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新研究引发化学周期表位置之争

时间: 2015年04月13日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
关于铹在周期表中到底应当处于什么位置的争论已经持续了十年之久,而最近关于它的化学实验又将这一争论推上风口浪尖。
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物理学家测量了铹原子失去一个电子的难易程度。铹元素是第103号元素,位于周期表中f区的末尾。

 

对铹(lawrencium)这一人工放射性元素的最新测量可能会再次引发关于这个元素到底位于周期表中哪个位置的争论,甚至关系到周期表本身的结构问题。

 

一个由物理学家与化学家组成的国际研究团队在Nature上发文表明,铹(103号元素)原子失去一个电子所需的能量非常之小。因为这种放射性元素在自然中并不存在,只能通过人工合成得到极少一点,能够存在的时间也不超过几秒钟,所以这一测量堪称化学领域内的杰作。

 

铹(Lawrencium)的命名来自于发明了回旋加速器的物理学家Ernest Lawrence,它是到现在为止我们可以测量第一电离能的最重的元素。所谓第一电离能,就是原子失去最外层一个电子变成离子所需要的能量。测量第一电离能有助于研究者了解原子的化学性质,但到之前为止,科学家最多只能测量99号元素锿(einsteinium)的第一电离能。

 

超重原子

首次制造出铹元素的是来自位于日本东海的日本原子能机构(JAEA)的研究者。他们将硼原子打到锎(californium)原子的靶上(锎原子本身也是人工同位素),每几秒钟就可以制造出一个铹-256原子,它有103个质子和153个中子,半衰期约为27秒。

 

研究人员用碘化镉的喷雾捕捉到了这些原子,并沉积在加热到2700K的金属表面上。表面这么高的温度足以让原子最外层一个电子脱离,数出有多少个原子按这种方式电离了就能得到电离所需的能量——而根据JAEA的化学家Tetsuya Sato,这个能量出乎意料地低,仅为4.96电子伏特。这是周期表中第一电离能第5低的原子。

 

实验显示,铹的最外层电子被束缚得很松,跟周期表最左一栏的元素(如钠和钾)类似,这也与文章的共同作者、以色列特拉维夫大学(Tel Aviv University)研究者的理论预测相符合。这意味着,铹元素到底该处于周期表的什么位置,似乎又要引起一番争论。

 

锕系元素之争

周期表被分成不同的栏与分区,是为了描述元素的最外层电子排布。元素被分为s区、p区、d区和f区,这是根据电子轨道的不同类型而命名的。电子轨道就是电子围绕着原子核最有可能占据的一片“云”一样的区域,可以通过量子力学计算出来,s轨道呈圆形,p轨道成哑铃状,其他轨道就更加复杂了。元素失去与得到最外层电子的难易,标志着该元素的化学反应活性——这就是为什么周期表中同一竖栏的元素化学性质往往类似的原因。

 

有些化学家认为铹元素(与它正上方的镥,lutetium)的化学性质与周期表d区最左侧的钪和钇相似,因此应该把它放在钪和钇的下面,但大多数标准的周期表并没有这么做:它们将铹放在镧系和锕系两列元素的最后。镧系和锕系共包含两行、共30个元素,大多数周期表将这两行元素作为附件放在整个表的底部。而其他的一些周期表,包括化学界最权威的学会,国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)官方提供的周期表,则认为整个f区(即镧系和锕系元素)都应当隶属于钪和钇下方的两个位置,完全是d区的一部分。

 

不管d区和f区之争如何,实验和数值模拟都显示铹原子的最外层电子占据的是哑铃形的p轨道。课本上可能会讲这一元素的p轨道未被占据,但因为铹的内层电子运动很快,接近光速,狭义相对论产生的层叠效应使该p轨道能量降低。在其他的超重元素,例如钅喜(seaborgium)上也发现了类似的效应。

 

f区还是d区?

这篇Nature论文的作者认为,他们的研究确认了铹元素属于f区中的锕系:“如此低的电离势完美地支持了这一想法,”Matthias Schädel说。在于上周退休之前,他一直领导着JAEA的超重原子研究小组。从20世纪80年代开始,他就投身于证明铹元素与f区元素性质相似的前沿实验中了。

 

但美国辛辛那提大学的William Jensen则认为该实验结果推出的结论恰恰相反:他指出,大多数锕系元素的第一电离能都比它们上方的镧系元素高,但铹的第一电离能却比它上方的镥要低,这与其他的锕系元素都不同,更像是d区元素。在发表于3月21日的《化学基础》(Foundations of Chemistry)杂志中,他详尽阐述了将铹放到d区的理由。

 

Sato觉得他的团队计算出来的第一电离能,既不能证明铹应该在f区,也不能证明应该在d区。IUPAC无机化学部的主席Jan Reedijk也表示,IUPAC对镥和铹的分区暂时还没有官方的意见。刚刚发表的这篇论文,可能会帮助大家重拾对这个问题的讨论,他也补充说,在今年夏天举行的国际会议中,IUPAC可能也会把这个问题加入议题之中。

 

Jensen说,许多在实验室埋头搬砖的化学家甚至都没有意识到这个问题,但这是不对的。身为化学家,关注化学元素周期表是否正确和一致是应该做的事。(作者:Davide Castelvecchi,翻译:丁家琦)

 

原文链接:

http://www.nature.com/news/exotic-atom-struggles-to-find-its-place-in-the-periodic-table-1.17275

 

Nature论文链接(点击跳转可查看全文):http://www.nature.com/nature/journal/v520/n7546/full/nature14342.html

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