(英文名稱Hassium),一種人工合成的放射性元素,位于元素周期表第七周期第Ⅷ族,元素符號Hs,原子序號108號。
1984年,戈特弗里德·明嶺貝格(MünzenbergG)等科學家所在的德國重離子研究所(GSI中心)首次合成了??原子,先定名為“108號元素”。1992年,GSI中心建議命名“108號元素”為Hassium,取自研究所所在地德國的名(Hassia),1997年,(IUPAC)采用了Hassium作為“108號元素”的英文名稱,以紀念發現地德國黑森州。1998年1月中旬,中國科學技術名詞審定委員會于召開了化學名詞組擴大會議,確定Hassium中文譯名為??(hēi,音同“黑”)。??理論密度預測高達40.7g/cm3,是已預測密度最高的元素。根據其他同族元素的化學性質,推測??可以和氧氣合成四氧化物HsO4,其四氧化物HsO4和氫氧化鈉進而可以生成化合物Na2[HsO4(OH)2]。
自然界不存在天然的??元素,只能被人工合成,而且半衰期極短,很不穩定。自從1984年首次合成以后,科學家們只合成了大約100多個??的原子來做研究,所以人類對于??元素的了解仍然十分有限,所以用途和具體危害程度還不清楚。
發現歷史
發現
1984年,戈特弗里德·明嶺貝格(MünzenbergG)等領導的研究隊于德國達姆施塔特重離子研究所GSI首次進行了??的合成反應。他們在實驗室的粒子加速器中以58Fe原子核撞擊鉛目標體,制造出3個265Hs原子,定名為“元素108”。
IUPAC/IUPAP超重元素工作組在1992年的一份報告中承認,重離子研究所GSI是??的正式發現者。
命名
1992年,德國重離子實驗室GSI作為發現者正式提出使用Hassium作為108號元素的名稱,取自研究所所在地德國黑森州的拉丁語名(Hassia)。1997年,國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)決定對101-109號元素英文名稱重新命名,承認了108號元素英文名稱是Hassium,以紀念發現地德國黑森州。1998年1月中旬,中國科學技術名詞審定委員會于召開了無機化合物化學名詞組擴大會議,確定Hassium中文譯名為??(hēi,音同“黑”)。
結構
?原子結構
??的原子半徑預計在126pm左右,電子排布預計是[Rn]5f146d67s2,電子層預測是2、8、18、32、32、14、2。由于7s軌道的相對論穩定性和6d軌道的相對不穩定性,所以6d軌道更容易失去電子而不是最外圍的7s軌道失去電子,預測Hs+離子是[Rn]5f146d57s2的電子排布構型,這與其較輕的同系物的行為相反。Hs2+離子預計會類似于Os2+離子,具有[Rn]5f146d57s1的電子排布構型。
晶體結構
類似于同族上方的Os,科學家猜測??應該是密排六方堆積的晶體結構(c/a=1.59)。密排六方晶胞是一個正六面柱體,在上下兩個面的角點和中心上,各有一個與相鄰晶胞共有的原子,并在上下兩個面的中間有三個原子。據計算,純金屬??的體積模量(抗均勻壓縮)為450GPa,與金剛石的442GPa相當。
理化性質
物理性質
盡管??被成功合成,但是科學家們對于??的許多物理性質了解仍然非常有限,比如沸點、壓力或熱容等仍然不清楚。皇家理工學院研究,第8族元素成員熔點較高,鐵Fe熔點為1538℃;釕Ru為2334℃;鋨Os為3033°C,在和它們非常相似的情況下,雖然還沒有精確計算出??的熔點,但據預測,在室溫下??是固態金屬形態。??理論密度預測高達40.7g/cm3,比現在密度最好的鋨(22.57g/cm3)還要高上很多。
化學性質
氧化態
與??同族的釕Ru、鋨Os具有穩定的+8價,所以預測??也具有穩定的+8價,同樣的,預計??也會像同族的其他元素一樣顯示出較低價的穩定氧化態,如+6、+4、+3和+2。
液相化學性質
挪威的科學家探究出鋨Os可以在快速溶劑萃取SISAK裝置上進行液相化學性質的研究,可以求出Os在水相和有機相之間的分配比,實驗的成功表明,作為同族元素的??Hs預測也可以在SISAK裝置上開展液相化學性質的研究。
同位素
??沒有穩定的或自然存在的同位素,被制造出來的幾十到一百個??的同位素原子,都是在實驗室里合成出來的,可通過兩個原子的聚變或者更重元素的衰變得到。據報道,有13種同位素的質量數在263Hs到277Hs之間(274和276除外),其中有4種分別是265Hs、266Hs、267Hs和277Hs具有已知的亞穩態,盡管277Hs的亞穩態尚未得到證實。其中對于同位素273Hs,勞倫斯伯克利國家實驗室于1999年聲稱合成元素118,反應期間出現273Hs同位素核子。他們聲稱該同位素以能量9.78及9.47MeV進行α衰變,半衰期為1.2秒。該發現在2001年被撤回。這一同位素最終在2010年被合成,而所記錄的數據證明先前的數據是虛假的。
這些同位素大部分主要通過α衰變衰變,這是所有可獲得全面衰變特征的同位素中最常見的,唯一的例外是277Hs,它經歷自發裂變。較輕的同位素通常由兩個較輕的原子核直接聚變合成,而較重的同位素通常是原子序數較大的原子核的衰變產物。
化合物
第8族元素表現出獨特的氧化物化學性質,族上所有較輕的元素都有已知的或假想的四氧化物。它們的氧化能力隨著在元素周期表里位置的下降而下降。鋨Os燃燒形成穩定的四氧化物OsO4,OsO4與氫氧根絡合形成鋨酸鹽配位化合物[OsO4(OH)2]2?。??在中的位置應該在鋨Os的正下方,也可以形成一種穩定的、非常易揮發的四氧化物HsO4,同時其四氧化物與氫氧根絡合形成[HsO4(OH)2]2?,所以預測+8價的??離子化合物有HsO4,Na2[HsO4(OH)2]。四氧化釕RuO4和四氧化鋨OsO4都是易揮發的,因為它們是對稱的四面體分子結構,而且它們是電荷中性的;同樣,四氧化??也應該是一種非常易揮發的固體。2008年有實驗結果表明,第8族四氧化物的揮發性變化趨勢為RuO4
相關實驗
單質合成
以下是世界各科學實驗室進行的部分??同位素的成功合成實驗。
四氧化物合成
德國重離子研究中心通過26Mg束流轟擊旋轉的248Cm靶產生269Hs(t1/2=9s)核素,在載氣氦氣中加入氧氣,為了提供快速充分的氧化,在反沖靶室后連有一個600℃的爐子,形成的揮發性氧化物HsO4在干燥的He/O2氣體中經毛細管快速傳輸到探測器,實驗裝置和反應方程式如下:
酸堿絡合反應
德國GSI中心根據已報道的氣相化合物OsO4可以吸附在氫氧化鉀表面的文獻,基于Hs位于Os同族下方,研究了揮發性的氧化物HsO4和氫氧化鈉之間的相互作用,結果實驗人員在探測器上觀察到了Hs的沉積,根據這次實驗,科學家第一次提出了Hs四價氧化物可以進行酸堿反應,理論上可以和氫氧化鈉生成Na2[HsO4(OH)2],反應方程式如下:
理論應用
超重核穩定島理論
20世紀60年代理論預言在Z=114,N=184附近區域存在著一個穩定核的島,即“超重核穩定島”,認為在這個島內可能存在著半衰期較長的,相對穩定的超重元素。超重元素合成的最終目標是找到“超重核穩定島”的位置,因此必須合成“超重核穩定島”上的核素。歐洲科學研究雜志上,一位伊拉克科學家通過NuclearMagnetonTheoryof質量Quantization,簡稱NMT理論計算出??的理論同位素中有20種半衰期很長的同位素,其中有:288Hs(1.08x104y)、289Hs(6.26x105y)、290Hs(2.46x106y)、291Hs(1.86x108y)、292Hs(9.96x108y)、293Hs(1.29x1011y)、294Hs(1.15x1012y)和295Hs(2.63x1014y),他認為??的這8種半衰期時間長達數年的Hs理論同位素屬于穩定島的一部分。
研究局限性
開展??的化學性質實驗研究是一項極具挑戰性的工作,因為自1984年首次??被合成出來以后,??作為超重元素,產額低、壽命短。超重元素隨著原子序數的增加,重離子熔合蒸發反應的截面呈指數下降,因而超重核的產額隨原子序數的增長急劇下降。可用于化學研究的超重元素的壽命非常短而且量非常少,很多情況下是每次只能獲得1個原子,即所謂的“一次試驗1個原子”。因此,超重元素的化學分離是在單個原子層面上進行的,出現1個原子的時間是未知的,因為它的產生是一個統計過程。實際的實驗研究需要進行反復多次(數千次)重復相同的化學分離實驗,以期達到具有統計意義的概率。
在2011年的《科學展望》中,美國核物理學家沃爾特·格雷納(WalterGreiner)挖苦地表示,在地下深處通過“兩三次核爆炸”,或許可以制造出富含中子的原子核,比如??。由于多個全球條約禁止這樣做,我們將不得不繼續依靠技術,比如用富含中子的48Ca或58Fe光束轟擊加速器目標。即使我們必須再等幾十年,讓下一代核科學家生產出足夠的??來填補我們知識的空白,這可能是最好的。
參考資料 >
Periodic Table of the Elements.Lawrence Berkeley National Laboratory(LBL).2023-11-30
Hassium.American Element.2023-11-29
CAS.commonchemistry.2023-11-24
Hassium.Pubchem.2023-11-29
Names And Symbols Of Transfermium Elements (IUPAC recommendations 1997).https://old.iupac.org/.2023-11-10
Isotope Basics.National Isotope Development Center.2023-12-04
Six New Isotopes of the Superheavy Elements Discovered.Lawrence Berkeley National Laboratory(LBL).2023-11-30