El tenesino es un elemento químico sintético ; su símbolo es Ts y su número atómico es 117. Tiene el segundo número atómico más alto y la masa atómica más alta de todos los elementos conocidos y es el penúltimo elemento del séptimo período de la tabla periódica . Recibe su nombre del estado estadounidense de Tennessee , donde se encuentran las principales instituciones de investigación involucradas en su descubrimiento (sin embargo, la IUPAC dice que el elemento recibe su nombre de la "región de Tennessee").
El descubrimiento de la tennessina fue anunciado oficialmente en Dubna , Rusia, por una colaboración ruso-estadounidense en abril de 2010, lo que lo convierte en el elemento descubierto más recientemente hasta 2024. [actualizar]Uno de sus isótopos hijos fue creado directamente en 2011, lo que confirma parcialmente los resultados del experimento. El experimento en sí fue repetido con éxito por la misma colaboración en 2012 y por un equipo conjunto germano-estadounidense en mayo de 2014. En diciembre de 2015, el Grupo de Trabajo Conjunto de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) y la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP), que evalúa las afirmaciones de descubrimiento de nuevos elementos, reconoció el elemento y asignó la prioridad al equipo ruso-estadounidense. En junio de 2016, la IUPAC publicó una declaración que indicaba que los descubridores habían sugerido el nombre tennessina , un nombre que fue adoptado oficialmente en noviembre de 2016. [b]
La tennessina puede estar ubicada en la " isla de estabilidad ", un concepto que explica por qué algunos elementos superpesados son más estables a pesar de una tendencia general de disminución de la estabilidad para los elementos más allá del bismuto en la tabla periódica. Los átomos de tennessina sintetizados han durado decenas y cientos de milisegundos . En la tabla periódica, se espera que la tennessina sea un miembro del grupo 17, los halógenos . [c] Algunas de sus propiedades pueden diferir significativamente de las de los halógenos más ligeros debido a efectos relativistas . Como resultado, se espera que la tennessina sea un metal volátil que no forme aniones ni alcance altos estados de oxidación . Sin embargo, se espera que algunas propiedades clave, como sus puntos de fusión y ebullición y su primera energía de ionización , sigan las tendencias periódicas de los halógenos.
Un núcleo atómico superpesado [d] se crea en una reacción nuclear que combina otros dos núcleos de tamaño desigual [e] en uno; aproximadamente, cuanto más desiguales sean los dos núcleos en términos de masa , mayor será la posibilidad de que los dos reaccionen. [15] 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. [16] 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. [16]
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. [16] [17] Esto sucede porque durante el intento de formación de un solo núcleo, la repulsión electrostática desgarra el núcleo que se está formando. [16] 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. [f] 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. [16]
La fusión resultante es un estado excitado [20] —denominado núcleo compuesto— y por lo tanto es muy inestable. [16] Para alcanzar un estado más estable, la fusión temporal puede fisionarse sin la formación de un núcleo más estable. [21] 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 unos 10 −16 segundos después de la colisión nuclear inicial y da como resultado la creación de un núcleo más estable. [21] 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. [22] [g]
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. [24] En el separador, el núcleo recién producido se separa de otros nucleidos (el del haz original y cualquier otro producto de reacción) [h] 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. [24] La transferencia tarda unos 10 −6 segundos; para ser detectado, el núcleo debe sobrevivir este tiempo. [27] 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. [24]
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. [28] 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. [29] [30] Por lo tanto, se predice teóricamente [31] y hasta ahora se ha observado [32] que los núcleos superpesados se desintegran predominantemente a través de modos de desintegración que son causados por dicha repulsión: desintegración alfa y fisión espontánea . [i] Casi todos los emisores alfa tienen más de 210 nucleones, [34] y el nucleido más ligero que experimenta principalmente fisión espontánea tiene 238. [35] 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. [29] [30]
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. [37] 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. [30] 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), [38] y en 30 órdenes de magnitud desde el torio (elemento 90) hasta el fermio (elemento 100). [39] 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. [30] [40] 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. [30] [40] 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. [41] Los experimentos en núcleos superpesados más ligeros, [42] así como aquellos más cercanos a la isla esperada, [38] 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. [j]
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. [k] (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.) [24] 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). [l] La fisión espontánea, sin embargo, produce varios núcleos como productos, por lo que el nucleido original no puede determinarse a partir de sus hijos. [m]
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. [n]En diciembre de 2004, el equipo del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR) en Dubna , Óblast de Moscú , Rusia, propuso un experimento conjunto con el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) en Oak Ridge , Tennessee , Estados Unidos, para sintetizar el elemento 117, llamado así por los 117 protones en su núcleo . Su propuesta implicaba fusionar un objetivo de berkelio (elemento 97) y un haz de calcio (elemento 20), realizado mediante el bombardeo del objetivo de berkelio con núcleos de calcio: [53] esto completaría un conjunto de experimentos realizados en el JINR sobre la fusión de objetivos de actínidos con un haz de calcio-48, que hasta ahora había producido los nuevos elementos 113 - 116 y 118. ORNL, entonces el único productor mundial de berkelio, no podía proporcionar el elemento, ya que había cesado temporalmente la producción, [53] y reiniciarla sería demasiado costoso. [54] Los planes para sintetizar el elemento 117 fueron suspendidos a favor de la confirmación del elemento 118, que había sido producido anteriormente en 2002 bombardeando un objetivo de californio con calcio. [55] El berkelio-249 requerido es un subproducto en la producción de californio-252, y obtener la cantidad requerida de berkelio era una tarea aún más difícil que obtener la de californio, así como costosa: costaría alrededor de 3,5 millones de dólares, y las partes acordaron esperar una orden comercial de producción de californio, del cual se podría extraer berkelio. [54] [56]
El equipo del JINR buscó utilizar berkelio porque el calcio-48 , el isótopo del calcio utilizado en el haz, tiene 20 protones y 28 neutrones, lo que da una relación neutrón-protón de 1,4; y es el núcleo estable o casi estable más ligero con un exceso de neutrones tan grande. Gracias al exceso de neutrones, se esperaba que los núcleos resultantes fueran más pesados y estuvieran más cerca de la isla de estabilidad buscada . [o] De los 117 protones buscados, el calcio tiene 20, y por lo tanto necesitaban utilizar berkelio, que tiene 97 protones en su núcleo. [3]
En febrero de 2005, el líder del equipo del JINR, Yuri Oganessian , presentó un coloquio en el ORNL. También estuvieron presentes representantes del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, que habían trabajado anteriormente con el JINR en el descubrimiento de los elementos 113-116 y 118, y Joseph Hamilton de la Universidad de Vanderbilt , colaborador de Oganessian. [58]
Hamilton comprobó si el reactor de alto flujo ORNL producía californio para un pedido comercial: el berkelio requerido se podía obtener como subproducto. Se enteró de que no era así y que no había expectativas de un pedido de ese tipo en el futuro inmediato. Hamilton siguió de cerca la situación y hacía comprobaciones de vez en cuando. (Más tarde, Oganessian se refirió a Hamilton como "el padre del 117" por hacer este trabajo.) [58]
ORNL reanudó la producción de californio en la primavera de 2008. Hamilton notó el reinicio durante el verano e hizo un trato para la posterior extracción de berkelio [59] (el precio fue de aproximadamente $600,000). [60] Durante un simposio de septiembre de 2008 en la Universidad de Vanderbilt en Nashville , Tennessee, celebrando su 50 aniversario en la facultad de Física, Hamilton presentó a Oganessian a James Roberto (entonces subdirector de ciencia y tecnología en ORNL). [61] Establecieron una colaboración entre JINR, ORNL y Vanderbilt. [56] Clarice Phelps fue parte del equipo de ORNL que colaboró con JINR; [62] esto es particularmente notable ya que debido a ello la IUPAC la reconoce como la primera mujer afroamericana en participar en el descubrimiento de un elemento químico. [62] [63] [64] [65] Las instituciones colaboradoras finales también incluyeron la Universidad de Tennessee (Knoxville) , el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore , el Instituto de Investigación de Reactores Avanzados (Rusia) y la Universidad de Nevada (Las Vegas) . [66]
En noviembre de 2008, el Departamento de Energía de Estados Unidos , que supervisaba el reactor de Oak Ridge , permitió el uso científico del berkelio extraído. [67]
La producción duró 250 días y finalizó a fines de diciembre de 2008, [68] dando como resultado 22 miligramos de berkelio, suficiente para realizar el experimento. [69] En enero de 2009, el berkelio fue retirado del reactor de isótopos de alto flujo de ORNL; [67] posteriormente se enfrió durante 90 días y luego se procesó en el Centro de Desarrollo e Ingeniería Radioquímica de ORNL para separar y purificar el material de berkelio, lo que tomó otros 90 días. [56] Su vida media es de solo 330 días: esto significa que, después de ese tiempo, la mitad del berkelio producido se habría desintegrado . Debido a esto, el objetivo de berkelio tuvo que ser transportado rápidamente a Rusia; para que el experimento fuera viable, tuvo que completarse dentro de los seis meses posteriores a su salida de los Estados Unidos. [56] El objetivo fue empaquetado en cinco contenedores de plomo para ser trasladados en avión desde Nueva York a Moscú. [56] Los funcionarios de aduanas rusos se negaron dos veces a dejar entrar al objetivo en el país debido a la falta de documentación o a que estaba incompleta. En el lapso de unos pocos días, el objetivo viajó sobre el Océano Atlántico cinco veces. [56] A su llegada a Rusia en junio de 2009, el berkelio fue transferido inmediatamente al Instituto de Investigación de Reactores Atómicos (RIAR) en Dimitrovgrad , Óblast de Uliánovsk , donde se depositó como una capa de 300 nanómetros de espesor sobre una película de titanio . [68] En julio de 2009, fue transportado a Dubna, [68] donde se instaló en el acelerador de partículas del JINR. [69] El haz de calcio-48 se generó extrayendo químicamente las pequeñas cantidades de calcio-48 presentes en el calcio natural, enriqueciéndolo 500 veces. [67] Este trabajo se realizó en la ciudad cerrada de Lesnoy , Óblast de Sverdlovsk , Rusia. [67]
El experimento comenzó a finales de julio de 2009. [67] En enero de 2010, los científicos del Laboratorio Flerov de Reacciones Nucleares anunciaron internamente que habían detectado la desintegración de un nuevo elemento con número atómico 117 a través de dos cadenas de desintegración: una de un isótopo impar-impar que experimenta 6 desintegraciones alfa antes de la fisión espontánea , y una de un isótopo impar-par que experimenta 3 desintegraciones alfa antes de la fisión. [70] Los datos obtenidos del experimento se enviaron al LLNL para su posterior análisis. [71] El 9 de abril de 2010, se publicó un informe oficial en la revista Physical Review Letters que identificaba los isótopos como 294 117 y 293 117, que demostraron tener vidas medias del orden de decenas o cientos de milisegundos . El trabajo fue firmado por todas las partes involucradas en el experimento hasta cierto punto: JINR, ORNL, LLNL, RIAR, Vanderbilt, la Universidad de Tennessee ( Knoxville , Tennessee , EE. UU.) y la Universidad de Nevada ( Las Vegas , Nevada , EE. UU.), que brindaron apoyo para el análisis de datos. [72] Los isótopos se formaron de la siguiente manera: [73] [p]
Todos los isótopos hijos (productos de desintegración) del elemento 117 eran desconocidos previamente; [73] por lo tanto, sus propiedades no pudieron utilizarse para confirmar la afirmación del descubrimiento. En 2011, cuando uno de los productos de desintegración ( 289 115) se sintetizó directamente, sus propiedades coincidieron con las medidas en la síntesis indirecta afirmada a partir de la desintegración del elemento 117. [74] Los descubridores no presentaron una reclamación por sus hallazgos en 2007-2011 cuando el Grupo de Trabajo Conjunto estaba revisando las reclamaciones de descubrimientos de nuevos elementos. [75]
El equipo de Dubna repitió el experimento en 2012, creando siete átomos del elemento 117 y confirmando su síntesis anterior del elemento 118 (producido después de algún tiempo cuando una cantidad significativa del objetivo berkelio -249 se había desintegrado en beta a californio -249). Los resultados del experimento coincidieron con el resultado anterior; [8] los científicos presentaron entonces una solicitud para registrar el elemento. [ cita requerida ] En mayo de 2014, una colaboración conjunta germano-estadounidense de científicos del ORNL y del Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados en Darmstadt , Hessen , Alemania, afirmó haber confirmado el descubrimiento del elemento. [7] [76] El equipo repitió el experimento de Dubna utilizando el acelerador de Darmstadt, creando dos átomos del elemento 117. [7]
En diciembre de 2015, el JWP reconoció oficialmente el descubrimiento de 293 117 debido a la confirmación de las propiedades de su elemento hijo 289 115, [77] y, por lo tanto, a los descubridores enumerados (JINR, LLNL y ORNL) se les dio el derecho de sugerir un nombre oficial para el elemento. (Vanderbilt quedó fuera de la lista inicial de descubridores por un error que luego se corrigió). [78]
En mayo de 2016, la Universidad de Lund ( Lund , Scania , Suecia) y el GSI pusieron en duda las síntesis de los elementos 115 y 117. Un nuevo método estadístico determinó que las cadenas de desintegración asignadas a 289 115, el isótopo instrumental en la confirmación de las síntesis de los elementos 115 y 117, eran demasiado diferentes para pertenecer al mismo nucleido con una probabilidad razonablemente alta. Se determinó que las cadenas de desintegración 293 117 informadas y aprobadas como tales por el JWP requerían ser divididas en conjuntos de datos individuales asignados a diferentes isótopos del elemento 117. También se determinó que el vínculo reclamado entre las cadenas de desintegración informadas a partir de 293 117 y 289 115 probablemente no existía. (Por otra parte, se encontró que las cadenas del isótopo no aprobado 294 117 eran congruentes.) La multiplicidad de estados encontrados cuando los nucleidos que no son pares-pares experimentan desintegración alfa no es inesperada y contribuye a la falta de claridad en las reacciones cruzadas. Este estudio criticó el informe del JWP por pasar por alto sutilezas asociadas con esta cuestión, y consideró "problemático" que el único argumento para la aceptación de los descubrimientos de los elementos 115 y 117 fuera un vínculo que consideraban dudoso. [79] [80]
El 8 de junio de 2017, dos miembros del equipo de Dubna publicaron un artículo en una revista en el que respondían a estas críticas y analizaban sus datos sobre los nucleidos 293 117 y 289 115 con métodos estadísticos ampliamente aceptados. Observaron que los estudios de 2016 que indicaban falta de congruencia producían resultados problemáticos cuando se aplicaban a la desintegración radiactiva: excluían del intervalo de confianza del 90 % los tiempos de desintegración promedio y extremos, y las cadenas de desintegración que se excluirían del intervalo de confianza del 90 % que eligieron tenían más probabilidades de ser observadas que las que se incluirían. El nuevo análisis de 2017 concluyó que las cadenas de desintegración observadas de 293 117 y 289 115 eran coherentes con el supuesto de que solo había un nucleido presente en cada paso de la cadena, aunque sería deseable poder medir directamente el número de masa del núcleo de origen de cada cadena, así como la función de excitación de la reacción 243 Am + 48 Ca. [81]
Usando la nomenclatura de Mendeleev para elementos sin nombre y no descubiertos , el elemento 117 debería ser conocido como eka- astatina . Usando las recomendaciones de 1979 de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), el elemento fue llamado temporalmente ununseptium (símbolo Uus ), formado a partir de las raíces latinas "uno", "uno" y "siete", una referencia al número atómico del elemento 117. [82] Muchos científicos en el campo lo llamaron "elemento 117", con el símbolo E117 , (117) o 117. [4] De acuerdo con las pautas de la IUPAC vigentes en el momento de la aprobación del descubrimiento, los nombres permanentes de nuevos elementos deberían haber terminado en "-io"; esto incluía al elemento 117, incluso si el elemento era un halógeno , que tradicionalmente tienen nombres que terminan en "-ino"; [83] Sin embargo, las nuevas recomendaciones publicadas en 2016 recomendaron utilizar la terminación "-ine" para todos los nuevos elementos del grupo 17. [84]
Después de la síntesis original en 2010, Dawn Shaughnessy de LLNL y Oganessian declararon que el nombramiento era una cuestión delicada, y se evitó en la medida de lo posible. [85] Sin embargo, Hamilton, que enseña en la Universidad de Vanderbilt en Nashville, Tennessee , declaró ese año: "Fui crucial para reunir al grupo y conseguir el objetivo 249 Bk esencial para el descubrimiento. Como resultado de eso, voy a poder nombrar el elemento. No puedo decirles el nombre, pero aportará distinción a la región". [72] En una entrevista de 2015, Oganessian, después de contar la historia del experimento, dijo: "y los estadounidenses lo llamaron un tour de force, habían demostrado que podían hacerlo sin margen de error. Bueno, pronto nombrarán el elemento número 117". [86]
En marzo de 2016, el equipo de descubrimiento acordó una conferencia telefónica en la que participaron representantes de las partes involucradas sobre el nombre "tennessina" para el elemento 117. [58] En junio de 2016, la IUPAC publicó una declaración en la que se indicaba que los descubridores habían enviado sus sugerencias para nombrar los nuevos elementos 115, 117 y 118 a la IUPAC; la sugerencia para el elemento 117 fue tennessina , con el símbolo Ts , en honor a "la región de Tennessee". [b] Los nombres sugeridos fueron recomendados para su aceptación por la División de Química Inorgánica de la IUPAC; la aceptación formal se programó para que se produjera después de que expirara un plazo de cinco meses tras la publicación de la declaración. [87] En noviembre de 2016, los nombres, incluida la tennessina, fueron aceptados formalmente. Se rechazaron las preocupaciones de que el símbolo propuesto Ts pudiera entrar en conflicto con una notación para el grupo tosilo utilizado en química orgánica, siguiendo los símbolos existentes que tienen tales significados duales: Ac ( actinio y acetilo ) y Pr ( praseodimio y propilo ). [88] La ceremonia de nombramiento para moscovio , tenesina y oganesón se llevó a cabo el 2 de marzo de 2017 en la Academia Rusa de Ciencias en Moscú ; una ceremonia separada para tenesina solo se había celebrado en ORNL en enero de 2017. [89]
Aparte de las propiedades nucleares, no se han medido propiedades de la tennessina ni de sus compuestos; esto se debe a su producción extremadamente limitada y costosa [60] y al hecho de que se desintegra muy rápidamente. Las propiedades de la tennessina siguen siendo desconocidas y solo se pueden hacer predicciones.
La estabilidad de los núcleos disminuye rápidamente con el aumento del número atómico después del curio , el elemento 96, cuya vida media es cuatro órdenes de magnitud más larga que la de cualquier elemento posterior. Todos los isótopos con un número atómico superior a 101 sufren desintegración radiactiva con vidas medias de menos de 30 horas. Ningún elemento con números atómicos superiores a 82 (después del plomo ) tiene isótopos estables. [90] Esto se debe a la repulsión de Coulomb de los protones cada vez mayor, de modo que la fuerza nuclear fuerte no puede mantener unido el núcleo contra la fisión espontánea durante mucho tiempo. Los cálculos sugieren que, en ausencia de otros factores estabilizadores, no deberían existir elementos con más de 104 protones . [91] Sin embargo, los investigadores de la década de 1960 sugirieron que las capas nucleares cerradas alrededor de 114 protones y 184 neutrones deberían contrarrestar esta inestabilidad, creando una " isla de estabilidad " donde los nucleidos podrían tener vidas medias que alcanzan miles o millones de años. Aunque los científicos aún no han llegado a la isla, la mera existencia de los elementos superpesados (incluida la tennessina) confirma que este efecto estabilizador es real y, en general, los nucleidos superpesados conocidos tienen una vida media exponencialmente más larga a medida que se acercan a la ubicación prevista de la isla. [92] [93] La tennessina es el segundo elemento más pesado creado hasta ahora, y todos sus isótopos conocidos tienen vidas medias de menos de un segundo. Sin embargo, esto es más largo que los valores predichos antes de su descubrimiento: las vidas medias predichas para 293 Ts y 294 Ts utilizadas en el artículo del descubrimiento fueron de 10 ms y 45 ms respectivamente, mientras que las vidas medias observadas fueron de 21 ms y 112 ms respectivamente. [73] El equipo de Dubna cree que la síntesis del elemento es una prueba experimental directa de la existencia de la isla de estabilidad. [94]
Se ha calculado que el isótopo 295 Ts tendría una vida media de unos 18 milisegundos , y puede ser posible producir este isótopo a través de la misma reacción berkelio-calcio utilizada en los descubrimientos de los isótopos conocidos, 293 Ts y 294 Ts. La probabilidad de que esta reacción produzca 295 Ts se estima en, como máximo, una séptima parte de la probabilidad de producir 294 Ts. [27] [95] [96] Los cálculos que utilizan un modelo de túnel cuántico predicen la existencia de varios isótopos de tenesina hasta 303 Ts. Se espera que el más estable de estos sea 296 Ts con una vida media de desintegración alfa de 40 milisegundos. [97] Un estudio del modelo de gota líquida sobre los isótopos del elemento muestra resultados similares; Esto sugiere una tendencia general de aumento de la estabilidad para los isótopos más pesados que 301 Ts, con vidas medias parciales que exceden la edad del universo para los isótopos más pesados como 335 Ts cuando no se considera la desintegración beta. [98] Los isótopos más ligeros de tenesina se pueden producir en la reacción 243 Am + 50 Ti, que fue considerada como un plan de contingencia por el equipo de Dubna en 2008 si 249 Bk no estaba disponible. [99]
Se espera que la tennessina sea un miembro del grupo 17 en la tabla periódica, por debajo de los cinco halógenos; flúor , cloro , bromo , yodo y astato , cada uno de los cuales tiene siete electrones de valencia con una configuración de n s 2 n p 5 . [100] [q] Para la tennessina, al estar en el séptimo período (fila) de la tabla periódica, continuar la tendencia predeciría una configuración electrónica de valencia de 7s 2 7p 5 , [4] y, por lo tanto, se esperaría que se comporte de manera similar a los halógenos en muchos aspectos relacionados con este estado electrónico. Sin embargo, al descender al grupo 17, la metalicidad de los elementos aumenta; por ejemplo, el yodo ya exhibe un brillo metálico en estado sólido, y se espera que el astato sea un metal. [101] Como tal, una extrapolación basada en tendencias periódicas predeciría que la tennessina es un metal bastante volátil. [102]
Los cálculos han confirmado la precisión de esta simple extrapolación, aunque la verificación experimental de esto es actualmente imposible ya que las vidas medias de los isótopos conocidos de tennessina son demasiado cortas. [102] Es probable que surjan diferencias significativas entre la tennessina y los halógenos anteriores, en gran parte debido a la interacción espín-órbita , la interacción mutua entre el movimiento y el espín de los electrones. La interacción espín-órbita es especialmente fuerte para los elementos superpesados porque sus electrones se mueven más rápido, a velocidades comparables a la velocidad de la luz , que los de los átomos más ligeros. [103] En los átomos de tennessina, esto reduce los niveles de energía de los electrones 7s y 7p, estabilizando los electrones correspondientes, aunque dos de los niveles de energía de los electrones 7p están más estabilizados que los otros cuatro. [104] La estabilización de los electrones 7s se llama efecto de par inerte ; el efecto que separa la subcapa 7p en las partes más estabilizadas y menos estabilizadas se llama división de subcapa. Los químicos computacionales entienden 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] [r] Para muchos propósitos teóricos, la configuración electrónica de valencia puede representarse para reflejar la división de la subcapa 7p como 7s 2
7p2
1/27p3
3/2. [4]
También existen diferencias para otros niveles electrónicos. Por ejemplo, los niveles electrónicos 6d (también divididos en dos, con cuatro siendo 6d 3/2 y seis siendo 6d 5/2 ) están ambos elevados, por lo que son cercanos en energía a los 7s, [104] aunque nunca se ha predicho una química electrónica 6d para tennessina. La diferencia entre los niveles 7p 1/2 y 7p 3/2 es anormalmente alta; 9,8 eV . [104] La división de la subcapa 6p del astato es de solo 3,8 eV, [104] y su química 6p 1/2 ya ha sido llamada "limitada". [106] Estos efectos hacen que la química de la tennessina difiera de la de sus vecinos superiores (ver más abajo).
Se predice que la primera energía de ionización de la tennessina (la energía requerida para quitar un electrón de un átomo neutro) es de 7,7 eV, menor que la de los halógenos, siguiendo nuevamente la tendencia. [4] Al igual que sus vecinos en la tabla periódica, se espera que la tennessina tenga la afinidad electrónica (energía liberada cuando se agrega un electrón al átomo) más baja en su grupo; 2,6 o 1,8 eV. [4] Se predice que el electrón del átomo hipotético de tennessina similar al hidrógeno (oxidado de modo que tenga solo un electrón, Ts 116+ ) se moverá tan rápido que su masa será 1,90 veces la de un electrón inmóvil, una característica atribuible a efectos relativistas . A modo de comparación, la cifra para el astato similar al hidrógeno es 1,27 y la cifra para el yodo similar al hidrógeno es 1,08. [107] Las extrapolaciones simples de las leyes de la relatividad indican una contracción del radio atómico . [107] Cálculos avanzados muestran que el radio de un átomo de tenesina que ha formado un enlace covalente sería de 165 pm , mientras que el de astato sería de 147 pm. [108] Con los siete electrones más externos eliminados, la tenesina es finalmente más pequeña; 57 pm [4] para la tenesina y 61 pm [109] para el astato.
Los puntos de fusión y ebullición de la tennessina no se conocen; artículos anteriores predijeron alrededor de 350–500 °C y 550 °C, respectivamente, [4] o 350–550 °C y 610 °C, respectivamente. [110] Estos valores exceden los del astato y los halógenos más ligeros, siguiendo tendencias periódicas . Un artículo posterior predice que el punto de ebullición de la tennessina será de 345 °C [111] (el del astato se estima en 309 °C, [112] 337 °C, [113] o 370 °C, [114] aunque se han informado valores experimentales de 230 °C [115] y 411 °C [109] ). Se espera que la densidad de la tennessina esté entre 7,1 y 7,3 g/cm 3 . [5]
Los isótopos conocidos de tennessina, 293 Ts y 294 Ts, tienen una vida demasiado corta para permitir la experimentación química en la actualidad. Sin embargo, se han calculado muchas propiedades químicas de tennessina. [116] A diferencia de los elementos más ligeros del grupo 17, la tennessina puede no exhibir el comportamiento químico común a los halógenos. [9] Por ejemplo, flúor, cloro, bromo y yodo aceptan rutinariamente un electrón para lograr la configuración electrónica más estable de un gas noble , obteniendo ocho electrones ( octeto ) en sus capas de valencia en lugar de siete. [117] Esta capacidad se debilita a medida que aumenta el peso atómico al descender en el grupo; la tennessina sería el elemento del grupo 17 menos dispuesto a aceptar un electrón. De los estados de oxidación que se predice que forma, se espera que −1 sea el menos común. [4] Se predice que el potencial de reducción estándar del par Ts/Ts − sea −0,25 V; Este valor es negativo, a diferencia de todos los halógenos más ligeros. [2]
Existe otra oportunidad para que la tennessina complete su octeto: formando un enlace covalente . Al igual que los halógenos, cuando dos átomos de tennessina se encuentran, se espera que formen un enlace Ts–Ts para dar una molécula diatómica . Estas moléculas suelen estar unidas mediante enlaces sigma simples entre los átomos; estos son diferentes de los enlaces pi , que se dividen en dos partes, cada una desplazada en una dirección perpendicular a la línea entre los átomos, y opuestas entre sí en lugar de estar ubicadas directamente entre los átomos que unen. Se ha calculado que el enlace sigma muestra un gran carácter antienlazante en la molécula At 2 y no es tan favorable energéticamente. Se predice que la tennessina continuará con la tendencia; se debería ver un fuerte carácter pi en el enlace de Ts 2. [4] [118] Se predice que la molécula de cloruro de tennessina (TsCl) irá más allá, al estar unida con un solo enlace pi. [118]
Aparte del estado inestable −1, se predicen tres estados de oxidación más: +5, +3 y +1. El estado +1 debería ser especialmente estable debido a la desestabilización de los tres electrones 7p 3/2 más externos , formando una configuración de subcapa estable y medio llena; [4] el astato muestra efectos similares. [119] El estado +3 debería ser importante, nuevamente debido a los electrones 7p 3/2 desestabilizados . [110] Se predice que el estado +5 será poco común porque los electrones 7p 1/2 están estabilizados de manera opuesta. [4] No se ha demostrado, ni siquiera computacionalmente, que el estado +7 sea alcanzable. Debido a que los electrones 7s están muy estabilizados, se ha planteado la hipótesis de que la tenesina efectivamente tiene solo cinco electrones de valencia. [120]
El compuesto de tennessina más simple posible sería el monohidruro, TsH. Se espera que el enlace lo proporcione un electrón 7p 3/2 de tennessina y el electrón 1s del hidrógeno. La naturaleza no enlazante del espinor 7p 1/2 se debe a que se espera que la tennessina no forme enlaces puramente sigma o pi. [121] Por lo tanto, el espinor 7p 3/2 desestabilizado (por lo tanto expandido) es responsable del enlace. [122] Este efecto alarga la molécula de TsH en 17 picómetros en comparación con la longitud total de 195 pm. [121] Dado que los enlaces de electrones p de tennessina son dos tercios sigma, el enlace es solo dos tercios tan fuerte como lo sería si la tennessina no presentara interacciones espín-órbita. [121] Por lo tanto, la molécula sigue la tendencia de los hidruros de halógeno, mostrando un aumento en la longitud del enlace y una disminución en la energía de disociación en comparación con AtH. [4] Las moléculas Tl Ts y Nh Ts pueden verse de manera análoga, teniendo en cuenta un efecto opuesto mostrado por el hecho de que los electrones p 1/2 del elemento están estabilizados. Estas dos características resultan en un momento dipolar relativamente pequeño (producto de la diferencia entre las cargas eléctricas de los átomos y el desplazamiento de los átomos) para TlTs; solo 1,67 D , [s] el valor positivo implica que la carga negativa está en el átomo de tennessina. Para NhTs, se predice que la fuerza de los efectos causa una transferencia del electrón del átomo de tennessina al átomo de nihonium, con un valor del momento dipolar de −1,80 D. [124] La interacción espín-órbita aumenta la energía de disociación de la molécula de TsF porque reduce la electronegatividad de la tennessina, lo que hace que el enlace con el átomo de flúor extremadamente electronegativo tenga un carácter más iónico . [121] El monofluoruro de tenesina debería presentar el enlace más fuerte de todos los monofluoruros del grupo 17. [121]
La teoría VSEPR predice una geometría molecular en forma de T doblada para los trifluoruros del grupo 17. Todos los trifluoruros de halógeno conocidos tienen esta geometría molecular y tienen una estructura de AX 3 E 2 —un átomo central, denotado A, rodeado por tres ligandos , X, y dos pares de electrones no compartidos , E. Si se ignoran los efectos relativistas, TsF 3 debería seguir a sus congéneres más ligeros en tener una geometría molecular en forma de T doblada. Predicciones más sofisticadas muestran que esta geometría molecular no sería energéticamente favorecida para TsF 3 , prediciendo en cambio una geometría molecular trigonal plana (AX 3 E 0 ). Esto muestra que la teoría VSEPR puede no ser consistente para los elementos superpesados. [120] Se predice que la molécula de TsF 3 se estabiliza significativamente por interacciones de espín-órbita; una posible razón puede ser la gran diferencia en electronegatividad entre tennessina y flúor, dando al enlace un carácter parcialmente iónico. [120]
Si se siguiera esta tendencia, el elemento 117 probablemente sería un metal bastante volátil. Los cálculos completamente relativistas coinciden con esta expectativa, sin embargo, necesitan confirmación experimental.
