{{cite book}}: Mantenimiento CS1: fecha y año ( enlace ) Mantenimiento CS1: falta ubicación del editor ( enlace )El pobre elemento 105 ha tenido cinco nombres diferentes; los partidarios de Berkeley todavía lo llaman hahnio.
