??(英文名Flerovium),位于元素周期表p區第7周期第14族,114號元素,其元素符號為Fl,是一種人工合成的超重化學元素,它是已知最重的碳族成員。 ??在室溫下可能是氣體,而且表現出惰性氣體性質,預測可以形成FlO、FlF2、FlCl2、FlBr2、FlI2、FlO2、FlF4、Fl3O4等化合物。
1998年12月,俄羅斯杜布納聯合核子研究所的奧加涅相(Yuri Oganessian)等科學家使用48Ca離子撞擊244Pu目標體,合成了一個289Fl,并于1999年1月公布這項發現。2008年7月31號,俄羅斯杜布納原子核聯合研究所與加利福尼亞州的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory,California USA,簡稱LLNL)的科學家們共同合作遞交了關于發現114號元素的報告。2012年5月23日,IUPAC官方正式公布114號元素的英文名稱為Flerovium,此名稱是為了向合成超重元素的杜布納原子核聯合研究所弗廖羅夫核反應實驗室致敬原子核物理學家弗廖羅夫(Georgiy N.Flerov),符號為Fl。2013年,中國科學技術名詞審定委員會公布114號元素的中文名稱為“??”,音同夫fū。
??不出現在自然界中,只能在實驗室內以粒子加速器反應生成。截止2023年,科學家才觀測到大約幾十個??原子,部分通過直接合成得到的,而其余的則是在更重元素的衰變產物中被發現的,所有這些衰變都來自于質量數在285Fl~289Fl之間的五個相鄰的??同位素。??是一種放射性極強的超重元素,所有同位素的半衰期都很短,非常不穩定。由于??的生產困難,??僅限于科學研究,尚無其他應用。
發現歷史
發現
地球上天然存在的88種元素中最重的是92號元素,元素周期表里排在鈾以后的元素被稱為超鈾,而核反應是產生超鈾元素的唯一方法。在20世紀40和50年代,利用反應堆和核爆產生的高通量中子,以238U或239Pu為起始材料,利用中子俘獲反應,成功合成了93-100號元素和它們的若干同位素。20世紀50到60年代核殼層模型廣泛發展。
1998年12月,俄羅斯杜布納原子核聯合研究所(Joint Institute for Nuclear Research in Dubna,Russia)的奧加涅相(Yuri Oganessian)等科學家使用48Ca離子撞擊244Pu目標體,合成了一個??原子,其后被確定為289Fl,這項發現于1999年1月公布。
1999年3月,俄羅斯杜布納團隊以242Pu代替244Pu目標體,成功合成了兩個??元素,這兩個原子被確認為287Fl。1999年6月,杜布納的團隊重復進行244Pu的反應,并產生了兩個??原子,研究人員一開始把所產生的原子認定為288Fl,但在2002年進行的研究工作則將結論改為289Fl。
在2007年進行的初步化學實驗卻揭示了??出乎意料的高揮發性,其性質與同族元素鉛存在顯著差異。實驗結果顯示,??與金的化學反應類似于?,表明??是一種極易揮發的元素,甚至在標準狀況下可能呈氣態。??在實驗中還表現出金屬性,符合鉛的較重同族元素的特性,并在第14族中屬于金屬中反應活性最低的。
2009年1月,伯克利團隊證實287Fl和286Fl的發現。2009年5月,IUPAC/IUPAP聯合工作組發布??的發現報告。2009年7月,德國達姆施塔特重離子研究所又證實288Fl和289Fl的發現。
2011年6月11日,國際純粹與應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry,IUPAC)證實了??的發現。
命名
2005年,IUPAC與國際純粹與應用物理聯合會(International Union of Pure and Applied Physics,IUPAP)抽調專家成立了聯合工作小組(joint working party,JWP),并授權由其確定發現原子數大于 111 的新元素的聲明優先權。聯合工作小組的所有審議工作都依照1992年IUPAC/IUPAP工作小組建立的新元素發現標準進行。
2008年7月31號,俄羅斯杜布納原子核聯合研究所與加利福尼亞州的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory,California USA,簡稱LLNL)的科學家們共同合作,遞交了關于發現114號元素的報告。經過各實驗室的準確實驗核實,最后形成的報告得到了聯合工作小組以及IUPAC無機化學部分委員會的認可,并發表在2011年7月《純應用化學》雜志上。依照IUPAC已確定的元素命名程序及其傳統,由114號元素的發現者杜布納原子核聯合研究所和勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室來建議其命名。杜布納原子核聯合研究所提出114號元素的名稱為flerovium,符號為Fl,此建議是為了向合成超重元素的杜布納原子核聯合研究所弗廖羅夫核反應實驗室致敬原子核物理學家弗廖羅夫(Georgiy N.Flerov)。IUPAC無機化學分委員會考慮了發現者的提議并將此提議提交IUPAC主席團及理事會。
2011年12月,IUPAC對114號元素和116號元素的命名及符號的臨時建議進行了評估和討論。接下來,在法定期間,此提議提交公眾評論。2012年5月23日,IUPAC官方正式公布114號元素的英文名稱為Flerovium,符號為Fl。
2013年,中國科學技術名詞審定委員會公布114號元素的中文名稱為“??”,音同夫fū。
物質結構
原子結構
??(Fl)位于元素周期表第七周期ⅣA族,相對原子質量預測是289,原子半徑預測175pm,質子數和電子數均為114,電子排布式[Rn] 5f14?6d10 7s2 7p2,電子層預測2,8,18,32,32,18,4。
晶體結構
??的晶體結構預測是立方晶系(Face Center Cubic),在立方體8個角的頂點和6個面的中心上各有一個與相鄰晶胞共有的原子。
理化性質
物理性質
1975年,肯尼斯·皮策(Kenneth Pitzer)提出,與14族中較輕的同類元素鉛或錫的室溫狀態不同,??在室溫下可能是氣體。但科學家Peter Schwerdtfeger所在小組通過計算結果表明,塊狀金屬??中的原子結合較弱,比汞弱,但比強,內聚能分別為50、75、16kJ/摩爾。這表明??在室溫下會是一種像汞一樣的液態金屬,此外,7s軌道被相對論效應穩定后,可能會變得化學惰性。??的預測密度為11.4±0.3g/cm3,一級電離勢和二級電離勢預測分別為8.5eV、16.8eV,預測原子半徑為1.85?,預測熔點340℃,預測沸點420℃。
化學性質
氧化態
??預計是元素周期表中第IVA族(碳族元素)中最重的成員,位于鉛之下。這一族元素的氧化態主要為+4價,較重的元素也呈現出較強的+2價,這現象可歸因于惰性電子對效應。所以相比之下,同族的錫的+2價和+4價的強度相近,而鉛的+2價相對于+4價更強。因此,??預計會延續這一趨勢,表現出氧化性較強的+4價和相對穩定的+2價。
氣態化學性質
??屬于元素周期表的第14族。由于7s27p21/2的軌道分裂和7s2以及球形7p21/2閉合亞殼的收縮,預計7s27p21/2的價殼層具有強的相對穩定性,導致其揮發性和惰性增強,??既具有金屬特性也有惰性氣體的性質,但是它到底是金屬還是氣體還沒有定論。
化合物
??的化學性質與鉛非常不同,由于某種相對性效應,它是第一種表現出惰性氣體性質的超重元素,預測具有形成FlO、FlF2、FlCl2、FlBr2和FlI2等化合物的能力。如果其+4價參與化學反應,其可能僅能形成FlO2和FlF4。此外,??存在形成混合氧化物Fl3O4,類似于Pb3O4。
制備方式
冷聚變
208Pb(76Ge,xn)284?xFl
2003年法國國家大型重離子加速器(GANIL)第一次進行以冷聚變合成??的實驗,產量限制為1.2pb時并沒有合成任何原子。
熱聚變
244Pu(48Ca,xn)292?xFl(x=3,4,5)
俄羅斯杜布納團隊于1998年11月首次嘗試合成??。他們探測到一個源自289Fl的長衰變鏈。在1999年重復進行的實驗再次合成了兩個??原子,這次則是288Fl。團隊在2002年進一步研究了這項反應,在測量3n、4n和5n中子蒸發激發函數時,他們探測到3個289Fl原子、12個288Fl原子及1個新同位素287Fl原子。根據這些結果,第一個被探測到的原子是290Fl或289mFl,而接著的兩個原子是289Fl。
2009年5月至7月,德國重離子研究所GSI第一次進行了這個反應,合成了288Fl和289Fl并成功確認了其合成與衰變過程。
242Pu(48Ca,xn)290?x114(x=2,3,4,5)
杜布納的團隊首先在1999年3月至4月研究了這項反應,并探測到兩個287Fl原子。由于有關283Cn的數據有沖突,所以科學家在2003年9月重復進行了該實驗,以確認287Fl和283Cn的衰變數據。他們通過測量2n、3n和4n激發函數得到了288Fl、287Fl和新同位素286Fl的衰變數據。
2009年1月,伯克利的團隊使用伯克利充氣分離器(BGS)和新得到的242Pu樣本繼續進行研究,通過以上反應嘗試合成??。2009年9月,他們公布成功探測到2個??原子,分別為287Fl和286Fl,證實了Flerov核反應實驗室取得的衰變數據,但是所測量的截面更低。
2010年12月,勞倫斯伯克利國家實驗室的團隊公布發現了285Fl原子,并觀測到5個衰變產物的新同位素。
同位素
??同位素里半衰期最長的為289Fl,半衰期約2.6s,但有證據顯示289Fl存在著一個同核異構體289bFl,半衰期約為66s,將會是所有超重元素中壽命最長的原子核。
撤回的同位素
被勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)在1999年發現293Og的報告中,285Fl是以11.35 MeV能量進行α衰變的,半衰期為0.58ms。路虎第四代發現于2001年撤回了這項發現。這個同位素最后是在2010年合成的,其衰變屬性和1999年報告中的不符,意味著撤回的數據是錯誤的。
安全事宜
毒性
在大劑量的照射下,??的放射性對人體和動物存在著某種損害作用。如在400rad的照射下,受照射的人有5%死亡;若照射650rad,則人100%死亡。照射劑量在150rad以下,死亡率為零,但并非無損害作用,往往需經20年以后,一些癥狀才會表現出來。??的放射性也能損傷遺傳物質,主要在于引起基因突變和染色體畸變,使一代甚至幾代受害。暴露于??的極高輻射可造成急性健康影響,可在數小時內引起惡心和嘔吐等癥狀,或者皮膚燒傷和急性輻射綜合癥(“輻射病”),有時可在接下來的幾天或幾周內導致死亡。這還可能導致癌癥和心血管疾病等長期健康影響,這是因為??的電離輻射有足夠的能量影響活細胞中的原子,從而破壞它們的遺傳物質,如果損傷不能正確修復,人體細胞可能死亡或最終癌變。當植物暴露于??的輻射下,活細胞的遺傳物質就會被破壞,細胞最終死亡或變異。
預防與急救措施
在面對??等放射性同位素時,必須穿防護服,以防止放射性同位素泄漏時對身體造成永久性傷害。為測量職業或緊急照射中的個人劑量攝入,使用個人劑量計來測量外部輻射,并使用生物測定技術來測量因攝入放射性污染而產生的體內劑量。
在發生大規模輻射泄漏時,禁止無關人員進入,應急處理人員佩戴自給正壓式呼吸器,穿化學防護服,不可直接接觸泄漏物,并進入建筑物內躲避一段時間,不能在高度放射性地方逗留。如若沒有建筑物,用鉛、混凝土或水的屏障制作圍墻可以防止射線的穿透。
參考資料 >
What is Flerovium – Properties of Flerovium Element – Symbol Fl.nuclear power.2023-12-07
114、116號元素中文定名研討會在京召開.Wayback Machine.2023-11-11
Ununquadium | Fl | CID 168007562 - PubChem.Pubchem.2023-10-29
Explainer: superheavy elements.Chemistry World .2023-11-11
GAS PHASE CHEMISTRY OF SUPERHEAVY ELEMENTS.Wayback Machine.2023-11-11
About Flerovium.americanelements.2023-12-09
Pushing the boundaries of chemistry: Properties of heaviest element studied so far measured at GSI/FAIR.GSI.2023-12-07
Six New Isotopes of the Superheavy Elements Discovered.LBL.2023-12-09
Results of Element 118 Experiment Retracted.LBL.2023-12-09
Personal Protective Equipment (PPE) in a Radiation Emergency.RADIATION EMERGENCY MEDICAL MANAGEMENT.2023-12-15
Radiation Health Effects.United States Environmental Protection Agency.2023-12-15