Roentgen (pierwiastek)

Roentgen

darmsztadt ← roentgen → kopernik
Au ↑ Rg ↓ Uhu 111 Rg
Wygląd
srebrzysty (prawdopodobnie)
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.	roentgen, Rg, 111 (łac. roentgenium)
Grupa, okres, blok	11, 7, d
Stopień utlenienia	−I, I, III, V (przewidywane)
Właściwości metaliczne	metal przejściowy (przewidywany)
Masa atomowa	[282]
Stan skupienia	stały (przewidywany)
Gęstość	28700 kg/m³ (przewidywana)
Numer CAS	54386-24-2
Właściwości atomowe Promień • atomowy • walencyjny 138 pm (przewidywany) 212 pm (szacowany) Konfiguracja elektronowa [Rn]5f146d97s2 (przewidywana) Zapełnienie powłok 2, 8, 18, 32, 32, 17, 2 (wizualizacja powłok) Potencjały jonizacyjne I 1022,7 kJ/mol (szacowany) II 2074,4 kJ/mol (szacowany) III 3077,9 kJ/mol (szacowany)
Najbardziej stabilne izotopy izotopy posiadające czas połowicznego rozpadu dłuższy niż 0,1 s izotop wyst. o.p.r. s.r. e.r. MeV p.r. 279Rg {syn.} 0,5 s α 9 278Mt 280Rg {syn.} 3,6 s α 9,75 276Mt 281Rg {syn.} 26 s SF ~90% α ~10% 276Mt 282Rg {syn.} 0,5 s α 9,00 278Mt
Niebezpieczeństwa Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Wiarygodne źródła oznakowania tej substancji według kryteriów GHS są niedostępne.
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Roentgen (Rg, łac. roentgenium) – pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych o liczbie atomowej 111. Jest bardzo nietrwały i nie występuje naturalnie na Ziemi. Czas połowicznego rozpadu jego najstabilniejszego izotopu, ²⁸¹Rg, wynosi 26 s. Po raz pierwszy został otrzymany w 1994 roku w Instytucie Badań Ciężkich Jonów w Darmstadt w Niemczech. Jego nazwa wywodzi się od nazwiska niemieckiego fizyka, Wilhelma Conrada Röntgena.

W układzie okresowym położony jest w bloku d, siódmym okresie oraz grupie 11. Przypuszcza się, iż ma właściwości podobne do swoich lżejszych pierwiastków homologicznych: miedzi, srebra i złota, aczkolwiek nie zostało to potwierdzone.

Historia

Wilhelm Röntgen – odkrywca promieniowania rentgenowskiego

Odkrycie

Roentgen został po raz pierwszy zsyntetyzowany 8 grudnia 1994 roku przez międzynarodowy zespół kierowany przez Sigurda Hofmanna w Instytucie Badań Ciężkich Jonów (GSI) w Darmstadt w Niemczech. Otrzymany został w wyniku bombardowania ⁶⁴Ni jonami ²⁰⁹Bi. W doświadczeniu zaobserwowano pojedynczy atom izotopu ²⁷²Rg:

20983Bi + 6428Ni → 272111Rg + 10n

W 2001 roku IUPAC oraz IUPAP poinformowały o nieuznaniu tego odkrycia ze względu na niedostateczne dowody na jego potwierdzenie. Zespół z GSI powtórzył swoje doświadczenie w 2002 roku, potwierdzając jego prawidłowość poprzez wytworzenie kolejnych trzech atomów pierwiastka.

Nazewnictwo

Przed oficjalnym nadaniem ostatecznej nazwy pierwiastek 111 określany był jako unununium (Uuu), zgodnie z regułami nazewnictwa nowych pierwiastków chemicznych. Międzynarodowa nazwa roentgenium (a za nią polska: roentgen) i symbol Rg została zaproponowana przez naukowców z Instytutu Badań Ciężkich Jonów dla uhonorowania niemieckiego fizyka Wilhelma Conrada Röntgena, odkrywcy „promieni X”, znanych współcześnie jako promieniowanie rentgenowskie. Nazwa ta została zaakceptowana przez IUPAC 1 listopada 2004.

Izotopy

Roentgen nie ma ani stabilnych, ani naturalnie występujących izotopów. W laboratoriach zsyntetyzowane zostało kilka radioaktywnych izotopów tego pierwiastka, zarówno poprzez przeprowadzenie reakcji syntezy jąder lżejszych pierwiastków, jak i stopniowy rozpad cięższych jąder. Do roku 2013 otrzymano i potwierdzono istnienie 7 izotopów o liczbach masowych 272, 274 i 278–282, spośród których ²⁷²Rg oraz ²⁷⁴Rg mają znaną, lecz niepotwierdzoną metastabilność. Każdy z nich ulega rozpadowi alfa, oprócz ²⁸²Rg, w którym zachodzi samorzutne rozszczepienie jądra atomowego.

Znane i hipotetyczne izotopy roentgenu

Izotop	o.p.r.	s.r.	Rok odkrycia	Reakcja powstawania
272Rg	0000038 !3,8 ms?	α	1994	209Bi(64Ni,n)
273Rg	000005 !5? ms	α?	nieznany	–
274Rg	0000064 !6,4 ms	α	2004	278Nh(–,α)
275Rg	000010 !10? ms	α?	nieznany	–
276Rg	000100 !100? ms	α, SF?	nieznany	–
277Rg	001 !1? s	α, SF?	nieznany	–
278Rg	0000042 !4,2 ms	α	2006	282Nh(–,α)
279Rg	00017 !0,17 s	α	2003	287Mc(–,2α)
280Rg	0036 !3,6 s	α	2003	288Mc(–,2α)
281Rg	026 !26 s	α, SF	2009	293Ts(–,3α)
282Rg	0005 !0,5 s	α	2009	294Ts(–,3α)
283Rg	600 !10? min	α, SF?	nieznany	–

Najstabilniejszym znanym izotopem roentgenu jest ²⁸¹Rg, z okresem połowicznego rozpadu wynoszącym 26 sekund. ²⁸⁰Rg ma o.p.r. wynoszący ponad 3 sekundy, a ²⁸²Rg i ²⁷⁹Rg odpowiednio 0,5 i 0,17 sekundy. Okres półtrwania pozostałych czterech znanych izotopów wynosi między 1 a 10 milisekund. Szacuje się, iż nieodkryty ²⁸⁷Rg byłby izotopem najstabilniejszym i ulegałby rozpadowi beta (inaczej niż izotopy już otrzymane). Dla nieznanych izotopów ²⁷⁷Rg i ²⁸³Rg również oczekuje się stosunkowo dużej stabilności, ich czas rozpadu szacowany jest na odpowiednio 1 sekundę oraz 10 minut. Do obliczeń tych należy podchodzić z ostrożnością, gdyż np. dla ²⁷⁸Rg, ²⁸¹Rg i ²⁸²Rg przed ich odkryciem oczekiwano okresu półtrwania wynoszącego odpowiednio 1 sekundę, 1 minutę oraz 4 minuty, a w rzeczywistości wynosi on 4,2 ms, 26 s i 0,5 s.

Właściwości

Przewidywane właściwości fizyczne oraz atomowe

W warunkach normalnych roentgen jest przypuszczalnie ciałem stałym i krystalizuje w układzie regularnym przestrzennie centrowanym (w przeciwieństwie do swoich kongenerów, które mają budowę ściennie centrowaną) ze względu na przypuszczalne różnice w gęstości ładunku elektrycznego. Powinien być on bardzo ciężkim metalem o gęstości około 28,7 g/cm³; dla porównania, najgęstszym znanym pierwiastkiem o zmierzonej gęstości jest osm, którego gęstość wynosi 22,61 g/cm³. Wynika to z dużej masy atomowej oraz efektów relatywistycznych. Obecnie nie ma możliwości zmierzenia jego rzeczywistej gęstości ze względu na zbyt duże ilości materiału koniecznego do wykonania takiego pomiaru.

Stabilne pierwiastki grupy 11: miedź, srebro i złoto mają konfiguracje elektronową nd¹⁰(n+1)s¹. Dla każdego z tych pierwiastków konfiguracja każdego pierwszego stanu wzbudzonego ich atomów to nd⁹(n+1)s². Ze względu na sprzężenie spinowo-orbitalne pomiędzy elektronami d stan ten jest podzielony na dwa poziomy energii. W przypadku miedzi różnica w energii pomiędzy stanem podstawowym a najniższym stanem wzbudzonym powoduje jej czerwonobrunatne zabarwienie. W srebrze luka energetyczna poszerza się, w wyniku czego ma ono kolor srebrny. Ponieważ w miarę wzrostu liczby atomowej stan wzbudzony ulega stabilizacji przez efekty relatywistyczne, w atomie złota luka ponownie się zmniejsza i pierwiastek ma zabarwienie żółte. Obliczenia wykazały, że konfiguracja elektronowa typu nd⁹(n+1)s² jest dla roentgenu tak stabilna, iż stan 6d⁹7s² powinien być stanem podstawowym, a 6d¹⁰7s¹ pierwszym stanem wzbudzonym. Różnica w poziomach energii obu stanów jest podobna do różnic występujących w srebrze, przez co roentgen prawdopodobnie ma barwę srebrną. Szacowana wielkość promienia atomowego roentgenu wynosi ok. 138 pm.

Przewidywane właściwości chemiczne

Roentgen jest dziewiątym metalem przejściowym z okresu 7 układu okresowego (ma 9 elektronów na orbitalu 6d). Od kiedy kopernik (l.a. 112) został uznany za metal przejściowy, uważa się, iż wszystkie pierwiastki od 104 do 112 tworzą czwarty okres bloku metali przejściowych. Wartości energii jonizacji, promienia atomowego oraz promienia jonowego atomu roentgenu powinny być podobne do jego lżejszego pierwiastka homologicznego – złota, co oznacza, iż będą one przypominać właściwości innych miedziowców, jednakże wystąpić mogą między nimi drobne różnice.

Przewiduje się, iż roentgen wykazywać może cechy metalu szlachetnego. Na podstawie najstabilniejszych stopni utlenienia lżejszych pierwiastków z 11 grupy wnioskuje się, iż roentgen jest stabilny na V, III i −I oraz mniej stabilny na I stopniu utlenienia. Oczekuje się, że najstabilniejszy powinien być III stopień utlenienia. Przypuszcza się, że roentgen(III) ma podobną reaktywność co złoto(III), lecz powinien być trwalszy i tworzyć więcej związków. Złoto tworzy również stabilne związki na −I stopniu utlenienia dzięki efektom relatywistycznym. Zakłada się, że podobnie jest w przypadku roentgenu. Z drugiej strony wartość powinowactwa elektronowego roentgenu szacuje się na ok. 1,6 eV, znacznie mniej od wartości dla złota, wynoszącej 2,3 eV, co oznacza, iż związki roentgenu mogą być niestabilne lub nawet wcale nie istnieć. Orbital 6d jest destabilizowany przez efekty relatywistyczne i sprzężenie spinowo-orbitalne występujące dla pierwiastków z końca czwartego okresu bloku metali przejściowych, co sprawia, że pierwiastki te na wyższym stopniu utlenienia, np. Rg(V) lub Cn(IV), powinny być stabilniejsze od swoich lżejszych homologów, takich jak rtęć(IV) lub złoto(V) (które występują tylko dla fluorków tych pierwiastków: HgF₄ i AuF₅), ponieważ elektrony z orbitalu 6d uczestniczą w wiązaniu w większym stopniu. Oddziaływania spinowo-orbitalne powinny stabilizować związki roentgenu z wiązaniami z większym udziałem elektronów wiążących z orbitala 6d. Przypuszcza się, że RgF−
6 jest bardziej stabilny od RgF−
4, który z kolei powinien być stabilniejszy od RgF2-. Otrzymanie roentgenu(I) prawdopodobnie jest trudne.

Spodziewane właściwości chemiczne roentgenu wzbudziły większe zainteresowanie niż dwóch pierwiastków odkrytych przed nim, meitneru i darmsztadtu, ponieważ w jego przypadku oczekuje się najsilniejszego relatywistycznego skurczenia walencyjnego orbitalu s. Obliczenia wykonane na wodorku roentgenu(I), RgH, pokazały, że efekt relatywistyczny podwoił siłę wiązania pomiędzy atomami roentgenu i wodoru, pomimo osłabienia sprzężenia spinowo-orbitalnego o 0,7 eV. Obliczenia dla związków typu AuX i RgX również wskazują na niezaniedbywalne efekty relatywistyczne w związkach roentgenu. Oczekuje się też, że Rg⁺ powinien być najmiększy wśród jonów metali, miększy nawet od kationu Au⁺.

Problemy doświadczalne

Właściwości chemiczne roentgenu nie zostały określone doświadczalnie w sposób jednoznaczny ze względu na zbyt małą ilość otrzymanego materiału. Do badań chemii transaktynowców wytworzone muszą być co najmniej cztery atomy, których okres półtrwania wynosi minimum 1 sekundę, a wydajność produkcji umożliwiać musi tworzenie przynajmniej jednego atomu tygodniowo. Mimo że okres półtrwania izotopu ²⁸¹Rg wynosi 26 sekund, czyli wystarczająco długo, aby przeprowadzić badania chemiczne, to konieczne jest opracowanie metody produkcji roentgenu pozwalającej na prowadzanie eksperymentów trwających szereg tygodni, które umożliwiłyby uzyskanie wyników istotnych statystycznie. Ze względu na niską wydajność syntezy bardzo ciężkich pierwiastków konieczna jest automatyczna detekcja i izolacja uzyskanych atomów roentgenu, a następnie analiza ich właściwości w fazie gazowej i w roztworze. Jednakże prace nad roentgenem nie wzbudzają takiego zainteresowania jak właściwości cięższych pierwiastków – kopernika i flerowu.

Zobacz też

• wyspa stabilności