Международная исследовательская группа впервые измерила прочность химической связи с сиборгием – результаты опубликованы в журнале «Nature»
Международная исследовательская группа под руководством ученых из Центра исследований тяжелых ионов им. Гельмгольца при Институте геологических исследований им. Гельмгольца и FAIR в Дармштадте добилась замечательного результата: впервые экспериментально определена прочность химической связи в соединении со сверхтяжелым элементом. Результаты позволяют по-новому взглянуть на то, как изменяются химические свойства элементов в экстремальных условиях.
В центре внимания исследования был искусственно созданный элемент сиборгий (Sg) с атомным номером 106. Ученые исследовали соединение, состоящее из одного атома сиборгия и шести групп монооксида углерода, так называемый гексакарбонильный комплекс Sg(CO)₆.
Удивительный результат: химическая связь оказалась слабее, чем можно было бы ожидать, исходя из положения элемента в периодической таблице. Это объясняется эффектами, которые можно сформулировать на основе теории относительности Эйнштейна. Результаты исследования были опубликованы в известном научном журнале «Nature».
Когда теория относительности Эйнштейна влияет на химию
Сверхтяжелые элементы с атомными номерами от 104 до 118 не встречаются в природе в достаточном количестве для подобных исследований. Их необходимо искусственно производить в реакциях ядерного синтеза на ускорителях частиц.
Это сложный процесс: зачастую за день образуется всего несколько атомов. Кроме того, образующиеся атомные ядра крайне нестабильны и распадаются радиоактивно в течение очень короткого времени.
В сиборгии высокий положительный заряд атомного ядра сильно влияет на движение электронов. Электроны вблизи ядра достигают скоростей, при которых релятивистские эффекты играют существенную роль.
Это изменяет электронную структуру атома. В свою очередь, это влияет на то, как элемент образует химические связи с другими атомами или молекулами.
Компания Seaborgium ведет себя иначе, чем ожидалось
В периодической таблице сиборгий относится к той же группе элементов, что и хром, молибден и вольфрам. В этой группе прочность изучаемой химической связи возрастает от хрома через молибден к вольфраму.
Следуя этой закономерности, можно было бы ожидать, что соответствующая связь будет особенно прочной в еще более тяжелом сиборгии.
Однако измерения показали обратное.
«От хрома к молибдену и вольфраму прочность связи возрастает, поэтому она должна быть наибольшей в сиборгии. Однако измерения показывают, что высокое атомное число сиборгия изменяет его электронную структуру, что меняет тенденцию на противоположную и приводит к ослаблению связи», — объясняет доктор Александр Якушев из GSI/FAIR, представитель международного исследовательского сотрудничества.
Квантово-химические расчеты, учитывающие релятивистские эффекты, могут объяснить это наблюдение. Более простые модели, не учитывающие эти эффекты, напротив, предсказывали бы дальнейшее увеличение прочности связи.
Для исследования потребовалось всего 75 атомов сиборгия
Экспериментальное исследование поставило перед исследователями особые задачи, поскольку полученные атомы сиборгия существуют лишь доли секунды.
Изотоп сиборгий-259 был получен в GSI/FAIR в Дармштадте. Изученные ядерные состояния имеют время жизни менее половины секунды.
С помощью экспериментальной установки TASCA, сепаратора трансактинидов и химического оборудования, полученные атомы были изолированы, а затем введены в газовую атмосферу, содержащую монооксид углерода.
Исследуемые химические соединения могли образовываться именно там. Два детектора, расположенные один за другим, служили для регистрации радиоактивного распада отдельных атомов и для различения различных продуктов реакции.
В общей сложности исследователи обнаружили 75 атомов сиборгия. Только три из них были зарегистрированы детектором гексакарбонильного соединения.
Для сравнения группа исследователей также изучила короткоживущие изотопы вольфрама. В них 17 процентов атомов образовали соответствующее соединение.
Исходя из этой разницы, ученые смогли сделать вывод, что исследуемая связь в сиборгии примерно на четыре килоджоуля на моль слабее, чем в вольфраме.
Многолетние исследования приводят к успеху
Соединение Sg(CO)₆ было впервые синтезировано около десяти лет назад в Центре Нисина при Королевском институте инженеров-строителей (RIKEN) в Японии. В то время в эксперименте принимали участие ученые из Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце и GSI/FAIR.
Даже тогда это соединение считалось перспективным для исследования прочности химических связей. Однако первоначальные попытки фактически определить эту прочность оказались безуспешными.
В настоящее время успешные измерения стали возможны лишь благодаря сочетанию быстрых методов химического синтеза, высокой эффективности и чувствительных методов обнаружения радиоактивных распадов.
Международное сотрудничество как основа
Профессор Кристоф Э. Дюльманн, заведующий кафедрами химии сверхтяжелых элементов в GSI/FAIR и Институте имени Гельмгольца в Майнце, а также профессор Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга, подчеркивает важность международного сотрудничества.
«Этот новаторский эксперимент был бы невозможен без междисциплинарного и международного сотрудничества между исследовательскими учреждениями по всему миру», — объясняет Дюльманн.
Данное исследование дополняет исследовательские программы GSI и FAIR, которые, помимо прочего, посвящены происхождению элементов во Вселенной и их основным свойствам.
После успешного эксперимента ученые уже готовят дальнейшие исследования. В будущем они также планируют изучать химические соединения с элементами еще тяжелее сиборгия.
(ДАРМШТАДТ – RED/GSI)
Изображение: Экспериментальная установка за сепаратором TASCA: первый детектор за реакционной камерой, окруженный двумя германиевыми детекторами. Фото: GSI
