Una tabla periódica ampliada teoriza sobre elementos químicos más allá de los conocidos y comprobados actualmente. El elemento con el número atómico más alto conocido es el oganesón ( Z = 118), que completa el séptimo período (fila) en la tabla periódica . Todos los elementos del octavo período y posteriores siguen siendo, por lo tanto, puramente hipotéticos.
Los elementos posteriores al 118 se colocarán en períodos adicionales cuando se descubran, dispuestos (como con los períodos existentes) para ilustrar tendencias periódicas recurrentes en las propiedades de los elementos. Se espera que cualquier período adicional contenga más elementos que el séptimo período, ya que se calcula que tienen un llamado bloque g adicional , que contiene al menos 18 elementos con orbitales g parcialmente llenos en cada período. Glenn T. Seaborg sugirió una tabla de ocho períodos que contiene este bloque en 1969. [1] [2] El primer elemento del bloque g puede tener número atómico 121 y, por lo tanto, tendría el nombre sistemático de unbiunio . A pesar de muchas búsquedas, no se han sintetizado ni descubierto elementos en esta región en la naturaleza. [3]
Según la aproximación orbital en las descripciones mecánico-cuánticas de la estructura atómica, el bloque g correspondería a elementos con orbitales g parcialmente llenos, pero los efectos de acoplamiento espín-órbita reducen sustancialmente la validez de la aproximación orbital para elementos de alto número atómico. La versión de Seaborg del período extendido tenía a los elementos más pesados siguiendo el patrón establecido por los elementos más ligeros, ya que no tenía en cuenta los efectos relativistas . Los modelos que tienen en cuenta los efectos relativistas predicen que el patrón se romperá. Pekka Pyykkö y Burkhard Fricke utilizaron modelos informáticos para calcular las posiciones de los elementos hasta Z = 172, y encontraron que varios estaban desplazados de la regla de Madelung . [4] Como resultado de la incertidumbre y la variabilidad en las predicciones de las propiedades químicas y físicas de los elementos más allá de 120, actualmente no hay consenso sobre su ubicación en la tabla periódica extendida.
Los elementos de esta región son probablemente muy inestables con respecto a la desintegración radiactiva y sufren desintegración alfa o fisión espontánea con vidas medias extremadamente cortas , aunque se plantea la hipótesis de que el elemento 126 se encuentra dentro de una isla de estabilidad que es resistente a la fisión pero no a la desintegración alfa. También pueden ser posibles otras islas de estabilidad más allá de los elementos conocidos, incluida una teorizada en torno al elemento 164, aunque el alcance de los efectos estabilizadores de las capas nucleares cerradas es incierto. No está claro cuántos elementos más allá de la isla de estabilidad esperada son físicamente posibles, si el período 8 está completo o si hay un período 9. La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) define que un elemento existe si su vida útil es superior a 10 −14 segundos (0,01 picosegundos o 10 femtosegundos), que es el tiempo que tarda el núcleo en formar una nube de electrones . [5]
Ya en 1940 se observó que una interpretación simplista de la ecuación relativista de Dirac se enfrenta a problemas con los orbitales electrónicos en Z > 1/α ≈ 137, lo que sugiere que los átomos neutros no pueden existir más allá del elemento 137 y que, por tanto, una tabla periódica de elementos basada en orbitales electrónicos se rompe en este punto. [6] Por otro lado, un análisis más riguroso calcula que el límite análogo es Z ≈ 168–172, donde la subcapa 1s se sumerge en el mar de Dirac , y que, en cambio, no son los átomos neutros los que no pueden existir más allá de este punto, sino los núcleos desnudos, por lo que no suponen ningún obstáculo para la extensión adicional del sistema periódico. Los átomos más allá de este número atómico crítico se denominan átomos supercríticos .
La existencia de elementos más allá de los actínidos se propuso por primera vez en 1895, cuando el químico danés Hans Peter Jørgen Julius Thomsen predijo que el torio y el uranio formaban parte de un período de 32 elementos que terminaría en un elemento químicamente inactivo con peso atómico 292 (no muy lejos del 294 del único isótopo conocido del oganesón ). En 1913, el físico sueco Johannes Rydberg predijo de manera similar que el siguiente gas noble después del radón tendría número atómico 118, y derivó formalmente congéneres aún más pesados del radón en Z = 168, 218, 290, 362 y 460, exactamente donde el principio de Aufbau predeciría que estarían. En 1922, Niels Bohr predijo la estructura electrónica de este próximo gas noble en Z = 118, y sugirió que la razón por la que los elementos más allá del uranio no se veían en la naturaleza era porque eran demasiado inestables. El físico e ingeniero alemán Richard Swinne publicó un artículo de revisión en 1926 que contenía predicciones sobre los elementos transuránicos (él puede haber acuñado el término) en el que anticipó las predicciones modernas de una isla de estabilidad : primero planteó la hipótesis en 1914 de que las vidas medias no deberían disminuir estrictamente con el número atómico, pero sugirió en cambio que podría haber algunos elementos de vida más larga en Z = 98-102 y Z = 108-110, y especuló que tales elementos podrían existir en el núcleo de la Tierra , en meteoritos de hierro o en los casquetes polares de Groenlandia donde habían estado encerrados desde su supuesto origen cósmico. [7] En 1955, estos elementos se denominaban elementos superpesados . [8]
Las primeras predicciones sobre las propiedades de los elementos superpesados no descubiertos se hicieron en 1957, cuando se exploró por primera vez el concepto de capas nucleares y se teorizó que existía una isla de estabilidad alrededor del elemento 126. [9] En 1967, se realizaron cálculos más rigurosos y se teorizó que la isla de estabilidad estaba centrada en el entonces no descubierto flerovio (elemento 114); este y otros estudios posteriores motivaron a muchos investigadores a buscar elementos superpesados en la naturaleza o intentar sintetizarlos en aceleradores. [8] En la década de 1970 se llevaron a cabo muchas búsquedas de elementos superpesados, todas con resultados negativos. A partir de abril de 2022 [update], se ha intentado la síntesis de todos los elementos hasta el unbiseptio inclusive ( Z = 127), excepto el unbitrio ( Z = 123), [10] [11] [12] siendo el elemento más pesado sintetizado con éxito el oganesón en 2002 y el descubrimiento más reciente el de la tenesina en 2010. [10]
Como se predijo que algunos elementos superpesados se encontrarían más allá de la tabla periódica de siete períodos, Glenn T. Seaborg propuso por primera vez en 1969 un octavo período adicional que contenía estos elementos. Este modelo continuó el patrón de los elementos establecidos e introdujo un nuevo bloque g y una serie de superactínidos que comenzaba en el elemento 121, lo que aumentaba el número de elementos en el período 8 en comparación con los períodos conocidos. [1] [2] [8] Sin embargo, estos primeros cálculos no tuvieron en cuenta los efectos relativistas que rompen las tendencias periódicas y hacen imposible la extrapolación simple. En 1971, Fricke calculó la tabla periódica hasta Z = 172 y descubrió que algunos elementos tenían de hecho propiedades diferentes que rompen el patrón establecido, [4] y un cálculo de 2010 de Pekka Pyykkö también señaló que varios elementos podrían comportarse de manera diferente a lo esperado. [13] Se desconoce hasta qué punto la tabla periódica podría extenderse más allá de los 118 elementos conocidos, ya que se predice que los elementos más pesados serán cada vez más inestables. Glenn T. Seaborg sugirió que, en términos prácticos, el final de la tabla periódica podría llegar alrededor del año Z = 120 debido a la inestabilidad nuclear. [14]
Actualmente no hay consenso sobre la ubicación de los elementos más allá del número atómico 120 en la tabla periódica.
Todos los elementos hipotéticos reciben un nombre sistemático de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) , que se utilizará hasta que se descubra el elemento, se confirme y se apruebe un nombre oficial. Estos nombres no suelen utilizarse en la literatura y, en su lugar, se hace referencia a los elementos por sus números atómicos; por lo tanto, el elemento 164 no suele llamarse "unhexquadium" o "Uhq" (el nombre sistemático y el símbolo), sino "elemento 164" con el símbolo "164", "(164)" o "E164". [15]
En el elemento 118, se supone que los orbitales 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 7s y 7p están llenos, y los orbitales restantes no. Una simple extrapolación del principio de Aufbau predeciría que la octava fila llenaría los orbitales en el orden 8s, 5g, 6f, 7d, 8p; pero después del elemento 120, la proximidad de las capas de electrones hace que la ubicación en una tabla simple sea problemática.
No todos los modelos muestran que los elementos superiores siguen el patrón establecido por los elementos más ligeros. Burkhard Fricke et al., que realizó cálculos hasta el elemento 184 en un artículo publicado en 1971, también encontró que algunos elementos se desplazaban de la regla de ordenamiento energético de Madelung como resultado de la superposición de orbitales; esto se debe al papel cada vez mayor de los efectos relativistas en los elementos pesados (describen las propiedades químicas hasta el elemento 184, pero solo dibujan una tabla hasta el elemento 172). [4] [16]
El formato de Fricke et al. se centra más en las configuraciones electrónicas formales que en el comportamiento químico probable. Colocan los elementos 156-164 en los grupos 4-12 porque formalmente sus configuraciones deberían ser 7d 2 a 7d 10 . Sin embargo, difieren de los elementos d anteriores en que la capa 8s no está disponible para el enlace químico: en cambio, la capa 9s sí lo está. Por lo tanto, Fricke et al. señalan que el elemento 164 con 7d 10 9s 0 es análogo al paladio con 4d 10 5s 0 , y consideran que los elementos 157-172 tienen analogías químicas con los grupos 3-18 (aunque son ambivalentes sobre si los elementos 165 y 166 son más como elementos de los grupos 1 y 2 o más como elementos de los grupos 11 y 12, respectivamente). De esta manera, los elementos 157-164 se ubican en su tabla en un grupo que los autores no consideran que sea el más análogo químicamente. [17]
Nefedov , Trzhaskovskaya y Yarzhemskii realizaron cálculos hasta 164 (resultados publicados en 2006). Consideraron que los elementos 158 a 164 eran homólogos de los grupos 4 a 10, y no del 6 al 12, y observaron similitudes en las configuraciones electrónicas con los metales de transición del periodo 5 (p. ej., elemento 159 7d 4 9s 1 frente a Nb 4d 4 5s 1 , elemento 160 7d 5 9s 1 frente a Mo 4d 5 5s 1 , elemento 162 7d 7 9s 1 frente a Ru 4d 7 5s 1 , elemento 163 7d 8 9s 1 frente a Rh 4d 8 5s 1 , elemento 164 7d 10 9s 0 frente a Pd 4d 10 5s 0 ). Por lo tanto, concuerdan con Fricke et al. sobre los grupos químicamente más análogos, pero difieren de ellos en que Nefedov et al. En realidad, los elementos se ubican en los grupos químicamente más análogos. A Rg y Cn se les asigna un asterisco para reflejar las diferentes configuraciones de Au y Hg (en la publicación original se los dibuja como desplazados en la tercera dimensión). De hecho, Cn probablemente tiene una configuración análoga a Hg, y la diferencia de configuración entre Pt y Ds no está marcada. [18]
Pekka Pyykkö utilizó modelos informáticos para calcular las posiciones de los elementos hasta Z = 172 y sus posibles propiedades químicas en un artículo publicado en 2011. Reprodujo el orden orbital de Fricke et al. y propuso un refinamiento de su tabla asignando formalmente posiciones a los elementos 121-164 en función de las configuraciones iónicas. [13]
Para llevar un registro de los electrones, Pyykkö coloca algunos elementos fuera de orden: así, 139 y 140 se colocan en los grupos 13 y 14 para reflejar que la capa 8p 1/2 necesita llenarse, y distingue series separadas 5g, 8p 1/2 y 6f. [13] Fricke et al. y Nefedov et al. no intentan dividir estas series. [17] [18]
El químico computacional Andrey Kulsha ha sugerido dos formas de la tabla periódica extendida hasta 172 que se basan en y refinan las versiones de Nefedov et al. hasta 164 con referencia a los cálculos de Pyykkö. [19] Con base en sus probables propiedades químicas, los elementos 157-172 son ubicados por ambas formas como congéneres del octavo período del itrio al xenón en el quinto período; [19] esto extiende la ubicación de Nefedov et al. de 157-164 bajo el itrio al paladio, [18] y concuerda con las analogías químicas dadas por Fricke et al. [17]
Kulsha sugirió dos formas de tratar los elementos 121-156, que carecen de análogos precisos entre los elementos anteriores. En su primera forma (2011, después de que se publicara el artículo de Pyykkö), [19] los elementos 121-138 y 139-156 se colocan como dos filas separadas (en conjunto llamadas "elementos de ultratransición"), relacionadas por la adición de una subcapa 5g 18 en el núcleo, ya que según los cálculos de Pyykkö de los estados de oxidación, [13] deberían, respectivamente, imitar a los lantánidos y actínidos. [19] [20] En su segunda sugerencia (2016), los elementos 121-142 forman un bloque g (ya que tienen actividad 5g), mientras que los elementos 143-156 forman un bloque f colocado desde el actinio hasta el nobelio. [21]
De esta manera, el período 8 surge con 54 elementos, y el siguiente elemento noble después del 118 es el 172. [22]
En 2023, Smits, Düllmann, Indelicato, Nazarewicz y Schwerdtfeger hicieron otro intento de ubicar los elementos del 119 al 170 en la tabla periódica según sus configuraciones electrónicas. Las configuraciones de algunos elementos (121-124 y 168) no permitieron ubicarlos de manera inequívoca. El elemento 145 aparece dos veces, algunos lugares tienen doble ocupación y otros están vacíos. [23]
Se han hecho intentos de sintetizar los elementos del período 8 hasta el unbiseptio, excepto el unbitrio. Todos estos intentos han sido infructuosos. En 2024 se está intentando sintetizar el ununennio, el primer elemento del período 8 [update].
La síntesis del elemento 119 ( ununennio ) se intentó por primera vez en 1985 bombardeando un objetivo de einstenio-254 con iones de calcio-48 en el acelerador superHILAC en Berkeley, California:
No se identificaron átomos, lo que llevó a una sección transversal límite de 300 nb . [24] Cálculos posteriores sugieren que la sección transversal de la reacción 3n (que daría como resultado 299 119 y tres neutrones como productos) en realidad sería seiscientas mil veces menor que este límite superior, a 0,5 pb. [25]
De abril a septiembre de 2012, se intentó sintetizar los isótopos 295 119 y 296 119 bombardeando un objetivo de berkelio -249 con titanio -50 en el Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados en Darmstadt , Alemania. [26] [27] Con base en la sección eficaz predicha teóricamente, se esperaba que se sintetizara un átomo de ununennio dentro de los cinco meses posteriores al comienzo del experimento. [28] Además, como el berkelio-249 se desintegra en californio -249 (el siguiente elemento) con una vida media corta de 327 días, esto permitió buscar simultáneamente los elementos 119 y 120. [29]
El experimento se planeó originalmente para continuar hasta noviembre de 2012, [30] pero se detuvo antes para hacer uso del objetivo 249 Bk para confirmar la síntesis de tennessina (cambiando así los proyectiles a 48 Ca). [31] Se predijo que esta reacción entre 249 Bk y 50 Ti sería la reacción práctica más favorable para la formación del elemento 119, [27] ya que es bastante asimétrica, [28] aunque también algo fría. [31] (La reacción entre 254 Es y 48 Ca sería superior, pero preparar cantidades de miligramos de 254 Es para un objetivo es difícil.) [28] Sin embargo, el cambio necesario de la "bala de plata" 48 Ca a 50 Ti divide el rendimiento esperado del elemento 119 por aproximadamente veinte, ya que el rendimiento depende en gran medida de la asimetría de la reacción de fusión. [28]
Debido a las cortas vidas medias previstas, el equipo de GSI utilizó una nueva electrónica "rápida" capaz de registrar eventos de desintegración en microsegundos. [27] No se identificaron átomos del elemento 119, lo que implica una sección transversal límite de 70 fb. [31] La sección transversal real prevista es de alrededor de 40 fb, que está en los límites de la tecnología actual. [28]
El equipo de RIKEN en Wakō , Japón, comenzó a bombardear objetivos de curio -248 con un haz de vanadio -51 en enero de 2018 [32] para buscar el elemento 119. Se eligió el curio como objetivo, en lugar del berkelio o el californio, más pesados, ya que estos objetivos más pesados son difíciles de preparar. [33] Los objetivos de 248 Cm fueron proporcionados por Oak Ridge National Laboratory . RIKEN desarrolló un haz de vanadio de alta intensidad. [34] El experimento comenzó en un ciclotrón mientras RIKEN actualizaba sus aceleradores lineales; la actualización se completó en 2020. [35] El bombardeo puede continuar con ambas máquinas hasta que se observe el primer evento; el experimento actualmente se ejecuta de forma intermitente durante al menos 100 días al año. [36] [33] Los esfuerzos del equipo RIKEN están siendo financiados por el Emperador de Japón . [37] El equipo del JINR planea intentar sintetizar el elemento 119 en el futuro, probablemente utilizando la reacción 243 Am + 54 Cr, pero no se ha publicado un cronograma preciso. [38] [39]
Tras su éxito en la obtención de oganesón mediante la reacción entre 249 Cf y 48 Ca en 2006, el equipo del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR) en Dubna comenzó experimentos similares en marzo-abril de 2007, con la esperanza de crear el elemento 120 (unbinilio) a partir de núcleos de 58 Fe y 244 Pu . [40] [41] Se predice que los isótopos de unbinilio tienen vidas medias de desintegración alfa del orden de microsegundos . [42] [43] El análisis inicial reveló que no se produjeron átomos del elemento 120, lo que proporciona un límite de 400 fb para la sección transversal a la energía estudiada. [44]
El equipo ruso planeó mejorar sus instalaciones antes de intentar la reacción nuevamente. [44]
En abril de 2007, el equipo del Centro Helmholtz de Investigación de Iones Pesados GSI en Darmstadt , Alemania, intentó crear el elemento 120 utilizando uranio -238 y níquel -64: [45]
No se detectaron átomos, lo que proporcionó un límite de 1,6 pb para la sección transversal a la energía proporcionada. El GSI repitió el experimento con mayor sensibilidad en tres ejecuciones separadas en abril-mayo de 2007, enero-marzo de 2008 y septiembre-octubre de 2008, todas con resultados negativos, alcanzando un límite de sección transversal de 90 fb. [45]
En junio-julio de 2010, y nuevamente en 2011, después de actualizar su equipo para permitir el uso de objetivos más radiactivos, los científicos del GSI intentaron la reacción de fusión más asimétrica: [46]
Se esperaba que el cambio en la reacción quintuplicara la probabilidad de sintetizar el elemento 120, [47] ya que el rendimiento de tales reacciones depende en gran medida de su asimetría. [28] Se observaron tres señales correlacionadas que coincidían con las energías de desintegración alfa predichas de 299 120 y su hija 295 Og, así como la energía de desintegración conocida experimentalmente de su nieta 291 Lv . Sin embargo, las vidas medias de estas posibles desintegraciones fueron mucho más largas de lo esperado y los resultados no pudieron confirmarse. [48] [49] [46]
En agosto-octubre de 2011, un equipo diferente del GSI que utilizaba las instalaciones de TASCA intentó una reacción nueva, aún más asimétrica: [50] [31]
Esto también se intentó sin éxito el año siguiente durante el intento antes mencionado de producir el elemento 119 en la reacción 249 Bk + 50 Ti, ya que 249 Bk se desintegra en 249 Cf. Debido a su asimetría, [51] se predijo que la reacción entre 249 Cf y 50 Ti sería la reacción práctica más favorable para sintetizar unbinilio, aunque también es algo fría. No se identificaron átomos de unbinilio, lo que implica una sección transversal límite de 200 fb. [31] Jens Volker Kratz predijo que la sección transversal máxima real para producir el elemento 120 mediante cualquiera de estas reacciones sería de alrededor de 0,1 fb; [52] En comparación, el récord mundial para la sección transversal más pequeña de una reacción exitosa fue de 30 fb para la reacción 209 Bi( 70 Zn,n) 278 Nh , [28] y Kratz predijo una sección transversal máxima de 20 fb para producir el elemento vecino 119. [52] Si estas predicciones son precisas, entonces sintetizar el elemento 119 estaría en los límites de la tecnología actual, y sintetizar el elemento 120 requeriría nuevos métodos. [52]
En mayo de 2021, el JINR anunció planes para investigar la reacción 249 Cf+ 50 Ti en sus nuevas instalaciones. Sin embargo, el objetivo 249 Cf tendría que haber sido fabricado por el Laboratorio Nacional Oak Ridge en los Estados Unidos, [53] y después de que comenzara la invasión rusa de Ucrania en febrero de 2022, la colaboración entre el JINR y otros institutos cesó por completo debido a las sanciones. [54] En consecuencia, el JINR ahora planea probar la reacción 248 Cm+ 54 Cr en su lugar. A fines de 2023 se realizó un experimento preparatorio para el uso de proyectiles 54 Cr, sintetizando con éxito 288 Lv en la reacción 238 U+ 54 Cr, [55] y la esperanza es que los experimentos para sintetizar el elemento 120 comiencen en 2025. [56]
A partir de 2022, [34] también se han hecho planes para utilizar un ciclotrón de 88 pulgadas en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) en Berkeley , California , Estados Unidos para intentar fabricar nuevos elementos utilizando proyectiles de 50 Ti. [57] [58] Primero, se probó la reacción 244 Pu+ 50 Ti, creando con éxito dos átomos de 290 Lv en 2024. Dado que esto fue exitoso, se planea comenzar un intento de fabricar el elemento 120 en la reacción 249 Cf+ 50 Ti en 2025. [59] [60] [61] El Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), que anteriormente colaboró con el JINR, colaborará con el LBNL en este proyecto. [62]
La síntesis del elemento 121 (unbiunio) se intentó por primera vez en 1977 bombardeando un objetivo de uranio-238 con iones de cobre -65 en la Gesellschaft für Schwerionenforschung en Darmstadt , Alemania:
No se identificaron átomos. [11]
Los primeros intentos de sintetizar el elemento 122 (unbibio) fueron realizados en 1972 por Flerov et al. en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR), utilizando reacciones de fusión en caliente inducidas por iones pesados: [10]
Estos experimentos fueron motivados por predicciones tempranas sobre la existencia de una isla de estabilidad en N = 184 y Z > 120. No se detectaron átomos y se midió un límite de rendimiento de 5 nb (5000 pb ). Los resultados actuales (ver flerovium ) han demostrado que la sensibilidad de estos experimentos era demasiado baja en al menos 3 órdenes de magnitud. [12]
En 2000, el Centro Helmholtz de Investigación de Iones Pesados de la Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) realizó un experimento muy similar con una sensibilidad mucho mayor: [10]
Estos resultados indican que la síntesis de estos elementos más pesados sigue siendo un desafío importante y que se requieren más mejoras en la intensidad del haz y en la eficiencia experimental. La sensibilidad debería aumentarse a 1 fb en el futuro para obtener resultados de mejor calidad.
Otro intento fallido de sintetizar el elemento 122 se llevó a cabo en 1978 en el Centro Helmholtz de GSI, donde un objetivo natural de erbio fue bombardeado con iones de xenón-136 : [10]
En particular, se esperaba que la reacción entre 170 Er y 136 Xe produjera emisores alfa con vidas medias de microsegundos que se desintegrarían en isótopos de flerovio con vidas medias que tal vez aumentarían hasta varias horas, ya que se predice que el flerovio se encuentra cerca del centro de la isla de estabilidad . Después de doce horas de irradiación, no se encontró nada en esta reacción. Después de un intento fallido similar de sintetizar el elemento 121 a partir de 238 U y 65 Cu, se concluyó que las vidas medias de los núcleos superpesados deben ser inferiores a un microsegundo o las secciones transversales son muy pequeñas. [63] Investigaciones más recientes sobre la síntesis de elementos superpesados sugieren que ambas conclusiones son verdaderas. [28] [64] Los dos intentos en la década de 1970 de sintetizar el elemento 122 fueron impulsados por la investigación que investigaba si los elementos superpesados podrían estar ocurriendo naturalmente. [10]
Entre 2000 y 2004 se realizaron en el Laboratorio Flerov de Reacciones Nucleares varios experimentos que estudiaban las características de fisión de varios núcleos de compuestos superpesados como el 306 122* . Se utilizaron dos reacciones nucleares, concretamente 248 Cm + 58 Fe y 242 Pu + 64 Ni. [10] Los resultados revelan cómo los núcleos superpesados fisionan predominantemente expulsando núcleos de capa cerrada como el 132 Sn ( Z = 50, N = 82). También se encontró que el rendimiento de la vía de fusión-fisión era similar entre los proyectiles de 48 Ca y 58 Fe, lo que sugiere un posible uso futuro de proyectiles de 58 Fe en la formación de elementos superpesados. [65]
Los científicos del GANIL (Gran Acelerador Nacional de Iones de Lourds) intentaron medir la fisión directa y retardada de núcleos compuestos de elementos con Z = 114, 120 y 124 para investigar los efectos de capa en esta región y localizar la siguiente capa esférica de protones. Esto se debe a que tener capas nucleares completas (o, equivalentemente, tener un número mágico de protones o neutrones ) conferiría más estabilidad a los núcleos de estos elementos superpesados, acercándose así a la isla de estabilidad . En 2006, con resultados completos publicados en 2008, el equipo proporcionó resultados de una reacción que implicaba el bombardeo de un objetivo de germanio natural con iones de uranio:
El equipo informó que habían podido identificar núcleos compuestos fisionándose con vidas medias > 10 −18 s. Este resultado sugiere un fuerte efecto estabilizador en Z = 124 y apunta a la siguiente capa de protones en Z > 120, no en Z = 114 como se pensaba anteriormente. 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 núcleos del objetivo y del proyectil. Se estima que se requieren alrededor de 10 −14 s para que los nucleones se organicen en capas nucleares, momento en el que el núcleo compuesto se convierte en un nucleido , y este número es utilizado por la IUPAC como la vida media mínima que debe tener un isótopo reclamado para ser potencialmente reconocido como descubierto. Por lo tanto, los experimentos GANIL no cuentan como un descubrimiento del elemento 124. [ 10]
La fisión del núcleo compuesto 312 124 también se estudió en 2006 en el acelerador de iones pesados en tándem ALPI en los Laboratori Nazionali di Legnaro (Laboratorios Nacionales de Legnaro) en Italia: [66]
De manera similar a experimentos previos realizados en el JINR ( Instituto Conjunto de Investigación Nuclear ), los fragmentos de fisión se agruparon alrededor de núcleos doblemente mágicos como 132 Sn ( Z = 50, N = 82), revelando una tendencia de los núcleos superpesados a expulsar dichos núcleos doblemente mágicos en la fisión. [65] También se encontró que el número promedio de neutrones por fisión del núcleo compuesto 312 124 (en relación con los sistemas más ligeros) aumentaba, lo que confirma que la tendencia de los núcleos más pesados a emitir más neutrones durante la fisión continúa en la región de masa superpesada. [66]
El primer y único intento de sintetizar el elemento 125 (unbipentio) se llevó a cabo en Dubna en 1970-1971 utilizando iones de zinc y un objetivo de americio-243 : [12]
No se detectaron átomos y se determinó un límite de sección transversal de 5 nb. Este experimento estuvo motivado por la posibilidad de una mayor estabilidad para los núcleos alrededor de Z ~ 126 y N ~ 184, [12] aunque investigaciones más recientes sugieren que la isla de estabilidad puede estar en cambio en un número atómico más bajo (como el copernicio , Z = 112), y la síntesis de elementos más pesados como el elemento 125 requerirá experimentos más sensibles. [28]
El primer y único intento de sintetizar el elemento 126 (unbihexio), que no tuvo éxito, fue realizado en 1971 en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) por René Bimbot y John M. Alexander utilizando la reacción de fusión en caliente: [10]
Se observaron partículas alfa de alta energía (13-15 MeV ) y se tomaron como posible evidencia de la síntesis del elemento 126. Experimentos posteriores fallidos con mayor sensibilidad sugieren que la sensibilidad de 10 mb de este experimento era demasiado baja; por lo tanto, la formación de núcleos del elemento 126 en esta reacción es altamente improbable. [8]
El primer y único intento de sintetizar el elemento 127 (unbiseptio), que no tuvo éxito, se realizó en 1978 en el acelerador UNILAC del Centro Helmholtz de GSI, donde un blanco de tantalio natural fue bombardeado con iones de xenón -136: [10]
Un estudio realizado en 1976 por un grupo de investigadores estadounidenses de varias universidades propuso que los elementos superpesados primordiales , principalmente el livermorio , los elementos 124, 126 y 127, podrían ser una causa de daños inexplicables por radiación (particularmente radiohalos ) en minerales. [8] Esto impulsó a muchos investigadores a buscarlos en la naturaleza desde 1976 hasta 1983. Un grupo dirigido por Tom Cahill, profesor de la Universidad de California en Davis , afirmó en 1976 que habían detectado partículas alfa y rayos X con las energías adecuadas para causar el daño observado, lo que apoya la presencia de estos elementos. En particular, se conjeturó la presencia de núcleos de larga vida (del orden de 10 9 años) de los elementos 124 y 126, junto con sus productos de desintegración, en una abundancia de 10 −11 en relación con sus posibles congéneres uranio y plutonio . [67] Otros afirmaron que no se había detectado ninguno y cuestionaron las características propuestas de los núcleos superpesados primordiales. [8] En particular, citaron que cualquiera de esos núcleos superpesados debe tener una capa de neutrones cerrada en N = 184 o N = 228, y esta condición necesaria para una mayor estabilidad solo existe en isótopos deficientes en neutrones del livermorio o isótopos ricos en neutrones de los otros elementos que no serían beta-estables [8] a diferencia de la mayoría de los isótopos naturales. [68] También se propuso que esta actividad era causada por transmutaciones nucleares en cerio natural , lo que plantea más ambigüedad sobre esta supuesta observación de elementos superpesados. [8]
El 24 de abril de 2008, un grupo dirigido por Amnon Marinov en la Universidad Hebrea de Jerusalén afirmó haber encontrado átomos individuales de 292 122 en depósitos naturales de torio con una abundancia de entre 10 −11 y 10 −12 en relación con el torio. [69] La afirmación de Marinov et al. fue criticada por una parte de la comunidad científica. Marinov afirmó que había enviado el artículo a las revistas Nature y Nature Physics, pero ambas lo rechazaron sin enviarlo a revisión por pares. [70] Se afirmó que los átomos de 292 122 eran isómeros superdeformados o hiperdeformados , con una vida media de al menos 100 millones de años. [10]
Una crítica de la técnica, utilizada previamente para supuestamente identificar isótopos más ligeros del torio mediante espectrometría de masas , [71] fue publicada en Physical Review C en 2008. [72] Una refutación del grupo de Marinov fue publicada en Physical Review C después del comentario publicado. [73]
Una repetición del experimento del torio utilizando el método superior de espectrometría de masas con aceleradores (AMS) no pudo confirmar los resultados, a pesar de una sensibilidad 100 veces mejor. [74] Este resultado arroja dudas considerables sobre los resultados de la colaboración Marinov con respecto a sus afirmaciones de isótopos de larga duración del torio , [71] roentgenio [75] y el elemento 122. [69] Todavía es posible que solo existan trazas de unbibio en algunas muestras de torio, aunque esto es poco probable. [10]
No se sabe con certeza cuál es la extensión posible de los elementos superpesados primordiales en la Tierra en la actualidad. Incluso si se confirma que causaron el daño por radiación hace mucho tiempo, es posible que ahora se hayan desintegrado en meros rastros, o incluso que hayan desaparecido por completo. [76] También es incierto si estos núcleos superpesados pueden producirse de forma natural, ya que se espera que la fisión espontánea ponga fin al proceso r responsable de la formación de elementos pesados entre los números de masa 270 y 290, mucho antes de que se puedan formar elementos superiores a 120. [77]
Una hipótesis reciente intenta explicar el espectro de la estrella de Przybylski mediante la presencia natural de flerovio y del elemento 120. [78] [79] [80]
El elemento 118, oganesón , es el elemento más pesado que se ha sintetizado. Los dos elementos siguientes, los elementos 119 y 120 , deberían formar una serie 8s y ser un metal alcalino y alcalinotérreo , respectivamente. Más allá del elemento 120, se espera que comience la serie de los superactínidos , cuando los electrones 8s y el llenado de las subcapas 8p 1/2 , 7d 3/2 , 6f y 5g determinan la química de estos elementos. No se dispone de cálculos CCSD completos y precisos para elementos más allá del 122 debido a la extrema complejidad de la situación: los orbitales 5g, 6f y 7d deberían tener aproximadamente el mismo nivel de energía, y en la región del elemento 160, los orbitales 9s, 8p 3/2 y 9p 1/2 también deberían tener aproximadamente la misma energía. Esto hará que las capas de electrones se mezclen de modo que el concepto de bloque ya no se aplique muy bien, y también dará lugar a nuevas propiedades químicas que harán que el posicionamiento de algunos de estos elementos en una tabla periódica sea muy difícil. [15]
Los dos primeros elementos del periodo 8 serán ununennium y unbinilium, elementos 119 y 120. Sus configuraciones electrónicas deberían tener el orbital 8s lleno. Este orbital está estabilizado y contraído relativistamente; por lo tanto, los elementos 119 y 120 deberían ser más parecidos al rubidio y al estroncio que sus vecinos inmediatos superiores, francio y radio . Otro efecto de la contracción relativista del orbital 8s es que los radios atómicos de estos dos elementos deberían ser aproximadamente los mismos que los del francio y el radio. Deberían comportarse como metales alcalinos y alcalinotérreos normales (aunque menos reactivos que sus vecinos verticales inmediatos), formando normalmente estados de oxidación +1 y +2 , respectivamente, pero la desestabilización relativista de la subcapa 7p 3/2 y las energías de ionización relativamente bajas de los electrones 7p 3/2 también deberían hacer posibles estados de oxidación más altos como +3 y +4 (respectivamente). [4] [15]
Se puede considerar que los superactínidos van desde los elementos 121 hasta 157, que pueden clasificarse como los elementos 5g y 6f del octavo período, junto con el primer elemento 7d. [18] En la serie de los superactínidos, las capas 7d 3/2 , 8p 1/2 , 6f 5/2 y 5g 7/2 deberían llenarse todas simultáneamente. [16] Esto crea situaciones muy complicadas, tanto que los cálculos CCSD completos y precisos se han realizado solo para los elementos 121 y 122. [15] El primer superactínido, unbiunio (elemento 121), debería ser similar al lantano y al actinio : [81] su principal estado de oxidación debería ser +3, aunque la proximidad de los niveles de energía de las subcapas de valencia puede permitir estados de oxidación más altos, al igual que en los elementos 119 y 120. [15] La estabilización relativista de la subcapa 8p debería dar como resultado una configuración electrónica de valencia de estado fundamental 8s 2 8p 1 para el elemento 121, en contraste con las configuraciones ds 2 del lantano y el actinio; [15] sin embargo, esta configuración anómala no parece afectar a su química calculada, que sigue siendo similar a la del actinio. [82] Se predice que su primera energía de ionización es de 429,4 kJ/mol, que sería inferior a la de todos los elementos conocidos excepto los metales alcalinos potasio , rubidio , cesio y francio : este valor es incluso inferior al del metal alcalino de periodo 8 ununennio (463,1 kJ/mol). De forma similar, el siguiente superactínido, el unbibio (elemento 122), puede ser similar al cerio y al torio , con un estado de oxidación principal de +4, pero tendría una configuración electrónica de valencia de estado fundamental 7d 1 8s 2 8p 1 o 8s 2 8p 2 , [83] a diferencia de la configuración 6d 2 7s 2 del torio . Por lo tanto, su primera energía de ionización sería menor que la del torio (Th: 6,3 eV ; elemento 122: 5,6 eV) debido a la mayor facilidad de ionizar el electrón 8p 1/2 del unbibio que el electrón 6d del torio. [15] El colapso del orbital 5g en sí se retrasa hasta alrededor del elemento 125; se espera que las configuraciones electrónicas de la serie isoelectrónica de 119 electrones sean [Og]8s 1para los elementos 119 a 122, [Og]6f 1 para los elementos 123 y 124, y [Og]5g 1 para el elemento 125 en adelante. [84]
En los primeros superactínidos, se predice que las energías de enlace de los electrones añadidos serán lo suficientemente pequeñas como para que puedan perder todos sus electrones de valencia; por ejemplo, el unbihexio (elemento 126) podría formar fácilmente un estado de oxidación +8, e incluso pueden ser posibles estados de oxidación más altos para los siguientes elementos. También se predice que el elemento 126 mostrará una variedad de otros estados de oxidación : cálculos recientes han sugerido que puede ser posible un monofluoruro estable 126F, resultante de una interacción de enlace entre el orbital 5g del elemento 126 y el orbital 2 p del flúor . [85] Otros estados de oxidación predichos incluyen +2, +4 y +6; se espera que +4 sea el estado de oxidación más habitual del unbihexio. [16] Se predice que los superactínidos desde unbipentium (elemento 125) hasta unbiennium (elemento 129) exhibirán un estado de oxidación +6 y formarán hexafluoruros , aunque se predice que 125F 6 y 126F 6 estarán unidos de manera relativamente débil. [84] Se espera que las energías de disociación de enlace aumenten considerablemente en el elemento 127 e incluso más en el elemento 129. Esto sugiere un cambio de un carácter iónico fuerte en los fluoruros del elemento 125 a un carácter más covalente, que involucra el orbital 8p, en los fluoruros del elemento 129. El enlace en estos hexafluoruros de superactínidos es principalmente entre la subcapa 8p más alta del superactínido y la subcapa 2p del flúor, a diferencia de cómo el uranio usa sus orbitales 5f y 6d para unirse en el hexafluoruro de uranio . [84]
A pesar de la capacidad de los primeros superactínidos para alcanzar altos estados de oxidación, se ha calculado que los electrones 5g serán los más difíciles de ionizar; se espera que los iones 125 6+ y 126 7+ tengan una configuración 5g 1 , similar a la configuración 5f 1 del ion Np 6+ . [13] [84] Se observa un comportamiento similar en la baja actividad química de los electrones 4f en los lantánidos ; esto es una consecuencia de que los orbitales 5g son pequeños y están profundamente enterrados en la nube de electrones. [13] La presencia de electrones en orbitales g, que no existen en la configuración electrónica del estado fundamental de ningún elemento conocido actualmente, debería permitir que se formen orbitales híbridos actualmente desconocidos e influyan en la química de los superactínidos de nuevas formas, aunque la ausencia de electrones g en elementos conocidos hace que predecir la química de los superactínidos sea más difícil. [4]
En los superactínidos posteriores, los estados de oxidación deberían ser más bajos. En el elemento 132, el estado de oxidación predominante más estable será solo +6; este se reduce aún más a +3 y +4 en el elemento 144, y al final de la serie de superactínidos será solo +2 (y posiblemente incluso 0) porque la capa 6f, que se está llenando en ese punto, está muy adentro de la nube de electrones y los electrones 8s y 8p 1/2 están demasiado fuertemente unidos para ser químicamente activos. La capa 5g debería estar llena en el elemento 144 y la capa 6f alrededor del elemento 154, y en esta región de los superactínidos los electrones 8p 1/2 están tan fuertemente unidos que ya no son químicamente activos, de modo que solo unos pocos electrones pueden participar en las reacciones químicas. Cálculos de Fricke et al. Predecir que en el elemento 154, la capa 6f está llena y no hay funciones de onda electrónicas d u otras fuera de las capas químicamente inactivas 8s y 8p 1/2 . Esto puede hacer que el elemento 154 sea bastante poco reactivo con propiedades similares a las de los gases nobles . [4] [15] Los cálculos de Pyykkö, no obstante, esperan que en el elemento 155, la capa 6f aún sea químicamente ionizable: 155 3+ debería tener una capa 6f completa, y el cuarto potencial de ionización debería estar entre los del terbio y el disprosio , ambos conocidos en el estado +4. [13]
De manera similar a las contracciones de los lantánidos y actínidos , debería haber una contracción de los superactínidos en la serie de los superactínidos donde los radios iónicos de los superactínidos son más pequeños de lo esperado. En los lantánidos , la contracción es de aproximadamente 4,4 pm por elemento; en los actínidos , es de aproximadamente 3 pm por elemento. La contracción es mayor en los lantánidos que en los actínidos debido a la mayor localización de la función de onda 4f en comparación con la función de onda 5f. Las comparaciones con las funciones de onda de los electrones externos de los lantánidos, actínidos y superactínidos conducen a una predicción de una contracción de aproximadamente 2 pm por elemento en los superactínidos; Aunque esto es menor que las contracciones en los lantánidos y actínidos, su efecto total es mayor debido al hecho de que 32 electrones están llenos en las capas 5g y 6f profundamente enterradas, en lugar de solo 14 electrones llenos en las capas 4f y 5f en los lantánidos y actínidos, respectivamente. [4]
Pekka Pyykkö divide estos superactínidos en tres series: una serie 5g (elementos 121 a 138), una serie 8p 1/2 (elementos 139 a 140) y una serie 6f (elementos 141 a 155), y también señala que habría una gran superposición entre los niveles de energía y que los orbitales 6f, 7d u 8p 1/2 también podrían estar ocupados en los primeros átomos o iones de los superactínidos. También espera que se comporten más como "superlantánidos", en el sentido de que los electrones 5g serían en su mayoría químicamente inactivos, de manera similar a cómo solo uno o dos electrones 4f en cada lantánido se ionizan en los compuestos químicos. También predijo que los posibles estados de oxidación de los superactínidos podrían aumentar mucho en la serie 6f, hasta valores como +12 en el elemento 148. [13]
Andrey Kulsha ha llamado a los treinta y seis elementos 121 a 156 elementos "ultransición" y ha propuesto dividirlos en dos series de dieciocho cada una, una de los elementos 121 a 138 y otra de los elementos 139 a 156. La primera sería análoga a los lantánidos, con estados de oxidación que van principalmente de +4 a +6, ya que el llenado de la capa 5g domina y los elementos vecinos son muy similares entre sí, creando una analogía con el uranio , el neptunio y el plutonio . La segunda sería análoga a los actínidos: al principio (alrededor de los elementos en los 140s) se esperarían estados de oxidación muy altos a medida que la capa 6f se eleva por encima de la 7d, pero después de eso los estados de oxidación típicos disminuirían y en los elementos en los 150s en adelante los electrones 8p 1/2 dejarían de ser químicamente activos. Debido a que las dos filas están separadas por la adición de una subcapa 5g 18 completa , también podrían considerarse análogas entre sí. [19] [20]
Como ejemplo de los superactínidos tardíos, se espera que el elemento 156 exhiba principalmente el estado de oxidación +2, debido a su configuración electrónica con electrones 7d 2 fácilmente eliminables sobre un [Og]5g 18 6f 14 8s 2 8p estable.2
1/2núcleo. Por lo tanto, puede considerarse un congénere más pesado del nobelio , que también tiene un par de electrones 7s 2 fácilmente eliminables sobre un núcleo estable [Rn]5f 14 , y generalmente está en el estado +2 (se requieren oxidantes fuertes para obtener nobelio en el estado +3). [19] Su primera energía de ionización debería ser de unos 400 kJ/mol y su radio metálico de aproximadamente 170 picómetros. Con una masa atómica relativa de alrededor de 445 u, [4] debería ser un metal muy pesado con una densidad de alrededor de 26 g/cm 3 .
Se espera que los metales de transición 7d en el período 8 sean los elementos 157 a 166. Aunque los electrones 8s y 8p 1/2 están unidos tan fuertemente en estos elementos que no deberían poder participar en ninguna reacción química, se espera que los niveles 9s y 9p 1/2 estén fácilmente disponibles para la hibridación. [4] [15] Estos elementos 7d deberían ser similares a los elementos 4d itrio a cadmio . [19] En particular, el elemento 164 con una configuración electrónica 7d 10 9s 0 muestra claras analogías con el paladio con su configuración electrónica 4d 10 5s 0. [16]
No se espera que los metales nobles de esta serie de metales de transición sean tan nobles como sus homólogos más ligeros, debido a la ausencia de una capa s externa para protegerlos y también porque la capa 7d está fuertemente dividida en dos subcapas debido a efectos relativistas. Esto hace que las primeras energías de ionización de los metales de transición 7d sean menores que las de sus congéneres más ligeros. [4] [15] [16]
El interés teórico en la química del unhexquadium está motivado en gran medida por predicciones teóricas de que éste, especialmente los isótopos 472 164 y 482 164 (con 164 protones y 308 o 318 neutrones ), estarían en el centro de una hipotética segunda isla de estabilidad (la primera se centra en el copernicio , particularmente los isótopos 291 Cn, 293 Cn y 296 Cn, que se espera que tengan vidas medias de siglos o milenios). [87] [52] [88] [89]
Los cálculos predicen que los electrones 7d del elemento 164 (unhexquadium) deberían participar muy fácilmente en las reacciones químicas, de modo que debería poder mostrar estados de oxidación estables +6 y +4 además del estado normal +2 en soluciones acuosas con ligandos fuertes . El elemento 164 debería poder formar compuestos como 164( CO ) 4 , 164( PF 3 ) 4 (ambos tetraédricos como los compuestos de paladio correspondientes) y 164( CN )2−
2( lineal ), lo que es un comportamiento muy diferente al del plomo , del que el elemento 164 sería un homólogo más pesado si no fuera por los efectos relativistas. Sin embargo, el estado divalente sería el principal en solución acuosa (aunque los estados +4 y +6 serían posibles con ligandos más fuertes), y el unhexquadium(II) debería comportarse de manera más similar al plomo que el unhexquadium(IV) y el unhexquadium(VI). [15] [16]
Se espera que el elemento 164 sea un ácido de Lewis blando y tenga un parámetro de suavidad de Ahrlands cercano a 4 eV . Debería ser como mucho moderadamente reactivo, con una primera energía de ionización que debería estar alrededor de 685 kJ/mol, comparable a la del molibdeno . [4] [16] Debido a las contracciones de lantánido, actínido y superactínido , el elemento 164 debería tener un radio metálico de solo 158 pm , muy cercano al del mucho más ligero magnesio , a pesar de su peso atómico esperado de alrededor de 474 u, que es aproximadamente 19,5 veces el peso atómico del magnesio. [4] Este pequeño radio y alto peso hacen que se espere que tenga una densidad extremadamente alta de alrededor de 46 g·cm −3 , más del doble que el osmio , actualmente el elemento más denso conocido, con 22,61 g·cm −3 ; El elemento 164 debería ser el segundo elemento más denso de los primeros 172 elementos de la tabla periódica, siendo solo su vecino unhextrio (elemento 163) más denso (a 47 g·cm −3 ). [4] El elemento metálico 164 debería tener una energía de cohesión muy grande ( entalpía de cristalización) debido a sus enlaces covalentes , lo que probablemente resulte en un alto punto de fusión. En el estado metálico, el elemento 164 debería ser bastante noble y análogo al paladio y al platino . Fricke et al. sugirieron algunas similitudes formales con el oganesón , ya que ambos elementos tienen configuraciones de capa cerrada y energías de ionización similares, aunque señalan que mientras que el oganesón sería un gas noble muy malo, el elemento 164 sería un buen metal noble. [16]
Los elementos 165 (unhexpentium) y 166 (unhexhexium), los dos últimos metales 7d, deberían comportarse de manera similar a los metales alcalinos y alcalinotérreos cuando están en los estados de oxidación +1 y +2, respectivamente. Los electrones 9s deberían tener energías de ionización comparables a las de los electrones 3s del sodio y el magnesio , debido a los efectos relativistas que hacen que los electrones 9s estén mucho más fuertemente unidos de lo que predecirían los cálculos no relativistas. Los elementos 165 y 166 normalmente deberían exhibir los estados de oxidación +1 y +2, respectivamente, aunque las energías de ionización de los electrones 7d son lo suficientemente bajas como para permitir estados de oxidación más altos como el +3 para el elemento 165. El estado de oxidación +4 para el elemento 166 es menos probable, lo que crea una situación similar a los elementos más ligeros de los grupos 11 y 12 (particularmente el oro y el mercurio ). [4] [15] Al igual que con el mercurio pero no con el copernicio, se espera que la ionización del elemento 166 a 166 2+ resulte en una configuración 7d 10 correspondiente a la pérdida de los electrones s pero no de los electrones d, haciéndolo más análogo a los elementos más ligeros del grupo 12 "menos relativistas", zinc, cadmio y mercurio. [13]
Se espera que los siguientes seis elementos en la tabla periódica sean los últimos elementos del grupo principal en su período, [13] y es probable que sean similares a los elementos 5p desde el indio hasta el xenón . [19] En los elementos 167 a 172, las capas 9p 1/2 y 8p 3/2 estarán llenas. Sus valores propios de energía están tan cerca entre sí que se comportan como una subcapa p combinada, similar a las subcapas no relativistas 2p y 3p. Por lo tanto, el efecto del par inerte no ocurre y se espera que los estados de oxidación más comunes de los elementos 167 a 170 sean +3, +4, +5 y +6, respectivamente. Se espera que el elemento 171 (unseptunium) muestre algunas similitudes con los halógenos , mostrando varios estados de oxidación que van desde −1 a +7, aunque se espera que sus propiedades físicas sean más cercanas a las de un metal. Se espera que su afinidad electrónica sea de 3,0 eV , lo que le permite formar H171, análogo a un haluro de hidrógeno . Se espera que el ion 171 − sea una base blanda , comparable al yoduro (I − ). Se espera que el elemento 172 (unseptbio) sea un gas noble con un comportamiento químico similar al del xenón, ya que sus energías de ionización deberían ser muy similares (Xe, 1170,4 kJ/mol; elemento 172, 1090 kJ/mol). La única diferencia principal entre ellos es que se espera que el elemento 172, a diferencia del xenón, sea un líquido o un sólido a temperatura y presión estándar debido a su peso atómico mucho más alto. [4] Se espera que el unseptbio sea un ácido de Lewis fuerte , que forme fluoruros y óxidos, de manera similar a su congénere más ligero, el xenón. [16]
Debido a cierta analogía de los elementos 165-172 con los períodos 2 y 3, Fricke et al. consideraron que forman un noveno período de la tabla periódica, mientras que consideraron que el octavo período termina en el elemento de metal noble 164. Este noveno período sería similar al segundo y tercer período en que no tiene metales de transición. [16] Dicho esto, la analogía es incompleta para los elementos 165 y 166; aunque comienzan una nueva capa s (9s), esta está por encima de una capa d, lo que los hace químicamente más similares a los grupos 11 y 12. [17]
Más allá del elemento 172, existe la posibilidad de llenar las capas 6g, 7f, 8d, 10s, 10p 1/2 y quizás 6h 11/2 . Estos electrones estarían muy débilmente unidos, lo que potencialmente haría que se pudieran alcanzar estados de oxidación extremadamente altos, aunque los electrones se unirían más fuertemente a medida que aumenta la carga iónica. Por lo tanto, probablemente habrá otra serie de transición muy larga, como los superactínidos. [16]
En el elemento 173 (unseptio), el electrón más externo podría entrar en las subcapas 6g 7/2 , 9p 3/2 o 10s. Debido a que las interacciones espín-órbita crearían una brecha de energía muy grande entre estas y la subcapa 8p 3/2 , se espera que este electrón más externo esté muy débilmente unido y se pierda muy fácilmente para formar un catión 173 + . Como resultado, se espera que el elemento 173 se comporte químicamente como un metal alcalino, y uno que podría ser mucho más reactivo que incluso el cesio (el francio y el elemento 119 son menos reactivos que el cesio debido a efectos relativistas): [90] [19] la energía de ionización calculada para el elemento 173 es 3,070 eV, [91] en comparación con los 3,894 eV conocidos experimentalmente para el cesio. El elemento 174 (unseptquadium) puede agregar un electrón 8d y formar un catión 174 2+ de capa cerrada ; su energía de ionización calculada es 3,614 eV. [91]
El elemento 184 (unoctquadium) fue un objetivo importante en las predicciones iniciales, ya que originalmente se especuló que 184 sería un número mágico de protones: se predice que tiene una configuración electrónica de [172] 6g 5 7f 4 8d 3 , con al menos los electrones 7f y 8d químicamente activos. Se espera que su comportamiento químico sea similar al del uranio y el neptunio , ya que es probable que una ionización posterior más allá del estado +6 (que corresponde a la eliminación de los electrones 6g) no sea rentable; el estado +4 debería ser el más común en solución acuosa, y los estados +5 y +6 podrían alcanzarse en compuestos sólidos. [4] [16] [92]
Se desconoce el número de elementos físicamente posibles. Una estimación baja es que la tabla periódica puede terminar poco después de la isla de estabilidad , [14] que se espera que se centre en Z = 126, ya que la extensión de las tablas periódica y de nucleidos está restringida por las líneas de goteo de protones y neutrones y la estabilidad hacia la desintegración alfa y la fisión espontánea. [93] Un cálculo de Y. Gambhir et al. , que analiza la energía de enlace nuclear y la estabilidad en varios canales de desintegración, sugiere un límite a la existencia de núcleos ligados en Z = 146. [94] Otras predicciones de un final de la tabla periódica incluyen Z = 128 ( John Emsley ) y Z = 155 (Albert Khazan). [10]
Es una "leyenda popular" entre los físicos que Richard Feynman sugirió que los átomos neutros no podrían existir para números atómicos mayores que Z = 137, con el argumento de que la ecuación relativista de Dirac predice que la energía del estado fundamental del electrón más interno en tal átomo sería un número imaginario . Aquí, el número 137 surge como el inverso de la constante de estructura fina . Según este argumento, los átomos neutros no pueden existir más allá del número atómico 137 y, por lo tanto, una tabla periódica de elementos basada en orbitales electrónicos se rompe en este punto. Sin embargo, este argumento presupone que el núcleo atómico es puntual. Un cálculo más preciso debe tener en cuenta el tamaño pequeño, pero distinto de cero, del núcleo, que se predice que empujará el límite aún más a Z ≈ 173. [95]
El modelo de Bohr presenta dificultades para átomos con número atómico mayor a 137, pues la velocidad de un electrón en un orbital electrónico de 1s , v , está dada por
donde Z es el número atómico y α es la constante de estructura fina , una medida de la fuerza de las interacciones electromagnéticas. [96] Según esta aproximación, cualquier elemento con un número atómico mayor que 137 requeriría que los electrones 1s viajen más rápido que c , la velocidad de la luz . Por lo tanto, el modelo de Bohr no relativista es inexacto cuando se aplica a dicho elemento.
La ecuación relativista de Dirac da la energía del estado fundamental como
donde m es la masa en reposo del electrón. [97] Para Z > 137, la función de onda del estado fundamental de Dirac es oscilatoria, en lugar de ligada, y no hay brecha entre los espectros de energía positiva y negativa, como en la paradoja de Klein . [98] Cálculos más precisos que tienen en cuenta los efectos del tamaño finito del núcleo indican que la energía de enlace primero excede 2 mc 2 para Z > Z cr probablemente entre 168 y 172. [99] Para Z > Z cr , si el orbital más interno (1s) no está lleno, el campo eléctrico del núcleo sacará un electrón del vacío , lo que resultará en la emisión espontánea de un positrón . [100] [101] Esta inmersión del subnivel 1s en el continuo negativo se ha considerado a menudo como un "fin" de la tabla periódica, [13] [95] [102] pero, de hecho, no impone tal límite, ya que dichas resonancias pueden interpretarse como estados de Gamow. La descripción precisa de dichos estados en un sistema multielectrónico, necesaria para ampliar los cálculos y la tabla periódica más allá de Z cr ≈ 172, sigue siendo un problema abierto. [99]
Los átomos con números atómicos superiores a Z cr ≈ 172 se han denominado átomos supercríticos . Los átomos supercríticos no pueden ionizarse totalmente porque su subcapa 1s se llenaría mediante la creación espontánea de pares en la que se crea un par electrón-positrón a partir del continuo negativo, quedando el electrón unido y escapando el positrón. Sin embargo, el campo fuerte alrededor del núcleo atómico está restringido a una región muy pequeña del espacio, de modo que el principio de exclusión de Pauli prohíbe la creación espontánea de pares una vez que se llenan las subcapas que se han sumergido en el continuo negativo. Los elementos 173–184 se han denominado átomos débilmente supercríticos ya que para ellos solo la capa 1s se ha sumergido en el continuo negativo; Se espera que la capa 2p 1/2 se una alrededor del elemento 185 y la capa 2s alrededor del elemento 245. Los experimentos hasta ahora no han tenido éxito en detectar la creación espontánea de pares a partir del ensamblaje de cargas supercríticas mediante la colisión de núcleos pesados (por ejemplo, colisionar plomo con uranio para dar momentáneamente un Z efectivo de 174; uranio con uranio da un Z efectivo = 184 y uranio con californio da un Z efectivo = 190). [103]
Aunque pasar Z cr no significa que los elementos ya no puedan existir, la creciente concentración de la densidad de 1s cerca del núcleo probablemente haría que estos electrones fueran más vulnerables a la captura de electrones K a medida que se acerca a Z cr . Para elementos tan pesados, estos electrones 1s probablemente pasarían una fracción significativa de tiempo tan cerca del núcleo que en realidad estarían dentro de él. Esto puede suponer otro límite para la tabla periódica. [104]
Debido al factor m , los átomos muónicos se vuelven supercríticos a un número atómico mucho mayor de alrededor de 2200, ya que los muones son aproximadamente 207 veces más pesados que los electrones. [99]
También se ha postulado que en la región más allá de A > 300, puede existir un " continente de estabilidad " entero que consiste en una fase hipotética de materia de quarks estable , que comprende quarks arriba y abajo que fluyen libremente en lugar de quarks ligados a protones y neutrones. Se teoriza que tal forma de materia es un estado fundamental de materia bariónica con una mayor energía de enlace por barión que la materia nuclear , lo que favorece la desintegración de la materia nuclear más allá de este umbral de masa en materia de quarks. Si este estado de materia existe, posiblemente podría sintetizarse en las mismas reacciones de fusión que conducen a núcleos superpesados normales, y se estabilizaría contra la fisión como consecuencia de su enlace más fuerte que es suficiente para superar la repulsión de Coulomb. [105]
Los cálculos publicados en 2020 [106] sugieren estabilidad de los nuggets de materia de quarks arriba-abajo (udQM) frente a núcleos convencionales más allá de A ~ 266, y también muestran que los nuggets de udQM se vuelven supercríticos antes ( Z cr ~ 163, A ~ 609) que los núcleos convencionales ( Z cr ~ 177, A ~ 480).
La estabilidad de los núcleos disminuye considerablemente con el aumento del número atómico después del curio , el elemento 96, de modo que todos los isótopos con un número atómico superior a 101 se desintegran radiactivamente con una vida media inferior a un día. Ningún elemento con números atómicos superiores a 82 (después del plomo ) tiene isótopos estables. [107] Sin embargo, por razones aún no muy bien entendidas, hay un ligero aumento de la estabilidad nuclear alrededor de los números atómicos 110 – 114 , lo que lleva a la aparición de lo que se conoce en física nuclear como la " isla de estabilidad ". Este concepto, propuesto por el profesor de la Universidad de California Glenn Seaborg , explica por qué los elementos superpesados duran más de lo previsto. [108]
Los cálculos según el método Hartree–Fock–Bogoliubov utilizando la interacción no relativista de Skyrme han propuesto Z = 126 como una capa cerrada de protones . En esta región de la tabla periódica, N = 184, N = 196 y N = 228 se han sugerido como capas cerradas de neutrones. Por lo tanto, los isótopos de mayor interés son 310 126, 322 126 y 354 126, ya que estos podrían tener una vida considerablemente más larga que otros isótopos. Se predice que el elemento 126, que tiene un número mágico de protones , es más estable que otros elementos en esta región y puede tener isómeros nucleares con vidas medias muy largas . [76] También es posible que la isla de estabilidad esté centrada en 306 122 , que puede ser esférica y doblemente mágica . [52] Probablemente, la isla de estabilidad ocurre alrededor de Z = 114–126 y N = 184, con tiempos de vida probablemente de entre horas y días. Más allá del cierre de la capa en N = 184, los tiempos de vida de la fisión espontánea deberían caer drásticamente por debajo de 10 −15 segundos, demasiado cortos para que un núcleo obtenga una nube de electrones y participe en cualquier proceso químico. Dicho esto, dichos tiempos de vida dependen en gran medida del modelo y las predicciones varían en muchos órdenes de magnitud. [99]
Teniendo en cuenta la deformación nuclear y los efectos relativistas, un análisis de los niveles de partículas individuales predice nuevos números mágicos para núcleos superpesados en Z = 126, 138, 154 y 164 y N = 228, 308 y 318. [9] [87] Por lo tanto, además de la isla de estabilidad centrada en 291 Cn, 293 Cn, [28] y 298 Fl, pueden existir otras islas de estabilidad alrededor de los doblemente mágicos 354 126, así como 472 164 o 482 164. [88] [89] Se predice que estos núcleos serán beta-estables y se desintegrarán por emisión alfa o fisión espontánea con vidas medias relativamente largas, y conferirán estabilidad adicional a los isótonos vecinos N = 228 y a los elementos 152-168, respectivamente. [109] Por otra parte, el mismo análisis sugiere que los cierres de capas de protones pueden ser relativamente débiles o incluso inexistentes en algunos casos como 354 126, lo que significa que tales núcleos podrían no ser doblemente mágicos y la estabilidad estará determinada principalmente por fuertes cierres de capas de neutrones. [87] Además, debido a las fuerzas enormemente mayores de repulsión electromagnética que deben ser superadas por la fuerza fuerte en la segunda isla ( Z = 164), [110] es posible que los núcleos alrededor de esta región solo existan como resonancias y no puedan permanecer juntos por una cantidad significativa de tiempo. También es posible que algunos de los superactínidos entre estas series no existan realmente porque están demasiado lejos de ambas islas, [110] en cuyo caso la tabla periódica podría terminar alrededor de Z = 130. [16] Curiosamente, el área de los elementos 121-156 donde la periodicidad está en suspenso es bastante similar a la brecha entre las dos islas. [19]
Más allá del elemento 164, la línea de fisibilidad que define el límite de estabilidad con respecto a la fisión espontánea puede converger con la línea de goteo de neutrones , lo que supone un límite a la existencia de elementos más pesados. [109] Sin embargo, se han predicho otros números mágicos en Z = 210, 274 y 354 y N = 308, 406, 524, 644 y 772, [111] con dos núcleos doblemente mágicos beta-estables encontrados en 616 210 y 798 274; El mismo método de cálculo reprodujo las predicciones para 298 Fl y 472 164. (Los núcleos doblemente mágicos predichos para Z = 354 son beta-inestables, con 998 354 siendo deficiente en neutrones y 1126 354 siendo rico en neutrones.) Aunque se predice estabilidad adicional hacia la desintegración alfa y la fisión para 616 210 y 798 274, con vidas medias de hasta cientos de microsegundos para 616 210, [111] no existirán islas de estabilidad tan significativas como las predichas en Z = 114 y 164. Como la existencia de elementos superpesados depende en gran medida de los efectos estabilizadores de las capas cerradas, la inestabilidad nuclear y la fisión probablemente determinarán el final de la tabla periódica más allá de estas islas de estabilidad. [16] [94] [109]
La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) define que un elemento existe si su vida útil es superior a 10 −14 segundos, que es el tiempo que tarda el núcleo en formar una nube de electrones. Sin embargo, generalmente se considera que existe un nucleido si su vida útil es superior a unos 10 −22 segundos, que es el tiempo que tarda en formarse la estructura nuclear . En consecuencia, es posible que algunos valores Z solo puedan darse en nucleidos y que los elementos correspondientes no existan. [104]
También es posible que no existan más islas más allá de 126, ya que la estructura de la capa nuclear se difumina (ya que se espera que la estructura de la capa electrónica esté alrededor del oganesón) y los modos de desintegración de baja energía se vuelven fácilmente disponibles. [112]
En algunas regiones de la tabla de nucleidos, se espera que haya regiones adicionales de estabilidad debido a núcleos no esféricos que tienen diferentes números mágicos que los núcleos esféricos; el 270 Hs en forma de huevo ( Z = 108, N = 162) es uno de esos núcleos doblemente mágicos deformados. [113] En la región superpesada, la fuerte repulsión de Coulomb de los protones puede causar que algunos núcleos, incluidos los isótopos de oganesón, asuman una forma de burbuja en el estado fundamental con una densidad central reducida de protones, a diferencia de la distribución aproximadamente uniforme dentro de la mayoría de los núcleos más pequeños. [114] [115] Sin embargo, dicha forma tendría una barrera de fisión muy baja. [116] Incluso núcleos más pesados en algunas regiones, como 342 136 y 466 156, pueden en cambio adquirir forma toroidal o similar a la de un glóbulo rojo , con sus propios números mágicos e islas de estabilidad, pero también se fragmentarían fácilmente. [117] [118]
Como se piensa que la principal isla de estabilidad se encuentra alrededor de 291 Cn y 293 Cn, los elementos no descubiertos más allá del oganesón pueden ser muy inestables y sufrir desintegración alfa o fisión espontánea en microsegundos o menos. La región exacta en la que las vidas medias superan un microsegundo es desconocida, aunque varios modelos sugieren que los isótopos de elementos más pesados que el unbinilio que pueden producirse en reacciones de fusión con objetivos y proyectiles disponibles tendrán vidas medias inferiores a un microsegundo y, por lo tanto, pueden no detectarse. [64] Se predice constantemente que existirán regiones de estabilidad en N = 184 y N = 228, y posiblemente también en Z ~ 124 y N ~ 198. Estos núcleos pueden tener vidas medias de unos pocos segundos y sufrir desintegración alfa predominantemente y fisión espontánea, aunque también pueden existir ramas menores de desintegración beta-plus (o captura de electrones ). [119] Fuera de estas regiones de estabilidad mejorada, se espera que las barreras de fisión caigan significativamente debido a la pérdida de efectos de estabilización, resultando en vidas medias de fisión por debajo de 10 −18 segundos, especialmente en núcleos pares-pares para los cuales el impedimento es incluso menor debido al apareamiento de nucleones . [109] En general, se espera que las vidas medias de desintegración alfa aumenten con el número de neutrones, desde nanosegundos en los isótopos más deficientes en neutrones hasta segundos más cercanos a la línea de estabilidad beta . [43] Para núcleos con solo unos pocos neutrones más que un número mágico, la energía de enlace cae sustancialmente, resultando en una ruptura en la tendencia y vidas medias más cortas. [43] Los isótopos más deficientes en neutrones de estos elementos también pueden no estar unidos y sufrir emisión de protones . La desintegración en racimos (emisión de partículas pesadas) también se ha propuesto como un modo de desintegración alternativo para algunos isótopos, [120] lo que plantea otro obstáculo para la identificación de estos elementos.
Las siguientes son las configuraciones electrónicas esperadas de los elementos 119-174 y 184. El símbolo [Og] indica la configuración electrónica probable del oganesón (Z = 118), que es actualmente el último elemento conocido. Las configuraciones de los elementos en esta tabla se escriben comenzando con [Og] porque se espera que el oganesón sea el último elemento anterior con una configuración de capa cerrada (gas inerte), 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 4f 14 5s 2 5p 6 5d 10 5f 14 6s 2 6p 6 6d 10 7s 2 7p 6 . De manera similar, el [172] en las configuraciones de los elementos 173, 174 y 184 denota la probable configuración de capa cerrada del elemento 172.
Más allá del elemento 123, no se dispone de cálculos completos y, por lo tanto, los datos de esta tabla deben tomarse como provisionales. [16] [90] [121] En el caso del elemento 123, y quizás también de elementos más pesados, se predice que varias configuraciones electrónicas posibles tienen niveles de energía muy similares, de modo que es muy difícil predecir el estado fundamental . Se incluyen todas las configuraciones que se han propuesto (ya que se entendió que la regla de Madelung probablemente deja de funcionar aquí). [83] [121] [122]
Las asignaciones de bloques previstas hasta el elemento 172 son las de Kulsha [21] , siguiendo los orbitales de valencia disponibles esperados. Sin embargo, no hay un consenso en la literatura sobre cómo deberían funcionar los bloques después del elemento 138.
Kulsha nennt die 36 Elemente zwischen 121 und 156 „Ultransition Elements" und schlägt vor, sie in zwei Serien aufzuteilen, in eine von 121 bis 138 und eine zweite von 139 bis 156. Die erste ähnelte eher den Lanthanoiden (Seltenerden), die zweite mehr den Actinoides.
a verse tan ordenada, ya que para llenar la siguiente fila se necesitarían crear otros cincuenta y cuatro elementos.
Con la finalización de la actualización del acelerador lineal y BigRIPS a principios de 2020, el RNC tiene como objetivo sintetizar nuevos elementos a partir del elemento 119 y más allá.
Comenzamos la búsqueda del elemento 119 en junio pasado", dice el investigador de RIKEN Hideto En'yo. "Sin duda llevará mucho tiempo, años y años, por lo que continuaremos el mismo experimento de forma intermitente durante 100 o más días al año, hasta que nosotros o alguien más lo descubramos.
La búsqueda del elemento 113 estuvo a punto de abandonarse por falta de recursos, pero esta vez el emperador de Japón está financiando los esfuerzos de Riken para ampliar la tabla periódica hasta su octava fila.
Previously, we worked mainly with calcium. This is element 20 in the Periodic Table. It was used to bombard the target. And the heaviest element that can be used to make a target is californium, 98. Accordingly, 98 + 20 is 118. That is, to get element 120, we need to proceed to the next particle. This is most likely titanium: 22 + 98 = 120.
There is still much work to adjust the system. I don't want to get ahead of myself, but if we can successfully conduct all the model experiments, then the first experiments on the synthesis of element 120 will probably start this year.
В этом году мы фактически завершаем подготовительную серию экспериментов по отладке всех режимов ускорителя и масс-спектрометров для синтеза 120-го элемента. Научились получать высокие интенсивности ускоренного хрома и титана. Научились детектировать сверхтяжелые одиночные атомы в реакциях с минимальным сечением. Теперь ждем, когда закончится наработка материала для мишени на реакторах и сепараторах у наших партнеров в «Росатоме» и в США: кюрий, берклий, калифорний. Надеюсь, что в 2025 г. мы полноценно приступим к синтезу 120-го элемента.
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