鍩

鍩，是一種人工合成的化學元素，其化學符號為，原子序數為102，是第十個超鈾元素及倒數第二個錒系元素，為一種具極高放射性的金屬元素，其壽命最長的同位素鍩-259的半衰期僅58分鐘，而化學上最常使用的是可被較大規模製造的鍩-255，鍩無法透過中子捕獲生成，只能在粒子加速器中，由粒子撞擊較輕之元素生成。由於鍩無法大量生產且其所有同位素的半衰期都很短，目前在基礎科學研究之外沒有任何用途。化學實驗確認了鍩在元素週期表中表現為鐿的較重。鍩的化學性質並沒有被完全瞭解；大部分已知的化學性質是在水溶液中表現出的。有別於其他重錒系元素，氧化數為+2的鍩在水溶液中遠較+3態穩定，且氧化數為+3的鍩不容易被儲存，和鍩被發現之前科學家預測的結果相符。鍩也是所有鑭系及錒系元素中，唯一一個以+2價為最常見、最穩定氧化態的元素。鍩是以炸藥發明者及科學貢獻者瑞典人阿佛烈·諾貝爾命名。在西元1950年至1960年代間，許多來自瑞典、前蘇聯及美國的實驗室都宣稱發現了鍩。瑞典的科學家不久後撤回了他們的宣稱，而發現的順序以及元素的命名在前蘇聯以及美國的科學家之間起了爭論。直到1997年，國際純化學和應用化學聯合會(IUPAC)將元素的發現歸功於前蘇聯，但因鍩的名稱已被長期使用而保留了瑞典的命名。歷史.102號元素的發現是一個複雜的過程，而來自瑞典、美國與蘇聯的團體皆聲稱最早發現它。而關於102號元素的第一篇完整淺且精確的檢驗報告則在1966年來自杜布納聯合原子核研究所 ( Joint Institute of Nuclear Research at Dubna)。1957年瑞典諾貝爾研究所的物理學家第一次宣佈了102號元素的發現。研究小組報告說，他們每隔半小時用碳-13撞擊一個鋦-96原子，並持續了二十五小時。標靶在兩次撞擊間進行離子交換反應。50次的撞擊中有12次包含了會發光並有發出8.5±0.1百萬電子伏特的α粒子的樣品。觀測到的半衰期為10分鐘，並且被認為是鍩-251或是鍩-253的。不過α粒子也可能來自於一個由102號元素電子補捉而產生、短壽命的鍆同位素。該團隊提出鍩(No)作為102號元素的名稱，並立即由IUPAC批准。杜布納團隊於1968年表示此舉是倉促的。隔年，勞倫斯柏克萊國家實驗室的科學家重複實驗但無法找到任何不能以背景效應解釋的8.5 MeV偵測結果。1959年，瑞典團隊試圖解釋柏克萊團隊在1958年為何無法發現102號元素，並堅持認為他們(瑞典團隊)確實發現了它。不過，後來的實驗顯示：任何比鍩-259輕的同位素，半衰期皆小於三分鐘，而瑞典團隊的結果很可能來自釷-225，釷-225具有8分鐘的半衰期，並會迅速經歷三重α衰變產生衰變能為8.53612MeV的釙-213。由於釷-225在所用反應中很容易產生，並且不會被其所用的化學方法分離出來，因此這個假設很有利。後來關於鍩的研究也表明，二價狀態比三價狀態更穩定，因此發射α粒子的樣品不能含有鍩，因為二價的鍩元素不會被其他三價錒系元素分離。因此，瑞典團隊後來撤回了他們的聲稱，並將成果與背景效應聯絡起來。由艾伯特·吉奧索、格倫·西奧多·西博格、John R. Walton和Torbjørn Sikkeland組成的伯克利團隊於1958年宣稱合成102元素。該團隊使用新的重離子直線加速器也可能在反應中以所用能量形成。由此可知，很可能在該實驗中沒有實際產生鍩。1959年，該團隊繼續他們的研究並聲稱他們能夠產生一種同位素，該同位素主要透過發射8.3 MeV的α粒子而衰變，半衰期為3秒，伴隨著30％的自發裂變分支。此結果在當實被認為由鍩-254產生，不過後來改為鍩-253。但是，他們也指出，由於條件困難，不能確定是否有製造出鍩。而伯克利團隊決定採用瑞典團隊提出的“nobelium”作為元素的名稱，作為對他們的尊重。+ → → + 4 n同時，在杜布納，合成102號元素的實驗在於1958年以及1960年進行。1958年進行的第一次實驗用氧-16撞擊鈽-239和鈽-241，觀察到一些能量稍微超過8.5 MeV的α衰變，並且它們被認為是251,252,253 102造成的結果，儘管該團隊也說該同位素不能排除是由鉛或鉍雜質所產生的MeV，但兩個值都太高而不能對應到鍩-253或鍩-254的(8.5±0.1) MeV。杜布納團隊後來在1970年和1987年再次說明這些結果是沒有定論的。伯克利團隊於1961年宣稱在鉲、硼與碳離子的反應中發現了103號元素。他們宣稱製造出了同位素鍩-257，同時也聲稱合成了102號元素的α衰變同位素，而該同位素擁有15秒的半衰期以及8.2 MeV的α衰變能量。它們認為此粒子為鍩-255，而沒有給出理由。這些數值並不符合現在已知鍩-255的數值，但符合鍩-257，而雖然這個同位素也許有出現在這個實驗中，但當時並沒有明確的確認它的產生。杜布納於1964年的實驗中，將鈾-238靶與氖離子的反應合成出102號元素，並檢測元素102同位素的α衰變子體。生成物沿著銀製捕捉箔運送並以化學方式純化，而檢測到鐨-250以及鐨-252。由於鐨-252的產生，其母體鍩-256也被認為有被合成出來。而鐨-252也可在這個反應中，由同時發射具有多餘中子的α粒子的反應中直接被製造出來，因此科學家採取了步驟，確保鐨-252不能直接進入銀製捕捉箔中。那時檢測到鍩-256的半衰期為8秒，遠小於更近代、1967年所測的(3.2 ± 0.2)秒。進一步的實驗於1966年進行，利用鋂-243(氮-15,4n)鍩-254與鈾-238(氖-22,6n)鍩-254的反應，測得鍩-254的半衰期為(50±10)秒。在當時，這個數值與更早的柏克利資料之間的差異並沒有被瞭解，然而後來的實驗證明瞭在杜布納實驗中，異構體250mFm的生成機率小於柏克利實驗。事後，杜布納的實驗結果應是正確的，而可視為發現元素102的結論性實驗。杜布納另一個非常具有信服力的實驗於1966年發表，同樣利用了兩個反應，結論為：鍩-254的半衰期確實遠超過柏克利實驗的3秒。柏克利於1967年以及橡樹嶺國家實驗室於1971年進行的晚期實驗完整的確認了102號元素的存在，也確認了早期的觀測。柏克利團隊於1966年12月重複了杜布納的實驗，完整確認了這些實驗，並且利用這些資料分配了他們之前就已經合成、但當時無法識別的同位素，並聲稱於1958年至1961年間發現了鍩。+ → → + 6 n1969年，杜布納團隊進行化學實驗，確認了鍩表現為鐿的較重同類物。俄羅斯的科學家將此元素命名為joliotium(符號為Jo)，以紀念過世不久的科學家伊雷娜·約裡奧·居禮(Irène Joliot-Curie)。這造成了持續幾十年的元素命名爭議，而不同的團隊各自使用自己命的名稱。於1992年，IUPAC以及國際純粹與應用物理學聯合會(IUPAP)的超鐨工作小組(Transfermium Working Group,TWG)重新審查了有關發現該元素的聲稱，並總結了只有杜布納於1966進行的實驗正確的檢測並指出衰變後原子序為102的原子核。因此，杜布納團隊正式的被視為鍩的發現者，儘管鍩可能於1959年就被柏克利的團隊偵測到。柏克利於次年批評了這項決定，並指出重新審理101~103號元素「無用而浪費時間」。另一方面，杜布納認同了IUPAC的決定。1994年，IUPAC批准了一個嘗試解決元素命名爭議的方案，公佈了102號至109號元素的英文名稱。其中102號元素被命名為Nobelium，因為這個名稱在三十年間已被廣泛使用，而也應以這個方式紀念阿佛烈·諾貝爾。由於1994年的命名大多不尊重發現者，引來了強烈的抗議，IUPAC於是在事後設定了一段評論期。而在1995年，IUPAC在一個新的計畫中將元素102命名為flerovium(符號Fl)，以紀念前蘇聯核物理學家格奧爾基·佛雷洛夫(--)以及和他名稱相同的佛雷洛夫原子反應實驗室。這個計畫未被接受，現在flerovium成了第114號元素的英文名稱。鑒於國際上對104至107號元素名均存在較大分歧，1997年8月27日IUPAC正式對101至109號元素重新英文定名，其中恢復了102號元素「Nobelium」的名稱，全國科學技術名詞化學名詞審定委員會據此於1998年7月8日重新審定、公佈101至109號元素的中文命名，其中101號至103號元素仍使用原有的中文定名「鍆」。性質.物理性質.鍩於週期表當中的左右方分別為錒系的鍆與鐒，而上方為鑭系的鐿。目前還沒有辦法大量製備鍩金屬。然而，科學家已對關於鍩的性質做出許多預測以及一些初步的實驗結果。鑭系元素與錒系元素於金屬態下，可以二價，金屬鍩應呈現為面心立方體結構。二價金屬鍩的原子半徑應大約為197皮米。鍩的熔點預測為827°C，與相鄰的鍆之預測數值相同。它的密度預計為9.9±0.4g/cm2。化學性質.科學家對鍩化學性質的瞭解只有其在水溶液中的特性。鍩於水溶液中的氧化數可為+3或+2，其中後者較穩定。在鍩被發現之前，科學家們預測鍩在溶液中會如同其他大部分錒系金屬一樣以+3價為較穩定的氧化態。但在1949年時，西博格預測+2價應為鍩的另一穩定態，理由為No2+的電子組態為[Rn]5f14，而其5f14殼層十分穩定。這項預測在十九年後才被證實。比較鍩和鋱、鉲、鐨的化學性質的實驗於1967年進行。實驗中將這四種元素和氯反應並將產物留下，結果發現鍩的氯化物會強力的吸附在固體表面上，這顯示了它的揮發性不高，如同實驗中另外三種元素的氯化物。然而，NoCl2以及NoCl3皆被預測為不易揮發的化合物，因此此實驗無法得知鍩較常見的氧化態為何。鍩在+2價下的穩定度要到了隔年的實驗才被確認，在該實驗中，使用了離子交換層析法和共沉澱法對約五千個255No原子進行實驗。結果發現，鍩的行為與二價的鹼土金屬較為相似，而與其他錒系元素表現不同。這證明瞭在水溶液中，當沒有強氧化劑時，二價態為鍩最穩定的狀態。後來於1974年的實驗中顯示鍩與鈣離子至鍶離子間的鹼土金屬溶析。鍩是內過渡元素中唯一一個在水溶液中，+2價為最常見、最穩定氧化態的元素，而這是因為錒系末段5f與6d軌域間較大的能量差。"E"°(No3++→No2+) 的標準還原電位在1967年被估計介於+1.4 到 +1.5 V之間，後來在2009年的實驗發現只有+0.75 V。此大於0的值顯示No2+較No3+穩定且No3+為一好的氧化劑。"E"°(No2+→No0) 和"E"°(No3+→No0) 被廣泛接受的還原電位值分別為−2.61和−1.26 V。"E"°(No4+→No3+)則被估計為+6.5 V。No3+ 和 No2+ 生成的吉布斯自由能估計為−342以及−480 千焦/莫耳。原子性質.鍩原子有102顆電子，其中有3顆為價電子。 它們的排列方式預測為[Rn]5f147s2(基態能項符號為1S0)，不過到2006年為止，此組態並沒有被實驗確認。在形成化合物時，三個價電子可以全部失去，留下一個[Rn]5f13的內層，這符合了其他錒系元素在3+態時的[Rn]5f"n"組態。然而，其更有可能指失去兩顆價電子，留下穩定、擁有全填滿5f14層的[Rn]5f14內層。鍩的第一遊離能在1974年時根據7s電子會比5s電子先解離的推測，測為(6.65 ± 0.07) 電子伏特，而由於鍩的高度放射性和稀少性，此數值並沒有再度被驗證。1978年時初步估計配位數為6和8的No3+離子半徑分別約為90和102皮米；由實驗得知No2+離子半徑為100皮米(到兩位有效數字)。計算得出No2+的水合熱為1486kJ/mol。同位素.鍩的已知同位素共有十二個，質量數分別為250-260和262，三個同核異構體質量數則分別為251、253、254。所有鍩同位素都具有極高的放射性，半衰期很短，非常不穩定。其中壽命最長的同位素和同核異構體分別為259No。半衰期為3.1分鐘的255No因為可透過鉲和碳反應製得而較常用於化學實驗。除了259No和255No，其餘半衰期超過一秒的鍩同位素有253No、254No、257No、256No和252No。半衰期最短的同位素則為250No，約0.25毫秒。製備與純化.鍩的同位素大多以轟擊錒系元素標靶。以每秒3兆個73百萬電子伏特的碳-12離子照射350μg cm−2 的鉲-249標靶於十分鐘內可產出大約1200個鍩-255原子。一旦成功做出了鍩-255，便可使用類似於用於分離鄰近錒系元素的方式將其分離出來。鍩-255的反沖的動量會使它們遠離標靶，並將它們帶到標靶後面的金屬箔，鍩將透過色譜柱並分離，而其他三價錒系元素將留在色譜柱上。然而，如果使用金箔，因為以色譜層析柱分離出鍩前須使用陰離子交換色譜法分離出金，所以該過程將會變得複雜。