El flerovio es un elemento químico sintético ; su símbolo es Fl y su número atómico es 114. Es un elemento extremadamente radiactivo y superpesado , llamado así por el Laboratorio Flerov de Reacciones Nucleares del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear en Dubna , Rusia, donde el elemento fue descubierto en 1999. El nombre del laboratorio, a su vez, honra al físico ruso Georgy Flyorov ( Флёров en cirílico , de ahí la transliteración de " yo " a "e"). [17] La IUPAC adoptó el nombre el 30 de mayo de 2012. El nombre y el símbolo se habían propuesto previamente para el elemento 102 ( nobelio ), pero no fueron aceptados por la IUPAC en ese momento.
Es un transactínido en el bloque p de la tabla periódica . Está en el período 7 , el miembro más pesado conocido del grupo del carbono y el último elemento cuya química se ha investigado. Los estudios químicos iniciales en 2007-2008 indicaron que el flerovio era inesperadamente volátil para un elemento del grupo 14. [18] Los resultados más recientes muestran que la reacción del flerovio con el oro es similar a la del copernicio , mostrando que es muy volátil e incluso puede ser gaseoso a temperatura y presión estándar , que mostraría propiedades metálicas , consistentes con ser el homólogo más pesado del plomo , y que sería el metal menos reactivo en el grupo 14. Si el flerovio se comporta más como un metal o un gas noble aún no se ha resuelto a partir de 2024; también podría ser un semiconductor.
Se sabe muy poco sobre el flerovio, ya que solo se puede producir un átomo a la vez, ya sea a través de síntesis directa o a través de la desintegración radiactiva de elementos aún más pesados, y todos los isótopos conocidos tienen una vida media corta. Se conocen seis isótopos de flerovio , que varían en número de masa entre 284 y 289; el más estable de ellos, 289 Fl , tiene una vida media de ~1,9 segundos, pero el 290 Fl, no confirmado , puede tener una vida media más larga de 19 segundos, que sería una de las vidas medias más largas de cualquier nucleido en estos confines más lejanos de la tabla periódica. Se predice que el flerovio está cerca del centro de la isla de estabilidad teórica , y se espera que los isótopos más pesados del flerovio, especialmente el posiblemente mágico 298 Fl , puedan tener vidas medias aún más largas.
Un núcleo atómico superpesado [a] se crea en una reacción nuclear que combina otros dos núcleos de tamaño desigual [b] en uno; aproximadamente, cuanto más desiguales sean los dos núcleos en términos de masa , mayor será la posibilidad de que los dos reaccionen. [24] El material hecho de los núcleos más pesados se convierte en un objetivo, que luego es bombardeado por el haz de núcleos más ligeros. Dos núcleos solo pueden fusionarse en uno si se aproximan lo suficiente; normalmente, los núcleos (todos cargados positivamente) se repelen entre sí debido a la repulsión electrostática . La interacción fuerte puede superar esta repulsión, pero solo a una distancia muy corta de un núcleo; los núcleos del haz se aceleran así en gran medida para que dicha repulsión sea insignificante en comparación con la velocidad del núcleo del haz. [25] La energía aplicada a los núcleos del haz para acelerarlos puede hacer que alcancen velocidades tan altas como una décima parte de la velocidad de la luz . Sin embargo, si se aplica demasiada energía, el núcleo del haz puede desmoronarse. [25]
El hecho de acercarse lo suficiente no es suficiente para que dos núcleos se fusionen: cuando dos núcleos se aproximan, suelen permanecer juntos durante unos 10 −20 segundos y luego se separan (no necesariamente en la misma composición que antes de la reacción) en lugar de formar un solo núcleo. [25] [26] Esto sucede porque durante el intento de formación de un solo núcleo, la repulsión electrostática desgarra el núcleo que se está formando. [25] 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 aproximan entre sí expresada en términos del área transversal que la partícula incidente debe golpear para que se produzca la fusión. [c] Esta fusión puede ocurrir como resultado del efecto cuántico en el que los núcleos pueden hacer un túnel a través de la repulsión electrostática. Si los dos núcleos pueden permanecer cerca después de esa fase, las interacciones nucleares múltiples dan como resultado una redistribución de energía y un equilibrio energético. [25]
La fusión resultante es un estado excitado [29] —denominado núcleo compuesto— y por lo tanto es muy inestable. [25] Para alcanzar un estado más estable, la fusión temporal puede fisionarse sin la formación de un núcleo más estable. [30] Alternativamente, el núcleo compuesto puede expulsar algunos neutrones , que se llevarían la energía de excitación; si esta última no es suficiente para una expulsión de neutrones, la fusión produciría un rayo gamma . Esto sucede en aproximadamente 10 −16 segundos después de la colisión nuclear inicial y da como resultado la creación de un núcleo más estable. [30] La definición del Grupo de Trabajo Conjunto IUPAC/IUPAP (JWP) establece que un elemento químico solo 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 tarda un núcleo en adquirir electrones y, por lo tanto, mostrar sus propiedades químicas. [31] [d]
El haz pasa a través del objetivo y llega a la siguiente cámara, el separador; si se produce un nuevo núcleo, se transporta con este haz. [33] 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 se marcan su energía y el tiempo de llegada. [33] La transferencia tarda unos 10 −6 segundos; para ser detectado, el núcleo debe sobrevivir este tiempo. [36] El núcleo se registra de nuevo una vez que se registra su desintegración, y se miden la ubicación, la energía y el tiempo de la desintegración. [33]
La estabilidad de un núcleo la proporciona la interacción fuerte. Sin embargo, su alcance es muy corto; a medida que los núcleos se hacen más grandes, 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. [37] 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. [38] [39] Por lo tanto, se predice teóricamente [40] y hasta ahora se ha observado [41] que los núcleos superpesados se desintegran predominantemente a través de modos de desintegración que son causados por dicha repulsión: desintegración alfa y fisión espontánea . [f] Casi todos los emisores alfa tienen más de 210 nucleones, [43] y el nucleido más ligero que experimenta principalmente fisión espontánea tiene 238. [44] En ambos modos de desintegración, los núcleos no pueden desintegrarse mediante barreras de energía correspondientes para cada modo, pero se pueden atravesar mediante un túnel. [38] [39]
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 use como energía cinética para salir del núcleo. [46] La fisión espontánea es causada por la repulsión electrostática que desgarra el núcleo y produce varios núcleos en diferentes instancias de fisión de núcleos idénticos. [39] A medida que aumenta el número atómico, la fisión espontánea rápidamente se vuelve más importante: las vidas medias parciales de fisión espontánea disminuyen en 23 órdenes de magnitud desde el uranio (elemento 92) hasta el nobelio (elemento 102), [47] y en 30 órdenes de magnitud desde el torio (elemento 90) hasta el fermio (elemento 100). [48] El modelo anterior de gota líquida sugería que la fisión espontánea ocurriría casi instantáneamente debido a la desaparición de la barrera de fisión para núcleos con aproximadamente 280 nucleones. [39] [49] El modelo de capas nucleares posterior sugirió que los núcleos con alrededor de 300 nucleones formarían una isla de estabilidad en la que los núcleos serán más resistentes a la fisión espontánea y sufrirán principalmente desintegración alfa con vidas medias más largas. [39] [49] Descubrimientos posteriores sugirieron que la isla predicha podría estar más lejos de lo que se anticipó originalmente; también mostraron que los núcleos intermedios entre los actínidos de larga vida y la isla predicha se deforman y ganan estabilidad adicional a partir de los efectos de capa. [50] Los experimentos en núcleos superpesados más ligeros, [51] así como aquellos más cercanos a la isla esperada, [47] han demostrado una estabilidad mayor que la anticipada previamente contra la fisión espontánea, lo que muestra la importancia de los efectos de capa en los núcleos. [g]
Las desintegraciones alfa son registradas por las partículas alfa emitidas, y los productos de la 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 estaban de hecho relacionadas entre sí se establece por la ubicación de estas desintegraciones, que deben estar en el mismo lugar.) [33] El núcleo conocido puede reconocerse por las características específicas de la desintegración que sufre, como la energía de desintegración (o más específicamente, la energía cinética de la partícula emitida). [i] La fisión espontánea, sin embargo, produce varios núcleos como productos, por lo que el nucleido original no puede determinarse a partir de sus hijos. [j]
La información disponible para los físicos que intentan sintetizar un elemento superpesado es, por tanto, la información recogida en los detectores: posición, energía y tiempo de llegada de una partícula al detector, y los 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 del que se afirma. A menudo, los datos proporcionados son insuficientes para concluir 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]A finales de la década de 1940 y principios de la de 1960, los primeros días de la fabricación de elementos transuránicos cada vez más pesados , se predijo que, dado que dichos elementos no se producían de forma natural, tendrían vidas medias de fisión espontánea cada vez más cortas , hasta que dejaron de existir por completo alrededor del elemento 108 (ahora llamado hassio ). El trabajo inicial en la síntesis de los actínidos más pesados pareció confirmar esto. [62] Pero el modelo de capas nucleares , introducido en 1949 y desarrollado ampliamente a finales de la década de 1960 por William Myers y Władysław Świątecki , afirmó que los protones y neutrones forman capas dentro de un núcleo, análogas a las capas de electrones . Los gases nobles no son reactivos debido a una capa de electrones completa; de manera similar, se teorizó que los elementos con capas nucleares completas (aquellos que tienen números " mágicos " de protones o neutrones) se estabilizarían contra la desintegración . Un isótopo doblemente mágico , con números mágicos tanto de protones como de neutrones, estaría especialmente estabilizado. Heiner Meldner calculó en 1965 que el siguiente isótopo doblemente mágico después del 208 Pb era el 298 Fl con 114 protones y 184 neutrones, que sería el centro de una " isla de estabilidad ". [62] [63] Esta isla de estabilidad, supuestamente desde el copernicio ( Z = 112) hasta el oganesón ( Z = 118), vendría después de un largo "mar de inestabilidad" desde el mendelevio ( Z = 101) hasta el roentgenio ( Z = 111), [62] y se especuló en 1966 que los isótopos del flerovio que contiene tenían vidas medias superiores a 10 8 años. [64] Estas predicciones tempranas fascinaron a los investigadores y condujeron al primer intento de fabricar flerovio, en 1968 con la reacción 248 Cm( 40 Ar,xn) . No se detectaron átomos de flerovio; se pensó que esto se debía a que el núcleo compuesto 288 Fl solo tiene 174 neutrones en lugar de los supuestos mágicos 184, y esto tendría un impacto significativo en la sección transversal de la reacción (rendimiento) y las vidas medias de los núcleos producidos. [65] [66] Pasaron 30 años más antes de que se fabricara flerovio por primera vez. [62]Trabajos posteriores sugieren que las islas de estabilidad alrededor del hassio y el flerovio se producen porque estos núcleos están respectivamente deformados y achatados , lo que los hace resistentes a la fisión espontánea, y que la verdadera isla de estabilidad para los núcleos esféricos se produce alrededor del unbibio -306 (122 protones, 184 neutrones). [67]
En las décadas de 1970 y 1980, los estudios teóricos debatieron si el elemento 114 sería un metal más volátil como el plomo o un gas inerte. [68]
El primer signo de flerovio fue encontrado en diciembre de 1998 por un equipo de científicos del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR), Dubna , Rusia, dirigido por Yuri Oganessian , quienes bombardearon un objetivo de plutonio-244 con núcleos acelerados de calcio-48 :
Esta reacción ya se había intentado antes, sin éxito; para este intento de 1998, JINR había mejorado todo su equipo para detectar y separar mejor los átomos producidos y bombardear el objetivo con mayor intensidad. [69] Se detectó un átomo de flerovio, en desintegración alfa con una vida media de 30,4 s. La energía de desintegración medida fue de 9,71 MeV , lo que da una vida media esperada de 2 a 23 s. [70] Esta observación se asignó a 289 Fl y se publicó en enero de 1999. [70] El experimento se repitió más tarde, pero nunca se volvió a observar un isótopo con estas propiedades de desintegración, por lo que se desconoce la identidad exacta de esta actividad. Puede haber sido debido al isómero 289m Fl , [71] [72] pero debido a que la presencia de toda una serie de isómeros de vida más larga en su cadena de desintegración sería bastante dudosa, la asignación más probable de esta cadena es al canal 2n que conduce a 290 Fl y la captura de electrones a 290 Nh . Esto encaja bien con la sistemática y las tendencias de los isótopos de flerovio, y es consistente con la baja energía del haz elegido para ese experimento, aunque sería deseable una mayor confirmación mediante la síntesis de 294 Lv en una reacción 248 Cm( 48 Ca,2n), que se desintegraría alfa a 290 Fl . [15] El equipo RIKEN informó sobre la posible síntesis de los isótopos 294 Lv y 290 Fl en 2016 en una reacción de 248 Cm( 48 Ca,2n), pero se pasó por alto la desintegración alfa de 294 Lv , se observó la desintegración alfa de 290 Fl a 286 Cn en lugar de la captura de electrones a 290 Nh , y la asignación a 294 Lv en lugar de 293 Lv no fue segura. [16]
Glenn T. Seaborg , un científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley que había estado involucrado en el trabajo para crear esos elementos superpesados, había dicho en diciembre de 1997 que "uno de sus sueños más duraderos y preciados era ver uno de esos elementos mágicos"; [62] su colega Albert Ghiorso le contó sobre la síntesis del flerovio poco después de su publicación en 1999. Ghiorso recordó más tarde: [73]
Quería que Glenn lo supiera, así que me acerqué a su cama y se lo dije. Me pareció ver un brillo en sus ojos, pero al día siguiente, cuando fui a visitarlo, no recordaba haberme visto. Como científico, había muerto cuando sufrió ese derrame cerebral. [73]
—Albert Ghiorso
Seaborg murió dos meses después, el 25 de febrero de 1999. [73]
En marzo de 1999, el mismo equipo reemplazó el objetivo 244 Pu por 242 Pu para producir otros isótopos de flerovio. Como resultado, se produjeron dos átomos de flerovio, cada uno de ellos con desintegración alfa y una vida media de 5,5 s. Se les asignó el nombre de 287 Fl . [74] Esta actividad tampoco se ha vuelto a observar y no está claro qué núcleo se produjo. Es posible que se tratara de un isómero 287m Fl [75] o de la captura de electrones por 287 Fl, lo que dio lugar a 287 Nh y 283 Rg. [76]
El descubrimiento, ahora confirmado, del flerovio se realizó en junio de 1999, cuando el equipo de Dubna repitió la primera reacción de 1998. Esta vez, se produjeron dos átomos de flerovio; su desintegración alfa tuvo una vida media de 2,6 s, diferente del resultado de 1998. [71] Esta actividad se asignó inicialmente a 288 Fl por error, debido a la confusión con respecto a las observaciones anteriores que se suponía que provenían de 289 Fl. Un trabajo posterior en diciembre de 2002 finalmente permitió una reasignación positiva de los átomos de junio de 1999 a 289 Fl. [75]
En mayo de 2009, el Grupo de Trabajo Conjunto (JWP) de la IUPAC publicó un informe sobre el descubrimiento del copernicio en el que reconocían el descubrimiento del isótopo 283 Cn. [77] Esto implicaba el descubrimiento del flerovio, a partir del reconocimiento de los datos para la síntesis de 287 Fl y 291 Lv , que se desintegran en 283 Cn. El descubrimiento del flerovio-286 y -287 se confirmó en enero de 2009 en Berkeley. A esto le siguió la confirmación del flerovio-288 y -289 en julio de 2009 en la Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) en Alemania. En 2011, la IUPAC evaluó los experimentos del equipo de Dubna de 1999 a 2007. Encontraron que los primeros datos no eran concluyentes, pero aceptaron los resultados de 2004-2007 como flerovio, y el elemento fue reconocido oficialmente como descubierto. [78]
Aunque el método de caracterización química de una hija fue exitoso para el flerovio y el livermorio, y la estructura más simple de los núcleos pares-pares hizo que la confirmación del oganesón ( Z = 118) fuera directa, ha habido dificultades para establecer la congruencia de las cadenas de desintegración de los isótopos con protones impares, neutrones impares o ambos. [81] [82] Para evitar este problema con la fusión en caliente, cuyas cadenas de desintegración terminan en fisión espontánea en lugar de conectarse a núcleos conocidos como lo permite la fusión fría, se realizaron experimentos en Dubna en 2015 para producir isótopos más ligeros de flerovio por reacción de 48 Ca con 239 Pu y 240 Pu, particularmente 283 Fl, 284 Fl y 285 Fl; El último había sido caracterizado previamente en la reacción 242 Pu( 48 Ca,5n) 285 Fl en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en 2010. 285 Fl se caracterizó más claramente, mientras que se encontró que el nuevo isótopo 284 Fl experimentaba fisión espontánea inmediata en lugar de desintegración alfa a nucleidos conocidos alrededor del cierre de la capa N = 162, y no se encontró 283 Fl. [11] Este isótopo más ligero podría producirse en la reacción de fusión fría 208 Pb( 76 Ge,n) 283 Fl, [15] que el equipo de RIKEN en Japón ha considerado investigar: [83] [84] Se espera que esta reacción tenga una sección transversal más alta de 200 fb que el récord mundial más bajo de 30 fb para 209 Bi( 70 Zn,n) 278 Nh, la reacción que RIKEN utilizó para el descubrimiento oficial del elemento 113 ( nihonium ). [15] [85] [86] El equipo de Dubna repitió su investigación de la reacción 240 Pu+ 48 Ca en 2017, observando tres nuevas cadenas de desintegración consistentes de 285 Fl, otra cadena de desintegración de este nucleido que puede pasar por algunos estados isoméricos en sus hijas, una cadena que podría asignarse a 287 Fl (probablemente de impurezas de 242 Pu en el objetivo), y algunas fisiones espontáneas de las cuales algunas podrían ser de 284 Fl, aunque también son posibles otras interpretaciones que incluyen reacciones secundarias que involucran la evaporación de partículas cargadas. [12]
Según la nomenclatura de Mendeleev para elementos no nombrados y no descubiertos , el flerovio a veces se llama eka- plomo . En 1979, la IUPAC publicó recomendaciones según las cuales el elemento debía llamarse ununquadium (símbolo Uuq ), [87] un nombre de elemento sistemático como marcador de posición , hasta que se confirme el descubrimiento del elemento y se decida un nombre permanente . La mayoría de los científicos en el campo lo llamaron "elemento 114", con el símbolo de E114 , (114) o 114. [3]
Según las recomendaciones de la IUPAC, el o los descubridores de un nuevo elemento tienen derecho a sugerir un nombre. [88] Después de que la IUPAC reconociera el descubrimiento del flerovio y el livermorio el 1 de junio de 2011, la IUPAC pidió al equipo de descubrimiento del JINR que sugiriera nombres permanentes para los dos elementos. El equipo de Dubna eligió el nombre flerovio (símbolo Fl), [89] [90] en honor al Laboratorio de Reacciones Nucleares Flerov (FLNR) de Rusia , llamado así por el físico soviético Georgy Flyorov (también escrito Flerov); informes anteriores afirman que el nombre del elemento fue propuesto directamente para honrar a Flyorov. [91] De acuerdo con la propuesta recibida de los descubridores, la IUPAC nombró oficialmente al flerovio en honor al Laboratorio de Reacciones Nucleares Flerov, no en honor al propio Flyorov. [9] Flyorov es conocido por escribirle a Joseph Stalin en abril de 1942 y señalar el silencio en las revistas científicas en el campo de la fisión nuclear en los Estados Unidos, Gran Bretaña y Alemania. Flyorov dedujo que esta investigación debe haberse convertido en información clasificada en esos países. El trabajo y los impulsos de Flyorov llevaron al desarrollo del proyecto de bomba atómica de la propia URSS . [90] Flyorov también es conocido por el descubrimiento de la fisión espontánea con Konstantin Petrzhak . La ceremonia de nombramiento del flerovio y el livermorio se celebró el 24 de octubre de 2012 en Moscú. [92]
En una entrevista de 2015 con Oganessian, el presentador, preparándose para hacer una pregunta, dijo: "Dijiste que habías soñado con nombrar [un elemento] en honor a tu maestro Georgy Flyorov". Sin dejar que el presentador terminara, Oganessian dijo repetidamente: "Lo hice". [93]
Se han medido muy pocas propiedades del flerovio o de sus compuestos, debido a su producción extremadamente limitada y costosa [24] y al hecho de que se desintegra muy rápidamente. Se han medido unas pocas propiedades singulares, pero en su mayor parte, las propiedades del flerovio siguen siendo desconocidas y solo se pueden hacer predicciones.
La base de la periodicidad química en la tabla periódica es el cierre de la capa electrónica en cada gas noble ( números atómicos 2 , 10 , 18 , 36 , 54 , 86 y 118 ): como cualquier electrón adicional debe entrar en una nueva capa con mayor energía, las configuraciones electrónicas de capa cerrada son notablemente más estables, de ahí la inercia de los gases nobles. [94] También se sabe que los protones y neutrones forman capas nucleares cerradas, por lo que lo mismo sucede en los cierres de capas de nucleones, que ocurren en números de nucleones específicos a menudo denominados "números mágicos". Los números mágicos conocidos son 2, 8, 20, 28, 50 y 82 para protones y neutrones; también 126 para neutrones. [94] Los núcleos con números mágicos de protones y neutrones , como el helio-4 , el oxígeno-16 , el calcio-48 y el plomo-208 , son "doblemente mágicos" y son muy estables. Esta estabilidad es muy importante para los elementos superpesados : sin estabilización, se esperaría que las vidas medias, por extrapolación exponencial, fueran de nanosegundos en el darmstadtio (elemento 110), porque la repulsión electrostática cada vez mayor entre protones supera la fuerza nuclear fuerte de alcance limitado que mantiene unidos a los núcleos. Se cree que las siguientes capas cerradas de nucleones (números mágicos) denotan el centro de la largamente buscada isla de estabilidad, donde las vidas medias hasta la desintegración alfa y la fisión espontánea se alargan nuevamente. [94]
Inicialmente, por analogía con el número mágico de neutrones 126, la siguiente capa de protones también se esperaba en el elemento 126 , demasiado lejos de las capacidades de síntesis de mediados del siglo XX para recibir mucha atención teórica. En 1966, nuevos valores para el potencial y la interacción espín-órbita en esta región de la tabla periódica [95] contradijeron esto y predijeron que la siguiente capa de protones estaría en cambio en el elemento 114, [94] y que los núcleos en esta región serían relativamente estables frente a la fisión espontánea. [94] Las capas de neutrones cerradas esperadas en esta región estaban en el número de neutrones 184 o 196, lo que hacía que 298 Fl y 310 Fl fueran candidatos para ser doblemente mágicos. [94] Las estimaciones de 1972 predijeron una vida media de alrededor de 1 año para el 298 Fl, que se esperaba que estuviera cerca de una isla de estabilidad centrada cerca del 294 Ds (con una vida media de alrededor de 10 10 años, comparable al 232 Th ). [94] Después de fabricar los primeros isótopos de los elementos 112-118 a principios del siglo XXI, se descubrió que estos isótopos deficientes en neutrones estaban estabilizados contra la fisión. En 2008, se planteó la hipótesis de que la estabilización contra la fisión de estos nucleidos se debía a sus núcleos achatados , y que una región de núcleos achatados estaba centrada en el 288 Fl. Además, nuevos modelos teóricos mostraron que la brecha de energía esperada entre los orbitales de protones 2f 7/2 (lleno en el elemento 114) y 2f 5/2 (lleno en el elemento 120 ) era menor de lo esperado, por lo que el elemento 114 ya no parecía ser una capa nuclear cerrada esférica estable. Ahora se espera que el próximo núcleo doblemente mágico esté alrededor de 306 Ubb, pero la vida media corta esperada de este nucleido y la sección transversal de producción baja hacen que su síntesis sea un desafío. [67] Aún así, se espera que la isla de estabilidad exista en esta región, y más cerca de su centro (al que aún no se ha acercado lo suficiente) algunos nucleidos, como 291 Mc y sus hijas de desintegración alfa y beta , [n] se pueden encontrar decayendo por emisión de positrones o captura de electrones y, por lo tanto, se mueven al centro de la isla. [85] Debido a las altas barreras de fisión esperadas, cualquier núcleo en esta isla de estabilidad se desintegraría exclusivamente por desintegración alfa y quizás por alguna captura de electrones y desintegración beta , [94]Ambos factores acercarían los núcleos a la línea de estabilidad beta, donde se espera que se encuentre la isla. Para alcanzar la isla se necesita la captura de electrones, lo que es problemático porque no es seguro que la captura de electrones sea un modo de desintegración importante en esta región del diagrama de nucleidos . [85]
En el período 2000-2004 se realizaron experimentos en el Laboratorio Flerov de Reacciones Nucleares en Dubna para estudiar las propiedades de fisión del núcleo compuesto 292 Fl bombardeando 244 Pu con iones acelerados de 48 Ca. [96] Un núcleo compuesto es una combinación suelta de nucleones que aún no se han organizado en capas nucleares. No tiene estructura interna y se mantiene unido solo por las fuerzas de colisión entre los dos núcleos. [97] [o] Los resultados mostraron cómo dichos núcleos se fisionan principalmente expulsando fragmentos doblemente mágicos o casi doblemente mágicos como 40 Ca , 132 Sn , 208 Pb o 209 Bi . También se encontró que los proyectiles de 48 Ca y 58 Fe tenían un rendimiento similar para la vía de fusión-fisión, lo que sugiere un posible uso futuro de proyectiles de 58 Fe para fabricar elementos superpesados. [96] También se ha sugerido que un isótopo de flerovio rico en neutrones se puede formar por cuasifisión (fusión parcial seguida de fisión) de un núcleo masivo. [98] Recientemente se ha demostrado que las reacciones de transferencia de múltiples nucleones en colisiones de núcleos de actínidos (como el uranio y el curio ) se podrían utilizar para crear núcleos superpesados ricos en neutrones en la isla de estabilidad, [98] aunque es más probable la producción de nobelio o seaborgio ricos en neutrones . [85]
Las estimaciones teóricas de las vidas medias de desintegración alfa de los isótopos de flerovio respaldan los datos experimentales. [99] [100] Se predice que el isótopo 298 Fl, que sobrevivió a la fisión y que durante mucho tiempo se esperó que fuera doblemente mágico, tiene una vida media de desintegración alfa de ~17 días. [101] [102] Actualmente, producir 298 Fl directamente mediante una vía de fusión-evaporación es imposible: no se conoce ninguna combinación de objetivo y proyectil estable que pueda dar 184 neutrones para el núcleo compuesto, y los proyectiles radiactivos como el 50 Ca (vida media de 14 s) aún no se pueden usar en la cantidad e intensidad necesarias. [98] Una posibilidad para hacer los núcleos de larga vida teorizados de copernicio ( 291 Cn y 293 Cn) y flerovio cerca del centro de la isla, es usar objetivos aún más pesados como 250 Cm , 249 Bk , 251 Cf y 254 Es , que cuando se fusionan con 48 Ca producirían isótopos como 291 Mc y 291 Fl (como productos de desintegración de 299 Uue, 295 Ts y 295 Lv), que pueden tener suficientes neutrones para la desintegración alfa a nucleidos lo suficientemente cerca del centro de la isla para posiblemente experimentar captura de electrones y moverse hacia el interior del centro. Sin embargo, las secciones transversales de reacción serían pequeñas y todavía se sabe poco sobre las propiedades de desintegración de los superpesados cerca de la línea de estabilidad beta. Esta puede ser la mejor esperanza actual para sintetizar núcleos en la isla de estabilidad, pero es especulativa y puede o no funcionar en la práctica. [85] Otra posibilidad es utilizar explosiones nucleares controladas para obtener el alto flujo de neutrones necesario para producir cantidades macroscópicas de tales isótopos. [85] Esto imitaría el proceso r donde los actínidos se produjeron por primera vez en la naturaleza y se eludió la brecha de inestabilidad después del polonio , ya que evitaría las brechas de inestabilidad en 258-260 Fm y en el número de masa 275 (números atómicos 104 a 108). [85] Algunos de estos isótopos (especialmente 291 Cn y 293 Cn) pueden incluso haber sido sintetizados en la naturaleza, pero se desintegrarían demasiado rápido (con vidas medias de solo miles de años) y se producirían en cantidades demasiado pequeñas (~10 −12 la abundancia de plomo) para ser detectables hoy fuera de los rayos cósmicos . [85]
El flerovio está en el grupo 14 de la tabla periódica , por debajo del carbono , el silicio , el germanio , el estaño y el plomo . Todos los elementos anteriores del grupo 14 tienen 4 electrones en su capa de valencia, por lo tanto, la configuración electrónica de valencia es ns 2 np 2. Para el flerovio, la tendencia continuará y se predice que la configuración electrónica de valencia será 7s 2 7p 2 ; [3] el flerovio será similar a sus congéneres más ligeros en muchos sentidos. Es probable que surjan diferencias; un gran contribuyente es la interacción espín-órbita (SO), interacción mutua entre el movimiento de los electrones y el espín . Es especialmente fuerte en elementos superpesados, porque los electrones se mueven más rápido que en átomos más ligeros, a velocidades comparables a la velocidad de la luz . [103] Para el flerovio, reduce los niveles de energía de los electrones 7s y 7p (estabilizando los electrones correspondientes), pero dos de los niveles de energía de los electrones 7p se estabilizan más que los otros cuatro. [104] La estabilización de los electrones 7s se llama efecto de par inerte , y el efecto de "desgarrar" la subcapa 7p en las partes más y menos estabilizadas se llama división de subcapa. Los químicos computacionales ven la división como un cambio del segundo número cuántico ( azimutal ) ℓ de 1 a 1 ⁄ 2 y 3 ⁄ 2 para las partes más estabilizadas y menos estabilizadas de la subcapa 7p, respectivamente. [105] [p] Para muchos propósitos teóricos, la configuración electrónica de valencia puede representarse para reflejar la división de la subcapa 7p como 7s 2
7p2
1/2. [3] Estos efectos hacen que la química del flerovio sea algo diferente de la de sus vecinos más ligeros.
Debido a que la división de espín-órbita de la subcapa 7p es muy grande en el flerovio, y ambos orbitales llenos del flerovio en la séptima capa están estabilizados relativistamente; la configuración electrónica de valencia del flerovio puede considerarse como si tuviera una capa completamente llena. Su primera energía de ionización de 8,539 eV (823,9 kJ/mol ) debería ser la segunda más alta del grupo 14. [3] Los niveles de electrones 6d también están desestabilizados, lo que lleva a algunas especulaciones tempranas de que pueden ser químicamente activos, aunque trabajos más recientes sugieren que esto es poco probable. [94] Debido a que la primera energía de ionización es mayor que en el silicio y el germanio , aunque aún menor que en el carbono , se ha sugerido que el flerovio podría clasificarse como un metaloide . [106]
La configuración electrónica de capa cerrada del flerovio significa que el enlace metálico en el flerovio metálico es más débil que en los elementos anteriores y posteriores; por lo que se espera que el flerovio tenga un punto de ebullición bajo , [3] y recientemente se ha sugerido que posiblemente sea un metal gaseoso, similar a las predicciones para el copernicio, que también tiene una configuración electrónica de capa cerrada. [67] Los puntos de fusión y ebullición del flerovio se predijeron en la década de 1970 en alrededor de 70 y 150 °C, [3] significativamente más bajos que para los elementos más ligeros del grupo 14 (el plomo tiene 327 y 1749 °C), y continuando la tendencia de disminución de los puntos de ebullición a lo largo del grupo. Estudios anteriores predijeron un punto de ebullición de ~1000 °C o 2840 °C, [94] pero esto ahora se considera poco probable debido al enlace metálico débil esperado y que las tendencias del grupo esperarían que el flerovio tenga una entalpía de sublimación baja. [3] Los cálculos preliminares de 2021 predijeron que el flerovio debería tener un punto de fusión de -73 °C (más bajo que el mercurio a -39 °C y el copernicio, predicho 10 ± 11 °C) y un punto de ebullición de 107 °C, lo que lo convertiría en un metal líquido. [107] Al igual que el mercurio , el radón y el copernicio , pero no el plomo y el oganesón (eka-radón), se calcula que el flerovio no tiene afinidad electrónica . [108]
Un estudio de 2010 publicó cálculos que predicen una estructura cristalina compacta hexagonal para el flerovio debido a los efectos de acoplamiento espín-órbita, y una densidad de 9,928 g/cm 3 , aunque se observó que probablemente era un poco demasiado baja. [109] Cálculos más nuevos publicados en 2017 esperaban que el flerovio cristalizara en una estructura cristalina cúbica centrada en las caras como su congénere más ligero, el plomo, [110] y cálculos publicados en 2022 predijeron una densidad de 11,4 ± 0,3 g/cm 3 , similar al plomo (11,34 g/cm 3 ). Estos cálculos encontraron que las estructuras compactas cúbicas centradas en las caras y hexagonales deberían tener casi la misma energía, un fenómeno que recuerda a los gases nobles. Estos cálculos predicen que el flerovio de empaquetamiento compacto hexagonal debería ser un semiconductor, con una brecha de banda de 0,8 ± 0,3 eV. (También se predice que el copernicio es un semiconductor.) Estos cálculos predicen que la energía cohesiva del flerovio debería estar alrededor de -0,5 ± 0,1 eV; esto es similar a lo predicho para el oganesón (-0,45 eV), mayor que el predicho para el copernicio (-0,38 eV), pero menor que el del mercurio (-0,79 eV). El punto de fusión se calculó como 284 ± 50 K (11 ± 50 °C), por lo que el flerovio es probablemente un líquido a temperatura ambiente, aunque el punto de ebullición no se determinó. [4]
Se espera que el electrón de un ion flerovio similar al hidrógeno (Fl 113+ ; eliminar todos los electrones menos uno) se mueva tan rápido que su masa sea 1,79 veces la de un electrón estacionario, debido a efectos relativistas . (Se espera que las cifras para el plomo y el estaño similares al hidrógeno sean 1,25 y 1,073 respectivamente. [111] ) El flerovio formaría enlaces metal-metal más débiles que el plomo y se adsorbería menos en las superficies. [111]
El flerovio es el miembro más pesado conocido del grupo 14, por debajo del plomo, y se prevé que sea el segundo miembro de la serie de elementos 7p. Se espera que el nihonio y el flerovio formen un subperíodo muy corto correspondiente al llenado del orbital 7p 1/2 , que se encuentra entre el llenado de los subniveles 6d 5/2 y 7p 3/2 . Se espera que su comportamiento químico sea muy distintivo: la homología del nihonio con el talio ha sido calificada de "dudosa" por los químicos computacionales, mientras que la del flerovio con el plomo ha sido calificada sólo de "formal". [112]
Los primeros cinco miembros del grupo 14 muestran un estado de oxidación +4 y los últimos miembros tienen una química +2 cada vez más prominente debido al inicio del efecto del par inerte. Para el estaño, los estados +2 y +4 son similares en estabilidad, y el plomo (II) es el más estable de todos los estados de oxidación +2 químicamente bien entendidos en el grupo 14. [3] Los orbitales 7s están altamente estabilizados en flerovio, por lo que se necesita una hibridación orbital sp 3 muy grande para lograr un estado de oxidación +4, por lo que se espera que el flerovio sea incluso más estable que el plomo en su estado de oxidación +2 fuertemente predominante y su estado de oxidación +4 debería ser altamente inestable. [3] Por ejemplo, se espera que el dióxido (FlO 2 ) sea altamente inestable a la descomposición en sus elementos constituyentes (y no se formaría por reacción directa de flerovio con oxígeno), [3] [113] y el fleroviano (FlH 4 ), que debería tener longitudes de enlace Fl–H de 1,787 Å [6] y sería el homólogo más pesado del metano (los compuestos más ligeros incluyen silano , germano y estannano ), se predice que es más inestable termodinámicamente que el plumbano , descomponiéndose espontáneamente en hidruro de flerovio (II) (FlH 2 ) y H 2 . [114] El tetrafluoruro FlF 4 [115] tendría enlaces principalmente debido a hibridaciones sd en lugar de hibridaciones sp 3 , [94] y su descomposición en el gas difluoruro y flúor sería exotérmica. [6] Los otros tetrahaluros (por ejemplo, FlCl 4 se desestabiliza en aproximadamente 400 kJ/mol) se descomponen de manera similar. [6] El anión polifluoruro correspondiente FlF2−
6Debe ser inestable a la hidrólisis en solución acuosa y los aniones polihaluro de flerovio (II) como FlBr−
3y FlI−
3Se predice que se forman preferentemente en soluciones. [3] Las hibridaciones sd se sugirieron en cálculos tempranos, ya que los electrones 7s y 6d del flerovio comparten aproximadamente la misma energía, lo que permitiría la formación de un hexafluoruro volátil , pero cálculos posteriores no confirman esta posibilidad. [94] En general, la contracción de espín-órbita del orbital 7p 1/2 debería conducir a longitudes de enlace más pequeñas y ángulos de enlace más grandes: esto se ha confirmado teóricamente en FlH 2 . [6] Aún así, incluso FlH 2 debería desestabilizarse relativistamente por 2,6 eV por debajo de Fl+H 2 ; los grandes efectos de espín-órbita también rompen la división singlete-triplete habitual en los dihidruros del grupo 14. Se predice que FlF 2 y FlCl 2 son más estables que FlH 2 . [116]
Debido a la estabilización relativista del 7s 2 7p del flerovio2
1/2configuración electrónica de valencia, el estado de oxidación 0 también debería ser más estable para el flerovio que para el plomo, ya que los electrones 7p 1/2 comienzan a tener también un efecto de par inerte leve: [3] esta estabilización del estado neutro puede generar algunas similitudes entre el comportamiento del flerovio y el gas noble radón . [68] Debido a la inercia relativa esperada del flerovio, los compuestos diatómicos FlH y FlF deberían tener energías de disociación más bajas que los compuestos de plomo correspondientes PbH y PbF. [6] El flerovio (IV) debería ser incluso más electronegativo que el plomo (IV); [115] el plomo (IV) tiene una electronegatividad de 2,33 en la escala de Pauling, aunque el valor del plomo (II) es solo 1,87. El flerovio podría ser un metal noble . [3]
El flerovio (II) debería ser más estable que el plomo (II) y los haluros FlX + , FlX 2 , FlX−
3, y FlX2−
4Se espera que (X = Cl , Br , I ) se formen fácilmente. Los fluoruros sufrirían una fuerte hidrólisis en solución acuosa. [3] Se espera que todos los dihaluros de flerovio sean estables; [3] siendo el difluoruro soluble en agua. [117] Los efectos de espín-órbita desestabilizarían el dihidruro (FlH 2 ) en casi 2,6 eV (250 kJ/mol). [113] En solución acuosa, el oxianión flerovita ( FlO2−
2) también se formaría, de forma análoga a la plumbita . El sulfato de flerovio (II) (FlSO 4 ) y el sulfuro (FlS) deberían ser muy insolubles en agua, y el acetato de flerovio (II) (FlC 2 H 3 O 2 ) y el nitrato (Fl(NO 3 ) 2 ) deberían ser bastante solubles en agua. [94] Se estima que el potencial de electrodo estándar para la reducción del ion Fl 2+ a flerovio metálico es de alrededor de +0,9 V, lo que confirma la mayor estabilidad del flerovio en el estado neutro. [3] En general, debido a la estabilización relativista del espinor 7p 1/2 , se espera que Fl 2+ tenga propiedades intermedias entre las de Hg 2+ o Cd 2+ y su congénere más ligero Pb 2+ . [3]
El flerovio es actualmente el último elemento cuya química ha sido investigada experimentalmente, aunque los estudios hasta ahora no son concluyentes. Se realizaron dos experimentos en abril-mayo de 2007 en una colaboración conjunta FLNR- PSI para estudiar la química del copernicio. El primer experimento utilizó la reacción 242 Pu( 48 Ca,3n) 287 Fl; y el segundo, 244 Pu( 48 Ca,4n) 288 Fl: estas reacciones dan isótopos de flerovio de vida corta cuyas hijas del copernicio se estudiarían después. [118] Las propiedades de adsorción de los átomos resultantes en una superficie de oro se compararon con las del radón, ya que se esperaba que la configuración electrónica de capa completa del copernicio condujera a un comportamiento similar al de los gases nobles. [118] Los gases nobles interactúan con las superficies metálicas muy débilmente, lo que no es característico de los metales. [118]
El primer experimento encontró 3 átomos de 283 Cn pero aparentemente también 1 átomo de 287 Fl. Esto fue una sorpresa; el tiempo de transporte para los átomos del producto es de ~2 s, por lo que el flerovio debería haberse desintegrado en copernicio antes de la adsorción. En la segunda reacción, se observaron 2 átomos de 288 Fl y posiblemente 1 de 289 Fl. Dos de los tres átomos mostraron características de adsorción asociadas con un elemento volátil, similar a un gas noble, lo que se ha sugerido pero no se predice en cálculos más recientes. Estos experimentos dieron una confirmación independiente para el descubrimiento de copernicio, flerovio y livermorio a través de la comparación con datos de desintegración publicados. Experimentos posteriores en 2008 para confirmar este importante resultado detectaron 1 átomo de 289 Fl, y respaldaron datos anteriores que mostraban que el flerovio tenía una interacción similar a la de un gas noble con el oro. [118]
El apoyo empírico a la idea de que el flerovio es similar a un gas noble pronto se debilitó. En 2009 y 2010, la colaboración FLNR-PSI sintetizó más flerovio para dar continuidad a sus estudios de 2007 y 2008. En particular, los tres primeros átomos de flerovio obtenidos en el estudio de 2010 sugirieron nuevamente que era similar a un gas noble, pero el conjunto completo en conjunto resultó en una interpretación más ambigua, inusual para un metal del grupo del carbono, pero no completamente similar a un gas noble en cuanto a su carácter. [119] En su artículo, los científicos se abstuvieron de decir que las propiedades químicas del flerovio eran "cercanas a las de los gases nobles", como se había hecho previamente en el estudio de 2008. [119] La volatilidad del flerovio se midió nuevamente a través de interacciones con una superficie de oro, y proporcionó indicaciones de que la volatilidad del flerovio era comparable a la del mercurio, el astato y el copernicio investigado simultáneamente, que se había demostrado en el estudio que era un metal noble muy volátil, acorde con su condición de ser el elemento más pesado conocido del grupo 12. [119] Aún así, se señaló que este comportamiento volátil no era el esperado para un metal habitual del grupo 14. [119]
En experimentos realizados en 2012 en el GSI, se descubrió que la química del flerovio era más metálica que parecida a la de un gas noble. Jens Volker Kratz y Christoph Düllmann nombraron específicamente al copernicio y al flerovio como pertenecientes a una nueva categoría de "metales volátiles"; Kratz incluso especuló que podrían ser gases a temperatura y presión estándar . [67] [120] Se esperaba que estos "metales volátiles", como categoría, cayeran entre los metales normales y los gases nobles en términos de propiedades de adsorción. [67] Contrariamente a los resultados de 2009 y 2010, se demostró en los experimentos de 2012 que las interacciones del flerovio y el copernicio respectivamente con el oro eran aproximadamente iguales. [121] Estudios posteriores mostraron que el flerovio era más reactivo que el copernicio, en contradicción con experimentos y predicciones anteriores. [67]
En un artículo de 2014 que detallaba los resultados experimentales de la caracterización química del flerovio, el grupo GSI escribió: "[el flerovio] es el elemento menos reactivo del grupo, pero sigue siendo un metal". [122] Sin embargo, en una conferencia de 2016 sobre la química y la física de los elementos pesados y superpesados, Alexander Yakushev y Robert Eichler, dos científicos que habían estado activos en GSI y FLNR en la determinación de la química del flerovio, todavía pidieron cautela en función de las inconsistencias de los diversos experimentos enumerados anteriormente, señalando que la cuestión de si el flerovio era un metal o un gas noble todavía estaba abierta con la evidencia conocida: un estudio sugirió una interacción débil similar a un gas noble entre el flerovio y el oro, mientras que el otro sugirió una interacción metálica más fuerte. [123] El isótopo de vida más larga 289 Fl se ha considerado de interés para futuros estudios radioquímicos. [124]
Los experimentos publicados en 2022 sugieren que el flerovio es un metal que presenta una reactividad menor hacia el oro que el mercurio, pero mayor que el radón. Los experimentos no pudieron identificar si la adsorción se debió al flerovio elemental (considerado más probable), o si se debió a un compuesto de flerovio como el FlO que fue más reactivo hacia el oro que el flerovio elemental, pero ambos escenarios implican que el flerovio forma enlaces químicos. [125] [126]
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pp. 030001-1–030001-17, pp. 030001-18–030001-138, Tabla I. Tabla NUBASE2016 de propiedades nucleares y de desintegración
