Uue

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Template:Elementbox Ununennium（化学符号为Uue）是一种尚未被发现的化学元素，原子序数是119。直到这个元素被发现、确认并确定了永久名称之前，Ununennium和Uue分别为这个元素的暂时系统命名和化学符号。在扩展元素周期表里，Uue预测是s区元素和碱金属，也是第一个第8周期元素。它是目前最轻的未发现元素。

日本的理化学研究所自2018年开始尝试合成该元素，俄罗斯杜布纳联合原子核研究所则计划于2026年起开始尝试。兰州重离子研究装置也有计划尝试合成Uue。理论和实验证据表明，Uue等第8周期元素的合成很可能比之前的元素要困难得多。

Uue预测是第七种碱金属，性质应与较轻的碱金属相似。不过，相对论效应可能会导致Uue的某些性质与直接用元素周期律推测的性质不同。举个例子，Uue预测会比铯、钫更不活泼，反应性更接近钾、铷。此外，Uue除了会有碱金属特征性的+1氧化态外，也有学者预测它能形成其它碱金属都未知的+3和+5氧化态。

概论[编辑]

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历史[编辑]

尝试合成[编辑]

以前[编辑]

114至118号元素（𫓧至鿫）皆由位于俄罗斯杜布纳的杜布纳联合原子核研究所（JINR）通过热聚变反应发现，反应涉及用几乎稳定、富有中子的钙-48轰击从钚至锎的元素，合成有更多中子的超重元素。[1]不过，119号元素无法轻易用此类反应合成，因为这需要用钙-48轰击锿元素。反应需要几十毫克的锿，但目前只能合成几微克的锿。[2]1985年，科学家在加州伯克利的superHILAC加速器通过用钙-48离子轰击不足一微克的锿-254，首次尝试合成Uue，结果失败。[3]

Template:Nuclide + Template:Nuclide → Template:Nuclide* → 没有原子

对于更重的超重元素，更实际的合成反应需要使用比48Ca重的发射体，[1]但这会使得反应更对称，[4]更难成功。[2]由于反应截面降低，合成的同位素的半衰期也预测极短，脚本错误：没有“Footnotes”这个模块。只有几微秒，[5][6]119号元素的合成将突破当前技术的极限。

从2012年4月到9月，德国达姆施塔特的亥姆霍兹重离子研究中心（GSI）通过用钛-50轰击锫-249，尝试合成295Uue和296Uue。[7][8]由于249Bk和50Ti的反应在可以实际运行的反应中最不对称，脚本错误：没有“Footnotes”这个模块。它最有可能合成出119号元素。[8]而且，锫-249会衰变成下一个元素锎-249，半衰期只有短短的327天，所以反应可以同时尝试合成119和120号元素。[4]由于Uue的半衰期预计较短，GSI团队使用了能够在微秒内记录衰变事件的新型快速电子设备。[8]脚本错误：没有“Footnotes”这个模块。

Template:Nuclide + Template:Nuclide → Template:Nuclide* → 没有原子
Template:Nuclide + Template:Nuclide → Template:Nuclide* → 没有原子

反应没发现119或120号元素。[9][4]这个实验原本会持续到2012年11月，[10]但实验人员把发射体改成48Ca以确认鿬的发现，提早结束实验。[9]

现在[编辑]

File:Curium oxide targets.jpg
RIKEN尝试合成Uue时所用的氧化锔-248目标[11]

2018年1月，位于日本埼玉县和光市的理化学研究所（RIKEN）团队在开始用钒-51（51V）轰击锔-248（248Cm）目标来合成Uue。[12]由于较重的锫或锎难以制备，他们选择了锔来作为目标。[13]橡树岭国家实验室提供反应中的248Cm目标，RIKEN则研发高能钒离子束。[2]RIKEN最初在回旋加速器开始实验，2020年完成直线粒子加速器的升级后也用以合成Uue。[14]两台机器不断运作，直至观测到第一次事件。[15][13]RIKEN团队的尝试会由天皇资助。[16]

Template:Nuclide + Template:Nuclide → Template:Nuclide* → 还没有原子

产生的Uue同位素预计会经两次α衰变衰变成已知的镆同位素287Mc和288Mc。在这之后已知会发生五或六次α衰变事件，可以此证实它们的发现。[12][17]

截至2023年9月，RIKEN团队已尝试248Cm+51V反应长达462天。RIKEN的报告称虽然248Cm+51V反应预测不如249Bk+50Ti反应，但出于锔更易获得的因素选择前者。249Bk+50Ti反应更优是因为50Ti发射体更靠近双幻数原子核48Ca。此外，50Ti的原子序为偶数（22），而涉及偶数原子序发射体的反应截面通常更高。[18]尽管如此，249Bk的短半衰期是该反应的弱点。[11]报告也指出如果该反应未发现Uue原子，截面确认低于5 fb，那么RIKEN团队会在继续尝试反应前重估实验策略。[18]Template:As of，RIKEN团队仍全天候尝试该反应。[11]

计划中[编辑]

JINR有计划合成Uue。[19]2023年尾，JINR报道首次用比48Ca重的发射体成功合成超重元素的案例。他们用54Cr轰击238U，得到116号元素𫟷的新同位素288Lv。该实验旨在测量涉及54Cr发射体的反应截面，为120号元素的合成做准备，而实验中成功合成超重元素则属意外之喜。[20]JINR也有提到未来会使用54Cr轰击243Am，尝试合成Uue。[21]2026年2月，JINR的尤里·奥加涅相称合成Uue的实验应该会在2026年开始。[22]中国科学院Template:Le的兰州重离子研究装置（HIRFL）也有计划尝试243Am+54Cr反应。[23][24]

命名[编辑]

依照门捷列夫对有待命名或尚未发现的元素的命名法，119号元素应名为类钫（Template:Langx）。1979年，IUPAC推出用于提供临时名称及代用元素符号的元素系统命名法。根据这套命名法，119号元素应称为脚本错误：没有“Lang”这个模块。，化学符号Uue。[25]尽管各级化学教科书都广泛使用IUPAC的命名，但行内的科学家却一般直接称它为“119号元素”，化学符号E119、(119)或119。[5]

预测性质[编辑]

核稳定性和同位素[编辑]

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
杜布纳团队于2010年使用的一张核素图，已表征的同位素有边框。118号元素（鿫，已知原子序最高的元素）之后预计将迅速进入不稳定区域。圈起来的部分包含稳定岛预测的位置。脚本错误：没有“Footnotes”这个模块。
File:Next proton shell.svg
角量子数高的轨道能量变高，导致114号元素处应有的质子闭壳层消失（如左侧未考虑此现象的图像所示）。此现象会使下一个质子闭壳层出现在120号元素处（如右图所示），119和120号元素的半衰期可能因此有所提升[26]

82号元素铅之后的元素都有放射性，[27]原子核的稳定性在96号元素锔之后迅速下降，之后的元素的半衰期比锔低了四个数量级，101号元素钔之后的元素的半衰期更是短于30个小时。Template:NUBASE2020尽管如此，由于尚未完全了解的原因，在原子序110至114周围的原子核的稳定性略微增加，这导致了核物理学中所谓的“稳定岛”的出现。加利福尼亚大学伯克利分校的格伦·西奥多·西博格教授提出的这个概念解释了为什么超重元素的半衰期比预测的要长。[28]

291–307Uue预测的α衰变半衰期都是微秒级别的，其中294Uue的α衰变半衰期最长，预测约485微秒。[29][30][31]不过如果算上所有的衰变方式，它们的半衰期预测只剩几十微秒。[5][6]更重的同位素应该会更稳定。1971年，Fricke和Waber预测315Uue是Uue最稳定的同位素。[32]这会对Uue的合成产生影响，因为半衰期低于一微秒的同位素会在到达探测器之前衰变，而较重的同位素无法通过任何已知可用目标和发射体的碰撞来合成。[5][6]然而，新的理论模型表明，质子轨道2f7/2（会在114号元素时填充）和2f5/2（会在120号元素时填充）之间的能量差距比预期的要小，使得114号元素不再是稳定的球形封闭原子核，而这个能隙可能会增加119和120号元素的稳定性。下一个有双幻数的原子核预计在122号元素306Ubb周围，但是该核素预期的短半衰期和低截面使其合成更困难。[26]

未来最有可能合成的同位素是293Uue至296Uue，可由243Am+54Cr、248Cm+51V和249Bk+50Ti反应产生。[33][34]

原子和物理性质[编辑]

Uue作为第一个第8周期元素，预测会是碱金属，在元素周期表中位于锂、钠、钾、铷、铯和钫之下。碱金属最外层的s轨道中都有一个价电子（价电子排布ns1），在化学反应中可以轻易失去，形成+1氧化态，因此反应性很高。Uue预计会延续这个趋势，价电子的排布为8s1，因此Uue的行为预计很像它的较轻的同类物。然而据预测，它在某些特性上与较轻的碱金属不同。[5]

Uue和其它碱金属有不同之处的主要原因是自旋-轨道作用——电子运动与自旋之间的相互作用。自旋-轨道作用对于超重元素尤其强烈，因为它们的电子比轻原子中的电子移动得更快，速度与光速相当。[35]在Uue原子中，7p和8s电子能级下降，对应的电子变得稳定，但有两个7p电子能级要比其它四个更稳定。[36]这个效应被称为亚层分裂，因为它将7p亚层分裂成更稳定和更不稳定的部分。计算化学家将这种分裂理解为角量子数 l 从1分裂成1/2和3/2，分别为7p亚层较稳定和较不稳定的部分。[35]Template:Efn因此，Uue外层的8s电子变得稳定，会比预期更难移除，而7p3/2电子则变得不稳定，可能允许它们参与化学反应。[5]最外层s轨道（在钫中就已经很重要）的这种稳定性是影响Uue的化学性质的关键因素，并会导致碱金属的原子和分子性质的所有趋势在铯之后反转。[37]

File:Atomic radius of alkali metals and alkaline earth metals.svg
从第3至第9周期的碱金属和碱土金属的原子半径的实测值（Na–Cs，Mg–Ra）和预测值（Fr–Uhp，Ubn–Uhh），单位为埃格斯特朗。[5][38]
File:Electron affinity of alkali metals.svg
从第3到第8周期的碱金属的电子亲和能的实测值（Na–Cs）、半实测值（Fr）和预测值（Uue），单位为电子伏特。[5][38]电子亲和能从Li到Cs一直下降，但Fr的Template:Val比Cs的电子亲和能高了20 meV，而Uue的电子亲和能更高，达到662 meV。[39]
File:Ionization energy of alkali metals and alkaline earth metals.svg
从第3到第9周期的碱金属和碱土金属的第一电离能的实测值（Na–Fr，Mg–Ra）和预测值（Uue–Uhp，Ubn–Uhh），单位为电子伏特。[5][38]

由于外层的8s电子变得稳定，Uue的第一电离能（从电中性原子中移除一个电子所需的能量）预测为4.53 eV，比钾之后的所有碱金属都高，甚至比121号元素Ubu的4.45 eV都高。因此，第8周期的碱金属Uue不是整个周期电离能最低的，这和之前的所有周期不同。[5]Uue的电子亲和能预计远大于铯和钫。它的电子亲和能比所有更轻的碱金属都高，为0.662 eV，接近于钴（0.662 eV）和铬（0.676 eV）。[39]相对论效应也会导致Uue的极化性大幅下降[5]到169.7 a.u.。[40]事实上，计算出来的Uue的静态偶极极化性（αD）很小，接近于钠。[41]

Uue的类氢原子（只有一个电子的原子）——Uue118+的电子预测会非常快地移动，使得它的质量是静止电子的1.99倍，是相对论效应的特征。作为比较，钫的类氢原子的电子质量为1.29，铯的则为1.091。[35]根据相对论的简单外推，这间接表明了Uue的原子半径会收缩[35]到只有240 pm，[5]很接近铷的247 pm，而Uue的金属半径也相应降低到260 pm。[5]Uue+的离子半径预测为180 pm。[5]

Uue的熔点预测在0℃和30℃之间，所以在室温下可能是液体。Template:Fricke1975人们还不知道这是否符合熔点继续降低的趋势，因为铯的熔点为28.5℃，而钫的熔点估计约为8.0℃。[42]Uue的沸点预测在630℃左右，类似钫的620℃左右，它们都比铯的671℃低。[32][42]Uue的密度预计在3到4 g/cm3之间，符合随着族往下密度一直增加的趋势：钫的密度预测为2.48 g/cm3，而铯的密度是1.93 g/cm3。[32][43][42]

化学性质[编辑]

碱金属二聚体的键长和键解离能。Fr2 和Uue2的数据都是预测值。[44]
化合物 键长（Å） 键解离能（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的化学性质预测类似碱金属，[5]但它的性质比起铯或钫，会更像钾[45]或铷[5]。这是由于相对论效应导致的，如果不存在相对论效应，元素周期律将预测Uue比铯和钫更具反应性。由于相对论效应稳定了它的价电子，增加了第一电离能，使得Uue的反应性、金属半径和离子半径降低了。[45]这个效应在钫中就已经出现了。[5]

+1氧化态的Uue的化学性质比起钫会更像铷。另一方面，由于变得不稳定而比其它p轨道大的7p轨道，Uue+的离子半径预测大于Rb+。除了其它碱金属特征性且主要的+1氧化态以外，Uue可能也有在其它碱金属都未发现[46]的+3氧化态。[5]这是因为7p3/2轨道的不稳定和膨胀，导致其电子的电离能低于预期。[5][46]7p3/2轨道的不稳定性甚至有可能使Uue达到+5氧化态，出现于类似[SbF6]−或[BrF6]−的[UueF6]−中。类似的钫(V)化合物[FrF6]−可能存在，但目前未发现。[47]

由于成键时也涉及了7p3/2电子，很多Uue的化合物都预计有很大的共价性。这个效应也在钫中出现，其中超氧化钫（FrO2）的成键中有一些6p3/2的成分。[35]因此，Uue不能替代铯电正性最高的元素的地位，而它的电负性最有可能接近钠的0.93（鲍林标度）。[37]Uue+/Uue的标准电极电势预测为−2.9 V，和Fr+/Fr一样仅略微大于K+/K的−2.931 V。Template:Fricke1975

MAu（M是碱金属）的键长和键解离能。除了KAu、RbAu和CsAu的键解离能以外，全部数据都是预测。[37]
化合物 键长（Å） 键解离能（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

在气相中以及在非常低温下的凝聚相中，碱金属会形成以共价键键合的双原子分子。在这些M2分子里，它们的金属-金属键长从Li2到Cs2一直增加，但由于上述8s轨道的相对论效应，Uue2的键长下降。在这些分子的键解离能中有相反的趋势，其中Uue–Uue键应该比K–K键略强。[37][44]Uue的升华热（ΔHsub）预测为94 kJ/mol（钫的值在77 kJ/mol左右）。[37]

由于Uue的高电子亲和能，UueF分子预计有显著的共价性。UueF中的成键主要是Uue的7p轨道和氟的2p轨道成的键，来自氟的2s轨道和Uue的8s、6dz2和其它两个7p轨道对键的贡献较少。这和其它s区元素、金和汞的行为非常不同，它们使用s轨道（有时混合d轨道）来成键。Uue–F键因为相对论效应把7p轨道分成7p1/2和7p3/2而扩张，这和氢化物AtH和TsH的键扩张类似。[48]Uue–Au键将会是金和碱金属之间最弱的键，但仍然稳定。通过外推，可以给出Uue的吸附焓（−ΔHads）：在金上为106 kJ/mol（钫的值是136 kJ/mol）、在铂上为76 kJ/mol、在银上为63 kJ/mol，都是碱金属之中最低。这些数据表明在由贵金属制成的表面上研究Uue的色谱法吸附可行。[37]Uue在聚四氟乙烯表面的吸附焓预测为17.6 kJ/mol，在碱金属当中最低。这些信息对于Uue未来的化学实验非常有用。[40]碱金属的ΔHsub和−ΔHads值都不成比例相关，因为它们会随着原子序数的增加而向相反的方向变化。[37]

注释[编辑]

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参考资料[编辑]

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  47. ↑ 引用错误：<ref>标签无效；未给name（名称）为Cao的ref（参考）提供文本
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扩展阅读[编辑]

外部链接[编辑]

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