A Nemzetközi Tiszta és Alkalmazott Kémiai Unió 2015 decemberében igazolta négy új kémiai elem felfedezését: a 113, 115, 117 és 118-as rendszámúakat. Megtalálták a periódusos rendszer 7. sorából hiányzó utolsó elemeket, és hat hónappal később nevük is volt:

• a nihónium, amelyet Nihonról neveztek el, ami japánul a „Japán” kifejezés egyik módja;
• a moszkóvium, amelyet a moszkvai régióról neveztek el, ahol az Egyesített Atommagkutató Intézet (JINR) található;
• a tenesszium, amelyet az amerikai Tennessee államról neveztek el, ahol az Oak Ridge Nemzeti Laboratórium található;
• az oganeszon, amelyet Jurij Oganyeszjanról, a felfedezésben jelentős szerepet játszó atomfizikusról neveztek el.

Szupernehéz elemek

A nihónium, a moszkóvium, a tenesszium és az oganeszon a szupernehéz elemek családjának tagjai, 104-es vagy annál nagyobb rendszámmal. Transzaktinidáknak is nevezik őket, mivel rendszámuk nagyobb, mint az aktinidáké, amelyek rendszáma 89 és 103 között van.

Az 1960-as években az első transzaktinida szintézisét hosszadalmas politikai huzavona kísérte. Amerikai és szovjet tudósok azon vitatkoztak, hogy ki fedezte fel először a 104-es, 105-ös és 106-os elemeket, és hogy milyen nevet adjanak nekik. A végső megoldás 1997-ben született meg.

A szupernehéz elemek előállítása manapság tudományos együttműködés keretében történik. Míg a nihónium felfedezését kizárólag a japán Riken Kutatóintézetnek tulajdonították, addig a moszkóvium, a tenesszium és az oganeszon felfedezése az Egyesült Államok és Oroszország csapatainak köszönhető, akik együtt dolgoztak.

A periódusos rendszer

HVG Könyvek

Gyakorlati problémák

Papíron a szupernehéz elemek előállítása viszonylag egyszerűnek látszik. A tudósoknak két olyan elem atomjait kell egyesíteniük, amelyek együttesen annyi protont tartalmaznak, ahány proton van az új elemben. De ez nem olyan egyszerű, mint ezt a két atomot egymás mellé tenni. Ahhoz, hogy egyetlen, nagyobb atommagot alkotva összeolvadjanak, rendkívüli sebességgel kell ütközniük egymással, hogy elegendő energiájuk legyen a pozitív töltésű protonok közötti taszító elektrosztatikus erők legyőzéséhez.

Az elemek felfedezése történelmileg a vegyészek feladata volt, de a szupernehéz elemek szintéziséhez a fizikusok egyik legfontosabb eszköze, a ciklotron nevű részecskegyorsító használata szükséges. A laboratóriumban a részecskegyorsítók a tudósok által kombinálni kívánt elemek egyikének atommagjait lövik a másik elem atomjaiból álló céltáblára. A lövedék atommagokat a fénysebesség közel egy tizedének megfelelő sebességgel lövik ki a megcélzott atommagokra. A nagy energiájú ütközések többsége azzal végződik, hogy mindkét atommag darabokra törik, de ritkán előfordul, hogy két ütköző atommag összeolvad, és egy új elem magját alkotja.

Néha az új elem radioaktív bomláson megy keresztül, olyan gyorsan, hogy azt nem is lehet kimutatni, így az ilyen ütközések során keletkező új elemek nehezen megfogható atomjainak azonosítása fájdalmasan lassú.

Neutronban gazdag izotópok

Mivel az esélye annak, hogy egy szupernehéz elem atomját létrehozzák és kimutassák, hihetetlenül kicsi, ezért a tudósok az esélyek javításán dolgoztak. A keletkező új atomok stabilitását növeli, ha neutronban gazdag izotópokat használnak lövedékként és célpontként.

A 2015 decemberében megerősített négy elem közül háromnak a szintézisénél kalcium-48 volt a lövedék. Ez a kalciumnak egy olyan izotópja, amelynek 20 protonja és 28 neutronja van. A folyamat azonban nem olcsó: 2022-ben a lövedék kalcium-48 grammonként több mint 250 ezer dollárba került.

Az új elem keletkezését nehéz bizonyítani. Annak ellenére, hogy az új elemek atomjainak kimutatásáról beszélnek, a valóság az, hogy ezek az atomok túl bomlékonyak. Radioaktív bomláson mennek keresztül, és egy külön bomlási láncot alkotnak, amelyet a tudósok nyomonként követhetnek vissza, hogy azonosítsák az eredeti, elbomlott elemet.

A periódusos rendszer hetedik sora utolsó elemeinek felfedezésével a periódusos rendszer egyelőre teljesnek tűnik. De a szupernehéz elemeket létrehozó tudósok munkája még nem ért véget − bíznak abban, hogy az oganeszonon túli elemeket is felfedezik, sőt úgy vélik, hogy néhány közülük tovább is létezhet, mint a jelenleg ismert rövid élettartamú szupernehéz elemek.

Bár a kutatók bíznak abban, hogy a 119. és 120. elemet a következő években elő fogják állítani, a jelenlegi a leghosszabb szünet az új elemek felfedezései között, amióta a szintetikuselem-alkotás korszaka elkezdődött.

Irányváltás

Világszerte csak néhány laboratórium rendelkezik a szupernehéz elemek szintéziséhez szükséges finanszírozással és felszereléssel, és az elmúlt években néhányuk visszavett a további elemek előállítására irányuló kísérleteiből. A szupernehéz elemek kutatása egyre inkább a már azonosított elemek szokatlan tulajdonságainak megértésére összpontosít. A periódusos rendszer bővítése helyett ez a kutatási irány elvezethet bennünket oda, hogy a periódusos rendszer felépítésének szabályai esetleg teljesen megszűnnek.

Az elemek atomjai általában olyan tulajdonságúak, amit a róluk alkotott egyszerű modelljeink megjósolnak, de vannak furcsaságok is. A nehezebb atomok elektronjai gyorsabban mozognak, végül elérik a fénysebességet megközelítő sebességet, és a tudósoknak Einstein általános relativitáselméletét kell figyelembe venniük, amikor velük foglalkoznak. A relativisztikus hatások miatt az ilyen sebességgel mozgó elektronok tömege nagyobb, mint egy nyugalomban lévő elektroné, és ez az elektronpályák összehúzódását eredményezi.

A periódusos rendszer felépítését a periodicitás határozza meg − az az elgondolás, hogy az elemek tulajdonságai kiszámítható és ismétlődő mintázatokat követnek. A periódusos rendszer egy adott csoportjába tartozó elemek meghatározott módon viselkednek − például a kémikusok elvárják, hogy az 1. csoportba tartozó fémek mindegyike könnyen reagáljon vízzel, míg a 18. csoportba tartozó fémektől azt várják, hogy szinte semmivel ne reagáljanak. Most azonban már vannak bizonyítékok arra, hogy a szupernehéz elemekre ható relativisztikus hatások megcáfolhatják ezeket az feltevéseket.

Meglepő viselkedések

A kopernícium (a 112-es elem) a szintetikus szupernehéz elemek közül az egyik leghosszabb élettartamú, így a kémikusok a legtöbb elemnél részletesebben tudták vizsgálni a tulajdonságait, meglepő eredményekkel. A kopernícium a periódusos rendszerben a higany (a 80-as elem) alatt helyezkedik el. A higany maga is relativisztikus hatásoknak van kitéve, ezért a periódusos rendszerben ez az egyetlen fém, amely szobahőmérsékleten folyékony.

A számítógépes szimulációk azt sugallják, hogy a periódusos rendszerben elfoglalt helyével ellentétben, a koperníciumnak nemesgázként kellene viselkednie, de a higanyhoz hasonlóan szobahőmérsékleten folyékony lenne. Eközben az oganeszon, amely a nemesgázok osztályának szupernehéz tagja, várhatóan egyáltalán nem nemesgáz tulajdonságú. Ehelyett a számítások szerint fémes félvezetőnek kell lennie, és a relativisztikus hatások, amelyeknek ki van téve, olyan erősek, hogy az elektronhéj-szerkezete gyakorlatilag eltűnik.

Az elektronok száma és elrendeződése az elektronhéjon belül meghatározza egy elem reakcióképességét − ha ez a szerkezet a 118. elemnél és azon túl semmivé foszlik, akkor a periódusos rendszer ereje az elemek tulajdonságainak előrejelzésére lényegében használhatatlan.

A kémia nagykönyve

HVG Könyvek

Sok a megválaszolandó kérdés

Az oganeszon esetében valószínűtlennek tűnik, hogy a tudósok valaha is képesek lesznek kísérletileg megerősíteni ezeket az előrejelzéseket, mivel a legstabilabb izotópja kevesebb mint egy milliszekundum alatt elbomlik. A kopernícium esetében azonban ez végül lehetséges, mivel a legstabilabb izotópjának felezési ideje körülbelül 30 másodperc.

Érdekes módon, a számítógépes szimulációk által generált előrejelzések szokatlan kérdéseket vetnek fel azzal kapcsolatban, hogy a periódusos rendszer nehezebb régiói dacolhatnak-e azokkal a jellegzetességekkel, amelyek alapján Mengyelejev több mint 150 évvel ezelőtt összeállította a periódusos rendszert.

Tekintettel arra a különös kémiára, amelyet a szupernehéz elemek kutatói a korlátozott számú atomokkal fedeztek fel, ki tudja, milyen furcsaságokat fognak találni az elkövetkező években?

A fenti cikk A kémia nagykönyve című kiadvány szerkesztett részlete. Mi a természet minden létezőjének közös eleme? Lehetséges-e aranyat csinálni? Miért reagálnak egymással bizonyos vegyianyagok? Ehhez hasonló kérdésekre sok tudós kereste a válaszokat az idők során. A kémia nagykönyve közel 100 tudományos eredmény közérthető magyarázatát tartalmazza. A könyvet itt rendelheti meg kedvezménnyel.