رادرفوردیم
فارسی | English | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
رادرفوردیم (به انگلیسی: Rutherfordium) یک عنصر شیمیایی مصنوعی با نماد Rf و عدد اتمی ۱۰۴ است که به افتخار فیزیکدان نامی و برندهٔ جایزهٔ نوبل شیمی، ارنست رادرفورد نامگذاری شدهاست. این عنصر، مصنوعی است و در طبیعت یافت نمیشود و تنها میتوان آن را در آزمایشگاه ساخت. رادرفوردیم پرتوزا است و پایدارترین ایزوتوپ شناختهشدهٔ آن، ۲۶۷Rf است که نیمهعمری نزدیک به ۱ ساعت و ۱۸ دقیقه دارد. در جدول تناوبی عناصر، رادرفوردیم در چهارمین و آخرین دورهٔ بلوک d قرار دارد و در این بلوک، دومین عنصر است؛ همچنین این عنصر در گروه ۴ و دورهٔ ۷ جای میگیرد. آزمایشها نشان داده که رادرفوردیم ویژگیهای الکتروشیمیایی مشترکی با هافنیم که عنصری سبکتر در گروه ۴ است، دارد. تا کنون تنها بخشی از ویژگیهای شیمیایی رادرفوردیم روشن شدهاست. این ویژگیها با شیمی دیگر عناصر گروه ۴ قابل مقایسهاند هرچند که برخی محاسبات نشان میدهد که رادرفوردیم به دلیل اثرات نسبیتی میتواند ویژگیهای بسیار متفاوتی از خود نشان دهد. در دههٔ ۱۹۶۰، مقدار کمی رادرفوردیم در مؤسسه مشترک تحقیقات هستهای اتحاد جماهیر شوروی و مقداری هم در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی کالیفرنیا تولید شد. اولویت کشف و درنتیجه نامگذاری این عنصر، میان دانشمندان شوروی و آمریکایی مورد اختلاف قرار گرفت تا این که در سال ۱۹۹۷، اتحادیهٔ بینالمللی شیمی محض و کاربردی (آیوپاک)، رادرفوردیم را به عنوان نام رسمی این عنصر تأیید کرد. محتویاتتاریخچه[ویرایش]کشف عنصری جدید[ویرایش]رادرفوردیم — که به افتخار ارنست رادرفورد به این نام نامیده شد — برای اولین بار در سال ۱۹۶۴ بهصورت مصنوعی در مؤسسه تحقیقات هستهای دوبنا شوروی سابق ساخته شد. محققان در این شیوه، اتم پلوتونیم[الف] را با یونهای نئون بمباران کردند سپس آن را در معرض کلرید همچون زیرکونیم تترا کلرید[ب] قرار دادند در نهایت آنها با مادهای با خواص اکا-هافنیم روبرو شدند. اگرچه آنها نیمهعمر را بهدقت اندازهگیری نکردند، ولی ادعا کردند که در این شکافت هستهای با استفاده از پرتو ایکس مشاهداتی انجام شده که اثری از یک واپاشی آلفای متعلق به ۲۵۷Rf در آن رصد شدهاست؛ و این اشاره به ظهور یک عنصر جدید دارد:[۱۳]
در سال ۱۹۶۹، پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا در برکلی این عنصر را با ترکیب کالیفرنیم[پ] و کربن و از طریق برخورد با یک منبع انرژی قوی تولید کردند. این گروه همچنین اعلام کردند که نتوانستهاند ترکیب قبلی را که توسط دانشمندان روسی بهوجود آمده بود، مجدداً بسازند.[۱۴]
راههای ساخت[ویرایش]دانشمندان مؤسسه مشترک تحقیقات هستهای در نخستین مطالعهٔ خود، دو شکافت خود به خود را با نیمهعمر ۰٫۳ ثانیه و ۸ ثانیه مشاهده کردند. مادهٔ نخست ناشناخته ماند ولی مادهٔ دوم بعدها بهعنوان ۲۵۹Rf شناسایی شد. آنها در سال ۱۹۶۶ آزمایش را بهوسیلهٔ ترکیبات آلی فرار تکرار کردند که موجب دستیابی به چنین نتایجی شد. آنها یک کلرید فرّار را شناسایی کردند که مانند هافنیم[ت] رفتار میکرد و در اکثر مواقع بهسرعت به روش شکافت خود به خود تجزیه میشد. این مدرکی قوی بر این موضوع است که رادرفوردیم تتراکلرید تولید شده بود؛ با اینکه مؤسسهٔ مشترک تحقیقات هستهای اعلام کرد که محصول آزمایش ۲۵۹Rf بوده؛ و از آن جایی که نیمهعمرِ آن بهدقت اندازهگیری نشده بود و با RfCl۴ مطابقت نداشت، این فرضیه رد شد. این آزمایش بارها تکرار شد تا این که در سال ۱۹۷۱ نیمهعمر آن ۴٫۵ ثانیه اندازهگیری شد.[۱۵] در سال ۱۹۶۹ یک گروه در دانشگاه کالیفرنیا که توسط آلبرت گیورسو هدایت میشد، تلاش کرد که نتایج مؤسسه مشترک تحقیقات هستهای را تکرار کند و کوریم-۲۴۸[ث] و اکسیژن-۱۶ را ترکیب کند اما نتوانست نتیجهٔ را تکرار و نیمهعمر آن را ثبت کند؛ البته آزمایش چندان هم بینتیجه نبود زیرا در این آزمایش ایزوتوپ ۲۶۰Rf تولید و نیمهعمر آن ۱۰ تا ۳۰ میلیثانیه اندازهگیری شد.[۱۶][۱۷]
در سال ۱۹۷۷ دانشمندان روسی در مؤسسه مشترک تحقیقات هستهای واقع در دوبنا، برکلیم-۲۴۹[ج] نیتروژن-۱۴ را ترکیب کردند، ولی در سال ۱۹۸۵ تأیید نمودند که محصول واکنش ۲۶۰Rf بوده و واپاشی آن از نوع شکافت خود به خود و نیمهعمر آن ۲۸ میلیثانیه است.[۱۸]
در سال ۱۹۶۶ آزمایشی شبیه به این آزمایش، در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در کالیفرنیا انجام دادند و ایزوتوپ ۲۶۲ را مشاهده کردند. این گروه نیمهعمر آن را ۲٫۱ ثانیه اندازهگیری کرد که این رقم اختلاف چشمگیری با رقم واقعی که ۴۷ میلیثانیه است، دارد.[۱۹]
گروه مؤسسه مشترک تحقیقات هستهای در سال ۲۰۰۰ اعلام کردند که از یک واکنش همجوشی هستهای برای ساخت رادرفوردیم استفاده کردند. آنها ۲۵۶No[چ] را مشاهده کردند که محصول واپاشی ۲۶۰Rf بودهاست؛ و یک اتم ۲۵۹Rf را — که خود تجزیه شد — نیز رصد کردند. از این رو آزمایش را بارها تکرار کردند ولی نتایج متفاوتی بهدست آمد. این امر باعث مداخلهٔ آزمایشگاه ملی لارنس برکلی برای تکرار آزمایش نیز شد تا محصول این آزمایش مشخص شود. در نهایت ۴ ایزوتوپ متفاوت ۲۶۱Rf, ۲۶۰Rf، ۲۵۹Rf, ۲۵۸Rf بهدست آمد.[۲۰][۲۱]
همجوشی سرد[ویرایش]در سال ۱۹۷۴ یک اتم رادرفوردیم در یک همجوشی سرد در دوبنا تولید شد. این اولین باری بود که یک اتم رادرفوردیم از این راه بهدست میآمد. در این آزمایش از یک اتم سرب-۲۰۸ و تیتانیم-۵۰[ح] استفاده شد. دانشمندان روسی واپاشی خود به خود ۲۵۶Rf را مشاهده نمودند، ولی در مرکز تحقیقات یون سنگین هلمهولتز محصولات واپاشی ۲۵۵Rf و ۲۵۷Rf را شناسایی کردند.[۲۲]
تجزیه[ویرایش]بیشتر ایزوتوپهای رادرفوردیم با جرم اتمی زیر ۲۶۲ بهعنوان محصولات فروپاشی عناصر سنگینتر نیز مشاهده شدهاند و این موجب اصلاح خواص پیشبینیشده در مورد ایزوتوپهای رادرفوردیم شد؛ ولی ایزوتوپهای سنگینترِ رادرفوردیم برخلاف ایزوتوپهای سبکتر تنها بهعنوان محصولات فروپاشی مشاهده شدهاند. برای مثال چند ذره آلفا در تولید ۲۶۷Rf در زنجیرهٔ فروپاشی دارمشتادیم-۲۷۹ در سال ۲۰۰۴ مشاهده شد:[۲۳]
رادرفوردیم-۲۶۷ تولیدشده در آزمایش، تحت شکافت خود به خود با نیمهعمر حدود ۱٫۳ ساعت تجزیه شد.[۲۴][۲۵][۲۶] تحقیقات در سنتز دوبنیم-۲۶۳[خ] در سال ۱۹۹۹ در دانشگاه برن نشان داد که ۲۶۸Db با گیراندازی الکترون به ۲۶۸Rf تجزیه میشود. محققان دانشگاه برن رادرفوردیم را تقسیم کردند و چند شکافت خود به خود با نیمهعمرهایی طولانی — که حدود ۱۵ دقیقه بودند — رصد شد؛ ولی در یک بخش، واپاشیِ آلفایی با نیمهعمری حدود ۱۰ دقیقه مشاهده شد.[۲۷] گزارشهای فروپاشی زنجیرهای فلروویم-۲۸۵[د] در سال ۲۰۱۰ نشان داد پنج واپاشی آلفای متوالی صورت گرفت و محققان دانشگاه برن در نهایت به این نتیجه رسیدند که ۲۶۸Rf بهدلیل ناپایداری، با واکنش شکافت خود به خود پس از ۱۸۲ ثانیه تجزیه شد.[۲۸] برخی از شواهد تجربیِ بهدستآمده در سال ۲۰۰۴ نشان میداد که برای تولید رادرفوردیم در یک زنجیرهٔ واپاشی استفاده از ایزوتوپهای عناصر سنگینتر نیز ممکن است، مانند مسکوویم-۲۸۸[ذ] که ایزوتوپ ۲۶۸Rf در زنجیرهٔ فروپاشی آن مشاهده شد:[۲۹]
اما آخرین گام در این زنجیره نامشخص است. پس از این پنج فروپاشی آلفا که دوبنیم-۲۶۸ را تولید کرد، شکافتهایی مشاهده شد که نیمهعمرهایی طولانی داشتند. مشخص نیست که آیا این شکافتها بهعلت شکافت خود به خود ۲۶۸Db صورت میگیرند یا اینکه ۲۶۸Db با گیراندازی الکترون رادرفوردیم-۲۶۸ با نیمهعمری بالا تولید میکند.[۳۰] از آن جایی که گیراندازی الکترون ۲۶۸Db تشخیص داده نمیشود؛ میتوان علت این شکافتهای خود به خود را به این شکل توضیح داد: نیمهعمر ۲۶۸Rf که بهدلیل نیمهعمر بسیار کم آن نمیتواند بررسی و استخراج شود.[۳۱][۳۲] یک مکانیسم مشابه برای شکلگیری ۲۷۰Rf و ایزوتوپهای سنگینتر از آن بهعنوان محصول واپاشی عناصری مانند ۲۷۰Db (که در زنجیرهٔ فروپاشی ۲۹۴Ts که برای اولین بار در سال ۲۰۱۰ سنتز شده بود) وجود دارد؛ ولی نیمهعمر آنها بسیار کوتاه بوده و خود پس از مدتی، طیِ فرایند شکافت خود به خود تجزیه میشود:[۳۳][۳۴]
بهگفتهٔ گزارشی که در سال ۲۰۰۷ در مورد سنتز نیهونیم[ر] منتشر شد، در آزمایش ایزوتوپ نیهونیم-۲۸۲ مشاهده شد این ایزوتوپ تحت یک فروپاشی مشابه به شکل فروپاشی ۲۶۶Db — که تحت شکافت خود به خودی با نیمهعمر ۲۲ دقیقه تجزیه شد — به رونتگنیم تجزیه شد. با توجه به اینکه گیراندازی الکترون ۲۶۶Db تشخیص داده نمیشود این شکافتهای خود به خود ممکن است به دلیل ۲۶۶Rf باشد که به خاطر نیمهعمر این ایزوتوپ نمیتواند استخراج شود.[۳۵] ![]() ارنست رادرفورد که در نهایت عنصر به افتخار او رادرفوردیم نام گرفت. اختلاف نظرها در نامگذاری[ویرایش]در دههٔ ۱۹۶۰، مقدار کمی از رادرفوردیم در مؤسسه مشترک تحقیقات هستهای در اتحاد جماهیر شوروی سابق و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در کالیفرنیا تولید شد. اولویت کشف و به همین ترتیب نامگذاری این عنصر بین دانشمندان شوروی و آمریکا مورد اختلاف قرار گرفت. اتحاد جماهیر شوروی سابق نام کورچاتوفیم[ز] را به افتخار فیزیکدان هستهای ایگور کورچاتوف پیشنهاد داد، ولی با مخالفت دانشمندان آمریکایی مواجه شدند زیرا آنان نام رادرفوردیم را انتخاب کرده بودند. سپس دانشمندان روسی نام دوبنیم را پیشنهاد کردند ولی همچنان با مخالفت دانشمندان آمریکایی مواجه شدند. در نهایت در سال ۱۹۹۷، اتحادیهٔ بینالمللی شیمی محض و کاربردی (آیوپاک) نام رسمی این عنصر را انتخاب کرد. نام این عنصر از نام ارنست رادرفورد برندهٔ جایزهٔ نوبل سال ۱۹۰۸ گرفته شد؛ در نهایت عنصر بعدی به خود نام دوبنیم «۱۰۵Db» گرفت و تاکنون عنصری به نام کورچاتوفیم نامگذاری نشدهاست.[۳۶] رادرفوردیم تنها عنصری نبود که نامگذاری آن با اختلاف نظرهایی مواجه شد؛ به غیر از آن شش عنصر دیگر دچار چنین اختلافاتی شدند. این عناصر عبارتند از لارنسیم، رادرفوردیم، دوبنیم، سیبورگیم[ژ]، بوهریم[س]، هاسیم[ش] و در نهایت مایتنریم[ص]؛ این اختلاف نظرها از عنصر مندلیفیم[ض] (عنصر بعد از فرمیم[ط] ۱۰۰Fm) آغاز شد؛ ولی دانشمندان روسی بهسرعت از موضع خود کنارهگیری و نامگذاری آن را به دانشمندان آمریکایی محول کردند. چنین اتفاقی در مورد نوبلیم نیز رخ داد؛ ولی دانشمندان روسی در مورد لارنسیم[ظ] پافشاری بیشتری کردند. سپس همین روال را در مورد عناصر بعدی یعنی عناصر رادرفوردیم تا مایتنریم هم پیش گرفتند. این اختلافات در سال ۲۰۰۴ به جنگهای پسافرمیمی معروف شد.[۳۷][۳۸] ایزوتوپها[ویرایش]رادرفوردیم هیچ ایزوتوپ پایداری ندارد و ایزوتوپهایش از ۲۵۳Rf تا ۲۷۰Rf متغیر است و در کل ۱۶ ایزوتوپ پرتوزا دارد و ۴ ایزومر هستهای آن شامل ۲۶۲mRf, ۲۶۱mRf، ۲۵۷mRf، ۲۵۳mRf است. حداکثر نیمهعمر ۲۶۳Rf حدود ۱۱ دقیقه است و ایزومر ۲۶۱mRf با نیمهعمری برابر ۸۱ ثانیه ناپایدارتر است.[۳۹] ایزومر و ایزوتوپهای رادرفوردیم[ویرایش]راهنمای نشانهها[ویرایش]
طول عمر ایزوتوپها[ویرایش]![]() روند تجزیه رادرفوردیم-۲۵۷ در بین تمامی ایزوتوپها، ایزوتوپهای سبکتر نیمهعمرهای نسبتاً کوتاهتری دارند، برای مثال ۲۵۳Rf و ۲۵۴Rf نیمهعمری کمتر از ۵۰ میکروثانیه دارند. ۲۵۶Rf، ۲۵۸Rf, ۲۶۰Rf پایدارتر و نیمهعمری حدود ۱۰٬۰۰۰ میکروثانیه یا ۱۰ میلی ثانیه دارند. ۲۵۵Rf، ۲۵۷Rf، ۲۵۹Rf, ۲۶۲Rf بهنسبت عمرهای بیشتر و نیمهعمر آنها از یک تا پنج ثانیه متغیر دارند. ۲۶۱Rf، ۲۶۵Rf ,۲۶۳Rf در بهترین شرایط، از دو تا سه دقیقه عمر دارند و این رقم گاهی به ۱۰ دقیقه هم میرسد. طولانیترین نیمهعمر بین ایزوتوپهای رادرفوردیم متعلق است به یکی از سنگینترین این ایزوتوپها؛ این ایزوتوپ ۲۶۷Rf است که نیمهعمری حدود ۱٫۳ ساعت دارد. نیمهعمر ۲۶۹Rf و ۲۷۱Rf ناشناخته است و از آنها اطلاعاتی در دست نیست.[۶۳][۶۴] تنها ایزوتوپی از رادرفوردیم که از طریق همجوشی هستهای تشکیل شده، ۲۶۲Rf است. ایزوتوپهای سنگینتری هم وجود دارند ولی بهسرعت تجزیه میشوند. بهجز ۲۶۲Rf تنها موردی که تأیید شده ۲۶۷Rf است، ولی در مورد آن ابهاماتی وجود دارد. دو ایزوتوپ ۲۶۶Rf و ۲۶۸Rf بهعنوان محصول واپاشی دوبنیم (دو ایزوتوپ ۲۶۶Db و ۲۶۸Db) در حال گیراندازی الکترون دیده شدهاند که نیمهعمر آنها نسبت به شکافت خود به خود را اندکی بیشتر میسازد. بهنظر میرسد که ۲۷۰Rf محصول واپاشی دوبنیم ۲۷۰Db است. هرچند که ۲۶۴Rf دیده نشده ولی نیمهعمر آن حدود ۵ ثانیه پیشبینی شدهاست.[۶۵] در سال ۱۹۹۹ دانشمندان آمریکایی در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در کالیفرنیا اعلام کردند که موفق به دستیابی به ۳ اتم ۲۹۳Og[ع] شدهاند ولی بعدها در سال ۲۰۰۱ مشخص شد که این ۳ اتم ۲۶۵Rf بوده، زیرا نیمهعمر آنها با ۲۹۳Og مطابقت نداشتهاست.[۶۶] کاربردهای احتمالی[ویرایش]رادرفوردیم به علت ناپایداری و کمیاب بودن،[۶۷][۶۸] کاربرد تجاری ندارد؛[۶۹] هرچند که نسبت به دیگر عناصر سنگین بسیار پایدارتر است. در واقع در بین عناصر پسافرمیمی، تنها عنصری که از رادرفوردیم پایدارتر است دوبنیم میباشد. از رادرفوردیم میتوان بهدلیل پایداری ۲۶۷Rf در نیروگاههای هستهای و سیکلوترونها بهعنوان هدف برای بمباران نوترونی برای کشف عناصر جدید استفاده کرد؛[۷۰] یا برخی ایزوتوپهای آن با نیمهعمرهای نسبتاً کمتر همچون ۲۶۳Rf در پزشکی هستهای مورد استفاده قرار بگیرد.[۷۱] تأثیر بر سلامتی[ویرایش]![]() علایم مسمومیت پرتوی رادرفوردیم پرتوزا است و قرار گرفتن در معرض پرتوهای آن سبب افزایش احتمال گسترش برخی بیماریهای عمده مانند سرطانها، تومورها و آسیبهای ژنتیکی میشود؛[۷۲] با اینکه نیمهعمر رادرفوردیم بسیار کوتاه است و به عنصری دیگر تبدیل میشود ولی محصولات واپاشی آن که عمدتاً نوبلیم و لارنسیم است نیز پرتوزایند. مسمومیت با رادرفوردیم میتواند به موارد زیر منجر شود:
خواص پیشبینیشده[ویرایش]خواص شیمیایی[ویرایش]رادرفوردیم اولین فلز واسطه و دومین عضو ۶d در بین فلزات واسطه است. محاسبات انرژی یونشی، شعاع اتمی، اوربیتال اتمی و حالت پایه آن شبیه هافنیم است و شباهت چندانی به سرب ندارد. علت مقایسهٔ خواص رادرفوردیم با این دو فلز آن است که رادرفوردیم در زیر هافنیم و دیگر عناصر گروه ۴ یعنی تیتانیم (Ti) و زیرکونیم[غ] (Zr) جای دارد؛ و سرب هم که در سمت راست رادرفوردیم در جدول تناوبی قرار دارد فلزی پایه با خواص شیمیایی ثابت و عادی است. پیشبینیهای ابتدایی در مورد خواص شیمیایی رادرفوردیم، محاسباتی بودند که نشان میدادند لایههای الکترونی آن میتوانند بهقدری قوی باشند که اوربیتال ۷p را نیز داشته باشد. این در حالی است که رادرفوردیم در واقع تا لایهٔ الکترونی ۶d را دارد. این محاسبات نشان میدادند که رادرفوردیم الکترونهای ظرفیت ۶d۱، ۷p۱ و حتی ۷s۲، ۷p۲ را نیز داشته باشد. این نشان میداد که رادرفوردیم بیشتر مانند سرب رفتار میکند تا هافنیم. بعدها با محاسباتی دقیقتر ثابت شد که این ادعا مردود است و رادرفوردیم مانند سایر اعضای گروه ۴ رفتار میکند. ازاینرو میتوان گفت که خصوصیات رادرفوردیم با عناصر گروه ۴ جدول تناوبی یعنی تیتانیم، زیرکونیم و هافنیم مطابقت دارد. برخی از خواص رادرفوردیم تنها در حالت گازی و محلولهای آبی آن مشخص میشود مانند عدد اکسایش آن که برابر با ۴+ بوده و پیشبینی میشود که پتانسیل اکسید و احیا آن که بیش از ۱٫۷ ولت باشد.[۷۴] در اینجا اوربیتالهای رادرفوردیم مشاهده میشود: ۱s۲ ۲s۲ ۲p۶ ۳s۲ ۳p۶ ۳d۱۰ ۴s۲ ۴p۶ ۴d۱۰ ۴f۱۴ ۵s۲ ۵p۴ ۵d۱۰ ۵f۱۴ ۶s۲ ۶p۶ ۶d۲ ۷s۲ درست مانند زیرکونیم و هافنیم، پیشبینی شده که اکسید رادرفوردیم (RfO۲) دیرگدازی پایدار باشد که با هالوژنها واکنش نشان دهد و Rf۴ تولید میکند (هالوژن مورد نظر است) که در تماس با آب به شکل RfO۲ بهدست میآید. (یعنی با اکسیژن موجود در آب واکنش میدهد و ترکیب میشود) این مسئله پیشنهاد میدهد که رادرفوردیم، جامدی فرّار است و مونومر رادرفوردیم در فاز گازی آن موجود است.[۷۵] در فاز آبی هم، یون+Rf۴ از تیتانیم (IV) بهمقدار کمتر هیدرولیز میشود هرچند که مقادیر آن تا حدودی به زیرکونیم و هافنیم شبیه است؛ در نتیجه این منجر به تولید یون +RfO۲ میشود. رفتار هالیدها با یونهای هالید تشکیل یونهای پیچیده را ممکن میسازد. استفاده از یونهای کلرید و برمید؛ تولید هگزاهالیدهایی همچون و را ممکن میسازد. زیرکونیم و هافنیم برای تشکیل کمپلکسهای فلوئور، تمایل دارند که به شکل -هپتا و -اکتا کمپلکس تشکیل دهند؛ بنابراین تولید یون رادرفوردیم در مقیاسهای بزرگتر با کمپلکسهای ، و امکانپذیر است.[۷۶] خواص فیزیکی و اتمی[ویرایش]پیشبینی میشود رادرفوردیم در شرایط عادی جامد بوده و فلزی بسیار سنگین با چگالی ۲۳٫۲ گرم بر سانتیمتر مکعب باشد. این رقم در مقابل اُسمیم[ف] (۷۶Os، سنگینترین عنصری که چگالی آن اندازهگیری شده و چگالیاش برابر با ۲۲٫۶۱ گرم بر سانتیمتر مکعب است) اندکی بیشتر است. شعاع اتمی رادرفوردیم نزدیک ۱۵۰ پیکومتر تخمین زده شدهاست. در بین ایزوتوپهایش ایزوتوپهای سنگینتر نیمهعمرهایی بهنسبت کمتر نیز دارند به غیر از ۲۶۷Rf که به دلیل اثرات نسبیتی پایدارترین ایزوتوپ است.[۷۷] تثبیت نسبیتی مدار ۷s و بیثبات شدن مدار ۶d موجب میشود که دو یون +Rf و +Rf۲ تشکیل شود و الکترونهای ظرفیت خود را جایگزین الکترونهای لایهٔ ۷d کند، که برعکس رفتار هافنیم است.[۷۸] شیمی آزمایشگاهی[ویرایش]
فاز گازی[ویرایش]مطالعات اولیه در خصوص خواص شیمیایی رادرفوردیم بر روی کروماتوگرافی گازی متمرکز شده بود که در تلاش برای تأکید مجدد بر کشف این عنصر در دوبنا صورت گرفت. اکتشافات اخیر نسبت به اکتشافات قدیمی در مورد شناسایی ترکیبات اصلی رادرفوردیم قابل اعتمادتر هستند و از ایزوتوپ پرتوزای ۲۶۱mRf برای این مطالعات استفاده شدهاست.[۷۹] هرچند که عمر طولانی ایزوتوپ ۲۶۷Rf (تولید شده در فروپاشی زنجیرهای از ۲۹۱Lv، ۲۸۷Fl و ۲۸۳Cn) ممکن بود[۸۰] برای آزمایش مفیدتر باشد. آزمایشها متکی بر این انتظار بود که رادرفوردیم آغازگر سری ۶d خواهد شد و باید به شکلگیری یک مولکول که با توجه به طبیعت چهاروجهی مولکول، یک تتراکلرید فرار باشد، کمک کند.[۸۱][۸۲][۸۳] مولکولِ کلرید رادرفوردیم (IV) از کلرید هافنیم (HfCl۴) (IV) فرارتر است زیرا پیوندهای آن کووالانسیتر هستند. یک سری از آزمایشها تأیید کردند که رادرفوردیم بهعنوان یک عضو معمولی از گروه ۴ رفتار میکند و یک کلرید (RfCl۴) و برمید (RfBr۴) و همچنین یک اکسی کلرید (RfOCl۲) تشکیل میدهد. هنگامی که پتاسیم کلرید[ق] در فاز جامد به جای گاز با RfCl۴ ترکیب شد کاهش نوساناتی مشاهده شد که بهشدت نشاندهندهٔ شکلگیری K۲RfCl۶ است.[۸۴] فاز مایع[ویرایش]انتظار میرود که آرایش الکترونی رادرفوردیم به شکل Rn] ۵f۱۴ ۶d۲ ۷s۲] باشد و در نتیجه رفتاری شبیه به هافنیم با آرایش الکترونیXe] ۴f۱۴ ۵d۲ ۶s۲] در گروه ۴ جدول تناوبی داشته باشد؛ بنابراین باید بهآسانی هیدرات یون+Rf۴ را در یک محلول اسیدی قوی تولید کند و در اسیدهایی مانند هیدروکلریک اسید[ک]، هیدروبرومیک اسید[گ] یا اسید هیدروفلوئوریک[ل] بتواند کمپلکس شیمیایی تشکیل دهد.[۸۵] قطعیترین مطالعات شیمیایی در خصوص رادرفوردیم توسط تیمی ژاپنی در مؤسسه انرژی اتمی ژاپن با استفاده از ایزوتوپ ۲۶۱mRf صورت گرفتهاست. آزمایشهایی مبنی بر استخراج رادرفوردیم از محلولهای هیدروکلریک اسید حاوی توریم[م] و عناصر گروه ۴ یعنی رادرفوردیم، هافنیم، زیرکونیم و تیتانیم ثابت کردند که رادرفوردیم مانند آکتینیدها[ن] رفتار نمیکند. یک مقایسه با عناصر سبکتر گروه ۴، آن را دقیقاً در همین گروه قرار داد و تشکیل کمپلکس هگزاکلرید رادرفوردات در محلولهای کلریدی را نیز اثبات کرد که خود نیز شبیه هافنیم و زیرکونیم رفتار میکرد.[۸۶]
زمانی که آزمایش با اسید هیدروفلوئوریک انجام شد نتایجی بسیار مشابه بهدست آمد. تفاوتها در استخراج بهعنوان ضعفِ میلِ ترکیب شدن برای یون فلوئور تفسیر شد که تولید یون هگزافلوئورید رادرفوردات را توضیح میدهد:[۸۷]
در اینجا انرژی تغییرات پیچیدهٔ شکلگیری واکنشهای مشخصشده، به اثرات نسبیتی تابع محاسبات چگالی هیدرات و هیدرولیز کمپلکسهای فلوئور زیرکونیم، هافنیم و رادرفوردیم بستگی دارد. آنیون فلوئور بررسیشده مخلوط هافنیم و اسید نیتریک[و] بوده که در آن ثابت تفکیک (Kd) زیرکونیم و هافنیم یکسان است و مقدار ثابت تفکیک رادرفوردیم از آن دو کمتر بودهاست.[۸۸] واژهنامه[ویرایش]
جستارهای وابسته[ویرایش]یادداشتها[ویرایش]
پانویس[ویرایش]
منابع[ویرایش]
پیوند به بیرون[ویرایش]در پروژههای خواهر میتوانید در مورد رادرفوردیم اطلاعات بیشتری بیابید. ![]() ![]() ![]()
|
Rutherfordium is a synthetic chemical element with the symbol Rf and atomic number 104, named after New Zealand physicist Ernest Rutherford. As a synthetic element, it is not found in nature and can only be created in a laboratory. It is radioactive; the most stable known isotope, 267Rf, has a half-life of approximately 1.3 hours. In the periodic table of the elements, it is a d-block element and the second of the fourth-row transition elements. It is a member of the 7th period and belongs to the group 4 elements. Chemistry experiments have confirmed that rutherfordium behaves as the heavier homologue to hafnium in group 4. The chemical properties of rutherfordium are characterized only partly. They compare well with the chemistry of the other group 4 elements, even though some calculations had indicated that the element might show significantly different properties due to relativistic effects. In the 1960s, small amounts of rutherfordium were produced in the Joint Institute for Nuclear Research in the former Soviet Union and at Lawrence Berkeley National Laboratory in California.[7] The priority of the discovery and therefore the naming of the element was disputed between Soviet and American scientists, and it was not until 1997 that International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) established rutherfordium as the official name for the element. ContentsHistoryDiscoveryRutherfordium was reportedly first detected in 1964 at the Joint Institute of Nuclear Research at Dubna (then in the Soviet Union). Researchers there bombarded a plutonium-242 target with neon-22 ions and separated the reaction products by gradient thermochromatography after conversion to chlorides by interaction with ZrCl4. The team identified spontaneous fission activity contained within a volatile chloride portraying eka-hafnium properties. Although a half-life was not accurately determined, later calculations indicated that the product was most likely rutherfordium-259 (abbreviated as 259Rf in standard notation):[8]
In 1969, researchers at the University of California, Berkeley conclusively synthesized the element by bombarding a californium-249 target with carbon-12 ions and measured the alpha decay of 257Rf, correlated with the daughter decay of nobelium-253:[9]
The American synthesis was independently confirmed in 1973 and secured the identification of rutherfordium as the parent by the observation of K-alpha X-rays in the elemental signature of the 257Rf decay product, nobelium-253.[10] Naming controversy![]() Element 104 was eventually named after Ernest Rutherford The Russian scientists proposed the name kurchatovium and the American scientists suggested the name rutherfordium for the new element.[11] In 1992, the IUPAC/IUPAP Transfermium Working Group (TWG) assessed the claims of discovery and concluded that both teams provided contemporaneous evidence to the synthesis of element 104 and that credit should be shared between the two groups.[8] The American group wrote a scathing response to the findings of the TWG, stating that they had given too much emphasis on the results from the Dubna group. In particular they pointed out that the Russian group had altered the details of their claims several times over a period of 20 years, a fact that the Russian team does not deny. They also stressed that the TWG had given too much credence to the chemistry experiments performed by the Russians and accused the TWG of not having appropriately qualified personnel on the committee. The TWG responded by saying that this was not the case and having assessed each point raised by the American group said that they found no reason to alter their conclusion regarding priority of discovery.[12] The IUPAC finally used the name suggested by the American team (rutherfordium) which may in some way reflect a change of opinion.[13] As a consequence of the initial competing claims of discovery, an element naming controversy arose. Since the Soviets claimed to have first detected the new element they suggested the name kurchatovium (Ku) in honor of Igor Kurchatov (1903–1960), former head of Soviet nuclear research. This name had been used in books of the Soviet Bloc as the official name of the element. The Americans, however, proposed rutherfordium (Rf) for the new element to honor Ernest Rutherford, who is known as the "father" of nuclear physics. The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) adopted unnilquadium (Unq) as a temporary, systematic element name, derived from the Latin names for digits 1, 0, and 4. In 1994, IUPAC suggested the name dubnium (Db) to be used since rutherfordium was suggested for element 106 and IUPAC felt that the Dubna team should be recognized for their contributions. However, there was still a dispute over the names of elements 104–107. In 1997 the teams involved resolved the dispute and adopted the current name rutherfordium. The name dubnium was given to element 105 at the same time.[13] Isotopes
Rutherfordium has no stable or naturally occurring isotopes. Several radioactive isotopes have been synthesized in the laboratory, either by fusing two atoms or by observing the decay of heavier elements. Sixteen different isotopes have been reported with atomic masses from 253 to 270 (with the exceptions of 264 and 269). Most of these decay predominantly through spontaneous fission pathways.[5][27] Stability and half-livesOut of isotopes whose half-lives are known, the lighter isotopes usually have shorter half-lives; half-lives of under 50 μs for 253Rf and 254Rf were observed. 256Rf, 258Rf, 260Rf are more stable at around 10 ms, 255Rf, 257Rf, 259Rf, and 262Rf live between 1 and 5 seconds, and 261Rf, 265Rf, and 263Rf are more stable, at around 1.1, 1.5, and 10 minutes respectively. The heaviest isotopes are the most stable, with 267Rf having a measured half-life of about 1.3 hours.[5] The lightest isotopes were synthesized by direct fusion between two lighter nuclei and as decay products. The heaviest isotope produced by direct fusion is 262Rf; heavier isotopes have only been observed as decay products of elements with larger atomic numbers, of which only 267Rf has been confirmed. The heavy isotopes 266Rf and 268Rf have also been observed as electron capture daughters of the dubnium isotopes 266Db and 268Db, but have short half-lives to spontaneous fission. It seems likely that the same is true of 270Rf, a likely daughter of 270Db.[26] In 1999, American scientists at the University of California, Berkeley, announced that they had succeeded in synthesizing three atoms of 293Og.[28] These parent nuclei were reported to have successively emitted seven alpha particles to form 265Rf nuclei, but their claim was retracted in 2001.[29] This isotope was later discovered in 2010 as the final product in the decay chain of 285Fl.[6][20] Predicted propertiesChemicalRutherfordium is the first transactinide element and the second member of the 6d series of transition metals. Calculations on its ionization potentials, atomic radius, as well as radii, orbital energies, and ground levels of its ionized states are similar to that of hafnium and very different from that of lead. Therefore, it was concluded that rutherfordium's basic properties will resemble those of other group 4 elements, below titanium, zirconium, and hafnium.[19][30] Some of its properties were determined by gas-phase experiments and aqueous chemistry. The oxidation state +4 is the only stable state for the latter two elements and therefore rutherfordium should also exhibit a stable +4 state.[30] In addition, rutherfordium is also expected to be able to form a less stable +3 state.[2] The standard reduction potential of the Rf4+/Rf couple is predicted to be higher than −1.7 V.[3] Initial predictions of the chemical properties of rutherfordium were based on calculations which indicated that the relativistic effects on the electron shell might be strong enough that the 7p orbitals would have a lower energy level than the 6d orbitals, giving it a valence electron configuration of 6d1 7s2 7p1 or even 7s2 7p2, therefore making the element behave more like lead than hafnium. With better calculation methods and experimental studies of the chemical properties of rutherfordium compounds it could be shown that this does not happen and that rutherfordium instead behaves like the rest of the group 4 elements.[2][30] Later it was shown in ab initio calculations with the high level of accuracy[31][32][33] that the Rf atom has the ground state with the 6d2 7s2 valence configuration and the low-lying excited 6d1 7s2 7p1 state with the excitation energy of only 0.3÷0.5 eV. In an analogous manner to zirconium and hafnium, rutherfordium is projected to form a very stable, refractory oxide, RfO2. It reacts with halogens to form tetrahalides, RfX4, which hydrolyze on contact with water to form oxyhalides RfOX2. The tetrahalides are volatile solids existing as monomeric tetrahedral molecules in the vapor phase.[30] In the aqueous phase, the Rf4+ ion hydrolyzes less than titanium(IV) and to a similar extent as zirconium and hafnium, thus resulting in the RfO2+ ion. Treatment of the halides with halide ions promotes the formation of complex ions. The use of chloride and bromide ions produces the hexahalide complexes RfCl2− Physical and atomicRutherfordium is expected to be a solid under normal conditions and assume a hexagonal close-packed crystal structure (c/a = 1.61), similar to its lighter congener hafnium.[4] It should be a very heavy metal with a density of around 23.2 g/cm3; in comparison, the densest known element that has had its density measured, osmium, has a density of 22.61 g/cm3. This results from rutherfordium's high atomic weight, the lanthanide and actinide contractions, and relativistic effects, although production of enough rutherfordium to measure this quantity would be impractical, and the sample would quickly decay. The atomic radius for rutherfordium is expected to be around 150 pm. Due to the relativistic stabilization of the 7s orbital and destabilization of the 6d orbital, the Rf+ and Rf2+ ions are predicted to give up 6d electrons instead of 7s electrons, which is the opposite of the behavior of its lighter homologues.[2] When under high pressure (variously calculated as 72 or ~50 GPa), rutherfordium is expected to transition to a body-centered cubic crystal structure; hafnium transforms to this structure at 71±1 GPa, but has an intermediate ω structure that it transforms to at 38±8 GPa that is lacking for rutherfordium.[34] Experimental chemistry
Gas phaseEarly work on the study of the chemistry of rutherfordium focused on gas thermochromatography and measurement of relative deposition temperature adsorption curves. The initial work was carried out at Dubna in an attempt to reaffirm their discovery of the element. Recent work is more reliable regarding the identification of the parent rutherfordium radioisotopes. The isotope 261mRf has been used for these studies,[30] though the long-lived isotope 267Rf (produced in the decay chains of 291Lv, 287Fl, and 283Cn) may be advantageous for future experiments.[35] The experiments relied on the expectation that rutherfordium would begin the new 6d series of elements and should therefore form a volatile tetrachloride due to the tetrahedral nature of the molecule.[30][36][37] Rutherfordium(IV) chloride is more volatile than its lighter homologue hafnium(IV) chloride (HfCl4) because its bonds are more covalent.[2] A series of experiments confirmed that rutherfordium behaves as a typical member of group 4, forming a tetravalent chloride (RfCl4) and bromide (RfBr4) as well as an oxychloride (RfOCl2). A decreased volatility was observed for RfCl Aqueous phaseRutherfordium is expected to have the electron configuration [Rn]5f14 6d2 7s2 and therefore behave as the heavier homologue of hafnium in group 4 of the periodic table. It should therefore readily form a hydrated Rf4+ ion in strong acid solution and should readily form complexes in hydrochloric acid, hydrobromic or hydrofluoric acid solutions.[30] The most conclusive aqueous chemistry studies of rutherfordium have been performed by the Japanese team at Japan Atomic Energy Research Institute using the isotope 261mRf. Extraction experiments from hydrochloric acid solutions using isotopes of rutherfordium, hafnium, zirconium, as well as the pseudo-group 4 element thorium have proved a non-actinide behavior for rutherfordium. A comparison with its lighter homologues placed rutherfordium firmly in group 4 and indicated the formation of a hexachlororutherfordate complex in chloride solutions, in a manner similar to hafnium and zirconium.[30][39]
Very similar results were observed in hydrofluoric acid solutions. Differences in the extraction curves were interpreted as a weaker affinity for fluoride ion and the formation of the hexafluororutherfordate ion, whereas hafnium and zirconium ions complex seven or eight fluoride ions at the concentrations used:[30]
See alsoReferences
External links
|