Міжнародна дослідницька група вперше виміряла міцність хімічного зв'язку з сиборгієм – результати опубліковані в «Nature»
Міжнародна дослідницька група під керівництвом вчених з Центру дослідження важких іонів імені Гельмгольца Інституту гелікоптерів США та FAIR у Дармштадті досягла вражаючого результату: вперше експериментально визначено міцність хімічного зв'язку в сполуці з надважким елементом. Результати дають нове розуміння того, як змінюються хімічні властивості елементів в екстремальних умовах.
У центрі уваги дослідження був штучно отриманий елемент сиборгій (Sg) з атомним номером 106. Вчені дослідили сполуку, що складається з одного атома сиборгію та шести груп монооксиду вуглецю, так званий гексакарбонільний комплекс Sg(CO)₆.
Дивовижний результат: хімічний зв'язок слабший, ніж можна було б очікувати, виходячи з положення елемента в періодичній таблиці. Це пов'язано з ефектами, які можна пояснити теорією відносності Ейнштейна. Результати дослідження були опубліковані у відомому науковому журналі "Nature".
Коли теорія відносності Ейнштейна вплинула на хімію
Надважкі елементи з атомними номерами від 104 до 118 не зустрічаються в природі в достатніх кількостях для таких досліджень. Їх необхідно штучно виробляти в реакціях ядерного синтезу на прискорювачах частинок.
Це складний процес: часто на день утворюється лише кілька атомів. Крім того, отримані атомні ядра надзвичайно нестабільні та розпадаються радіоактивно за дуже короткий час.
У сиборгії високий позитивний заряд атомного ядра сильно впливає на рух електронів. Електрони поблизу ядра досягають швидкостей, за яких релятивістські ефекти відіграють значну роль.
Це змінює електронну структуру атома. Це, у свою чергу, впливає на те, як елемент утворює хімічні зв'язки з іншими атомами або молекулами.
Сіборгій поводиться не так, як очікувалося
У періодичній таблиці сиборгій належить до тієї ж групи елементів, що й хром, молібден і вольфрам. У цій групі міцність досліджуваного хімічного зв'язку зростає від хрому через молібден до вольфраму.
Слідуючи цій схемі, можна було б очікувати, що відповідний зв'язок буде особливо міцним у ще важчому сиборгії.
Однак вимірювання показали протилежне.
«Від хрому до молібдену та вольфраму міцність зв'язку зростає, тому насправді вона має бути найсильнішою у сиборгії. Однак вимірювання показують, що високий атомний номер сиборгію змінює його електронну структуру, що змінює тенденцію та призводить до слабшого зв'язку», – пояснює доктор Олександр Якушев з GSI/FAIR, речник міжнародної дослідницької колаборації.
Квантово-хімічні розрахунки, що враховують релятивістські ефекти, можуть пояснити це спостереження. З іншого боку, простіші моделі без цих ефектів передбачали б подальше збільшення міцності зв'язку.
Для дослідження знадобилося лише 75 атомів сиборгію
Експериментальне дослідження поставило перед дослідниками особливі труднощі, оскільки утворені атоми сиборгію існують лише частки секунди.
Ізотоп Сіборгій-259 був отриманий у GSI/FAIR у Дармштадті. Досліджувані ядерні стани мають час життя менше ніж півсекунди.
Використовуючи експериментальну установку TASCA, трансактиноїдний сепаратор та хімічний апарат, утворені атоми були ізольовані, а потім введені в газову атмосферу, що містить монооксид вуглецю.
Там могли утворюватися досліджувані хімічні сполуки. Два детектори, розташовані один за одним, служили для реєстрації радіоактивних розпадів окремих атомів та розрізнення різних продуктів реакції.
Загалом дослідники виявили 75 атомів сиборгію. Лише три з них були зареєстровані детектором для гексакарбонільної сполуки.
Для порівняння команда також дослідила короткоживучі ізотопи вольфраму. У них 17 відсотків атомів утворювали відповідну сполуку.
З цієї різниці вчені змогли зробити висновок, що досліджуваний зв'язок приблизно на чотири кілоджоулі на моль слабший у сиборгії, ніж у вольфрамі.
Роки досліджень призвели до успіху
Сполуку Sg(CO)₆ вперше синтезували близько десяти років тому в центрі RIKEN Nishina в Японії. Серед тих, хто брав участь в експерименті на той час, були вчені з Університету Йоганнеса Гутенберга в Майнці та GSI/FAIR.
Навіть тоді сполуку вважали перспективною для дослідження міцності хімічних зв'язків. Однак початкові спроби фактично визначити цю міцність були невдалими.
Тільки поєднання методів швидкого хімічного синтезу, високих виходів та чутливих методів виявлення радіоактивних розпадів зараз зробило можливими успішні вимірювання.
Міжнародна співпраця як основа
Професор Крістоф Е. Дюльманн, керівник кафедр хімії надважких елементів у GSI/FAIR та Інституті Гельмгольца в Майнці, а також професор Університету Йоганнеса Гутенберга в Майнці, наголошує на важливості міжнародної співпраці.
«Цей новаторський експеримент був би неможливим без міждисциплінарної та міжнародної співпраці між дослідницькими установами по всьому світу», – пояснює Дюльманн.
Дослідження доповнює дослідницькі програми GSI та FAIR, які, серед іншого, займаються походженням елементів у Всесвіті та їх основними властивостями.
Після успішного експерименту вчені вже готують подальші дослідження. У майбутньому вони також планують досліджувати хімічні сполуки з елементами, важчими за сиборгій.
(ДАРМШТАДТ – ЧЕРВОНИЙ/GSI)
Зображення: Експериментальна установка за сепаратором TASCA: перший детектор за реакційною камерою, оточений двома германієвими детекторами. Фото: GSI
