(英文名称Hassium),一种人工合成的放射性元素,位于
元素周期表第七周期第Ⅷ族,元素符号Hs,原子序号108号。
1984年,戈特弗里德·明岭贝格(MünzenbergG)等科学家所在的德国
重离子研究所(GSI中心)首次合成了𬭶原子,先定名为“108号元素”。1992年,GSI中心建议命名“108号元素”为Hassium,取自研究所所在地德国
的
名(Hassia),1997年,
(IUPAC)采用了Hassium作为“108号元素”的英文名称,以纪念发现地德国黑森州。1998年1月中旬,中国科学技术名词审定委员会于召开了
化学名词组扩大会议,确定Hassium中文译名为𬭶(hēi,音同“黑”)。𬭶理论密度预测高达40.7g/cm3,是已预测密度最高的元素。根据其他同族元素的化学性质,推测𬭶可以和
氧气合成四
氧化物HsO4,其四氧化物HsO4和
氢氧化钠进而可以生成化合物Na2[HsO4(OH)2]。
自然界不存在天然的𬭶元素,只能被人工合成,而且
半衰期极短,很不稳定。自从1984年首次合成以后,科学家们只合成了大约100多个𬭶的原子来做研究,所以人类对于𬭶元素的了解仍然十分有限,所以用途和具体危害程度还不清楚。
发现历史
发现
1984年,戈特弗里德·明岭贝格(MünzenbergG)等领导的研究队于德国
达姆施塔特重离子研究所GSI首次进行了𬭶的合成反应。他们在实验室的粒子加速器中以58Fe
原子核撞击铅目标体,制造出3个265Hs原子,定名为“元素108”。
IUPAC/IUPAP超重元素工作组在1992年的一份报告中承认,重离子研究所GSI是𬭶的正式
发现者。
命名
1992年,德国重离子实验室GSI作为发现者正式提出使用Hassium作为108号元素的名称,取自研究所所在地德国
黑森州的
拉丁语名(Hassia)。1997年,
国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)决定对101-109号元素英文名称重新命名,承认了108号元素英文名称是Hassium,以纪念发现地德国黑森州。1998年1月中旬,中国科学技术名词审定委员会于召开了
无机化合物化学名词组扩大会议,确定Hassium中文译名为𬭶(hēi,音同“黑”)。
结构
原子结构
𬭶的
原子半径预计在126pm左右,电子排布预计是[Rn]5f146d67s2,
电子层预测是2、8、18、32、32、14、2。由于7s轨道的
相对论稳定性和6d轨道的相对不稳定性,所以6d轨道更容易失去电子而不是最外围的7s轨道失去电子,预测Hs+离子是[Rn]5f146d57s2的电子排布构型,这与其较轻的
同系物的行为相反。Hs2+离子预计会类似于Os2+离子,具有[Rn]5f146d57s1的电子排布构型。
晶体结构
类似于同族上方的Os,科学家猜测𬭶应该是密排六方堆积的
晶体结构(c/a=1.59)。密排六方晶胞是一个正六面柱体,在上下两个面的角点和中心上,各有一个与相邻晶胞共有的原子,并在上下两个面的中间有三个原子。据计算,纯金属𬭶的体积模量(抗均匀压缩)为450GPa,与
金刚石的442GPa相当。
理化性质
物理性质
尽管𬭶被成功合成,但是科学家们对于𬭶的许多
物理性质了解仍然非常有限,比如
沸点、压力或热容等仍然不清楚。
皇家理工学院研究,第8族元素成员
熔点较高,铁Fe熔点为1538℃;钌Ru为2334℃;锇Os为3033°C,在和它们非常相似的情况下,虽然还没有精确计算出𬭶的熔点,但据预测,在室温下𬭶是固态金属形态。𬭶理论密度预测高达40.7g/cm3,比现在密度最好的锇(22.57g/cm3)还要高上很多。
化学性质
氧化态
与𬭶同族的钌Ru、锇Os具有稳定的+8价,所以预测𬭶也具有稳定的+8价,同样的,预计𬭶也会像同族的其他元素一样显示出较低价的稳定氧化态,如+6、+4、+3和+2。
液相化学性质
挪威的科学家探究出锇Os可以在快速溶剂萃取SISAK装置上进行液相化学性质的研究,可以求出Os在水相和有机相之间的分配比,实验的成功表明,作为同族元素的𬭶Hs预测也可以在SISAK装置上开展液相化学性质的研究。
同位素
𬭶没有稳定的或自然存在的
同位素,被制造出来的几十到一百个𬭶的同位素原子,都是在实验室里合成出来的,可通过两个原子的聚变或者更重元素的衰变得到。据报道,有13种同位素的
质量数在263Hs到277Hs之间(274和276除外),其中有4种分别是265Hs、266Hs、267Hs和277Hs具有已知的亚
稳态,尽管277Hs的亚稳态尚未得到证实。其中对于同位素273Hs,劳伦斯伯克利国家实验室于1999年声称合成元素118,反应期间出现273Hs同位素核子。他们声称该同位素以能量9.78及9.47MeV进行α衰变,
半衰期为1.2秒。该发现在2001年被撤回。这一
同位素最终在2010年被合成,而所记录的数据证明先前的数据是虚假的。
这些同位素大部分主要通过α衰变衰变,这是所有可获得全面衰变特征的同位素中最常见的,唯一的例外是277Hs,它经历自发裂变。较轻的同位素通常由两个较轻的
原子核直接聚变合成,而较重的同位素通常是原子序数较大的原子核的衰变产物。
化合物
第8族元素表现出独特的
氧化物化学性质,族上所有较轻的元素都有已知的或假想的四氧化物。它们的氧化能力随着在
元素周期表里位置的下降而下降。锇Os燃烧形成稳定的四氧化物OsO4,OsO4与
氢氧根络合形成锇酸盐
配位化合物[OsO4(OH)2]2−。𬭶在
中的位置应该在锇Os的正下方,也可以形成一种稳定的、非常易挥发的四氧化物HsO4,同时其四氧化物与
氢氧根络合形成[HsO4(OH)2]2−,所以预测+8价的𬭶
离子化合物有HsO4,Na2[HsO4(OH)2]。四氧化钌RuO4和
四氧化锇OsO4都是易挥发的,因为它们是对称的四面体分子结构,而且它们是电荷中性的;同样,四氧化𬭶也应该是一种非常易挥发的固体。2008年有实验结果表明,第8族四
氧化物的挥发性变化趋势为RuO4\u003cOsO4\u003eHsO4。
相关实验
单质合成
以下是世界各科学实验室进行的部分𬭶
同位素的成功合成实验。
四氧化物合成
德国重离子研究中心通过26Mg束流轰击旋转的248Cm靶产生269Hs(t1/2=9s)
核素,在载气
氦气中加入
氧气,为了提供快速充分的氧化,在反冲靶室后连有一个600℃的炉子,形成的挥发性氧化物HsO4在干燥的He/O2气体
中经毛细管快速传输到探测器,实验装置和反应方程式如下:
酸碱络合反应
德国GSI中心根据已报道的气相化合物OsO4可以
吸附在
氢氧化钾表面的文献,基于Hs位于Os同族下方,研究了挥发性的
氧化物HsO4和
氢氧化钠之间的相互作用,结果实验人员在探测器上观察到了Hs的沉积,根据这次实验,科学家第一次提出了Hs四价氧化物可以进行酸碱反应,理论上可以和
氢氧化钠生成Na2[HsO4(OH)2],反应方程式如下:
理论应用
超重核稳定岛理论
20世纪60年代理论预言在Z=114,N=184附近区域存在着一个稳定核的岛,即“超重核
稳定岛”,认为在这个岛内可能存在着
半衰期较长的,相对稳定的超重元素。超重元素合成的最终目标是找到“超重核稳定岛”的位置,因此必须合成“超重核稳定岛”上的
核素。
欧洲科学研究杂志上,一位
伊拉克科学家通过NuclearMagnetonTheoryof
质量Quantization,简称NMT理论计算出𬭶的理论同位素中有20种半衰期很长的同位素,其中有:288Hs(1.08x104y)、289Hs(6.26x105y)、290Hs(2.46x106y)、291Hs(1.86x108y)、292Hs(9.96x108y)、293Hs(1.29x1011y)、294Hs(1.15x1012y)和295Hs(2.63x1014y),他认为𬭶的这8种
半衰期时间长达数年的Hs理论同位素属于稳定岛的一部分。
研究局限性
开展𬭶的化学性质实验研究是一项极具挑战性的工作,因为自1984年首次𬭶被合成出来以后,𬭶作为超重元素,产额低、寿命短。超重元素随着原子序数的增加,重离子熔合蒸发反应的截面呈指数下降,因而超重核的产额随原子序数的增长急剧下降。可用于化学研究的超重元素的寿命非常短而且量非常少,很多情况下是每次只能获得1个原子,即所谓的“一次试验1个原子”。因此,超重元素的
化学分离是在单个原子层面上进行的,出现1个原子的时间是未知的,因为它的产生是一个统计过程。实际的实验研究需要进行反复多次(数千次)重复相同的化学分离实验,以期达到具有统计意义的概率。
在2011年的《科学展望》中,
美国核物理学家沃尔特·格雷纳(WalterGreiner)挖苦地表示,在地下深处通过“两三次核爆炸”,或许可以制造出富含中子的
原子核,比如𬭶。由于多个全球条约禁止这样做,我们将不得不继续依靠技术,比如用富含中子的48Ca或58Fe光束轰击加速器目标。即使我们必须再等几十年,让下一代核科学家生产出足够的𬭶来填补我们知识的空白,这可能是最好的。
参考资料
Hassium.American Element.2023-11-29
CAS.commonchemistry.2023-11-24