Uue

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Template:Elementbox Ununennium（化學符號為Uue）是一種尚未被發現的化學元素，原子序數是119。直到這個元素被發現、確認並確定了永久名稱之前，Ununennium和Uue分別為這個元素的暫時系統命名和化學符號。在擴展元素周期表裡，Uue預測是s區元素和鹼金屬，也是第一個第8週期元素。它是目前最輕的未發現元素。

日本的理化學研究所自2018年開始嘗試合成該元素，俄羅斯杜布納聯合原子核研究所則計劃於2026年起開始嘗試。蘭州重離子研究裝置也有計劃嘗試合成Uue。理論和實驗證據表明，Uue等第8週期元素的合成很可能比之前的元素要困難得多。

Uue預測是第七種鹼金屬，性質應與較輕的鹼金屬相似。不過，相對論效應可能會導致Uue的某些性質與直接用元素周期律推測的性質不同。舉個例子，Uue預測會比銫、鈁更不活潑，反應性更接近鉀、銣。此外，Uue除了會有鹼金屬特徵性的+1氧化態外，也有學者預測它能形成其它鹼金屬都未知的+3和+5氧化態。

概論[編輯]

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歷史[編輯]

嘗試合成[編輯]

以前[編輯]

114至118號元素（鈇至鿫）皆由位於俄羅斯杜布納的杜布納聯合原子核研究所（JINR）通過熱聚變反應發現，反應涉及用幾乎穩定、富有中子的鈣-48轟擊從鈈至鐦的元素，合成有更多中子的超重元素。[1]不過，119號元素無法輕易用此類反應合成，因為這需要用鈣-48轟擊鎄元素。反應需要幾十毫克的鎄，但目前只能合成幾微克的鎄。[2]1985年，科學家在加州伯克利的superHILAC加速器通過用鈣-48離子轟擊不足一微克的鎄-254，首次嘗試合成Uue，結果失敗。[3]

腳本錯誤：沒有「Element」這個模塊。 + 腳本錯誤：沒有「Element」這個模塊。 → 腳本錯誤：沒有「Element」這個模塊。* → 沒有原子

對於更重的超重元素，更實際的合成反應需要使用比48Ca重的發射體，[1]但這會使得反應更對稱，[4]更難成功。[2]由於反應截面降低，合成的同位素的半衰期也預測極短，腳本錯誤：沒有「Footnotes」這個模塊。只有幾微秒，[5][6]119號元素的合成將突破當前技術的極限。

從2012年4月到9月，德國達姆施塔特的亥姆霍茲重離子研究中心（GSI）通過用鈦-50轟擊錇-249，嘗試合成295Uue和296Uue。[7][8]由於249Bk和50Ti的反應在可以實際運行的反應中最不對稱，腳本錯誤：沒有「Footnotes」這個模塊。它最有可能合成出119號元素。[8]而且，錇-249會衰變成下一個元素鐦-249，半衰期只有短短的327天，所以反應可以同時嘗試合成119和120號元素。[4]由於Uue的半衰期預計較短，GSI團隊使用了能夠在微秒內記錄衰變事件的新型快速電子設備。[8]腳本錯誤：沒有「Footnotes」這個模塊。

腳本錯誤：沒有「Element」這個模塊。 + 腳本錯誤：沒有「Element」這個模塊。 → 腳本錯誤：沒有「Element」這個模塊。* → 沒有原子
腳本錯誤：沒有「Element」這個模塊。 + 腳本錯誤：沒有「Element」這個模塊。 → 腳本錯誤：沒有「Element」這個模塊。* → 沒有原子

反應沒發現119或120號元素。[9][4]這個實驗原本會持續到2012年11月，[10]但實驗人員把發射體改成48Ca以確認鿬的發現，提早結束實驗。[9]

現在[編輯]

File:Curium oxide targets.jpg
RIKEN嘗試合成Uue時所用的氧化鋦-248目標[11]

2018年1月，位於日本埼玉縣和光市的理化學研究所（RIKEN）團隊在開始用釩-51（51V）轟擊鋦-248（248Cm）目標來合成Uue。[12]由於較重的錇或鐦難以製備，他們選擇了鋦來作為目標。[13]橡樹嶺國家實驗室提供反應中的248Cm目標，RIKEN則研發高能釩離子束。[2]RIKEN最初在回旋加速器開始實驗，2020年完成直線粒子加速器的升級後也用以合成Uue。[14]兩台機器不斷運作，直至觀測到第一次事件。[15][13]RIKEN團隊的嘗試會由天皇資助。[16]

腳本錯誤：沒有「Element」這個模塊。 + 腳本錯誤：沒有「Element」這個模塊。 → 腳本錯誤：沒有「Element」這個模塊。* → 還沒有原子

產生的Uue同位素預計會經兩次α衰變衰變成已知的鏌同位素287Mc和288Mc。在這之後已知會發生五或六次α衰變事件，可以此證實它們的發現。[12][17]

截至2023年9月，RIKEN團隊已嘗試248Cm+51V反應長達462天。RIKEN的報告稱雖然248Cm+51V反應預測不如249Bk+50Ti反應，但出於鋦更易獲得的因素選擇前者。249Bk+50Ti反應更優是因為50Ti發射體更靠近雙幻數原子核48Ca。此外，50Ti的原子序為偶數（22），而涉及偶數原子序發射體的反應截面通常更高。[18]儘管如此，249Bk的短半衰期是該反應的弱點。[11]報告也指出如果該反應未發現Uue原子，截面確認低於5 fb，那麼RIKEN團隊會在繼續嘗試反應前重估實驗策略。[18]截至2024年8月 (2024-08)，RIKEN團隊仍全天候嘗試該反應。[11]

計劃中[編輯]

JINR有計劃合成Uue。[19]2023年尾，JINR報道首次用比48Ca重的發射體成功合成超重元素的案例。他們用54Cr轟擊238U，得到116號元素鉝的新同位素288Lv。該實驗旨在測量涉及54Cr發射體的反應截面，為120號元素的合成做準備，而實驗中成功合成超重元素則屬意外之喜。[20]JINR也有提到未來會使用54Cr轟擊243Am，嘗試合成Uue。[21]2026年2月，JINR的尤里·奧加涅相稱合成Uue的實驗應該會在2026年開始。[22]中國科學院Template:Le的蘭州重離子研究裝置（HIRFL）也有計劃嘗試243Am+54Cr反應。[23][24]

命名[編輯]

依照門捷列夫對有待命名或尚未發現的元素的命名法，119號元素應名為類鈁（Template:Langx）。1979年，IUPAC推出用於提供臨時名稱及代用元素符號的元素系統命名法。根據這套命名法，119號元素應稱為腳本錯誤：沒有「Lang」這個模塊。，化學符號Uue。[25]儘管各級化學教科書都廣泛使用IUPAC的命名，但行內的科學家卻一般直接稱它為「119號元素」，化學符號E119、(119)或119。[5]

預測性質[編輯]

核穩定性和同位素[編輯]

A 2D graph with rectangular cells colored in black-and-white colors, spanning from the llc to the urc, with cells mostly becoming lighter closer to the latter
杜布納團隊於2010年使用的一張核素圖，已表徵的同位素有邊框。118號元素（鿫，已知原子序最高的元素）之後預計將迅速進入不穩定區域。圈起來的部分包含穩定島預測的位置。腳本錯誤：沒有「Footnotes」這個模塊。
File:Next proton shell.svg
角量子數高的軌道能量變高，導致114號元素處應有的質子閉殼層消失（如左側未考慮此現象的圖像所示）。此現象會使下一個質子閉殼層出現在120號元素處（如右圖所示），119和120號元素的半衰期可能因此有所提升[26]

82號元素鉛之後的元素都有放射性，[27]原子核的穩定性在96號元素鋦之後迅速下降，之後的元素的半衰期比鋦低了四個數量級，101號元素鍆之後的元素的半衰期更是短於30個小時。Template:NUBASE2020儘管如此，由於尚未完全了解的原因，在原子序110至114周圍的原子核的穩定性略微增加，這導致了核物理學中所謂的「穩定島」的出現。加利福尼亞大學伯克利分校的格倫·西奧多·西博格教授提出的這個概念解釋了為什麼超重元素的半衰期比預測的要長。[28]

291–307Uue預測的α衰變半衰期都是微秒級別的，其中294Uue的α衰變半衰期最長，預測約485微秒。[29][30][31]不過如果算上所有的衰變方式，它們的半衰期預測只剩幾十微秒。[5][6]更重的同位素應該會更穩定。1971年，Fricke和Waber預測315Uue是Uue最穩定的同位素。[32]這會對Uue的合成產生影響，因為半衰期低於一微秒的同位素會在到達探測器之前衰變，而較重的同位素無法通過任何已知可用目標和發射體的碰撞來合成。[5][6]然而，新的理論模型表明，質子軌道2f7/2（會在114號元素時填充）和2f5/2（會在120號元素時填充）之間的能量差距比預期的要小，使得114號元素不再是穩定的球形封閉原子核，而這個能隙可能會增加119和120號元素的穩定性。下一個有雙幻數的原子核預計在122號元素306Ubb周圍，但是該核素預期的短半衰期和低截面使其合成更困難。[26]

未來最有可能合成的同位素是293Uue至296Uue，可由243Am+54Cr、248Cm+51V和249Bk+50Ti反應產生。[33][34]

原子和物理性質[編輯]

Uue作為第一個第8周期元素，預測會是鹼金屬，在元素周期表中位於鋰、鈉、鉀、銣、銫和鈁之下。鹼金屬最外層的s軌道中都有一個價電子（價電子排布ns1），在化學反應中可以輕易失去，形成+1氧化態，因此反應性很高。Uue預計會延續這個趨勢，價電子的排布為8s1，因此Uue的行為預計很像它的較輕的同類物。然而據預測，它在某些特性上與較輕的鹼金屬不同。[5]

Uue和其它鹼金屬有不同之處的主要原因是自旋-軌道作用——電子運動與自旋之間的相互作用。自旋-軌道作用對於超重元素尤其強烈，因為它們的電子比輕原子中的電子移動得更快，速度與光速相當。[35]在Uue原子中，7p和8s電子能級下降，對應的電子變得穩定，但有兩個7p電子能級要比其它四個更穩定。[36]這個效應被稱為亞層分裂，因為它將7p亞層分裂成更穩定和更不穩定的部分。計算化學家將這種分裂理解為角量子數 l 從1分裂成1/2和3/2，分別為7p亞層較穩定和較不穩定的部分。[35]Template:Efn因此，Uue外層的8s電子變得穩定，會比預期更難移除，而7p3/2電子則變得不穩定，可能允許它們參與化學反應。[5]最外層s軌道（在鈁中就已經很重要）的這種穩定性是影響Uue的化學性質的關鍵因素，並會導致鹼金屬的原子和分子性質的所有趨勢在銫之後反轉。[37]

File:Atomic radius of alkali metals and alkaline earth metals.svg
從第3至第9周期的鹼金屬和鹼土金屬的原子半徑的實測值（Na–Cs，Mg–Ra）和預測值（Fr–Uhp，Ubn–Uhh），單位為埃格斯特朗。[5][38]
File:Electron affinity of alkali metals.svg
從第3到第8周期的鹼金屬的電子親和能的實測值（Na–Cs）、半實測值（Fr）和預測值（Uue），單位為電子伏特。[5][38]電子親和能從Li到Cs一直下降，但Fr的腳本錯誤：沒有「val」這個模塊。比Cs的電子親和能高了20 meV，而Uue的電子親和能更高，達到662 meV。[39]
File:Ionization energy of alkali metals and alkaline earth metals.svg
從第3到第9周期的鹼金屬和鹼土金屬的第一電離能的實測值（Na–Fr，Mg–Ra）和預測值（Uue–Uhp，Ubn–Uhh），單位為電子伏特。[5][38]

由於外層的8s電子變得穩定，Uue的第一電離能（從電中性原子中移除一個電子所需的能量）預測為4.53 eV，比鉀之後的所有鹼金屬都高，甚至比121號元素Ubu的4.45 eV都高。因此，第8周期的鹼金屬Uue不是整個周期電離能最低的，這和之前的所有周期不同。[5]Uue的電子親和能預計遠大於銫和鈁。它的電子親和能比所有更輕的鹼金屬都高，為0.662 eV，接近於鈷（0.662 eV）和鉻（0.676 eV）。[39]相對論效應也會導致Uue的極化性大幅下降[5]到169.7 a.u.。[40]事實上，計算出來的Uue的靜態偶極極化性（αD）很小，接近於鈉。[41]

Uue的類氫原子（只有一個電子的原子）——Uue118+的電子預測會非常快地移動，使得它的質量是靜止電子的1.99倍，是相對論效應的特徵。作為比較，鈁的類氫原子的電子質量為1.29，銫的則為1.091。[35]根據相對論的簡單外推，這間接表明了Uue的原子半徑會收縮[35]到只有240 pm，[5]很接近銣的247 pm，而Uue的金屬半徑也相應降低到260 pm。[5]Uue+的離子半徑預測為180 pm。[5]

Uue的熔點預測在0℃和30℃之間，所以在室溫下可能是液體。Template:Fricke1975人們還不知道這是否符合熔點繼續降低的趨勢，因為銫的熔點為28.5℃，而鈁的熔點估計約為8.0℃。[42]Uue的沸點預測在630℃左右，類似鈁的620℃左右，它們都比銫的671℃低。[32][42]Uue的密度預計在3到4 g/cm3之間，符合隨着族往下密度一直增加的趨勢：鈁的密度預測為2.48 g/cm3，而銫的密度是1.93 g/cm3。[32][43][42]

化學性質[編輯]

鹼金屬二聚體的鍵長和鍵解離能。Fr2 和Uue2的數據都是預測值。[44]
化合物 鍵長（Å） 鍵解離能（kJ/mol）
Li2 2.673 101.9
Na2 3.079 72.04
K2 3.924 53.25
Rb2 4.210 47.77
Cs2 4.648 43.66
Fr2 ~4.61 ~42.1
Uue2 ~4.27 ~53.4

Uue的化學性質預測類似鹼金屬，[5]但它的性質比起銫或鈁，會更像鉀[45]或銣[5]。這是由於相對論效應導致的，如果不存在相對論效應，元素周期律將預測Uue比銫和鈁更具反應性。由於相對論效應穩定了它的價電子，增加了第一電離能，使得Uue的反應性、金屬半徑和離子半徑降低了。[45]這個效應在鈁中就已經出現了。[5]

+1氧化態的Uue的化學性質比起鈁會更像銣。另一方面，由於變得不穩定而比其它p軌道大的7p軌道，Uue+的離子半徑預測大於Rb+。除了其它鹼金屬特徵性且主要的+1氧化態以外，Uue可能也有在其它鹼金屬都未發現[46]的+3氧化態。[5]這是因為7p3/2軌道的不穩定和膨脹，導致其電子的電離能低於預期。[5][46]7p3/2軌道的不穩定性甚至有可能使Uue達到+5氧化態，出現於類似[SbF6]−或[BrF6]−的[UueF6]−中。類似的鈁(V)化合物[FrF6]−可能存在，但目前未發現。[47]

由於成鍵時也涉及了7p3/2電子，很多Uue的化合物都預計有很大的共價性。這個效應也在鈁中出現，其中超氧化鈁（FrO2）的成鍵中有一些6p3/2的成分。[35]因此，Uue不能替代銫電正性最高的元素的地位，而它的電負性最有可能接近鈉的0.93（鮑林標度）。[37]Uue+/Uue的標準電極電勢預測為−2.9 V，和Fr+/Fr一樣僅略微大於K+/K的−2.931 V。Template:Fricke1975

MAu（M是鹼金屬）的鍵長和鍵解離能。除了KAu、RbAu和CsAu的鍵解離能以外，全部數據都是預測。[37]
化合物 鍵長（Å） 鍵解離能（kJ/mol）
KAu 2.856 2.75
RbAu 2.967 2.48
CsAu 3.050 2.53
FrAu 3.097 2.75
UueAu 3.074 2.44

在氣相中以及在非常低溫下的凝聚相中，鹼金屬會形成以共價鍵鍵合的雙原子分子。在這些M2分子裡，它們的金屬-金屬鍵長從Li2到Cs2一直增加，但由於上述8s軌道的相對論效應，Uue2的鍵長下降。在這些分子的鍵解離能中有相反的趨勢，其中Uue–Uue鍵應該比K–K鍵略強。[37][44]Uue的升華熱（ΔHsub）預測為94 kJ/mol（鈁的值在77 kJ/mol左右）。[37]

由於Uue的高電子親和能，UueF分子預計有顯著的共價性。UueF中的成鍵主要是Uue的7p軌道和氟的2p軌道成的鍵，來自氟的2s軌道和Uue的8s、6dz2和其它兩個7p軌道對鍵的貢獻較少。這和其它s區元素、金和汞的行為非常不同，它們使用s軌道（有時混合d軌道）來成鍵。Uue–F鍵因為相對論效應把7p軌道分成7p1/2和7p3/2而擴張，這和氫化物AtH和TsH的鍵擴張類似。[48]Uue–Au鍵將會是金和鹼金屬之間最弱的鍵，但仍然穩定。通過外推，可以給出Uue的吸附焓（−ΔHads）：在金上為106 kJ/mol（鈁的值是136 kJ/mol）、在鉑上為76 kJ/mol、在銀上為63 kJ/mol，都是鹼金屬之中最低。這些數據表明在由貴金屬製成的表面上研究Uue的色譜法吸附可行。[37]Uue在聚四氟乙烯表面的吸附焓預測為17.6 kJ/mol，在鹼金屬當中最低。這些信息對於Uue未來的化學實驗非常有用。[40]鹼金屬的ΔHsub和−ΔHads值都不成比例相關，因為它們會隨着原子序數的增加而向相反的方向變化。[37]

注釋[編輯]

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參考資料[編輯]

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擴展閱讀[編輯]

外部連結[編輯]

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