우누넨늄

우누넨늄은 에카-프랑슘 또는 119번 원소로도 불리는 가상 원소이다. 기호는 Uue이고 원자 번호는 119이다. 우누넨늄과 Uue는 원소가 발견, 확인되고 영구적인 이름이 결정될 때까지 사용되는 임시 IUPAC 체계적 이름 및 기호이다. 원소의 주기율표에서 s-구역 원소, 알칼리 금속이며 8주기에서 첫 번째 원소가 될 것으로 예상된다. 아직 합성되지 않은 가장 가벼운 원소이다.

2018년부터 일본 이화학연구소에서 이 원소를 합성하려는 시도가 진행 중이다. 러시아 두브나의 합동원자핵연구소는 언젠가 시도할 계획이지만, 정확한 날짜는 공개되지 않았다. 중국 란저우시의 중이온 연구 시설(HIRFL)도 시도할 계획이다. 이론적 및 실험적 증거에 따르면 우누넨늄의 합성은 이전 원소보다 훨씬 더 어렵다고 추정된다.

우누넨늄은 일곱 번째 알칼리 금속인데 이는 우투넨늄이 더 가벼운 동족체와 유사한 성질을 가질 것임을 시사한다. 그러나 상대론적 효과로 인해 일부 성질은 주기적 경향을 단순히 적용하여 예상되는 것과 다를 수 있다. 예를 들어, 우누넨늄은 세슘과 프랑슘보다 반응성이 낮고 칼륨 또는 루비듐에 더 가까운 행동을 보일 것으로 예상되며, 알칼리 금속의 특징적인 +1 산화수를 보일 것이지만, 다른 알칼리 금속에서는 알려지지 않은 +3 및 +5 산화수도 나타낼 것으로 예측된다.

 서론 

 역사 
 합성 시도 

114번 플레로븀에서 118번 오가네손까지는 러시아 두브나의 합동원자핵연구소(JINR)에서 고온 융합 반응으로 발견되었다. 여기에는 플루토늄부터 캘리포늄까지의 악티늄족을 준안정 중성자-풍부 동위원소인 칼슘-48로 폭격하여 더 많은 중성자-풍부 초악티늄족 원소 동위원소를 생성하는 것이 포함되었다. ('고온'이라는 용어는 결과적으로 생성되는 복합 핵의 높은 들뜬 에너지를 의미한다.) 이것은 다음 악티늄족인 아인슈타이늄을 표적으로 삼아야 하므로 119번 원소까지 쉽게 이어질 수 없다. 성공할 가능성을 높이려면 수십 밀리그램의 아인슈타이늄이 필요하지만, 지금까지는 마이크로그램 수준만 생산되었다. 1985년 캘리포니아 버클리에 있는 슈퍼HILAC 가속기에서 칼슘-48과 1마이크로그램 미만의 아인슈타이늄으로 119번 원소를 만들려는 시도가 있었으나 성공하지 못했다.
 + → * → 원자 없음

더 무거운 초중원소의 실용적인 생산을 위해서는 Ca보다 무거운 투사체가 필요하지만, 이렇게 하면 반응이 더 대칭적이 되어 성공 확률이 낮아진다. 119번 원소를 합성하려는 시도는 생산 반응의 단면적 감소와 생성된 동위원소의 아마도 짧은 반감기로 인해 현재 기술의 한계를 넘어서고 있으며, 반감기는 마이크로초 단위로 예상된다.

2012년 4월부터 9월까지 독일 다름슈타트의 GSI 헬름홀츠 중이온 연구소에서 버클륨-249 표적에 타이타늄-50 빔을 충돌시켜 Uue와 Uue를 합성하려는 시도가 있었다. Bk와 Ti 사이의 이 반응은 119번 원소 형성을 위한 가장 유리한 실용적인 반응으로 예측되었는데, 이는 가능한 반응 중 가장 비대칭적인 반응이기 때문이다. 더욱이 버클륨-249가 짧은 반감기인 327일로 캘리포늄-249(다음 원소)로 붕괴하기 때문에, 119번 원소와 120번 원소를 동시에 탐색할 수 있었다. 예측된 짧은 반감기 때문에 GSI 팀은 마이크로초 내에 붕괴 현상을 기록할 수 있는 새로운 고속 전자를 사용했다.
 + → * → 원자 없음
 + → * → 원자 없음
119번 원소도 120번 원소도 관찰되지 않았다. 이 실험은 원래 2012년 11월까지 계속될 예정이었으나, 테네신 합성 확인을 위해 Bk 표적을 사용하기 위해 일찍 중단되었다(따라서 투사체를 Ca로 변경했다).

섬네일|이화학연구소가 119번 원소를 찾기 위해 사용한 퀴륨 산화물 표적
일본 와코시의 이화학연구소 팀은 2018년 1월부터 퀴륨-248 표적에 바나듐-51 빔을 충돌시켜 119번 원소를 탐색하기 시작했다. 퀴륨은 더 무거운 버클륨이나 캘리포늄보다 표적 준비가 어렵기 때문에 이들을 대신하여 선택되었다. Cm 표적은 오크리지 국립연구소에서 제공되었다. 이화학연구소는 고강도 바나듐 빔을 개발했다. 실험은 이화학연구소가 선형 가속기를 업그레이드하는 동안 사이클로트론에서 시작되었으며, 업그레이드는 2020년에 완료되었다. 첫 번째 사건이 관찰될 때까지 두 기계로 충격을 계속할 수 있다. 이화학연구소 팀의 노력은 일본 천황의 자금 지원을 받고 있다.

 + → * → 아직 원자 없음

생성된 우누넨늄 동위원소는 각각 두 번의 알파 붕괴를 거쳐 알려진 모스코븀 동위원소인 Mc와 Mc로 변할 것으로 예상된다. 이는 각각 알려진 5~6번의 알파 붕괴 시퀀스에 고정되어 그 생성을 입증할 것이다.

2023년 9월 현재, 이화학연구소 팀은 Cm+V 반응을 462일 동안 수행했다. 이화학연구소 니시나 센터 자문 위원회의 보고서는 Bk+Ti 반응이 유리하다는 예측에도 불구하고 표적 및 투사체 물질의 가용성 때문에 이 반응이 선택되었다고 언급했다. 이는 Ti 투사체가 이중 마법 핵인 Ca에 더 가깝고 짝수 원자 번호(22)를 가지기 때문이다. 짝수 Z 투사체와의 반응은 일반적으로 더 큰 단면적을 가지는 것으로 나타났다. 보고서는 아무런 현상이 관찰되지 않고 5 fb 단면적 한계에 도달하면 팀이 "추가 빔 시간을 사용하기 전에 실험 전략을 평가하고 궁극적으로 재고해야 한다"고 권고했다. 2024년 8월 현재, 이화학연구소 팀은 여전히 이 반응을 '24/7'으로 수행하고 있다.

합동원자핵연구소(JINR) 팀은 미래에 119번 원소 합성을 시도할 계획이지만, 정확한 시기는 공개되지 않았다. 2023년 말, 합동원자핵연구소는 Ca보다 무거운 투사체로 초중원소를 성공적으로 합성한 첫 번째 사례를 보고했다: U에 Cr을 충돌시켜 리버모륨(116번 원소)의 새로운 동위원소인 Lv를 만들었다. 이 실험에서 초중 핵종의 성공적인 합성은 예상외로 좋은 결과였다. 목표는 Cr 투사체와의 반응 단면적을 실험적으로 결정하고 120번 원소의 합성을 준비하는 것이었다. 합동원자핵연구소는 또한 동일한 투사체로 119번 원소를 합성하려는 미래의 시도를 언급했는데, Am에 Cr을 충돌시키는 방식이다. 중국과학원 현대물리연구소 (IMP)에서 운영하는 란저우시의 중이온 연구 시설 (HIRFL) 팀도 Am+Cr 반응을 시도할 계획이다.

 명명 
멘델레예프의 명명법을 사용하면, 우누넨늄은 에카-프랑슘으로 알려져야 한다. 1979년 IUPAC 권고에 따르면, 이 원소는 발견, 확인 및 영구적인 이름이 결정될 때까지 임시적으로 우누넨늄(기호 Uue)으로 불려야 한다. 화학 교실부터 고급 교과서에 이르기까지 모든 수준에서 화학계에 널리 사용되지만, 이 권고는 초중원소를 이론적으로 또는 실험적으로 연구하는 과학자들 사이에서는 대부분 무시되며, 그들은 이를 '119번 원소', 기호 E119, (119) 또는 119로 부른다.

 예측된 성질 

 핵 안정성 및 동위원소 
center|섬네일|alt=좌하단에서 우상단으로 이어지는 검은색과 흰색 셀로 색칠된 2D 그래프로, 셀은 우상단에 가까워질수록 밝아진다.|2010년 두브나 팀이 사용한 핵종 안정성 차트. 경계가 있는 핵종은 확인된 동위원소를 나타낸다. 118번 원소(오가네손, 마지막으로 알려진 원소)를 넘어, 알려진 핵종의 선은 불안정성 영역으로 빠르게 진입할 것으로 예상되며, 121번 원소 이후에는 1마이크로초를 초과하는 반감기가 없다. 흰색 고리는 예측된 안정성의 섬 위치를 둘러싸고 있다.|400x400px

class=skin-invert-image|섬네일|right|upright=1.2|높은 방위 양자수를 가진 오비탈은 에너지가 증가하여, 이 효과를 고려하지 않은 왼쪽 다이어그램에서 114번 원소의 닫힌 양성자 껍질에 해당하는 오비탈 에너지 갭이 사라진다. 이는 다음 양성자 껍질을 120번 원소 근처의 영역으로 올리며, 오른쪽 다이어그램에 표시된 것처럼 119번 및 120번 원소 동위원소의 반감기를 증가시킬 가능성이 있다.
핵의 안정성은 원자 번호가 96번인 퀴륨 이후 크게 감소하며, 퀴륨의 반감기는 현재 알려진 더 높은 번호의 어떤 원소보다도 4배 더 길다. 101번 이상의 원자 번호를 가진 모든 동위원소는 30시간 미만의 반감기로 방사성 붕괴를 겪는다. 82번(납 이후) 이상의 원자 번호를 가진 원소는 안정 동위원소가 없다. 그럼에도 불구하고, 아직 잘 이해되지 않은 이유로, 110번에서 114번 사이의 원자 번호에서 핵 안정성이 약간 증가하며, 이는 핵물리학에서 '안정성의 섬'이라고 알려진 현상을 초래한다. 캘리포니아 대학교 버클리 교수 글렌 T. 시보그가 제안한 이 개념은 초중원소가 예측보다 오래 지속되는 이유를 설명한다.

291–307Uue의 예측된 알파 붕괴 반감기는 마이크로초 단위이다. 가장 긴 알파 붕괴 반감기는 294Uue의 경우 약 485 마이크로초이다. 모든 붕괴 모드를 고려하면, 예측된 반감기는 수십 마이크로초로 더욱 짧아진다. 일부 더 무거운 동위원소는 더 안정적일 수 있다. Fricke와 Waber는 1971년에 315Uue가 가장 안정적인 우누넨늄 동위원소라고 예측했다. 이는 우누넨늄 합성에 영향을 미치는데, 1마이크로초 미만의 반감기를 가진 동위원소는 검출기에 도달하기 전에 붕괴할 것이고, 더 무거운 동위원소는 알려진 사용 가능한 표적과 투사체 핵의 충돌로 합성될 수 없기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 새로운 이론적 모델들은 양성자 오비탈 2f7/2 (114번 원소에서 채워짐)와 2f5/2 (120번 원소에서 채워짐) 사이의 예상 에너지 갭이 예상보다 작아서 114번 원소가 더 이상 안정적인 구형 닫힌 핵 껍질로 나타나지 않으며, 이 에너지 갭이 119번 및 120번 원소의 안정성을 증가시킬 수 있음을 보여준다. 다음 이중 마법 핵은 이제 구형 306Ubb (122번 원소) 근처일 것으로 예상되지만, 이 핵종의 예상되는 낮은 반감기와 낮은 생산 단면적으로 인해 합성이 어렵다.

가까운 미래에 합성될 가능성이 가장 높은 우누넨늄 동위원소는 293Uue에서 296Uue까지인데, 이들은 243Am+48Cr 및 249Bk+50Ti 반응의 3n 및 4n 채널에서 생성되기 때문이다.

 원자 및 물리적 성질 
최초의 8주기 원소인 우누넨늄은 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프랑슘 아래의 주기율표에 위치하는 알칼리 금속으로 예측된다. 이들 각 원소는 가장 바깥쪽 s-오비탈에 하나의 원자가 전자를 가지며(원자가 전자 배열 ns1), 이는 화학 반응에서 쉽게 떨어져 나가 +1 산화수를 형성한다. 따라서 알칼리 금속은 매우 반응성이 높은 원소이다. 우누넨늄은 이러한 경향을 이어받아 8s1의 원자가 전자 배열을 가질 것으로 예측된다. 따라서 더 가벼운 동족체와 매우 유사하게 행동할 것으로 예상되지만, 일부 성질에서는 더 가벼운 알칼리 금속과 다를 것으로 예측된다.

우누넨늄과 다른 알칼리 금속 사이의 예측된 차이의 주요 원인은 스핀-궤도 상호작용(SO 상호작용)이다. 이는 전자의 운동과 스핀 사이의 상호작용이다. SO 상호작용은 초중원소의 경우 특히 강한데, 이는 전자가 더 가벼운 원자의 전자보다 더 빠르게 움직이며, 빛의 속력과 비슷한 속도로 움직이기 때문이다. 우누넨늄 원자에서 SO 상호작용은 7p 및 8s 전자 에너지 준위를 낮추어 해당 전자를 안정화시키지만, 7p 전자 에너지 준위 중 두 개는 다른 네 개보다 더 안정화된다. 이 효과는 부껍질 분리라고 불리는데, 이는 7p 부껍질을 더 안정화된 부분과 덜 안정화된 부분으로 나눈다. 계산 화학자들은 이 분리를 두 번째 방위 양자수 ℓ이 1에서 7p 부껍질의 더 안정화된 부분은 로, 덜 안정화된 부분은 로 변하는 것으로 이해한다. 따라서 우누넨늄의 바깥쪽 8s 전자는 안정화되어 예상보다 제거하기 어려워지는 반면, 7p3/2 전자는 그에 따라 불안정화되어 화학 반응에 참여할 수 있게 될 수도 있다. 이 가장 바깥쪽 s-오비탈의 안정화(프랑슘에서 이미 상당함)는 우누넨늄의 화학에 영향을 미치는 핵심 요소이며, 알칼리 금속의 원자 및 분자 특성 경향이 세슘 이후 역전되도록 한다.

바깥쪽 8s 전자의 안정화로 인해 우누넨늄의 첫 번째 이온화 에너지(중성 원자에서 전자를 제거하는 데 필요한 에너지)는 4.53 eV로 예측되며, 칼륨 이후의 알려진 알칼리 금속보다 높다. 이 효과는 매우 커서 운비우늄(121번 원소)은 4.45 eV의 더 낮은 이온화 에너지를 가질 것으로 예측되므로, 8주기의 알칼리 금속은 이전 모든 주기에서와 같이 주기에서 가장 낮은 이온화 에너지를 가지지 않을 것이다. 우누넨늄의 전자 친화도는 세슘과 프랑슘보다 훨씬 클 것으로 예상된다. 실제로 우누넨늄은 약 0.662 eV로 자신보다 가벼운 모든 알칼리 금속보다 높은 전자 친화도를 가질 것으로 예상되며, 이는 코발트 (0.662 eV)와 크로뮴 (0.676 eV)의 전자 친화도와 가깝다. 상대론적 효과는 또한 우누넨늄의 편극률을 크게 감소시켜 169.7 a.u.로 만든다. 실제로 우누넨늄의 정적 쌍극자 편극률(αD)은 원자 번호 제곱에 비례하는 상대성 효과의 영향을 받는 양으로, 작고 나트륨과 유사한 것으로 계산되었다.

수소 유사 우누넨늄 원자의 전자, 즉 하나의 전자만 남도록 산화된 Uue118+는 매우 빠르게 움직여 정지된 전자의 1.99배 질량을 가질 것으로 예측되며, 이는 상대론적 효과의 결과이다. 비교를 위해 수소 유사 프랑슘의 수치는 1.29이고 수소 유사 세슘의 수치는 1.091이다. 상대론 법칙의 단순한 외삽에 따르면, 이는 간접적으로 원자 반지름의 수축을 약 240 pm으로 나타내며, 이는 루비듐(247 pm)의 원자 반지름과 매우 가깝다. 금속 반지름 또한 그에 따라 260 pm으로 낮아진다. Uue+의 이온 반지름은 180 pm일 것으로 예상된다.

우누넨늄은 0 °C에서 30 °C 사이의 녹는점을 가질 것으로 예측된다. 따라서 실온에서 액체일 수 있다. 이것이 그룹 아래로 내려갈수록 녹는점이 감소하는 경향을 이어가는지는 알려져 있지 않다. 세슘의 녹는점은 28.5 °C이고 프랑슘의 녹는점은 약 8.0 °C로 추정된다. 우누넨늄의 끓는점은 약 630 °C로 예상되며, 프랑슘의 추정 끓는점인 약 620 °C와 유사하다. 이는 세슘의 끓는점인 671 °C보다 낮다. 우누넨늄의 밀도는 3~4 g/cm3 사이로 다양하게 예측되었으며, 그룹 아래로 갈수록 밀도가 증가하는 경향을 이어간다. 프랑슘의 밀도는 2.48 g/cm3로 추정되며, 세슘의 밀도는 1.93 g/cm3로 알려져 있다.

 화학적 성질 

우누넨늄의 화학은 알칼리 금속과 유사할 것으로 예측되지만, 세슘이나 프랑슘보다는 아마도 칼륨 또는 루비듐처럼 행동할 것이다. 이는 상대론적 효과 때문인데, 이러한 효과가 없다면 주기적 성질은 우누넨늄이 세슘과 프랑슘보다 훨씬 더 반응성이 높을 것이라고 예측할 것이다. 이 감소된 반응성은 우누넨늄의 원자가 전자의 상대론적 안정화로 인해 우누넨늄의 첫 번째 이온화 에너지가 증가하고 금속 반지름과 이온 반지름이 감소하기 때문이다. 이 효과는 프랑슘에서도 이미 관찰된다.

+1 산화 상태에서의 우누넨늄의 화학은 프랑슘의 화학보다 루비듐의 화학과 더 유사해야 한다. 반면에 Uue 이온의 이온 반지름은 Rb 이온보다 클 것으로 예측되는데, 이는 7p 오비탈이 불안정화되어 하위 껍질의 p-오비탈보다 더 크기 때문이다. 우누넨늄은 또한 다른 알칼리 금속에서는 볼 수 없는 +3 산화수를 보일 수도 있으며, 이는 다른 알칼리 금속의 특징적인 +1 산화수에 더해 모든 알려진 알칼리 금속의 주요 산화수이기도 하다. 이는 7p 스피너의 불안정화와 팽창으로 인해 가장 바깥쪽 전자의 이온화 에너지가 예상보다 낮아지기 때문이다. 7p 스피너의 화학적 활성은 [UueF]에서 +5 산화 상태를 가능하게 할 수 있다고 제안되었으며, 이는 [SbF] 또는 [BrF]와 유사하다. 유사한 프랑슘(V) 화합물인 [FrF]도 달성 가능할 수 있지만, 실험적으로는 알려져 있지 않다.

많은 우누넨늄 화합물은 결합에 7p 전자가 관여하기 때문에 큰 공유 결합 특성을 가질 것으로 예상된다. 이 효과는 프랑슘에서도 덜한 정도로 관찰되는데, 프랑슘 초과산화물 (FrO<})의 결합에 6p 기여가 일부 나타난다. 따라서 단순한 외삽법이 시사하는 것처럼 우누넨늄이 가장 전기 양성적인 원소가 되는 대신, 세슘이 이 위치를 유지하며, 우누넨늄의 전기 음성도는 나트륨의 전기 음성도(파울링 척도로 0.93)에 가장 가까울 것으로 예상된다. Uue/Uue 쌍의 표준 환원 전위는 −2.9 V로 예측되며, 이는 Fr/Fr 쌍과 동일하고 K/K 쌍의 −2.931 V보다 약간 높다.

기체 상태에서 그리고 응축상에서 매우 낮은 온도에서 알칼리 금속은 공유 결합 이원자 분자를 형성한다. 이들 M 분자의 금속-금속 결합 길이는 Li에서 Cs까지 그룹 아래로 증가하지만, 8s 오비탈을 안정화하는 앞에서 언급한 상대론적 효과로 인해 Uue까지 감소한다. 금속-금속 결합 해리 에너지에 대해서는 반대 경향이 나타난다. Uue–Uue 결합은 K–K 결합보다 약간 더 강할 것이다. 이러한 M 해리 에너지로부터 우누넨늄의 승화열 (ΔH)은 94 kJ/mol (프랑슘의 값은 약 77 kJ/mol이어야 함)로 예측된다.

UueF 분자는 우누넨늄의 높은 전자 친화도 때문에 상당한 공유 결합 특성을 가질 것으로 예상된다. UueF의 결합은 주로 우누넨늄의 7p 오비탈과 플루오린의 2p 오비탈 사이에서 이루어지며, 플루오린의 2s 오비탈과 우누넨늄의 8s, 6dz2, 그리고 다른 두 7p 오비탈의 기여는 적다. 이는 s-구역 원소뿐만 아니라 금과 수은의 행동과 매우 다른데, 이들에서는 s-오비탈(때로는 d-오비탈과 혼합됨)이 결합에 참여한다. Uue–F 결합은 7p 오비탈이 7p와 7p< 스피너로 분리되기 때문에 상대론적으로 확장되어 결합 전자를 방사 방향으로 가장 큰 오비탈로 밀어넣는다. 유사한 결합 길이 확장은 수소화물 AtH와 TsH에서도 발견된다. Uue–Au 결합은 금과 알칼리 금속 사이의 모든 결합 중 가장 약해야 하지만 여전히 안정적이어야 한다. 이는 금 표면에서의 106 kJ/mol (프랑슘 값은 136 kJ/mol이어야 함), 백금 표면에서의 76 kJ/mol, 은 표면에서의 63 kJ/mol (모든 알칼리 금속 중 가장 작음)의 외삽된 중간 크기 흡착 엔탈피 (−ΔH)를 제공하며, 이는 크로마토그래피적으로 귀금속 표면에 우누넨늄의 흡착을 연구하는 것이 가능함을 보여준다. 테플론 표면에서의 우누넨늄의 흡착 엔탈피는 17.6 kJ/mol로 예측되며, 이는 알칼리 금속 중 가장 낮을 것이다. 알칼리 금속의 ΔH 및 −ΔH 값은 원자 번호가 증가함에 따라 반대 방향으로 변화한다.

 같이 보기 
 확장 주기율표

 내용주 

 각주 

 참고 문헌 
 
 
 
 
 

분류:알칼리 금속
분류:가설상의 화학 원소