Rutherfordio
Elemento químico con número atómico 104 (Rf)
Rutherfordio,  104 Rf
Rutherfordio
Pronunciación/ ˌ r ʌ ð ər ˈ f ɔːr d i ə m / ⓘ ​( RUDH -ər- FOR -dee-əm)
Número de masa[267]
Rutherfordio en la tabla periódica
HidrógenoHelio
LitioBerilioBoroCarbónNitrógenoOxígenoFlúorNeón
SodioMagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroArgón
PotasioCalcioEscandioTitanioVanadioCromoManganesoHierroCobaltoNíquelCobreZincGalioGermanioArsénicoSelenioBromoCriptón
RubidioEstroncioItrioCirconioNiobioMolibdenoTecnecioRutenioRodioPaladioPlataCadmioIndioEstañoAntimonioTelurioYodoXenón
CesioBarioLantanoCerioPraseodimioNeodimioPrometeoSamarioEuropioGadolinioTerbioDisprosioHolmioErbioTulioIterbioLutecioHafnioTantalioTungstenoRenioOsmioIridioPlatinoOroMercurio (elemento)TalioDirigirBismutoPolonioAstatoRadón
FrancioRadioActinioTorioProtactinioUranioNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrenceRutherfordioDubnioSeaborgioBohrioHassioMeitnerioDarmstadtioRoentgenioCopérnicoNihonioFlerovioMoscovioLivermorioTennesseeOganesón
Alta frecuencia
↑
Frecuencia cardíaca
↓
—
lawrencio ← rutherfordio → dubnio
Número atómico ( Z )104
Grupogrupo 4
Períodoperiodo 7
Bloquear  bloque d
Configuración electrónica[ R ] 5f 14 6d 2 7s 2 [1] [2]
Electrones por capa2, 8, 18, 32, 32, 10, 2
Propiedades físicas
Fase en  STPsólido (previsto) [1] [2]
Punto de fusión2400  K (2100 °C, 3800 °F) (previsto) [1] [2]
Punto de ebullición5800 K (5500 °C, 9900 °F) (previsto) [1] [2]
Densidad (cerca de  rt )17 g/cm 3 (previsto) [3] [4]
Propiedades atómicas
Estados de oxidacióncomún: +4
(+3), (+4) [2]
Energías de ionización
  • 1º: 580 kJ/mol
  • 2º: 1390 kJ/mol
  • 3º: 2300 kJ/mol
  • ( más ) (todos excepto los primeros estimados) [2]
Radio atómicoempírico: 150  pm (estimado) [2]
Radio covalente157 pm (estimado) [1]
Otras propiedades
Ocurrencia naturalsintético
Estructura cristalinaHexagonal compacto (hcp)
Estructura cristalina compacta hexagonal para el rutherfordio

(previsto) [5]
Número CAS53850-36-5
Historia
Nombramientodespués de Ernest Rutherford
DescubrimientoInstituto Conjunto de Investigación Nuclear y Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (1969)
Isótopos del rutherfordio
Isótopos principales [6]Decadencia
abundanciavida media ( t 1/2 )modoproducto
261 RFsintetizador2,1 segundosSF82%–
alfa18%257 No
263 Rfsintetizador15 minutos [7]SF<100%?–
alfa~30%?259 No
265 RFsintetizador1,1 minutos [8]SF–
267 RFsintetizador48 minutos [9]SF–
 Categoría: Rutherfordio
| referencias

El rutherfordio es un elemento químico sintético , de símbolo Rf y número atómico 104. Recibe su nombre en honor al físico Ernest Rutherford . Como elemento sintético, no se encuentra en la naturaleza y solo se puede fabricar en un acelerador de partículas . Es radiactivo ; el isótopo más estable conocido , el 267 Rf, tiene una vida media de unos 48 minutos.

En la tabla periódica , es un elemento del bloque d y el segundo de los elementos de transición de la cuarta fila . Está en el período 7 y es un elemento del grupo 4. Los experimentos químicos han confirmado que el rutherfordio se comporta como el homólogo más pesado del hafnio en el grupo 4. Las propiedades químicas del rutherfordio están caracterizadas solo parcialmente. Se comparan bien con los otros elementos del grupo 4, aunque algunos cálculos habían indicado que el elemento podría mostrar propiedades significativamente diferentes debido a los efectos relativistas .

En la década de 1960, se produjeron pequeñas cantidades de rutherfordio en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de la Unión Soviética y en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California . [10] La prioridad del descubrimiento y, por lo tanto, el nombre del elemento fueron disputados entre científicos soviéticos y estadounidenses, y no fue hasta 1997 que la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) estableció rutherfordio como el nombre oficial del elemento.

Introducción

Síntesis de núcleos superpesados

Una representación gráfica de una reacción de fusión nuclear.
Representación gráfica de una reacción de fusión nuclear . Dos núcleos se fusionan en uno y emiten un neutrón . Las reacciones que crearon nuevos elementos hasta ese momento eran similares, con la única posible diferencia de que a veces se liberaban varios neutrones singulares o ninguno.

Un núcleo atómico superpesado [a] se crea en una reacción nuclear que combina otros dos núcleos de tamaño desigual [b] en uno; aproximadamente, cuanto más desiguales sean los dos núcleos en términos de masa , mayor será la posibilidad de que los dos reaccionen. [16] El material hecho de los núcleos más pesados ​​se convierte en un objetivo, que luego es bombardeado por el haz de núcleos más ligeros. Dos núcleos solo pueden fusionarse en uno si se aproximan lo suficiente; normalmente, los núcleos (todos cargados positivamente) se repelen entre sí debido a la repulsión electrostática . La interacción fuerte puede superar esta repulsión, pero solo a una distancia muy corta de un núcleo; los núcleos del haz se aceleran así en gran medida para que dicha repulsión sea insignificante en comparación con la velocidad del núcleo del haz. [17] La ​​energía aplicada a los núcleos del haz para acelerarlos puede hacer que alcancen velocidades tan altas como una décima parte de la velocidad de la luz . Sin embargo, si se aplica demasiada energía, el núcleo del haz puede desmoronarse. [17]

El hecho de acercarse lo suficiente no es suficiente para que dos núcleos se fusionen: cuando dos núcleos se aproximan, suelen permanecer juntos durante unos 10 −20  segundos y luego se separan (no necesariamente en la misma composición que antes de la reacción) en lugar de formar un solo núcleo. [17] [18] Esto sucede porque durante el intento de formación de un solo núcleo, la repulsión electrostática desgarra el núcleo que se está formando. [17] Cada par de un objetivo y un haz se caracteriza por su sección transversal : la probabilidad de que se produzca la fusión si dos núcleos se aproximan entre sí expresada en términos del área transversal que la partícula incidente debe golpear para que se produzca la fusión. [c] Esta fusión puede ocurrir como resultado del efecto cuántico en el que los núcleos pueden hacer un túnel a través de la repulsión electrostática. Si los dos núcleos pueden permanecer cerca después de esa fase, las interacciones nucleares múltiples dan como resultado una redistribución de energía y un equilibrio energético. [17]

Videos externos
icono de videoVisualización de una fusión nuclear fallida, basada en cálculos de la Universidad Nacional de Australia [20]

La fusión resultante es un estado excitado [21] —denominado núcleo compuesto— y por lo tanto es muy inestable. [17] Para alcanzar un estado más estable, la fusión temporal puede fisionarse sin la formación de un núcleo más estable. [22] Alternativamente, el núcleo compuesto puede expulsar algunos neutrones , que se llevarían la energía de excitación; si esta última no es suficiente para una expulsión de neutrones, la fusión produciría un rayo gamma . Esto sucede en aproximadamente 10 −16  segundos después de la colisión nuclear inicial y da como resultado la creación de un núcleo más estable. [22] La definición del Grupo de Trabajo Conjunto IUPAC/IUPAP (JWP) establece que un elemento químico solo puede reconocerse como descubierto si un núcleo del mismo no se ha desintegrado en 10 −14 segundos. Este valor se eligió como una estimación de cuánto tiempo tarda un núcleo en adquirir electrones y, por lo tanto, mostrar sus propiedades químicas. [23] [d]

Descomposición y detección

El haz pasa a través del objetivo y llega a la siguiente cámara, el separador; si se produce un nuevo núcleo, se transporta con este haz. [25] En el separador, el núcleo recién producido se separa de otros nucleidos (el del haz original y cualquier otro producto de reacción) [e] y se transfiere a un detector de barrera de superficie , que detiene el núcleo. Se marca la ubicación exacta del próximo impacto en el detector; también se marcan su energía y el tiempo de llegada. [25] La transferencia tarda unos 10 −6  segundos; para ser detectado, el núcleo debe sobrevivir este tiempo. [28] El núcleo se registra de nuevo una vez que se registra su desintegración, y se miden la ubicación, la energía y el tiempo de la desintegración. [25]

La estabilidad de un núcleo la proporciona la interacción fuerte. Sin embargo, su alcance es muy corto; a medida que los núcleos se hacen más grandes, su influencia sobre los nucleones más externos ( protones y neutrones) se debilita. Al mismo tiempo, el núcleo se desgarra por la repulsión electrostática entre protones, y su alcance no está limitado. [29] La energía de enlace total proporcionada por la interacción fuerte aumenta linealmente con el número de nucleones, mientras que la repulsión electrostática aumenta con el cuadrado del número atómico, es decir, este último crece más rápido y se vuelve cada vez más importante para los núcleos pesados ​​y superpesados. [30] [31] Por lo tanto, se predice teóricamente [32 ] que los núcleos superpesados ​​​​se desintegran predominantemente a través de modos de desintegración que son causados ​​​​por dicha repulsión: desintegración alfa y fisión espontánea . [f] Casi todos los emisores alfa tienen más de 210 nucleones, [35] y el nucleido más ligero que experimenta principalmente fisión espontánea tiene 238. [36] En ambos modos de desintegración, los núcleos no pueden desintegrarse mediante barreras de energía correspondientes para cada modo, pero se pueden atravesar mediante un túnel. [30] [31]

Aparato para la creación de elementos superpesados
Esquema de un aparato para la creación de elementos superpesados, basado en el separador de retroceso lleno de gas Dubna, instalado en el Laboratorio Flerov de Reacciones Nucleares del JINR. La trayectoria dentro del detector y del aparato de enfoque del haz cambia debido a un imán dipolar en el primero y a imanes cuadrupolares en el segundo. [37]

Las partículas alfa se producen comúnmente en desintegraciones radiactivas porque la masa de una partícula alfa por nucleón es lo suficientemente pequeña como para dejar algo de energía para que la partícula alfa se use como energía cinética para salir del núcleo. [38] La fisión espontánea es causada por la repulsión electrostática que desgarra el núcleo y produce varios núcleos en diferentes instancias de fisión de núcleos idénticos. [31] A medida que aumenta el número atómico, la fisión espontánea rápidamente se vuelve más importante: las vidas medias parciales de fisión espontánea disminuyen en 23 órdenes de magnitud desde el uranio (elemento 92) hasta el nobelio (elemento 102), [39] y en 30 órdenes de magnitud desde el torio (elemento 90) hasta el fermio (elemento 100). [40] El modelo anterior de gota líquida sugería que la fisión espontánea ocurriría casi instantáneamente debido a la desaparición de la barrera de fisión para núcleos con aproximadamente 280 nucleones. [31] [41] El modelo de capas nucleares posterior sugirió que los núcleos con alrededor de 300 nucleones formarían una isla de estabilidad en la que los núcleos serán más resistentes a la fisión espontánea y sufrirán principalmente desintegración alfa con vidas medias más largas. [31] [41] Descubrimientos posteriores sugirieron que la isla predicha podría estar más lejos de lo que se anticipó originalmente; también mostraron que los núcleos intermedios entre los actínidos de larga vida y la isla predicha se deforman y ganan estabilidad adicional a partir de los efectos de capa. [42] Los experimentos en núcleos superpesados ​​​​más ligeros, [43] así como aquellos más cercanos a la isla esperada, [39] han demostrado una estabilidad mayor que la anticipada previamente contra la fisión espontánea, lo que muestra la importancia de los efectos de capa en los núcleos. [g]

Las desintegraciones alfa son registradas por las partículas alfa emitidas, y los productos de la desintegración son fáciles de determinar antes de la desintegración real; si tal desintegración o una serie de desintegraciones consecutivas produce un núcleo conocido, el producto original de una reacción puede determinarse fácilmente. [h] (Que todas las desintegraciones dentro de una cadena de desintegración estaban de hecho relacionadas entre sí se establece por la ubicación de estas desintegraciones, que deben estar en el mismo lugar.) [25] El núcleo conocido puede reconocerse por las características específicas de la desintegración que sufre, como la energía de desintegración (o más específicamente, la energía cinética de la partícula emitida). [i] La fisión espontánea, sin embargo, produce varios núcleos como productos, por lo que el nucleido original no puede determinarse a partir de sus hijos. [j]

La información disponible para los físicos que intentan sintetizar un elemento superpesado es, por tanto, la información recogida en los detectores: posición, energía y tiempo de llegada de una partícula al detector, y los de su desintegración. Los físicos analizan estos datos y tratan de concluir que efectivamente fue causado por un nuevo elemento y no podría haber sido causado por un nucleido diferente del que se afirma. A menudo, los datos proporcionados son insuficientes para concluir que definitivamente se creó un nuevo elemento y no hay otra explicación para los efectos observados; se han cometido errores en la interpretación de los datos. [k]

Historia

Descubrimiento

Según se informa, el rutherfordio se detectó por primera vez en 1964 en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Dubna ( en ese momento, la Unión Soviética ). Los investigadores bombardearon allí un objetivo de plutonio -242 con iones de neón -22 ; se detectó una actividad de fisión espontánea con una vida media de 0,3 ± 0,1 segundos y se asignó a 260 104. Trabajos posteriores no encontraron ningún isótopo del elemento 104 con esta vida media, por lo que esta asignación debe considerarse incorrecta. [54]

Entre 1966 y 1969 se repitió el experimento. Esta vez, los productos de reacción se analizaron mediante termocromatografía de gradiente después de convertirse en cloruros por interacción con ZrCl 4 . El equipo identificó la actividad de fisión espontánea contenida en un cloruro volátil que presentaba propiedades de eka-hafnio. [54]

242
94Pu
+22
10Nordeste
→264− x
104Rf
→264− x
104Rf
Clase 4

Los investigadores consideraron que los resultados respaldaban la semivida de 0,3 segundos. Aunque ahora se sabe que no existe ningún isótopo del elemento 104 con una semivida de ese tipo, la química se ajusta a la del elemento 104, ya que la volatilidad del cloruro es mucho mayor en el grupo 4 que en el grupo 3 (o los actínidos). [54]

En 1969, investigadores de la Universidad de California, Berkeley, sintetizaron de manera concluyente el elemento bombardeando un objetivo de californio -249 con iones de carbono-12 y midieron la desintegración alfa de 257 Rf, correlacionada con la desintegración hija del nobelio -253: [55]

249
98Cf
+12
6do
→257
104Rf
+ 4
norte

No pudieron confirmar la vida media de 0,3 segundos para el 260 104, y en su lugar encontraron una vida media de 10 a 30 milisegundos para este isótopo, que coincide con el valor moderno de 21 milisegundos. En 1970, el equipo estadounidense identificó químicamente el elemento 104 utilizando el método de separación por intercambio iónico, demostrando que era un elemento del grupo 4 y el homólogo más pesado del hafnio. [56]

La síntesis estadounidense se confirmó de forma independiente en 1973 y aseguró la identificación del rutherfordio como el progenitor mediante la observación de rayos X K-alfa en la firma elemental del producto de desintegración de 257 Rf, el nobelio-253. [57]

Controversia sobre el nombre

El elemento 104 recibió finalmente el nombre de Ernest Rutherford.
Ígor Kurchátov

Como consecuencia de las reclamaciones iniciales en pugna por el descubrimiento, surgió una controversia sobre el nombre del elemento . Dado que los soviéticos afirmaron haber detectado por primera vez el nuevo elemento, sugirieron el nombre kurchatovio (Ku) en honor a Ígor Kurchatov (1903-1960), exjefe de la investigación nuclear soviética . Este nombre se había utilizado en libros del bloque soviético como el nombre oficial del elemento. Los estadounidenses, sin embargo, propusieron rutherfordio (Rf) para el nuevo elemento en honor al físico neozelandés Ernest Rutherford , conocido como el "padre" de la física nuclear . [58] En 1992, el Grupo de trabajo de transfermio (TWG) de la IUPAC / IUPAP evaluó las afirmaciones del descubrimiento y concluyó que ambos equipos proporcionaron evidencia contemporánea de la síntesis del elemento 104 en 1969, y que el crédito debería ser compartido entre los dos grupos. En particular, esto implicó que el TWG realizara un nuevo análisis retrospectivo del trabajo ruso ante el hecho, descubierto posteriormente, de que no existe ningún isótopo de 0,3 segundos del elemento 104: reinterpretaron los resultados de Dubna como si hubieran sido causados ​​por una rama de fisión espontánea de 259 Rf. [54]

El grupo estadounidense escribió una respuesta mordaz a los hallazgos del TWG, afirmando que habían dado demasiado énfasis a los resultados del grupo de Dubna. En particular, señalaron que el grupo ruso había alterado los detalles de sus afirmaciones varias veces durante un período de 20 años, un hecho que el equipo ruso no niega. También destacaron que el TWG había dado demasiado crédito a los experimentos químicos realizados por los rusos, consideraron que el tratamiento retrospectivo del trabajo ruso por parte del TWG basado en documentos no publicados había sido "altamente irregular", señalaron que no había ninguna prueba de que el 259 Rf tuviera una rama de fisión espontánea [56] (a fecha de 2021 todavía no la hay), [59] y acusaron al TWG de no tener personal calificado adecuadamente en el comité. El TWG respondió diciendo que ese no era el caso y, tras evaluar cada punto planteado por el grupo estadounidense, dijo que no encontraban ninguna razón para alterar su conclusión sobre la prioridad del descubrimiento. [56]

La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada ( IUPAC ) adoptó unnilquadium (Unq) como nombre temporal y sistemático de los elementos , derivado de los nombres latinos de los dígitos 1, 0 y 4. En 1994, la IUPAC sugirió un conjunto de nombres para los elementos 104 a 109, en los que el dubnio (Db) se convirtió en el elemento 104 y el rutherfordio en el elemento 106. [60] Esta recomendación fue criticada por los científicos estadounidenses por varias razones. En primer lugar, sus sugerencias fueron confusas: los nombres rutherfordio y hahnio , originalmente sugeridos por Berkeley para los elementos 104 y 105, fueron reasignados respectivamente a los elementos 106 y 108. En segundo lugar, los elementos 104 y 105 recibieron nombres favorecidos por JINR, a pesar del reconocimiento anterior de LBL como codescubridor igual para ambos. En tercer lugar y más importante, la IUPAC rechazó el nombre seaborgio para el elemento 106, después de haber aprobado recientemente una regla según la cual un elemento no podía llevar el nombre de una persona viva, a pesar de que la IUPAC había dado al equipo del LBNL el crédito exclusivo por su descubrimiento. [61] En 1997, la IUPAC renombró los elementos 104 a 109, y dio a los elementos 104 y 106 las propuestas de Berkeley rutherfordio y seaborgio . El nombre dubnio se le dio al elemento 105 al mismo tiempo. Los nombres de 1997 fueron aceptados por los investigadores y se convirtieron en el estándar. [62]

Isótopos

Lista de isótopos del rutherfordio
IsótopoVida media [l]
Modo de decadencia
Año de descubrimiento
Reacción de descubrimiento
Valorárbitro
253 RF13 ms[6]SF1997204 Pb( 50 Ti,n) [63]
253 m de radiofrecuencia52 microsegundos[6]SF1995204 Pb( 50 Ti,n) [63]
254 RF22,9 microsegundos[6]SF1997206Pb ( 50Ti ,2n) [63]
254m1 de radiofrecuencia4,3 microsegundos[6]ÉL2015
254m2 de terreno247 microsegundos[6]ÉL2015
255 RF1,63 segundos[6]α, SF1975207 Pb( 50 Ti,2n) [64]
255m1 de radiofrecuencia43 microsegundos[6]ÉL2015
255m2 de terreno16 microsegundos[6]ÉL2020
255 m3 de radiofrecuencia41 microsegundos[6]ÉL2020
256 RF6,60 ms[6]SF, α1975208 Pb( 50 Ti,2n) [64]
256m1 de radiofrecuencia25 microsegundos[6]ÉL2009
256m2 de terreno17 microsegundos[6]ÉL2009
256 m3 de radiofrecuencia27 microsegundos[6]ÉL2009
257 RF5,0 segundos[6]α, β + , SF1969249 Cf( 12C ,4n) [55]
257m1 RF4,5 segundos[6]α, β +1997249 Cf( 12 C,4n) [63]
257m2 de terreno106 microsegundos[6]ÉL2009
258 RF12,5 ms[6]SF, α1969249 Cf( 13C ,4n) [55]
258m1 de radiofrecuencia3,4 ms[6]ÉL2016258 dB(
mi−
,
no
mi) [65]
258m2 de terreno15 microsegundos[6]2016258 dB(
mi−
,
no
mi) [65]
259 RF2,63 segundos[6]α, β +1969249 Cf( 13C ,3n) [55]
260 RF21 ms[6]SF1985248 Cm( 16O ,4n) [54]
261 RF2,1 segundos[6]SF, α1970244 Pu( 22 Ne,5n) [66]
261 m de radio74 segundos[6]alfa1970248 cm ( 18 O,5 n) [67]
262 RF250 ms[6]SF1985244 Pu( 22 Ne,4n) [68]
262 m de radio47 ms[6]SF1978244 Pu( 22 Ne,4n),
248 Cm( 18 Ne,4n) [69]
263 Rf11 minutos[6]SF2003263 dB(
mi−
,
no
mi) [70]
263 m de radiofrecuencia8 segundos[71]SF2008263 dB(
mi−
,
no
mi)
265 RF1,1 minutos[8]SF2010269 ​​Sg(—,α) [72]
266 RF¿23 segundos?[73]SF¿2007?266 dB(
mi−
,
no
mi)? [74] [75]
267 RF48 minutos[76]SF2004271 Sg(—,α) [77]
268 RF1,4 segundos?[73]SF¿2004?268 dB(
mi−
,
no
mi)? [75] [78]
270 RF¿20 ms?[73]SF¿2010?270 dB(
mi−
,
no
mi)? [79]

El rutherfordio no tiene isótopos estables ni presentes en la naturaleza. Se han sintetizado varios isótopos radiactivos en el laboratorio, ya sea fusionando dos átomos o observando la desintegración de elementos más pesados. Se han descrito dieciséis isótopos diferentes con masas atómicas de 253 a 270 (con las excepciones de 264 y 269). La mayoría de ellos se desintegran predominantemente a través de vías de fisión espontánea. [7] [80]

Estabilidad y vidas medias

De los isótopos cuyas vidas medias se conocen, los isótopos más ligeros suelen tener vidas medias más cortas; se observaron vidas medias de menos de 50 μs para 253 Rf y 254 Rf. 256 Rf, 258 Rf, 260 Rf son más estables en alrededor de 10 ms, 255 Rf, 257 Rf, 259 Rf y 262 Rf viven entre 1 y 5 segundos, y 261 Rf, 265 Rf y 263 Rf son más estables, en alrededor de 1,1, 1,5 y 10 minutos respectivamente. Los isótopos más pesados ​​son los más estables, y 267 Rf tiene una vida media medida de aproximadamente 48 minutos. [76]

Los isótopos más ligeros se sintetizaron por fusión directa entre dos núcleos más ligeros y como productos de desintegración. El isótopo más pesado producido por fusión directa es 262 Rf; los isótopos más pesados ​​solo se han observado como productos de desintegración de elementos con números atómicos mayores. Los isótopos pesados ​​266 Rf y 268 Rf también se han descrito como descendientes de captura de electrones de los isótopos de dubnio 266 Db y 268 Db, pero tienen vidas medias cortas hasta la fisión espontánea . Parece probable que lo mismo sea cierto para 270 Rf, un posible descendiente de 270 Db. [79] Estos tres isótopos siguen sin confirmarse.

En 1999, científicos estadounidenses de la Universidad de California, Berkeley, anunciaron que habían logrado sintetizar tres átomos de 293 Og. [81] Se informó que estos núcleos progenitores habían emitido sucesivamente siete partículas alfa para formar núcleos de 265 Rf, pero su afirmación fue retractada en 2001. [82] Este isótopo fue descubierto más tarde en 2010 como el producto final en la cadena de desintegración de 285 Fl. [8] [72]

Propiedades previstas

Se han medido muy pocas propiedades del rutherfordio o de sus compuestos; esto se debe a su producción extremadamente limitada y costosa [83] y al hecho de que el rutherfordio (y sus progenitores) se desintegra muy rápidamente. Se han medido algunas propiedades singulares relacionadas con la química, pero las propiedades del metal rutherfordio siguen siendo desconocidas y solo se pueden hacer predicciones.

Químico

El rutherfordio es el primer elemento transactínido y el segundo miembro de la serie 6d de metales de transición. Los cálculos sobre sus potenciales de ionización , radio atómico , así como radios, energías orbitales y niveles fundamentales de sus estados ionizados son similares a los del hafnio y muy diferentes a los del plomo . Por lo tanto, se concluyó que las propiedades básicas del rutherfordio se parecerán a las de otros elementos del grupo 4 , por debajo del titanio , el circonio y el hafnio. [70] [84] Algunas de sus propiedades se determinaron mediante experimentos en fase gaseosa y química acuosa. El estado de oxidación +4 es el único estado estable para los dos últimos elementos y, por lo tanto, el rutherfordio también debería exhibir un estado +4 estable. [84] Además, también se espera que el rutherfordio pueda formar un estado +3 menos estable. [2] Se predice que el potencial de reducción estándar del par Rf 4+ /Rf sea superior a −1,7 V. [85]

Las predicciones iniciales de las propiedades químicas del rutherfordio se basaron en cálculos que indicaban que los efectos relativistas sobre la capa electrónica podrían ser lo suficientemente fuertes como para que los orbitales 7p tuvieran un nivel de energía más bajo que los orbitales 6d , lo que le daría una configuración electrónica de valencia de 6d 1 7s 2 7p 1 o incluso 7s 2 7p 2 , lo que haría que el elemento se comporte más como el plomo que como el hafnio. Con mejores métodos de cálculo y estudios experimentales de las propiedades químicas de los compuestos de rutherfordio se podría demostrar que esto no sucede y que, en cambio, el rutherfordio se comporta como el resto de los elementos del grupo 4 . [2] [84] Posteriormente se demostró en cálculos ab initio con un alto nivel de precisión [86] [87] [88] que el átomo de Rf tiene el estado fundamental con la configuración de valencia 6d 2 7s 2 y el estado excitado de baja altitud 6d 1 7s 2 7p 1 con una energía de excitación de solo 0,3–0,5 eV.

De manera análoga al circonio y al hafnio, se prevé que el rutherfordio forme un óxido refractario muy estable, RfO 2 . Reacciona con halógenos para formar tetrahaluros, RfX 4 , que se hidrolizan al contacto con agua para formar oxihaluros RfOX 2 . Los tetrahaluros son sólidos volátiles que existen como moléculas tetraédricas monoméricas en la fase de vapor. [84]

En la fase acuosa, el ion Rf 4+ se hidroliza menos que el titanio (IV) y en una medida similar al circonio y al hafnio, dando lugar así al ion RfO 2+ . El tratamiento de los haluros con iones haluro promueve la formación de iones complejos. El uso de iones cloruro y bromuro produce los complejos de hexahaluro RfCl2−
6y RfBr2−
6. En el caso de los complejos de fluoruro, el circonio y el hafnio tienden a formar complejos hepta y octa. Por lo tanto, para el ion rutherfordio más grande, los complejos RfF2−
6, RfF3−
7y RfF4−
8son posibles. [84]

Física y atómica

Se espera que el rutherfordio sea un sólido en condiciones normales y tenga una estructura cristalina compacta hexagonal ( c / a  = 1,61), similar a su congénere más ligero, el hafnio. [5] Debería ser un metal con una densidad de ~17 g/cm 3 . [3] [4] Se espera que el radio atómico del rutherfordio sea de ~150  pm . Debido a la estabilización relativista del orbital 7s y la desestabilización del orbital 6d, se predice que los iones Rf + y Rf 2+ cedan electrones 6d en lugar de electrones 7s, lo que es lo opuesto al comportamiento de sus homólogos más ligeros. [2] Cuando está bajo alta presión (calculada de diversas formas como 72 o ~50 GPa ), se espera que el rutherfordio haga la transición a una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo ; El hafnio se transforma en esta estructura a 71 ± 1 GPa, pero tiene una estructura ω intermedia a la que se transforma a 38 ± 8 GPa que debería faltar en el rutherfordio. [89]

Química experimental

Fase gaseosa

La estructura tetraédrica de la molécula de RfCl 4

Los primeros trabajos sobre el estudio de la química del rutherfordio se centraron en la termocromatografía de gases y la medición de las curvas de adsorción de la temperatura de deposición relativa. El trabajo inicial se llevó a cabo en Dubna en un intento de reafirmar su descubrimiento del elemento. El trabajo reciente es más fiable en lo que respecta a la identificación de los radioisótopos originales del rutherfordio. El isótopo 261m Rf se ha utilizado para estos estudios, [84] aunque el isótopo de larga vida 267 Rf (producido en la cadena de desintegración de 291 Lv, 287 Fl y 283 Cn) puede ser ventajoso para futuros experimentos. [90] Los experimentos se basaron en la expectativa de que el rutherfordio sería un elemento 6d en el grupo 4 y, por lo tanto, debería formar un tetracloruro molecular volátil, que tendría forma tetraédrica. [84] [91] [92] El cloruro de rutherfordio (IV) es más volátil que su homólogo más ligero, el cloruro de hafnio (IV) (HfCl 4 ), porque sus enlaces son más covalentes . [2]

Una serie de experimentos confirmaron que el rutherfordio se comporta como un miembro típico del grupo 4, formando un cloruro tetravalente (RfCl 4 ) y un bromuro (RfBr 4 ), así como un oxicloruro (RfOCl 2 ). Se observó una volatilidad reducida para el RfCl
4Cuando se proporciona cloruro de potasio como fase sólida en lugar de gas, es muy indicativo de la formación de K no volátil.
2RfCl
6sal mixta. [70] [84] [93]

Fase acuosa

Se espera que el rutherfordio tenga la configuración electrónica [Rn]5f 14 6d 2 7s 2 y, por lo tanto, se comporte como el homólogo más pesado del hafnio en el grupo 4 de la tabla periódica. Por lo tanto, debería formar fácilmente un ion Rf 4+ hidratado en una solución de ácido fuerte y debería formar fácilmente complejos en soluciones de ácido clorhídrico , bromhídrico o fluorhídrico . [84]

Los estudios de química acuosa más concluyentes del rutherfordio han sido realizados por el equipo japonés del Instituto de Investigación de Energía Atómica de Japón utilizando el isótopo 261m Rf. Los experimentos de extracción de soluciones de ácido clorhídrico utilizando isótopos de rutherfordio, hafnio, circonio, así como el elemento pseudogrupo 4 torio han demostrado un comportamiento no actínido para el rutherfordio. Una comparación con sus homólogos más ligeros colocó al rutherfordio firmemente en el grupo 4 e indicó la formación de un complejo de hexaclororutherfordato en soluciones de cloruro, de manera similar al hafnio y el circonio. [84] [94]

261 m
Rf4+
+ 6 cl−
→ [ 261 m RfCl
6]2−

Se observaron resultados muy similares en soluciones de ácido fluorhídrico. Las diferencias en las curvas de extracción se interpretaron como una afinidad más débil por el ion fluoruro y la formación del ion hexafluororutherfordato, mientras que los iones de hafnio y circonio forman complejos con siete u ocho iones fluoruro en las concentraciones utilizadas: [84]

261 m
Rf4+
+ 6 F−
→ [ 261 m de solicitud
6]2−

Los experimentos realizados en soluciones mixtas de ácido sulfúrico y nítrico muestran que el rutherfordio tiene una afinidad mucho más débil para formar complejos de sulfato que el hafnio. Este resultado concuerda con las predicciones, que esperan que los complejos de rutherfordio sean menos estables que los de circonio y hafnio debido a una menor contribución iónica al enlace. Esto surge porque el rutherfordio tiene un radio iónico mayor (76 pm) que el circonio (71 pm) y el hafnio (72 pm), y también debido a la estabilización relativista del orbital 7s y la desestabilización y la división de espín-órbita de los orbitales 6d. [95]

En los experimentos de coprecipitación realizados en 2021 se estudió el comportamiento del rutherfordio en una solución básica que contenía amoníaco o hidróxido de sodio , utilizando circonio, hafnio y torio como comparaciones. Se descubrió que el rutherfordio no se coordina fuertemente con el amoníaco y, en cambio, coprecipita como hidróxido, que probablemente sea Rf(OH) 4 . [96]

Notas

  1. ^ En física nuclear , un elemento se denomina pesado si su número atómico es alto; el plomo (elemento 82) es un ejemplo de dicho elemento pesado. El término "elementos superpesados" se refiere típicamente a elementos con un número atómico mayor que 103 (aunque existen otras definiciones, como número atómico mayor que 100 [11] o 112 ; [12] a veces, el término se presenta como equivalente al término "transactínido", que pone un límite superior antes del comienzo de la serie hipotética de los superactínidos ). [13] Los términos "isótopos pesados" (de un elemento dado) y "núcleos pesados" significan lo que podría entenderse en el lenguaje común: isótopos de alta masa (para el elemento dado) y núcleos de alta masa, respectivamente.
  2. ^ En 2009, un equipo del JINR dirigido por Oganessian publicó los resultados de su intento de crear hassio en una reacción simétrica 136 Xe +  136 Xe. No lograron observar un solo átomo en dicha reacción, lo que puso el límite superior de la sección transversal, la medida de probabilidad de una reacción nuclear, en 2,5  pb . [14] En comparación, la reacción que resultó en el descubrimiento del hassio, 208 Pb + 58 Fe, tuvo una sección transversal de ~20 pb (más específicamente, 19+19
    -11     pb), según lo estimado por los descubridores. [15]
  3. ^ La cantidad de energía aplicada a la partícula del haz para acelerarla también puede influir en el valor de la sección transversal. Por ejemplo, en el28
    14    Si
    +1
    0    norte
    →28
    13    Alabama
    +1
    1    pag
    reacción, la sección transversal cambia suavemente de 370 mb a 12,3 MeV a 160 mb a 18,3 MeV, con un pico amplio a 13,5 MeV con un valor máximo de 380 mb. [19]
  4. ^ Esta cifra también marca el límite superior generalmente aceptado para la vida útil de un núcleo compuesto. [24]
  5. ^ Esta separación se basa en que los núcleos resultantes se mueven más lentamente que los núcleos del haz que no reaccionaron frente al objetivo. El separador contiene campos eléctricos y magnéticos cuyos efectos sobre una partícula en movimiento se cancelan para una velocidad específica de una partícula. [26] Esta separación también puede verse facilitada por una medición del tiempo de vuelo y una medición de la energía de retroceso; una combinación de las dos puede permitir estimar la masa de un núcleo. [27]
  6. ^ No todos los modos de desintegración son causados ​​por la repulsión electrostática. Por ejemplo, la desintegración beta es causada por la interacción débil . [34]
  7. ^ Ya en la década de 1960 se sabía que los estados fundamentales de los núcleos diferían en energía y forma, así como que ciertos números mágicos de nucleones correspondían a una mayor estabilidad de un núcleo. Sin embargo, se suponía que no existía estructura nuclear en los núcleos superpesados, ya que estaban demasiado deformados para formar una. [39]
  8. ^ Dado que la masa de un núcleo no se mide directamente, sino que se calcula a partir de la de otro núcleo, dicha medición se denomina indirecta. También son posibles las mediciones directas, pero en su mayor parte no han estado disponibles para los núcleos superpesados. [44] La primera medición directa de la masa de un núcleo superpesado se informó en 2018 en el LBNL. [45] La masa se determinó a partir de la ubicación de un núcleo después de la transferencia (la ubicación ayuda a determinar su trayectoria, que está vinculada a la relación masa-carga del núcleo, ya que la transferencia se realizó en presencia de un imán). [46]
  9. ^ Si la desintegración se produjo en el vacío, entonces, dado que el momento total de un sistema aislado antes y después de la desintegración debe conservarse , el núcleo hijo también recibiría una pequeña velocidad. La relación de las dos velocidades, y en consecuencia la relación de las energías cinéticas, sería inversa a la relación de las dos masas. La energía de desintegración es igual a la suma de la energía cinética conocida de la partícula alfa y la del núcleo hijo (una fracción exacta de la primera). [35] Los cálculos son válidos también para un experimento, pero la diferencia es que el núcleo no se mueve después de la desintegración porque está ligado al detector.
  10. ^ La fisión espontánea fue descubierta por el físico soviético Georgy Flerov , [47] un científico destacado del JINR, y por lo tanto era un "caballo de batalla" para la instalación. [48] Por el contrario, los científicos del LBL creían que la información sobre la fisión no era suficiente para afirmar la síntesis de un elemento. Creían que la fisión espontánea no había sido estudiada lo suficiente como para usarla para la identificación de un nuevo elemento, ya que existía la dificultad de establecer que un núcleo compuesto solo había expulsado neutrones y no partículas cargadas como protones o partículas alfa. [24] Por lo tanto, prefirieron vincular nuevos isótopos a los ya conocidos mediante desintegraciones alfa sucesivas. [47]
  11. ^ Por ejemplo, el elemento 102 fue identificado erróneamente en 1957 en el Instituto Nobel de Física en Estocolmo , Condado de Estocolmo , Suecia . [49] No hubo afirmaciones definitivas anteriores de creación de este elemento, y el elemento recibió un nombre por sus descubridores suecos, estadounidenses y británicos, nobelio . Más tarde se demostró que la identificación era incorrecta. [50] El año siguiente, RL no pudo reproducir los resultados suecos y anunció en su lugar su síntesis del elemento; esa afirmación también fue refutada más tarde. [50] JINR insistió en que fueron los primeros en crear el elemento y sugirió un nombre propio para el nuevo elemento, joliotio ; [51] el nombre soviético tampoco fue aceptado (JINR más tarde se refirió a la denominación del elemento 102 como "apresurada"). [52] Este nombre fue propuesto a la IUPAC en una respuesta escrita a su decisión sobre la prioridad de las reclamaciones de descubrimiento de elementos, firmada el 29 de septiembre de 1992. [52] El nombre "nobelio" permaneció sin cambios debido a su uso generalizado. [53]
  12. ^ Distintas fuentes proporcionan distintos valores para las vidas medias; se enumeran los valores publicados más recientemente.

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Bibliografía

  • Medios relacionados con Rutherfordio en Wikimedia Commons
  • Rutherfordio en la Tabla Periódica de Vídeos (Universidad de Nottingham)
  • WebElements.com – Rutherfordium

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