Элементы 104-118

Элементы с атомными номерами от 104 до 118 относятся к супертяжёлым элементам (СТЭ) и занимают последние группы периодической системы. Эти элементы синтезированы искусственно и обладают исключительно короткими периодами полураспада, что делает их изучение сложным, но крайне важным для понимания пределов атомного строения и свойств материи.

История открытия

Синтез первых элементов с атомным номером свыше 100 начался в середине XX века. Элементы 104–106 были впервые получены в лабораториях Дубны (Россия) и Беркли (США). Последующие элементы 107–112 открывались в международных коллаборациях, включая Гельмгольцский центр в Дании и японские лаборатории. Элементы 113–118 были подтверждены в XXI веке, с 2012 года закреплены официальные названия:

  • 104 – Резерфордий (Rf)
  • 105 – Дубний (Db)
  • 106 – Сиборгий (Sg)
  • 107 – Борий (Bh)
  • 108 – Хассий (Hs)
  • 109 – Мейтнерий (Mt)
  • 110 – Дармштадтий (Ds)
  • 111 – Рентгений (Rg)
  • 112 – Коперниций (Cn)
  • 113 – Нихоний (Nh)
  • 114 – Флеровий (Fl)
  • 115 – Московий (Mc)
  • 116 – Ливерморий (Lv)
  • 117 – Тенессин (Ts)
  • 118 – Оганессон (Og)

Основные свойства

Супертяжёлые элементы обладают следующими характерными особенностями:

  1. Стабильность ядер – крайне низкая. Периоды полураспада варьируются от миллисекунд до секунд, за исключением некоторых изотопов элементов 114 и 115, которые демонстрируют повышенную устойчивость благодаря «острову стабильности».

  2. Электронная структура – в основном следует предсказаниям релятивистской химии. Для элементов 104–118 проявляется сильное влияние релятивистских эффектов на 6d- и 7p-орбитали, что сказывается на химических свойствах и валентности.

  3. Металлические характеристики – большинство СТЭ являются тяжёлыми металлами с высокой плотностью. Химические свойства ближе к соответствующим группам по периодической системе:

    • Rf, Db, Sg – группа титана, ванадия, хрома соответственно;
    • Bh, Hs, Mt, Ds – платиновые металлы;
    • Rg, Cn – группы рутения и цинка;
    • Nh, Fl, Mc, Lv, Ts, Og – группы p-блоков (113–118), с Og демонстрирующим редкие галоидные свойства.

  4. Радиохимическая активность – интенсивное радиоактивное распадание сопровождается α-распадом и спонтанным делением. Эти процессы используются для идентификации изотопов.

Методы синтеза

Супертяжёлые элементы получаются исключительно искусственно в ускорителях слияния тяжёлых ионов. Основные подходы:

  • Холодное слияние – использование мишеней из свинца или висмута с ионами более лёгких элементов. Данный метод применялся для синтеза Rf–Hs.
  • Горячее слияние – взаимодействие ионов кальция-48 с тяжёлыми актиноидными мишенями (Cm, Bk, Cf), применялось для элементов 114–118.

Эффективность реакции крайне мала: вероятность образования одного атома может составлять 10⁻¹²–10⁻¹⁴ на столкновение.

Химические свойства и соединения

Исследования химии СТЭ ведутся на следовых количествах, поэтому данные получаются методом газовой хроматографии и автоматизированных радиохимических установок.

  • Резерфордий (Rf) – демонстрирует сходство с титаном и гафнием, образует оксиды типа RfO₂ и тетрахлориды.
  • Коперниций (Cn) – проявляет металлические свойства, но с тенденцией к слабому благородному поведению, близкому к ртутным соединениям.
  • Оганессон (Og) – по прогнозам, является химически инертным, почти как благородный газ, но под влиянием релятивистских эффектов может проявлять слабую химическую активность, образуя соединения типа OgF₂.

Радиохимические и ядерные исследования

СТЭ используются для проверки моделей ядерной стабильности и прогнозирования «острова стабильности» при Z≈114–120 и N≈184. Эти элементы дают уникальную возможность наблюдать:

  • α-цепочки распада для установления массы и структуры ядер;
  • спонтанное деление в области тяжёлых ядер;
  • релятивистские эффекты, влияющие на энергию связи ядер.

Практическое значение

Из-за экстремально малой продолжительности существования и редкости, элементы 104–118 не имеют промышленного применения. Их ценность исключительно научная:

  • уточнение периодической системы и её пределов;
  • проверка релятивистских квантово-химических моделей;
  • исследование механизма синтеза тяжёлых ядер;
  • разработка методик радиохимического анализа и автоматизированных экспериментов на отдельных атомах.

Перспективы

Современные исследования направлены на синтез элементов за пределами 118-го (Z>118), изучение «острова стабильности» и создание новых радиохимических методов для изучения следовых количеств. Прогнозируется, что элементы с Z≈120–126 могут обладать периодами полураспада в диапазоне секунд–минут, что позволит изучать их химические свойства более детально.

Важнейшей задачей остаётся создание стабильных соединений, которые позволят непосредственно измерять валентность и каталитические свойства СТЭ, а также проверять гипотезы о влиянии релятивистских эффектов на химию тяжёлых элементов.

Оглавление