Flerovium (Fl) alkuaine 114 – määritelmä, ominaisuudet ja synteesi

Flerovium on synteettinen kemiallinen alkuaine, joka tunnetaan myös nimellä eka-lyijy. Sen symboli on Fl, ja sen järjestysluku on 114. Se on radioaktiivinen erittäin raskas alkuaine.

Fleroviumia ei esiinny luonnossa. Sitä valmistetaan plutoniumin ja kalsiumin välisessä ydinreaktiossa. Tapahtuva reaktio on fuusioreaktio.

Historia ja nimeäminen

Fleroviumin ensimmäiset synteesit tehtiin 1990-luvun lopulla ja 2000-luvun alussa pääasiassa Dubnan (Joint Institute for Nuclear Research, JINR) tutkijaryhmissä Venäjällä, usein yhteistyössä yhdysvaltalaisten laboratorioiden kanssa. Alkuaine nimettiin vuonna 2012 fyysikko Georgy Flerovin (Flyorov) kunniaksi, ja sen virallinen nimi hyväksyttiin kansainvälisessä kemian liitossa (IUPAC).

Isotopit ja stabiilisuus

Fleroviumilla ei ole vakaata isotooppia. Tunnetut isotoopit ovat erittäin lyhytikäisiä; niiden puoliintumisajat vaihtelevat yleensä erittäin lyhyistä ajoista (millisekunteista) useisiin sekunteihin. Isotooppien hajoaminen tapahtuu pääasiassa alfa-hajoamisen ja spontaanin fissioitumisen kautta. Koska isotooppeja syntyy vain hyvin pieninä määrinä (joitain atomiytimiä kerrallaan), niiden ominaisuuksia tutkitaan sarjoittain detektoreilla, jotka mittaavat hajoamistapahtumia ja energiaetuuksia.

Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet

Flerovium sijoittuu jaksollisessa järjestelmässä ryhmään 14, samaan ryhmään lyijyn (Pb) kanssa, minkä vuoksi sitä kutsutaan joskus eka-lyijyksi. Koska alkuaineita tutkitaan pääasiassa teoreettisesti ja hyvin rajallisten kokeellisten havaintojen perusteella, monet fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet perustuvat laskelmiin ja odotuksiin:

Elektronirakenne ja relativistiset vaikutukset: erittäin raskaat ytimien ja nopeasti liikkuvien elektronien vuoksi relativistiset ilmiöt vaikuttavat elektronien energiatasoihin. Tämä voi muuttaa odotettua kemiallista käyttäytymistä verrattuna kevyempiin ryhmän alkuaineisiin.
Oxidaatiotilat: teoreettisesti todennäköiset oksidaatiotilat ovat +2 ja +4, mutta +2-tila saattaa olla huomattavan stabiili relativististen vaikutusten takia — eli flerovium saattaa käyttäytyä osin kuin raskas lyijy tai jopa kuin jalo metalli/noble-metalli.
Reaktiivisuus: varhaiset kemialliset kokeet viittaavat siihen, että flerovium voi olla vähemmän reaktiivinen kuin odotettiin, ja sen adsorptio esimerkiksi kullan pinnalle on heikompaa kuin monilla muilla raskaille alkuaineille. Tämä havainto tukee näkemystä vähäisemmästä kemiallisesta aktiivisuudesta.
Fysikaaliset ominaisuudet: tiheys, sulamis- ja kiehumispisteet sekä olomuoto (kiinteä, nestemäinen) eivät ole suoraan mitattavissa, koska ainetta syntyy yksittäisinä ytiminä ja hyvin lyhyiksi ajoiksi. Mallinnukset ennustavat metallista käyttäytymistä, mutta myös poikkeamia läheisten ryhmien ominaisuuksista.

Synteesi ja kokeellinen menetelmä

Fleroviumia tuotetaan ydinfuusioreaktioissa kiihdyttimellä, jossa raskaat ionit (yleisimmin kalsiumin isotooppi 48Ca) osuvat kohteeseen, joka sisältää raskasta alkua kuten plutoniumia (esimerkiksi 244Pu). Kun kahden ytimen fuusio onnistuu, muodostuu lyhytikäinen yhdisteytimen tila, joka voi hajota useiden mahdollisten hajoamisreitien kautta muodostaen flerovium-ytimen. Näitä tapahtumia havainnoidaan detektoreilla, jotka rekisteröivät alfa-hiukkasia, fission hajotustuotteita ja niiden energiaa, jolloin voidaan päätellä syntyneen atomiydin ja sen hajoamissarja.

Kokeet vaativat tarkkaa kohteen valmistusta, kovaenergisiä ionikenttiä ja herkkiä detektoreja sekä pitkää ajanjaksoa ja toistuvia koeajoja, koska syntyneiden atomien määrä on hyvin pieni (usein vain muutamia ytimiä tai kymmeniä vuosien kuluessa).

Käyttö, merkitys ja turvallisuus

Käyttö: Fleroviumilla ei ole käytännön sovelluksia; sen merkitys on puhtaasti tieteellinen. Tutkimukset auttavat ymmärtämään ytimien käyttäytymistä erittäin korkeilla protoniluvuilla ja antavat tietoa jaksollisen järjestelmän rajoista sekä teoreettisista malleista.
Turvallisuus: koska syntyneet määrät ovat hyvin pieniä ja isotoopit ovat voimakkaasti radioaktiivisia ja lyhytikäisiä, yleistä altistumisriskiä ei ole. Kokeet tehdään suljetuissa, säteilysuojatuissa tiloissa asianmukaisten turvallisuusprotokollien mukaisesti.

Tulevaisuuden tutkimus

Fleroviumin tutkimusta jatketaan sekä uusilla synteesimenetelmillä että kemiallisilla kokeilla, joiden tavoitteena on selvittää alkuaineen todellista kemiallista luonnetta ja verrata sitä teoreettisiin ennusteisiin. Lisäksi tutkimukset liittyvät laajempaan kysymykseen ns. “elinvoimaisen saaren” (islands of stability) olemassaolosta raskaille ytimille ja mahdollisuudesta löytää pidempään säilyviä superraskaita isotooppeja.

Yhteenvetona: flerovium (Fl, Z = 114) on synteettinen, hyvin raskas ja radioaktiivinen alkuaine, jota syntetisoidaan fuusiokokeissa; sen ominaisuudet ovat vahvasti sidoksissa relativistisiin ilmiöihin ja sen tarkka kemia on edelleen osittain arvoitus, jota tutkitaan laboratoriokokein ja teoreettisin laskelmin.

Käyttää

Sillä ei ole tällä hetkellä käyttöä, koska sitä tutkitaan parhaillaan.

Historia

Dubnassa Venäjällä sijaitsevan yhteisen ydintutkimusinstituutin tiedemiehet ilmoittivat Fleroviumin löytymisestä joulukuussa 1998 tammikuussa 1999. Sama tutkijaryhmä valmisti toisen Fl-isotoopin kolme kuukautta myöhemmin ja valmisti sen uudelleen vuosina 2004 ja 2006.

Vuonna 2004 Joint Institute for Nuclear Research tarkisti, että se tehtiin toisella menetelmällä. He löysivät radioaktiivisen hajoamisen lopputuotteita.

Löytönsä jälkeen "uusi" alkuaine nimettiin ununquadiumiksi. Nimi muuttui 30. toukokuuta 2012 "fleroviumiksi". Se nimettiin Flerovin ydinreaktioiden laboratorion mukaan, joka oli saanut nimensä venäläisen fyysikon Georgi Flyorovin mukaan. Kansainvälinen puhtaan ja sovelletun kemian liitto nimesi sen näin.

Kemialliset ominaisuudet

Fleroviumia ei ole valmistettu riittävästi sen fysikaalisten tai kemiallisten ominaisuuksien mittaamiseksi. Sen uskotaan olevan pehmeä, tiivis metalli, joka muuttaa väriä ilmassa. Sen sulamispiste saattaa olla alhainen, noin 200 °C.

Making it

Fleroviumia voidaan valmistaa pommittamalla plutonium-244-kohdetta kalsium-48:lla ionisuihkuna.

298Fl - Löytämätön neutronirikas ydin

Ydinkuoren mallin mukaan löytämätön neutronirikas ydin²⁹⁸ Fl voi olla kaksoismaginen ydin, jonka kuori sulkeutuu N=184:n kohdalla. Ennustetaan, että tällä atomilla on suljettujen ydinkuorien keskellä pidempi puoliintumisaika alfahajoamiselle ja spontaanille fissiolle. Fuusio-haihdutusmenetelmän käyttäminen tämän nuklidin tuottamiseen on kuitenkin epäkäytännöllistä, koska neutronirikkaammat lähtöaineet, joilla on alhainen protoniluku, ovat epävakaita beetahajoamisen vuoksi.

Arviot tämän atomin puoliintumisajasta vaihtelevat muutamasta minuutista useisiin miljardeihin vuosiin.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on Flerovium?

A: Flerovium on synteettinen kemiallinen alkuaine, joka tunnetaan myös nimellä eka-lyijy. Sen symboli on Fl ja atomiluku 114.

K: Löytyykö Fleroviumia luonnosta?

V: Ei, Fleroviumia ei esiinny luonnossa.

K: Miten Fleroviumia valmistetaan?

V: Fleroviumia valmistetaan plutoniumin ja kalsiumin välisessä ydinreaktiossa. Tapahtuva reaktio on fuusioreaktio.

K: Minkä tyyppinen alkuaine se on?

V: Flerovium on radioaktiivinen superraskas alkuaine.

K: Mikä sen symboli on?

V: Fleroviumin symboli on "Fl".

K: Mikä sen järjestysluku on?

V: Fleroviumin järjestysluku on 114.

K: Esiintyykö fleroviumia luonnossa vai keinotekoisesti?

V: Flervoimia esiintyy keinotekoisesti, sillä sitä ei esiinny luonnossa.