锘

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锘 102No
氢（非金属） 氦（惰性气体）
锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（惰性气体）
钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 硅（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（惰性气体）
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钫（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 镎（锕系元素） 钚（锕系元素） 镅（锕系元素） 锔（锕系元素） 锫（锕系元素） 锎（锕系元素） 锿（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为惰性气体）
镱
↑
锘
↓
(Uph)
钔 ← 锘 → 铹
概况
名称·符号·序数锘（nobelium）·No·102
元素类别锕系元素
族·周期·区不适用·7·f
标准原子质量[259]
电子排布[Rn] 5f14 7s2
2, 8, 18, 32, 32, 8, 2
历史
发现杜布纳联合原子核研究所（1965年）
物理性质
物态固体（预测[1]）
密度（接近室温）
9.9(4)（预测[a]） g·cm−3
熔点1100 K，827 °C，1521 °F（预测[1]）
原子性质
氧化态
（粗体为常见氧化态）		+2、+3
电负性1.3（鲍林标度）（预测[4]）
电离能第一：639.33[5] kJ·mol−1
第二：1254.3 kJ·mol−1
第三：2605.1 kJ·mol−1
（除第一外皆为估计）
电子亲和能−223[6] kJ·mol−1
杂项
晶体结构面心立方（预测[3]）
CAS号10028-14-5
同位素
主条目：锘的同位素
同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰变
方式 能量​（MeV） 产物
253No 人造 1.57 分钟 α 8.415 249Fm
β+ 2.17? 253Md
255No 人造 3.52 分钟 β+ 0.948 255Md
α 8.428 251Fm
259No 人造 58 分钟 α 7.854 255Fm
ε 0.52? 259Md

锘（nuò）（英语：nobelium），是一种人工合成的化学元素，其化学符号为No，原子序数为102，是第十个超铀元素及倒数第二个锕系元素，为一种具极高放射性的金属元素，其寿命最长的同位素锘-259的半衰期仅58分钟，而化学上最常使用的是可被较大规模制造的锘-255（半衰期3.52分钟）。如同所有原子序超过100的重元素，锘无法通过中子捕获生成，只能在粒子加速器中，由粒子撞击较轻之元素生成。由于锘无法大量生产且其所有同位素的半衰期都很短，目前在基础科学研究之外没有任何用途。

化学实验确认了锘在元素周期表中表现为镱的较重同类物。锘的化学性质并没有被完全了解；大部分已知的化学性质是在水溶液中表现出的。有别于其他重锕系元素，氧化数为+2的锘在水溶液中远较+3态稳定，且氧化数为+3的锘不容易被保存，和锘被发现之前科学家预测的结果相符。锘也是所有镧系及锕系元素中，唯一一个以+2价为最常见、最稳定氧化态的元素。

锘是以炸药发明者及科学贡献者瑞典人阿佛烈·诺贝尔命名。在公元1950年至1960年代间，来自瑞典、苏联及美国的实验室都宣称发现了锘。瑞典的科学家不久后撤回了他们的宣称，而发现的顺序以及元素的命名在苏联以及美国的科学家之间起了争论。直到1997年，国际纯化学和应用化学联合会（IUPAC）将元素的发现归功于苏联，但因锘的名称已被长期使用而保留了瑞典的命名。

概论[编辑]

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历史[编辑]

File:AlfredNobel cropped.jpg
此元素的名称来自于阿佛烈·诺贝尔

102号元素的发现过程复杂，来自瑞典、英国、美国与苏联的团体皆声称最早发现它，而关于102号元素的第一篇完整且精确的检验报告则在1966年由苏联杜布纳联合原子核研究所发表。[7]

1957年，由阿贡国家实验室、英国原子能研究院（英语：Harwell Atomic Energy Research Establishment）、瑞典诺贝尔研究所物理学家组成的团队第一次宣布了102号元素的发现。[8]他们用碳-13撞击锔靶50次，每次持续半小时。标靶在两次撞击间进行离子交换反应。50次的撞击中有12次包含了会发出8.5±0.1 MeV的α粒子的样品。观测到的半衰期为10分钟，被认为是251102或是253102衰变放出的，不过α粒子也可能来自于一个由102号元素电子补捉而产生、短寿命的钔同位素。[9]该团队提出nobelium（符号No）作为102号元素的名称，[10][8]IUPAC立即批准。[11]杜布纳团队于1968年表示此举是仓促的。[12]

1958年，劳伦斯柏克莱国家实验室的科学家重复实验，由艾伯特·吉奥索、格伦·西奥多·西博格、John R. Walton和Torbjørn Sikkeland组成的团队宣称合成102号元素。该团队使用新的重离子直线加速器（HILAC）并用碳-12撞击锔原子（95％锔-244和5％锔-246）。他们无法确认瑞典声称的8.5 MeV侦测结果，但能侦测到250Fm的衰变（能量7.43 MeV），由半衰期约3秒的母同位素产生。[13]他们认为是254102的衰变产生了250Fm，但后来杜布纳的实验发现254102的半衰期实际上更长，达50±10秒。[14]1967年，柏克莱队试图捍卫自己的结果，指出他们原以为那是250Fm的衰变，但半衰期测量结果发现实际上同位素是244Cf（252102的衰变产物，能量7.22 MeV），将能量差异归因于“分辨率和漂移问题”。1977年的实验也表明，252102确实具有2.3秒的半衰期。然而，1973年的工作也表明，核同质异能素250mFm（半衰期1.8秒）也可能在反应中生成，在该实验中很可能没有产生锘，而是250mFm的衰变产生250Fm。[13]

1959年，瑞典团队坚持认为他们确实发现了102号元素，并试图解释为何柏克莱团队在1958年无法发现102号元素。不过，后来的实验显示任何比锘-259（瑞典实验中不可能产生比它重的同位素）轻的同位素，半衰期皆小于三分钟，而瑞典团队的结果很可能来自钍-225，钍-225具有8分钟的半衰期，并会迅速经历三重α衰变产生会放出8.375 MeV的α粒子的钋-213。由于钍-225在所用反应中很容易产生，并且不会被其所用的化学方法分离出来，因此这个假设很有利。后来关于锘的研究也表明，二价锘比三价锘稳定，因此发射α粒子的样品不能含有锘，因为二价的锘元素不会与其它三价锕系元素一同出现。[15]因此，瑞典团队后来撤回了他们的声称，并将成果归因于背景效应。[11]

同年，柏克莱团队继续他们的研究并声称他们能够合成102号元素的同位素，它主要通过发射8.3 MeV的α粒子而衰变，半衰期为3秒，伴随着30％的自发裂变分支。当时此结果被认为由254102产生，不过他们也指出由于条件困难，不能确定是否有制造出锘。[13]而伯克利团队决定采用瑞典团队提出的nobelium作为元素的名称，作为对他们的尊重。[11]后来的研究发现这些性质与254No不符，但与252No吻合。[13]

246
96Cm
 + 12
6C
 → 258102*
 → 254102 + 4 1
0
n

同时，苏联杜布纳团队于1958年以及1960年两次尝试合成102号元素。1958年的第一次实验用氧-16撞击钚-239和钚-241，观察到一些能量稍微超过8.5 MeV的α衰变，被认为是251,252,253102造成的结果，尽管该团队也说该同位素不能排除是由铅或铋杂质所产生的（不会产生102号元素）。虽然后来1958年的实验指出，新的同位素可以由汞、铊、铅、铋产生，不过科学家们仍然坚持认为，102号元素可以从这种反应中产生，提到半衰期不到30秒，衰变能量为（8.8±0.5）MeV。后来1960年的实验证明这些是背景效应，1967年的综述将衰变能量修正到（8.6±0.4）MeV，但两个值都太高而不能对应到锘-253或锘-254。[16]杜布纳团队后来在1970年和1987年再次说明这些结果不足以下定论。[16]

伯克利团队于1961年宣称在锎、硼与碳离子的反应中发现了103号元素。他们宣称制造出了同位素257103，[17]同时也声称合成了102号元素的同位素，其会发生α衰变，能量8.2 MeV，半衰期15秒。它们认为此同位素为255102，而没有给出理由。这些数值并不符合现在已知锘-255的数值，但符合锘-257，而虽然这个同位素也许有出现在这个实验中，但当时并没有明确确认它的产生。[18]

杜布纳团队于1964年的实验中通过铀-238靶与氖离子的反应合成出102号元素，并检测102号元素同位素的α衰变子体。生成物沿着银制捕捉箔运送并以化学方式纯化，而检测到镄-250以及镄-252。由于镄-252的产生，其母体256102也被认为有被合成出来。而镄-252也可在这个反应中，由同时发射具有多余中子的α粒子的反应中直接被制造出来，因此科学家采取了步骤，确保镄-252不能直接进入银制捕捉箔中。[14]那时检测到锘-256的半衰期为8秒，[19]远小于更近代、1967年所测的(3.2±0.2)秒。进一步的实验于1966年进行，利用243Am(15N,4n)254102与238U(22Ne,6n)254102的反应，测得254102的半衰期为(50±10)秒。在当时，这个数值与更早的柏克利数据之间的差异并没有被了解，然而后来的实验证明了在杜布纳实验中，异构体250mFm的生成几率小于柏克利实验。事后来看，杜布纳的实验结果应是正确的，而可视为发现102号元素的结论性实验。[14]

杜布纳团队另一个非常具有信服力的实验于1965年完成，1966年发表，同样利用了两个反应，结论为254102的半衰期确实远超过柏克利实验的3秒。[7]柏克利于1967年以及橡树岭国家实验室于1971年进行的晚期实验完整的确认了102号元素的存在，也确认了早期的观测。[11]柏克利团队于1966年12月重复了杜布纳的实验，完整确认了这些实验，并且利用这些数据分配了他们之前就已经合成、但当时无法识别的同位素，并声称于1958年至1961年间发现了102号元素。[11]

238
92U
 + 22
10Ne
 → 260
102No
*
 → 254
102No
 + 6 1
0
n
File:Frederic and Irene Joliot-Curie.jpg
弗雷德里克·约里奥-居里与伊雷娜·约里奥-居里

1969年，杜布纳团队进行化学实验，确认了锘表现为镱的较重同类物。俄罗斯的科学家将此元素命名为joliotium（符号Jo），以纪念过世不久的科学家伊雷娜·约里奥-居里（Irène Joliot-Curie）。这造成了持续几十年的元素命名争议，而不同的团队各自使用自己命的名称。[11]

于1992年，IUPAC以及国际纯粹与应用物理学联合会（IUPAP）的超镄工作小组（TWG）重新审查了有关发现该元素的声称，并总结了只有杜布纳于1966进行的实验正确的检测并指出衰变后原子序为102的原子核。因此，杜布纳团队正式的被视为锘的发现者，[7]尽管锘可能于1959年就被柏克利的团队侦测到。[13]柏克利团队于次年批评了这项决定，并指出重新审理101~103号元素“无用而浪费时间”。另一方面，杜布纳认同了IUPAC的决定。[12]

1994年，IUPAC批准了一个尝试解决元素命名争议的方案，公布了101号至109号元素的英文名称。其中102号元素被命名为nobelium（符号No），因为这个名称在三十年间已被广泛使用，而也应以这个方式纪念阿佛烈·诺贝尔。[20]由于1994年的命名大多不尊重发现者，引来强烈抗议，IUPAC于是在事后设置了一段评论期。而在1995年，IUPAC在新计划中将102号元素命名为flerovium（符号Fl），以纪念苏联核物理学家格奥尔基·佛雷洛夫（Гео́ргий Флёров）以及以他命名的佛雷洛夫原子反应实验室。[21]这个计划未被接受，现在flerovium成了114号元素的英文名称。[22]

鉴于国际上对104至107号元素名均存在较大分歧，1997年8月27日IUPAC正式对101至109号元素重新英文定名，其中恢复了102号元素nobelium的名称，[20]全国科学技术名词化学名词审定委员会据此于1998年6月15日重新审定、公布101至109号元素的中文命名，其中101号至103号元素仍使用原有的中文定名“钔”（音同“门”）、“锘”（音同“诺”）、“铹”（音同“劳”）。[23]

性质[编辑]

File:Fblock fd promotion energy.png
图为镧系和锕系元素要将一f轨域电子跃迁到d轨域所需的能量。在210 kJ/mol左右为一界线，高于此界线的元素铕、镱、锿、镄、钔多会形成二价金属。锘预测也是如此，但仍有待商确[24]

物理性质[编辑]

锘于周期表当中的左右方分别为锕系的钔与铹，而上方为镧系的镱。目前还没有办法大量制备锘金属。[2]然而，科学家已对关于锘的性质做出许多预测以及一些初步的实验结果。[2]

镧系元素与锕系元素于金属态下，可以二价（如铕及镱）或三价（如其它镧系元素）存在。前者的电子排布为fn+1s2，而后者为fnd1s2。在1975年，Johansson以及Rosengren研究镧系以及锕系金属元素（皆为二价和三价金属）的凝聚力（结晶焓）的测量及预测值，[25][26]结论为如果原子从[Rn]5fn+17s2排布激发到[Rn]5fn6d17s2排布所增加的结合能不足以补偿将电子从5f激发到6d的能量，那么该锕系元素就是二价金属。此现象发生于后段的锕系元素中，因此锿、镄、钔以及锘皆被预测为二价金属。[25]二价态在锕系还没有结束前逐渐常见是因为随着原子序增加，因相对论而更稳定的5f电子，因此与其它镧系与锕系元素不同，锘主要的化合价是二价而非三价。[27]在1986年，锘金属的升华热被估计为126 kJ/mol，这个数值与锿、镄、钔的数值相近，而这支持了锘会形成二价金属的理论。[2]如同其它后段的锕系元素（三价的铹除外），金属锘应呈现为面心立方晶系。[3]二价金属锘的原子半径应大约为1.97 Å。[2]锘的熔点预测为827°C，与相邻的钔之预测数值相同。[28]它的密度预计为9.9±0.4g/cm2。[a]

化学性质[编辑]

科学家对锘化学性质的了解并不完整。锘于水溶液中的氧化数可为+3或+2，其中后者较稳定。[29]在锘被发现之前，科学家们预测锘在溶液中会如同其他大部分锕系金属一样以+3价为较稳定的氧化态。但在1949年时，西博格预测+2价应为锘的另一稳定态，理由为No2+的电子排布为[Rn]5f14，而其5f14壳层十分稳定。这项预测在十九年后才被证实。[30]

比较锘和铽、锎、镄的化学性质的实验于1967年进行。实验中将这四种元素和氯反应并将产物留下，结果发现锘的氯化物会强力的吸附在固体表面上，这显示了如同实验中另外三种元素的氯化物，氯化锘的挥发性不高。然而，NoCl2以及NoCl3皆被预测为不易挥发的化合物，因此此实验无法得知锘较常见的氧化态。[31]锘在+2价下的稳定度要到了隔年的实验才被确认，在该实验中，使用了离子交换色谱法和共沉淀法（英语：Coprecipitation）对约五万个255No原子实验，结果发现锘的行为与二价的碱土金属较为相似，而与三价的锕系元素表现不同。这证明了在水溶液中，没有强氧化剂时，二价态为锘最稳定的状态。后来于1974年的实验中显示锘与钙离子至锶离子间的碱土金属溶析。[30]锘是内过渡元素中唯一一个在水溶液中，+2价为最常见、最稳定氧化态的元素，而这是因为锕系末段5f与6d轨域间较大的能量差。[32]

受相对论影响，锘的7s电子更稳定，锘化合物预测变得更不稳定。NoH2分子中的No–H键键长预测为212.2 pm。长键长与明显的电荷转移作用导致 NoH2的偶极矩极高，达5.94 D。在该分子中，锘的性质类似主族的碱土金属，同有ns2电子构型，内部的5f电子则属于原子实。[33]锘与碱土金属类似，不易与氯离子形成配合物。它与柠檬酸根、草酸根、乙酸根在0.5 M 硝酸铵水溶液中形成配合物的能力介于钙与锶之间，更接近锶。[31]

E°(No3++→No2+) 的标准还原电位在1969年被估计介于+1.4 到 +1.5 V之间，[34]后来在2009年的实验发现只有+0.75 V。[35]此大于0的值显示No2+较No3+稳定且No3+为一好的氧化剂。E°(No2+→No0) 和E°(No3+→No0) 被广泛接受的还原电位值分别为−2.61和−1.26 V。E°(No4+→No3+)则被估计为+6.5 V。[36]No3+和No2+生成的吉布斯自由能估计分别为−342及−480 kJ/mol。[36]

原子性质[编辑]

锘原子有102颗电子，它们的排列方式预测为[Rn]5f147s2（基态能项符号为1S0），不过直到2006年为止才被实验确认。锘5f和7s亚层的16颗电子都是价电子。[2]锘在形成化合物时可以失去三个价电子，留下[Rn]5f13内层，这符合了其他锕系元素在+3态时的[Rn]5fn排布。然而，锘更有可能只失去两颗价电子，留下稳定、拥有全填满5f14层的[Rn]5f14内层。锘的第一游离能在1974年时根据7s电子会比5f电子先解离的推测，测为(6.65 ± 0.07) eV，[37]后于2018年修正至6.62621 eV（639.33 kJ/mol）。[5]1978年时初步估计配位数为6和8的No3+离子半径分别约为0.90和1.02 Å；由实验得知No2+离子半径为1.0 Å。[31]计算得出No2+的水合焓为−355 kcal/mol（−1,490 kJ/mol）。[38]

同位素[编辑]

主条目：锘的同位素
File:IBA nuclear shells.svg
相互作用玻色子模型（英语：Interacting boson model）预测各种原子核的形状，其中254No预测呈长球面形[39]

锘的已知同位素共有14个，质量数分别为248-260和262，皆有强放射性，半衰期很短，非常不稳定。[40]此外，锘另有17个同核异构体，质量数介于250至256。[40][41][42][43][44]其中寿命最长的同位素和同核异构体分别为259No（58分钟）和251mNo（1.02秒），不过尚未被发现的261No预测会有更长的半衰期，达3小时。[40]255No的半衰期为3.52分钟，虽然不是最稳定的同位素，但因为可透过锎-249和碳-12反应大量制得而较常用于化学实验。[45]除了259No和255No，其余半衰期超过一秒的锘同位素有253No、254No、257No、256No和252No。半衰期最短的同位素则为248No，半衰期短于2微秒。[40]254No位于从231Pa至279Rg的一系列长球面形原子核中间，受到理论关注。它可通过208Pb和48Ca的反应合成，[39]可用于研究原子核的幻数。[46]

制备与纯化[编辑]

锘的同位素大多以轰击锕系元素标靶（铀、钚、锔、锎或锿）产生，唯锘-262仅能作为铹-262的衰变产物生成。[47]虽然锘-259最稳定，但实验中最常使用可以更大量制备的锘-255。[29]它可利用碳-12轰击锔-248或锎-249产出（通常使用后者）。以每秒3兆个73 MeV的碳-12离子照射350μg cm−2 的锎-249标靶于十分钟内可产出大约1200个锘-255原子。[47]

一旦成功做出了锘-255，便可使用类似用于分离钔的方式将其分离出来。[47]锘-255的反冲的动量会使它们远离标靶，并将它们带到标靶后面的金属箔（通常为铍、铝、铂或金），这时通常会同时使用气体（通常是氦气）来固定锘-255，并将它们以气流从反应室的小开口中带离。使用长毛细管，并在氦气中加入氯化钾，锘原子可以被输送几十米远。[48]收集在金属箔上的锘可以用稀酸除去而不至于使金属箔完全溶解，然后可以利用其趋向二价态的性质（与其他三价为主的重锕系元素不同）来分离锘。[47]此过程可为色谱法，使用HDEHP（英语：Di(2-ethylhexyl)phosphoric acid）作为固定有机相，0.05M盐酸作为流动相分离锘。使用3M盐酸洗脱阳离子交换树脂柱，亦可用此过程分离锘。锘将通过色谱柱并分离，而其他三价锕系元素将留在色谱柱上。[49]然而，如果使用金箔，因为须先使用阴离子交换色谱法分离出金，所以过程将会变得复杂。[2]

注释[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 通过预测的原子半径[2]和晶体结构[3]计算得到

参考文献[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 Lide, D. R. (编). CRC Handbook of Chemistry and Physics 84th. Boca Raton (FL): CRC Press. 2003. ISBN 0-8493-0484-9 （English）. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Silva 2010，第1639页.
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 Fournier, Jean-Marc. Bonding and the electronic structure of the actinide metals. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1976, 37 (2): 235–244. Bibcode:1976JPCS...37..235F. doi:10.1016/0022-3697(76)90167-0 （English）. 
  4. ^ J.A. Dean (编). Lange's Handbook of Chemistry 15. McGraw-Hill. 1999. Section 4; Table 4.5, Electronegativities of the Elements （English）. 
  5. ^ 5.0 5.1 Chhetri, P.; et al. Precision Measurement of the First Ionization Potential of Nobelium. Physical Review Letters. 2018-06-29, 120 (26). ISSN 0031-9007. doi:10.1103/PhysRevLett.120.263003 （English）. 
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参考书目[编辑]

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