𫓧(英文名Flerovium),位于元素周期表p区第7周期第14族,114号元素,其元素符号为Fl,是一种人工合成的超重化学元素,它是已知最重的碳族成员。 𫓧在室温下可能是气体,而且表现出惰性气体性质,预测可以形成FlO、FlF2、FlCl2、FlBr2、FlI2、FlO2、FlF4、Fl3O4等化合物。
1998年12月,俄罗斯杜布纳联合核子研究所的奥加涅相(Yuri Oganessian)等科学家使用48Ca离子撞击244Pu目标体,合成了一个289Fl,并于1999年1月公布这项发现。2008年7月31号,俄罗斯杜布纳原子核联合研究所与加利福尼亚州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,California USA,简称LLNL)的科学家们共同合作递交了关于发现114号元素的报告。2012年5月23日,IUPAC官方正式公布114号元素的英文名称为Flerovium,此名称是为了向合成超重元素的杜布纳原子核联合研究所弗廖罗夫核反应实验室致敬原子核物理学家弗廖罗夫(Georgiy N.Flerov),符号为Fl。2013年,中国科学技术名词审定委员会公布114号元素的中文名称为“𫓧”,音同夫fū。
𫓧不出现在自然界中,只能在实验室内以粒子加速器反应生成。截止2023年,科学家才观测到大约几十个𫓧原子,部分通过直接合成得到的,而其余的则是在更重元素的衰变产物中被发现的,所有这些衰变都来自于质量数在285Fl~289Fl之间的五个相邻的𫓧同位素。𫓧是一种放射性极强的超重元素,所有同位素的半衰期都很短,非常不稳定。由于𫓧的生产困难,𫓧仅限于科学研究,尚无其他应用。
发现历史
发现
地球上天然存在的88种元素中最重的是92号元素,元素周期表里排在铀以后的元素被称为超铀,而核反应是产生超铀元素的唯一方法。在20世纪40和50年代,利用反应堆和核爆产生的高通量中子,以238U或239Pu为起始材料,利用中子俘获反应,成功合成了93-100号元素和它们的若干同位素。20世纪50到60年代核壳层模型广泛发展。
1998年12月,俄罗斯杜布纳原子核联合研究所(Joint Institute for Nuclear Research in Dubna,Russia)的奥加涅相(Yuri Oganessian)等科学家使用48Ca离子撞击244Pu目标体,合成了一个𫓧原子,其后被确定为289Fl,这项发现于1999年1月公布。
1999年3月,俄罗斯杜布纳团队以242Pu代替244Pu目标体,成功合成了两个𫓧元素,这两个原子被确认为287Fl。1999年6月,杜布纳的团队重复进行244Pu的反应,并产生了两个𫓧原子,研究人员一开始把所产生的原子认定为288Fl,但在2002年进行的研究工作则将结论改为289Fl。
在2007年进行的初步化学实验却揭示了𫓧出乎意料的高挥发性,其性质与同族元素铅存在显著差异。实验结果显示,𫓧与金的化学反应类似于鿔,表明𫓧是一种极易挥发的元素,甚至在标准状况下可能呈气态。𫓧在实验中还表现出金属性,符合铅的较重同族元素的特性,并在第14族中属于金属中反应活性最低的。
2009年1月,伯克利团队证实287Fl和286Fl的发现。2009年5月,IUPAC/IUPAP联合工作组发布𫓧的发现报告。2009年7月,德国达姆施塔特重离子研究所又证实288Fl和289Fl的发现。
2011年6月11日,国际纯粹与应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry,IUPAC)证实了𫓧的发现。
命名
2005年,IUPAC与国际纯粹与应用物理联合会(International Union of Pure and Applied Physics,IUPAP)抽调专家成立了联合工作小组(joint working party,JWP),并授权由其确定发现原子数大于 111 的新元素的声明优先权。联合工作小组的所有审议工作都依照1992年IUPAC/IUPAP工作小组建立的新元素发现标准进行。
2008年7月31号,俄罗斯杜布纳原子核联合研究所与加利福尼亚州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,California USA,简称LLNL)的科学家们共同合作,递交了关于发现114号元素的报告。经过各实验室的准确实验核实,最后形成的报告得到了联合工作小组以及IUPAC无机化学部分委员会的认可,并发表在2011年7月《纯应用化学》杂志上。依照IUPAC已确定的元素命名程序及其传统,由114号元素的发现者杜布纳原子核联合研究所和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室来建议其命名。杜布纳原子核联合研究所提出114号元素的名称为flerovium,符号为Fl,此建议是为了向合成超重元素的杜布纳原子核联合研究所弗廖罗夫核反应实验室致敬原子核物理学家弗廖罗夫(Georgiy N.Flerov)。IUPAC无机化学分委员会考虑了发现者的提议并将此提议提交IUPAC主席团及理事会。
2011年12月,IUPAC对114号元素和116号元素的命名及符号的临时建议进行了评估和讨论。接下来,在法定期间,此提议提交公众评论。2012年5月23日,IUPAC官方正式公布114号元素的英文名称为Flerovium,符号为Fl。
2013年,中国科学技术名词审定委员会公布114号元素的中文名称为“𫓧”,音同夫fū。
物质结构
原子结构
𫓧(Fl)位于元素周期表第七周期ⅣA族,相对原子质量预测是289,原子半径预测175pm,质子数和电子数均为114,电子排布式[Rn] 5f14 6d10 7s2 7p2,电子层预测2,8,18,32,32,18,4。
晶体结构
𫓧的晶体结构预测是立方晶系(Face Center Cubic),在立方体8个角的顶点和6个面的中心上各有一个与相邻晶胞共有的原子。
理化性质
物理性质
1975年,肯尼斯·皮策(Kenneth Pitzer)提出,与14族中较轻的同类元素铅或锡的室温状态不同,𫓧在室温下可能是气体。但科学家Peter Schwerdtfeger所在小组通过计算结果表明,块状金属𫓧中的原子结合较弱,比汞弱,但比强,内聚能分别为50、75、16kJ/摩尔。这表明𫓧在室温下会是一种像汞一样的液态金属,此外,7s轨道被相对论效应稳定后,可能会变得化学惰性。𫓧的预测密度为11.4±0.3g/cm3,一级电离势和二级电离势预测分别为8.5eV、16.8eV,预测原子半径为1.85Å,预测熔点340℃,预测沸点420℃。
化学性质
氧化态
𫓧预计是元素周期表中第IVA族(碳族元素)中最重的成员,位于铅之下。这一族元素的氧化态主要为+4价,较重的元素也呈现出较强的+2价,这现象可归因于惰性电子对效应。所以相比之下,同族的锡的+2价和+4价的强度相近,而铅的+2价相对于+4价更强。因此,𫓧预计会延续这一趋势,表现出氧化性较强的+4价和相对稳定的+2价。
气态化学性质
𫓧属于元素周期表的第14族。由于7s27p21/2的轨道分裂和7s2以及球形7p21/2闭合亚壳的收缩,预计7s27p21/2的价壳层具有强的相对稳定性,导致其挥发性和惰性增强,𫓧既具有金属特性也有惰性气体的性质,但是它到底是金属还是气体还没有定论。
化合物
𫓧的化学性质与铅非常不同,由于某种相对性效应,它是第一种表现出惰性气体性质的超重元素,预测具有形成FlO、FlF2、FlCl2、FlBr2和FlI2等化合物的能力。如果其+4价参与化学反应,其可能仅能形成FlO2和FlF4。此外,𫓧存在形成混合氧化物Fl3O4,类似于Pb3O4。
制备方式
冷聚变
208Pb(76Ge,xn)284−xFl
2003年法国国家大型重离子加速器(GANIL)第一次进行以冷聚变合成𫓧的实验,产量限制为1.2pb时并没有合成任何原子。
热聚变
244Pu(48Ca,xn)292−xFl(x=3,4,5)
俄罗斯杜布纳团队于1998年11月首次尝试合成𫓧。他们探测到一个源自289Fl的长衰变链。在1999年重复进行的实验再次合成了两个𫓧原子,这次则是288Fl。团队在2002年进一步研究了这项反应,在测量3n、4n和5n中子蒸发激发函数时,他们探测到3个289Fl原子、12个288Fl原子及1个新同位素287Fl原子。根据这些结果,第一个被探测到的原子是290Fl或289mFl,而接着的两个原子是289Fl。
2009年5月至7月,德国重离子研究所GSI第一次进行了这个反应,合成了288Fl和289Fl并成功确认了其合成与衰变过程。
242Pu(48Ca,xn)290−x114(x=2,3,4,5)
杜布纳的团队首先在1999年3月至4月研究了这项反应,并探测到两个287Fl原子。由于有关283Cn的数据有冲突,所以科学家在2003年9月重复进行了该实验,以确认287Fl和283Cn的衰变数据。他们通过测量2n、3n和4n激发函数得到了288Fl、287Fl和新同位素286Fl的衰变数据。
2009年1月,伯克利的团队使用伯克利充气分离器(BGS)和新得到的242Pu样本继续进行研究,通过以上反应尝试合成𫓧。2009年9月,他们公布成功探测到2个𫓧原子,分别为287Fl和286Fl,证实了Flerov核反应实验室取得的衰变数据,但是所测量的截面更低。
2010年12月,劳伦斯伯克利国家实验室的团队公布发现了285Fl原子,并观测到5个衰变产物的新同位素。
同位素
𫓧同位素里半衰期最长的为289Fl,半衰期约2.6s,但有证据显示289Fl存在着一个同核异构体289bFl,半衰期约为66s,将会是所有超重元素中寿命最长的原子核。
撤回的同位素
被劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)在1999年发现293Og的报告中,285Fl是以11.35 MeV能量进行α衰变的,半衰期为0.58ms。路虎第四代发现于2001年撤回了这项发现。这个同位素最后是在2010年合成的,其衰变属性和1999年报告中的不符,意味着撤回的数据是错误的。
安全事宜
毒性
在大剂量的照射下,𫓧的放射性对人体和动物存在着某种损害作用。如在400rad的照射下,受照射的人有5%死亡;若照射650rad,则人100%死亡。照射剂量在150rad以下,死亡率为零,但并非无损害作用,往往需经20年以后,一些症状才会表现出来。𫓧的放射性也能损伤遗传物质,主要在于引起基因突变和染色体畸变,使一代甚至几代受害。暴露于𫓧的极高辐射可造成急性健康影响,可在数小时内引起恶心和呕吐等症状,或者皮肤烧伤和急性辐射综合症(“辐射病”),有时可在接下来的几天或几周内导致死亡。这还可能导致癌症和心血管疾病等长期健康影响,这是因为𫓧的电离辐射有足够的能量影响活细胞中的原子,从而破坏它们的遗传物质,如果损伤不能正确修复,人体细胞可能死亡或最终癌变。当植物暴露于𫓧的辐射下,活细胞的遗传物质就会被破坏,细胞最终死亡或变异。
预防与急救措施
在面对𫓧等放射性同位素时,必须穿防护服,以防止放射性同位素泄漏时对身体造成永久性伤害。为测量职业或紧急照射中的个人剂量摄入,使用个人剂量计来测量外部辐射,并使用生物测定技术来测量因摄入放射性污染而产生的体内剂量。
在发生大规模辐射泄漏时,禁止无关人员进入,应急处理人员佩戴自给正压式呼吸器,穿化学防护服,不可直接接触泄漏物,并进入建筑物内躲避一段时间,不能在高度放射性地方逗留。如若没有建筑物,用铅、混凝土或水的屏障制作围墙可以防止射线的穿透。
参考资料
What is Flerovium – Properties of Flerovium Element – Symbol Fl.nuclear power.2023-12-07
114、116号元素中文定名研讨会在京召开.Wayback Machine.2023-11-11
Ununquadium | Fl | CID 168007562 - PubChem.Pubchem.2023-10-29
Explainer: superheavy elements.Chemistry World .2023-11-11
GAS PHASE CHEMISTRY OF SUPERHEAVY ELEMENTS.Wayback Machine.2023-11-11
About Flerovium.americanelements.2023-12-09
Pushing the boundaries of chemistry: Properties of heaviest element studied so far measured at GSI/FAIR.GSI.2023-12-07
Six New Isotopes of the Superheavy Elements Discovered.LBL.2023-12-09
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Radiation Health Effects.United States Environmental Protection Agency.2023-12-15