(英文:Dubnium)是一種人工合成的化學元素,符號為Db,原子序數為105,VB族元素,屬于過渡金屬元素。該元素是高放射性元素,半衰期短,并不存在于自然界中。結合部分實驗及計算,預測其化學性質與該族其它元素相似,在室溫下是一種固體,氧化態為+5,+4,+3價,其中+5價為較穩定的氧化態。
1968年,由俄羅斯杜布納核子聯合研究所(JINR)的格奧爾基·弗廖羅夫(Georgi Flerov)領導的一個團隊用轟擊并制造了105號元素的同位素。1970年,由美國勞倫斯伯克利實驗室(LBL)的阿爾伯特·吉奧索(Albert Ghiorso)領導的一個團隊用以氮-15離子撞擊-249,也獲得了105號元素的同位素261105。關于該元素的命名,國際上曾有爭議,直到1997年,國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)決定將其稱為dubnium,以位于俄羅斯杜布納的聯合核研究所(JINR)實驗室的位置命名。中國曾將105號元素命名為“钅罕”,1998年根據IUPAC的建議改定為“??"。
??及其同位素產量小,目前除了基礎科學研究之外,沒有其他用途。
相關歷史
發現
1968年,杜布納核子聯合研究所(JINR)的格奧爾基·弗廖羅夫(Georgi Flerov)及其同事們報道了合成105號元素的首次嘗試。他們在回旋加速器中使用22Ne轟擊243Am,產生了兩種新的α粒子發射體,確定為260105和261105。這些新合成的同位素是不穩定的,具有放射性,在這個實驗中,105號元素會衰變,產生了103號元素的核素,并釋放了α粒子。這一系列衰變過程是通過探測到這些α粒子來鑒定的。在這個實驗中,兩種105號元素的同位素半衰期分別為0.1~0.3秒和>0.01秒的范圍。核反應及衰變鏈如下:
編和鑒定核數據的國際小組總的認為這項工作是無說服力的,或者有可能是錯誤的。因為觀察到的僅僅是少量的事件,以及所報道的105號元素α粒子能量為9.7 MeV和9.4 MeV和當時人們認為的α粒子能量(260105為9.1 MeV及261105為8.9 MeV)不一致。
1970年吉奧索(Albert Ghiorso)等人在伯克利的重離子直線加速器上用65 MeV的15N轟擊249Cf,產生了105號元素的一種同位素。
105號元素的原子序數(Z)和質量數(A)的鑒定采用了類似于發現的一種方法,即觀察母體(105號元素)及與其時間關聯的已知子體的α粒子發射。發現了9.06(55%)、9.10(25%)和9.14 MeV(14%)的能量群,它以1.6±0.3 s的半衰期衰變,該實驗表明其子體是35 s的256Lr,因此確定了前面發現的105號元素必定具有260的質量數。
1971年10月,這個小組在伯克利用重離子線性加速器合成了兩個以上的105號元素的同位素,即半衰期為1.8 s的261105和40 s的262105。后一種同位素的半衰期較長,足以能夠進行溶液的化學試驗。格里高里奇(K. E. Gregorich)等人證明了105號元素的化學行為像(Ta)和(Nb),與系概念是吻合的。
大約在同一時間,如同伯克利小組工作那樣,弗廖羅夫等人報道觀察到了一種具有1.8±0.6 s半衰期的核素(以自發裂變方式衰變),它由22Ne與243Am反應生成。他們引證了激發函數和觀察到的反應產物的角分布,認為這一核素是261105,其自發裂變放射性據1975年的報道,其在氣相熱色層柱中的行為類似于周期表中第V族元素。
命名
國際上對元素英文名稱的定名是通過國際純粹與應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry,簡稱IUPAC)討論決定的。國際上對于103號以前的元索英文名稱并無爭議,但對104號、105號元素,究竟應以哪位科學家的名字命名,存在較大分歧。自20世紀60年代起,第104號化學元素至第106號化學元素的名稱一直是一個具有很大爭議的話題,一些核化學家稱之為“超元素之爭”,這場爭論是由美國科學家和蘇聯科學家之間爭論誰首先制造了這些元素引起的。
1977年8月IUPAC正式宣布:100號以后的元素名稱,終止采用科學家的姓名命名的方式,而采用拉丁文和希臘文混合數字詞頭加詞尾–ium命名,符號采用三個字母表示。其后,由于應用不便,1994年IUPAC無機化學命名委員會又重新提出仍以人名命名新元素名稱。
1992年,超鐨元素工作小組(Transfermium Working Group,簡稱TWG)認為105號元素是由伯克利小組和杜布納小組共同發現的。杜布納小組建議105號元素取名為nielsbohrium(化學元素符號為Ns)以紀念偉大的丹麥物理學家,1922年諾貝爾物理學獎得主奧格·玻爾(N. Bohr);伯克利小組建議取名為hahnium(化學符號為Ha)以紀念德國放射化學家哈恩(Otto Hahn),他發現了裂變現象,并發展了很多實驗技術。1997年8月30日在日內瓦召開的國際會議上,IUPAC對超鐨元素(101—109號元素)的命名和符號提出一個折衷的方案。其中推薦用dubnium(中文名為??)來命名105號元素,化學符號為Db,以紀念杜布納實驗室在合成幾種超鐨元素中發展的實驗戰略所起到的關鍵作用。1997年這一爭議的最終解決方案也決定了第107號元素至第109號元素的名稱。
全國科學技術名詞審定委員會于1998年7月8日在北京召開新聞發布會,公布101—109號元素的中文定名。105號元素曾定為“钅罕”,根據IUPAC的建議改定為“??"。
結構
??的原子半徑預估為139 pm,共價半徑預估為149 pm,核外電子排布為[Rn]5f146d37s2,每個外殼的電子為2,8,18,32,32,11,2。
像前面的第5族元素一樣,固態的??原子應該以立方晶系構型排列。
同位素
??非常不穩定,沒有發現穩定的同位素,其有13個同位素,質量數范圍是255~270。
261105元素是用15N轟擊250Cf和用16O轟擊249Bk產生的。該同位素發射能量為8.93 MeV的α粒子,衰變至257Lr,半衰期約為1.8s。262105元素是用18O轟擊249Bk產生的。它發射8.45 MeV的α粒子,衰變至258Lr,半衰期約為40秒。
已知持續時間最長的??同位素268Db的半衰期約為29 h。第二個最穩定的同位素270Db的產生量甚至只有三個原子,半衰期分別為1 d、1.3 h和1.6 h。這兩個同位素是已知最重的??同位素,兩者都是由較重的288Mc和294Ts核衰變產生的。
理化性質
因??的產量很少,所以它與空氣、水、鹵素、酸或堿的反應尚未為人所知。據估計,??在空氣中的反應活性應與元素周期表中同族的、上一個周期的鉭及上兩個周期的鈮相似。
第5族(按照"國際純粹與應用化學聯合會IUPAC"的命名方式)是元素周期表中的一族元素。第5族元素含有釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)和??(Db)。這一族位于周期表的d區。這一族沒有簡稱,屬于過渡金屬一類。像其他族一樣,這一族元素擁有類似的電子構型模式,特別是最外層電子,但是鈮較為獨特,不遵循這一規律。
物理性質
一個直接的相對論效應是,隨著元素原子序數的增加,原子核中的正電荷數量也隨之增加,這導致電子與原子核之間的電磁引力增強。因此,最內層的電子開始更快地圍繞原子核旋轉;最外層的7s軌道的大小收縮了25%;由于軌道的收縮,7s軌道上的電子能量穩定性增加了2.6 eV。
相對論間接產生的影響是,收縮的s和p1/2軌道更有效地屏蔽了原子核的電荷,留給外層d和f電子的空間更樓小學,因此它們在更大的軌道上移動。??受此影響很大:與之前的第5族成員不同,它的7s電子比6d電子更難被提取。
據推測,??有五個價電子。由于??的6d軌道比鉭的5d軌道更不穩定,并且Db3+預計會剩下兩個6d而不是7s的電子,因此所產生的+3氧化態預計會不穩定,甚至比鉭的氧化態更罕見。在其最大氧化態(+5)下的??的電離電勢應略低于鉭的電離電勢,并且與鉭相比,??的離子半徑應增加;這對??的化學性質有重大影響。
??的預測密度為21.6 g/cm3。
在液相化學實驗中,Db在HCl和HNO3溶液中被吸附在玻璃表面上,這是第5族元素的一個典型特征。按照理論計算,在純HCl溶液中的萃取順序應為。而在HF溶液中利用AIDA裝置在線研究了105號元素Db與同族的Nb,Ta以及假第5族的Pa的陰離子交換行為,結果發現Db在陰離子交換樹脂上的吸附能力明顯小于同族的Nb和Ta,但大于Pa,陰離子氟化物的吸附順序如下:。實驗表明,105號元素Db在溶液中的最穩定價態為+5價。
早期關于Db氯化物和溴化物的等溫色譜分離實驗結果表明,Db的化學行為與元素周期表的第5族元素類似,這些試驗結果也表明Db氯化物和溴化物的揮發性比Nb鹵化物小。
化學性質
??的產額低、半衰期短,很多情況下是每次只能獲得1個原子,因此,??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。傳統的化學平衡原理對此已不再適用,因為面對的是“瞬時單原子”化學過程。在質量分布定律表達式中,需要用在某一相中出現某化學種態的概率來取代傳統的活度,利用??原子在兩相中出現的概率來定義平衡常數,從而得到在兩相之間的分配系數。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。
105號元素處于元素周期表的第5族,位于Nb,Ta的下面。相對論理論對原子軌道的計算結果表明,105號元素的化學行為受相對論效應的影響不大,與同族輕元素Ta相比,Db具有較大的離子半徑、不同的電荷效應和不同的伸展方向的6d軌道電子。同時,Db在溶液中的主要氧化態為+5價。根據目前105號元素的化學性質實驗結果,Db的化學性質與元素周期表的第5族其它元素類似。另外,通過對五氯化??的研究,進一步驗證了其符合元素周期律,表現出第5族元素化合物的特性。
化合物
溶液化學計算表明,??最大氧化態(+5)比鈮和鉭更加穩定,而+3和+4狀態則不太穩定,??預計會延續這一特征。氧化態最高的陽離子的水解趨勢在第5族中會不斷減弱,但預計仍會相當迅速。預計??的配位化合物的豐富度將遵循第5族趨勢。
制備方法
現在尚未得到宏觀數量的??。
方法一:用65 MeV的15N離子轟擊249Cf靶,得到105號元素的一種同位素260Db。核反應如下:
方法二:用22Ne離子轟擊243Am靶,得到105號元素的兩種同位素261105和?260105。反應式如下:
方法三:用15N轟擊250Cf和16O轟擊249Cf得到了半衰期為1.8s的?261105。
方法四:用16N離子轟擊249Bk靶,得到105號元素的一種同位素261Db。核反應如下:
生物作用和危險性
??是一種人造元素,不存在于自然界中。??沒有生物作用。??不是生物圈中的天然元素,所以通常不存在危險。但是若某地積聚了足夠的??,它就會導致放射性危害。
參考資料 >
Dubnium | Db (Element) - PubChem.PubChem.2024-02-12
Dubnium.rsc.2024-02-16
105號元素.皇家化學協會官網.2023-11-13
Dubnium | Db | CID 56951718 - PubChem.PubChem.2024-02-12