鍩

鍩（nobelium），是一種人工合成的化學元素，其化學符號為鍩，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（半衰期3.52分鐘）。如同所有原子序超過100的重元素，鍩無法通過中子捕獲生成，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同類物。鍩的化學性質並沒有被完全了解；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的鍩不易保存，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1950年至1960年代間，來自瑞典、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號元素的發現過程複雜，來自瑞典、英國、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且精確的檢驗報告則在1966年由蘇聯杜布納聯合原子核研究所發表。

1957年，由阿貢國家實驗室、英國原子能研究院、瑞典諾貝爾研究所物理學家組成的團隊第一次宣布了102號元素的發現。他們用碳-13撞擊鋦靶50次，每次持續半小時，標靶在兩次撞擊間通過離子交換反應分離產物。50次的撞擊中有12次包含了會發出8.5±0.1 MeV的α粒子的樣品。觀測到的半衰期為10分鐘，被認為是251102或是253102衰變放出的，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nobelium（符號No）作為102號元素的名稱，IUPAC立即批准。杜布納團隊於1968年表示此舉是倉促的。

1958年，勞倫斯柏克萊國家實驗室的科學家重複實驗，由艾伯特·吉奧索、格倫·西奧多·西博格、John R. Walton和Torbjørn Sikkeland組成的團隊宣稱合成102號元素。該團隊使用新的重離子直線加速器（HILAC）並用碳-12撞擊鋦原子（95％鋦-244和5％鋦-246）。他們無法確認瑞典聲稱的8.5 MeV偵測結果，但能偵測到250Fm的衰變（能量7.43 MeV），由半衰期約3秒的母同位素產生。他們認為是254102的衰變產生了250Fm，但後來杜布納的實驗發現254102的半衰期實際上更長，達50±10秒。1967年，柏克萊隊試圖捍衛自己的結果，指出他們原以為那是250Fm的衰變，但半衰期測量結果發現實際上同位素是244Cf（252102的衰變產物，能量7.22 MeV），將能量差異歸因於「解析度和漂移問題」。1977年的實驗也表明，252102確實具有2.3秒的半衰期。然而，1973年的工作也表明，核同質異能素250mFm（半衰期1.8秒）也可能在反應中生成，在該實驗中很可能沒有產生鍩，而是250mFm的衰變產生250Fm。

1959年，瑞典團隊堅持認為他們確實發現了102號元素，並試圖解釋為何柏克萊團隊在1958年無法發現102號元素。不過，後來的實驗顯示任何比鍩-259（瑞典實驗中不可能產生比它重的同位素）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衰變產生會放出8.375 MeV的α粒子的釙-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，二價鍩比三價鍩穩定，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與其它三價錒系元素一同出現。因此，瑞典團隊後來撤回了他們的聲稱，並將成果歸因於背景效應。

同年，柏克萊團隊繼續他們的研究並聲稱他們能夠合成102號元素的同位素，它主要通過發射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。當時此結果被認為由254102產生，不過他們也指出由於條件困難，不能確定是否有製造出102號元素。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。後來的研究發現這些性質與254No不符，但與252No吻合。

curium + carbon → 258102 → 254102 + 4 neutron

同時，蘇聯杜布納團隊於1958年以及1960年兩次嘗試合成102號元素。1958年的第一次實驗用氧-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，被認為是251,252,253102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（不會產生102號元素）。雖然後來1958年的實驗指出，新的同位素可以由汞、鉈、鉛、鉍產生，不過科學家們仍然堅持認為，102號元素可以從這種反應中產生，提到半衰期不到30秒，衰變能量為8.8±0.5 MeV。後來1960年的實驗證明這些是背景效應，1967年的綜述將衰變能量修正到8.6±0.4 MeV，但兩個值都太高而不能對應到鍩-253或鍩-254。杜布納團隊後來在1970年和1987年再次說明這些結果不足以下定論。

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257103，同時也聲稱合成了102號元素的同位素，其會發生α衰變，能量8.2 MeV，半衰期15秒。它們認為此同位素為255102，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，但當時並沒有明確確認它的產生。

杜布納團隊於1964年的實驗中通過鈾-238靶與氖離子的反應合成出102號元素，並檢測102號元素同位素的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256102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256102的半衰期為8秒，遠長於更近代、1967年所測的3.2±0.2秒。1966年進一步的實驗利用243Am(15N,4n)254102與238U(22Ne,6n)254102的反應，測得254102的半衰期為50±10秒。在當時，這個數值與更早的柏克利數據之間的差異並沒有被了解，然而後來的實驗證明了在杜布納實驗中，異構體250mFm的生成機率小於柏克利實驗。事後來看，杜布納的實驗結果應是正確的，而可視為發現102號元素的結論性實驗。

杜布納團隊另一個非常具有信服力的實驗於1965年完成，1966年發表，同樣利用了兩個反應，結論為254102的半衰期確實遠超過柏克利實驗的3秒。後來，柏克利於1967年以及橡樹嶺國家實驗室於1971年的實驗完整確認了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，並且利用這些數據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102號元素。

uranium + neon → nobelium → nobelium + 6 neutron

1969年，杜布納團隊通過化學實驗確認102號元素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Jo），以紀念過世不久的科學家伊雷娜·約里奧-居里（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（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年的實驗正確的檢測並指出衰變來自原子序為102的原子核。因此，杜布納團隊正式的被視為102號元素的發現者，儘管它可能早在1959年就被柏克利的團隊偵測到。柏克利團隊於次年批評了這項決定，並指出重新審理101至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101號至109號元素的英文名稱。其中102號元素被命名為nobelium（符號No），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，引來強烈抗議，IUPAC於是在事後設置了一段評論期。而在1995年，IUPAC在新計畫中將102號元素命名為flerovium（符號Fl），以紀念蘇聯核物理學家格奧爾基·佛雷洛夫（Гео́ргий Флёров）以及以他命名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6月15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」（音同「門」）、「鍩」（音同「諾」）、「鐒」（音同「勞」）。

## 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（如銪及鐿）或三價（如其它鑭系元素）存在。前者的電子排布為fn+1s2，而後者為fnd1s2。在1975年，Johansson以及Rosengren研究鑭系以及錒系金屬元素（皆為二價和三價金屬）的凝聚力（結晶焓）的測量及預測值，結論為如果原子從Rn5fn+17s2組態激發到Rn5fn6d17s2組態所增加的結合能不足以補償將電子從5f激發到6d的能量，那麼該錒系元素就是二價金屬。此現象發生於後段的錒系元素中，因此鑀、鐨、鍆以及鍩皆被預測為二價金屬。二價態在錒系還沒有結束前逐漸常見是因為隨著原子序增加，因相對論而更穩定的5f電子，因此與其它鑭系與錒系元素不同，鍩主要的化合價是二價而非三價。在1986年，鍩金屬的昇華熱被估計為126 kJ/mol，這個數值與鑀、鐨、鍆的數值相近，而這支持了鍩會形成二價金屬的理論。如同其它後段的錒系元素（三價的鐒除外），金屬鍩應呈現為面心立方晶系。二價金屬鍩的原子半徑應大約為1.97 Å。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並不完整。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Rn5f14，而其5f14殼層十分穩定。這項預測在十九年後才被證實。

1967年的實驗比較了鍩和鋱、鉲、鐨的化學性質。實驗中用氯氣與這四種元素反應，產物用氣體推動，結果發現鍩的氯化物會強力吸附在固體表面上，這顯示了如同實驗中另外三種元素的氯化物，氯化鍩的揮發性不高。然而，NoCl2以及NoCl3預測皆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。鍩在+2價下的穩定性要到了隔年的實驗才被確認，通過離子交換色譜法和共沉澱法實驗約五萬個255No原子，發現鍩的行為與二價的鹼土金屬較為相似，而與三價的錒系元素表現不同。這證明了在水溶液中，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。

受相對論影響，鍩的7s電子更穩定，鍩化合物預測變得更不穩定。NoH2分子中的No–H鍵鍵長預測為212.2 pm。長鍵長與明顯的電荷轉移作用導致 NoH2的偶極矩極高，達5.94 D。在該分子中，鍩的性質類似主族的鹼土金屬，同有ns2電子構型，內部的5f電子則屬於原子實。鍩與鹼土金屬類似，不易與氯離子形成配合物。它與檸檬酸根、草酸根、乙酸根在0.5 M 硝酸銨水溶液中形成配合物的能力介於鈣與鍶之間，更接近鍶。

E°(No3++→No2+) 的標準還原電位在1969年估計介於+1.4 到 +1.5 V之間，後來在2009年的實驗發現只有+0.75 V。這顯示No2+較No3+穩定且No3+為較強的氧化劑。E°(No2+→No0) 和E°(No3+→No0) 廣泛接受的還原電位值分別為−2.61和−1.26 V。E°(No4+→No3+)則估計為+6.5 V。No3+和No2+生成的吉布斯自由能估計分別為−342及−480 kJ/mol。No2+在水溶液中預測會與八個水分子形成水合離子No(H2O)，而No3+預測與其它錒系元素的三價離子一樣，與九個水分子結合成No(H2O)。

### 原子性質

鍩原子有102顆電子，它們的排列方式預測為Rn5f147s2（基態能項符號為1S0），不過直到2006年為止才被實驗確認。鍩5f和7s亞層的16顆電子都是價電子。鍩在形成化合物時可以失去三個價電子，留下Rn5f13內層，這符合了其他錒系元素在+3態時的Rn5fn組態。然而，鍩更有可能只失去兩顆價電子，留下穩定、擁有全填滿5f14層的Rn5f14內層。鍩的第一游離能在1974年時根據7s電子會比5f電子先解離的推測，測為(6.65 ± 0.07) eV，後於2018年修正至6.62621 eV（639.33 kJ/mol）。1978年時初步估計配位數為6和8的No3+離子半徑分別約為0.90和1.02 Å；由實驗得知No2+離子半徑為1.0 Å。計算得出No2+的水合焓為-355kcal/mol。

### 同位素

鍩的已知同位素共有14個，質量數分別為248-260和262，皆有強放射性，半衰期很短，非常不穩定。此外，鍩另有17個同核異構體，質量數介於250至256。其中壽命最長的同位素和同核異構體分別為259No（58分鐘）和251mNo（1.02秒），不過尚未被發現的261No預測會有更長的半衰期，達3小時。255No的半衰期為3.52分鐘，雖然不是最穩定的同位素，但因為可透過鉲-249和碳-12反應大量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248No，半衰期短於2微秒。254No位於從231Pa至279Rg的一系列長球面形原子核中間，受到理論關注。它可通過208Pb和48Ca的反應合成，可用於研究原子核的幻數。

## 製備與純化

鍩的同位素大多以轟擊錒系元素標靶（鈾、鈽、鋦、鉲或鑀）產生，唯鍩-262僅能作為鐒-262的衰變產物生成。雖然鍩-259最穩定，但實驗中最常使用可以更大量製備的鍩-255。它可利用碳-12轟擊鋦-248或鉲-249產出（通常使用後者）。以每秒3兆個73 MeV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，便可使用類似用於分離鍆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（通常為鈹、鋁、鉑或金），這時通常會同時使用氣體（通常是氦氣）來固定鍩-255，並將它們以氣流從反應室的小開口中帶離。使用長毛細管，並在氦氣中加入氯化鉀，鍩原子可以被輸送幾十公尺遠。收集在金屬箔上的鍩可以用稀酸除去而不至於使金屬箔完全溶解，然後可以利用其趨向二價態的性質（與其他三價為主的重錒系元素不同）來分離鍩。此過程可為色譜法，使用磷酸二(2-乙基己基)酯作為固定有機相，0.05M鹽酸作為流動相分離鍩。使用3M鹽酸洗脫陽離子交換樹脂柱，亦可用此過程分離鍩。鍩將通過色譜柱並分離，而其他三價錒系元素將留在色譜柱上。然而，如果使用金箔，因為須先使用陰離子交換色譜法分離出金，所以過程將會變得複雜。

## 基本資料

- 名稱·符號·序數：102
- 名稱·符號·序數：No
- 名稱·符號·序數：鍩
- 名稱·符號·序數：nobelium
- left：鍆
- right：鐒
- 元素類別：錒系元素
- 族·週期·區：7
- 族·週期·區：f
- 標準原子質量：259
- 電子排布：Rn 5f14 7s2
- 電子排布：2, 8, 18, 32, 32, 8, 2
- 物態：固體
- 物態：預測
- 熔點：1100
- 熔點：827
- 熔點：1521
- 熔點：預測
- 密度：9.9(4)（預測）
- oxidation states：+2、+3
- 電負性：1.3
- 電負性：預測
- 3：639.33
- 3：1254.3
- 3：2605.1
- ionization energy comment：除第一外皆為估計
- 電子親和能：−223（預測）
- 晶體結構：面心立方
- 晶體結構：預測
- CAS號：10028-14-5
- 名稱：以阿佛列·諾貝爾命名
- 發現：杜布納聯合原子核研究所
- 發現：1965
- 密度：9.9(4) g/cm3