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115号元素Mc

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镆是一种合成化学元素，符号为Mc，原子序数为115。它于2003年在俄罗斯莫斯科附近杜布纳的联合核研究所（JINR）的俄罗斯和美国科学家联合研究团队首次合成。2015年12月，国际科学机构国际纯化学和应用化学联合会（IUPAC）及国际纯粹与应用物理学联合会（IUPAP）的联合工作队将其认定为四大新元素之一。2016年11月28日，它以联合核研究所所在的莫斯科州的名字正式命名。[1][2]

镆是一种具高度放射性的元素：已知其最稳定的同位素镆-290的半衰期仅为0.65秒钟。[3]在元素周期表中，它属于p区的锕系后元素，位于第七周期，第15族，为最重的氮族元素。但其是否与同族中原子序较大的铋金属有相似的化学特性尚未被证实。据计算，镆的某些性质与同族中较轻的氮、磷、砷、锑和铋相似，但是因为镆是一种过渡后金属，它和这些元素有一些关键的差异。镆还应该与铊元素有很显著的相似性，因为两者在一个准封闭的电子层之外都有一个不太被束缚的电子。目前为止，已经观察到大约100个镆原子，所有这些原子的质量数都在287到290之间。

1 历史编辑

莫斯科著名的红场。这座城市周围的地区被发现者誉为“古老的俄罗斯土地，是联合核研究所(Joint Institute for Nuclear Research)的所在地”，镆以莫斯科命名。

1.1 发现

2003年8月，俄罗斯和美国科学家在俄罗斯的杜布纳联合原子核研究所首次成功合成了镆。该小组由俄罗斯核物理学家尤里·奥加涅相领导，成员包括来自劳伦斯利佛摩国家实验室的美国科学家。2004年2月2日，他们在《Physical Review C》上发表文章报道了镆的合成，研究人员用48Ca离子轰击243Am产生了四个镆原子。这些原子在约100 ms后发生衰变放出α粒子，衰变为284Nh。[4][5]

243 95Am + 48 20Ca → 288 115Mc + 3 1 0n → 284 113Nh + α 243 95Am + 48 20Ca → 287 115Mc + 4 1 0n → 283 113Nh + α

美俄科学家的这次合作计划也对衰变产物268Db进行了化学实验，并证实发现了113号元素鉨。这个衰变链中的核素以前都不为人所知，所以现有的实验数据无法支持他们的说法。在2004年6月和2005年12月的实验中，通过提取最终的衰变产物，测量自发裂变活动，并使用化学鉴定技术，确认它们的行为类似于第5族元素（因为钅杜dubnium已知在周期表的第5族中），成功确认了钅杜（dubnium）同位素的存在。 数据中的半衰期和衰变模式都符合理论中的268Db，证实了衰变母体是原子序数为115的元素镆。[6]然而，2011年，IUPAC/IUPAP联合工作队（JWP）不承认这两种元素的发现，因为目前的理论无法充分肯定地区分第4族和第5族元素的化学性质。[7]此外，镆衰变链中所有原子核的衰变性质在此前都没有被预先表征，IUPAC/IUPAP联合工作队（JWP）认为这种情况“麻烦的，但不一定唯一”。[7]

1.2 证实过程

镆的两种更重的同位素，289Mc和290Mc是在2009-2010年被发现的，是293Ts和294Ts同位素的子体同位素；随后直接合成了同位素289Mc，并证实它具有与Ts实验中发现的相同的性质。杜布纳联合原子核研究所还计划在2017年通过用较轻的同位素镅-241替代镅-243目标来研究较轻的镆同位素。[8][9] 生产镆的48Ca+243Am反应计划于2018年在新的SHE工厂进行第一次实验，以测试系统，为合成119号元素和120号元素做准备。[10]

2011年，IUPAC及IUPAP组成的联合小组评估了2004年和2007年杜布纳团队的实验，并得出结论，这些实验不符合元素的发现标准。在接下来的几年里，对最近的实验重新进行了评估，杜布纳团队再次声称发现了镆元素。[7]2013年8月，德国达姆施塔特市隆德大学（Lund University）和位于德国达姆施塔特市（Darmstadt）的德国重离子研究中心 （GSI）的一组研究人员宣布，他们重复了2004年的实验，证实了杜布纳的发现。[11][12]与此同时，杜布纳团队重复了2004年的实验，他们又创造出了同位素 289Mc，这可以作为交叉反应来证实在2010年发现的Ts同位素293Ts。[13]2015年，劳伦斯伯克利国家实验室的研究小组发表了对该元素发现的进一步确认。[14]

2015年12月，IUPAC/IUPAP联合工作组确认了该元素的发现，并将2009-2010年的杜布纳-利福摩尔合作列为优先事项，给予他们该元素的永久命名权。[15]尽管他们并不认为通过交叉反应合成 287Mc和 288Mc的实验具有说服力，因为没有通过交叉反应对原子序数进行令人信服的识别，但他们认为293Ts的实验具有说服力，因为它的子体同位素 289Ts是独立产生的，并且被发现具有相同的性质。[13]

然而，在IUPAC/IUPAP联合工作组于2009-2010年承认这些元素的发现之后，隆德大学（Lund University）和德国重离子研究中心（GSI）在2016年的一项研究对镆和Ts的合成提出了一些质疑。它发现同位素287Mc和 288Mc的衰变链可能在内部是一致的，不确定性是由于测量可能对非常短和非常长的核素寿命不敏感，243Am+48Ca到不同的镆同位素的其他衰变链分配不正确，或者在确定这些镆同位素的一些子代时存在不确定性。另一方面，发现分配给289Mc的衰变链在内部并不一致，289Mc是用于正式确认镆和Ts合成的同位素。这些链的一些子集被发现是一致的，然而这表明它们真正的母体是288Mc，他们的短促表明在子体同位素284Nh和280Rg中有新的自发裂变分支——或者更有可能的是，在这些子体同位素内未被检测到的电子俘获分支导致了偶数-偶数核素284Cn和280Ds的生成，它们的自发裂变屏障非常低。而虽然294Ts衰变链被发现是一致的，但发现由JWP批准的293Ts衰变链可能不是这样，需要分裂成分配给不同Ts同位素的单独数据集。还发现293Ts和289Mc的链组不一致。当非偶数-偶数（不经历α衰变）的核素出现多重状态并非出乎意料，这导致交叉反应缺乏清晰度。这项研究批评了IUPAC/IUPAP JWP报告忽略了与这个问题相关的微妙之处，并指出，接受发现镆和Ts几乎是不存在联系的唯一论据这一事实是“有问题的”。[16][17]

2017年6月8日，两名杜布纳小组成员发表了一篇期刊文章，回复了这些批评，采用广泛接受的统计方法分析了他们关于293Ts和289Mc核素的数据，他们指出，2016年的研究在应用于放射性衰变时，不一致会产生有问题的结果：他们将平均衰减时间和极端衰减时间都排除在90%置信区间之外，而且他们选择的90%置信区间之外的衰减链比包含在内的衰减链更有可能被观察到。2017年的再分析得出结论，观测到的293Ts和289Mc衰变链与在链的每一步只存在一种核素的假设是一致的，尽管我们希望能够直接测量每个链的起始核的质量数以及243Am+48Ca反应的激发函数。[18]

1.3 命名

使用门捷列夫命名法命名未命名和未发现的元素，镆有时被称为“eka-bismuth”。1979年，IUPAC建议在元素的发现被确认并且永久名称被确定前，使用占位符系统元素名称ununpentium(对应的符号是Uup)给115号元素命名[19]。尽管IUPAC元素系统命名法广泛应用于各级化学教科书，但该领域的科学家一般称之为“115号元素”，符号为“E115”, “（115）”，或更简单的115。

2015年12月30日，该元素的发现得到了国际纯粹与应用化学联盟(IUPAC)认可。[20]根据IUPAC的建议，新元素的发现者有权建议一个名称。[21] 一个建议的名字是langevinium，以Paul Langevin命名。[22]后来，杜布纳小组多次提到镆这个名字，以杜布纳所在的莫斯科州命名。[23][24]

2016年6月，IUPAC批准了后者的提议，并于2016年11月28日正式接受这个名称。[25]这个名字使俄罗斯成为元素同时由自己和首都命名的两个国家之一。[25] moscovium，tennessine和oganesson的命名仪式于2017年3月2日在莫斯科俄罗斯科学院举行。[26]

2 预测属性编辑

2.1 核稳定性和同位素

预计在稳定岛上的位置，虚线是β稳定线。

预计镆将处于一个以Cn（112号元素）和Fl（114号元素）为中心的稳定岛的中部：然而，这个岛存在的原因仍然没有被很好地理解。[27][28] 由于预期的高裂变势垒，这个稳定岛内的任何原子核都只能通过α衰变衰变，也许还会发生一些电子俘获和β衰变来衰变。虽然已知的镆同位素实际上没有足够的中子在稳定岛上，但可以看到它们一般都接近稳定岛，较重的同位素寿命较长。

假想中的同位素 291Mc是一个特别有趣的例子，因为它只比已知最重的镆同位素290Mc多一个中子。它很可能可以作为295Ts的子体同位素合成，295Ts可以由249Bk(48Ca,2n)反应产生。[27]计算表明，它除了衰变外，还可能具有明显的电子俘获或正电子发射衰变模式，而且半衰期相对较长，有几秒钟。这会产生 291Fl和291Nh，最后 291Fl预计位于稳定岛的中部，半衰期约为1200年，这为使用现有技术到达该岛中部提供了最有可能的希望。可能的缺点是295Ts生成反应的横截面预计较低，而如此接近稳定线的超重原子核的衰变特性在很大程度上尚未得到探索。[27]

在稳定岛上合成原子核的其他可能性包括大质量核的准裂变（部分聚变后裂变）。这种核倾向于分裂，排出双幻数核或近双幻数核的碎片，如钙-40、锡-132、铅-208或铋-209。[29]最近研究表明锕系元素核（如铀和锔）碰撞中的多核子转移反应可以用来合成位于稳定岛的富中子超重核，虽然倾向于形成更轻元素No或Sg。[27]在该岛附近合成同位素的最后一种可能性是使用受控核爆炸来产生足够高的中子通量，以绕过258–260Fm和质量275（原子序数104到108）的不稳定间隙，模仿自然界中锕系元素首次产生的R-过程，绕过氡周围的不稳定间隙。[27]一些这样的同位素（特别是 291Cn和 293Cn）甚至可能在自然界中已经合成，但是衰变太快（半衰期只有几千年）并且产生的数量太少（大约是铅丰度的10−12），以至于今天在宇宙射线之外无法检测到原始的核素。[27]

2.2 物理性质和原子性质

在元素周期表中，镆是第15族的成员，是氮、磷、砷、锑和铋下方的氮族元素。每一个先前的氮族元素原在其价层中有五个电子，形成ns2ns3价电子构型。在镆中这种趋势继续，价电子构型预计为7s27p3；因此，镆在许多方面与它的同族元素有相似的性质。然而，可能会出现显著的差异：一个很重要的影响因素是自旋轨道相互作用，即电子运动和自旋之间的相互作用。对于超重元素来说，自旋轨道相互作用特别强，因为它们的电子移动速度比轻原子电子的移动速度快得多，速度相当于光速。[30] 对镆原子来说，自旋轨道相互作用降低了7s和7p电子能级（稳定相应的电子），但是7p电子能级中的两个比其他四个更稳定。[31]7s电子的稳定被称为惰性电子对效应，而将7p亚层“撕裂”成较稳定和不太稳定的部分的效应被称为亚层分裂。计算化学家将这种分裂看作是第二(方位)量子数l从1到 1⁄2 和 3⁄2 的变化，分别对应7p亚层中较稳定和较不稳定部分。[30]出于许多理论目的，价电子构型可以表示为7p亚层分裂为7s2
7p2
1/27p1
3/2。这些效应导致镆的化学性质与其较轻的同族元素有些不同。

镆的价电子分为三个亚层：7s（两个电子），7p1/2 （两个电子）和7p3/2 （一个电子）。前两个是相对稳定的，因此表现为惰性电子对，而最后一个是相对不稳定的，可以很容易地参与化学反应。（6d电子的不稳定性不足以参与化学反应，尽管这在之前的两种元素Nh和Fl中仍然是可能的。）因此，镆倾向于形成+1氧化态，与Tl+一致，镆的第一电离能应该在5.58 eV左右，延续氮族元素电离电位降低的趋势。镆和Nh都有一个电子在准封闭壳层结构之外，可以在金属状态下离域，因此它们应该有相似的熔点和沸点（都在400℃左右熔化，1100℃左右沸腾），因为它们的金属键强度相似。此外，相比于镆真正的同族元素Bi3+，预测其电离电势、离子半径（Mc+半径约为1.5 Å,；Mc3+半径约为1.0 Å）和极化率预计与Tl+更相似。由于镆的相对原子质量较高，密度约为13.5 g/cm3，镆应该是一种致密金属。类氢镆（被氧化后只有一个电子，Mc114+）由于相对论效应，它的质量是静止电子的1.82倍。相比之下，类氢铋和锑的质量预计分别为静止电子的1.25和1.077倍。[30]

2.3 化学性质

据预测，镆是7p系列化学元素中的第三个元素，也是元素周期表中第15族中最重的元素，仅次于铋。与之前的两种7p元素不同，金属镆被认为是其较轻同族元素（这里指铋）的良好同类。[32]在这一族中，每个元素都有+5的氧化态，但稳定性不同。对于氮来说，+5态主要是对N2O5这样的分子的一种形式解释：由于小氮原子无法容纳5个配体，所以很难与氮形成5个共价键。+5态能很好地代表本质上非相对论性的典型磷、砷和锑。然而，对铋来说，由于6s轨道的相对论稳定性，即所谓的惰性电子对效应，+5态变得罕见，因为6s电子很难形成化学键。由于单个的7p3/2电子的结合能明显低于7p1/2电子的结合能，预计镆的7s和7p1/2电子具有惰性电子对效应。氮（I）和铋（I）是已知的，但很罕见，镆（I）可能表现出一些独特的性质，[33] 可能表现得更像铊（I）而不是铋（I）。由于自旋轨道耦合，Fl可能表现出封闭壳层或蕾丝惰性气体的性质；如果是这种情况，镆将可能是通常为+1价态，因为阳离子Mc+将具有与Fl相同的电子构型，可能赋予镆一些碱金属的性质。然而，Mc3+ 阳离子会表现得像它的同族元素Bi3+。7s电子太稳定，不能进行化学贡献，因此+5态应该是不可能的，镆可以被认为只有三个价电子。镆是一种相当活泼的金属，Mc+/Mc电对的标准还原电位为1.5 V。

水溶液中镆的化学本质上应该是Mc+和Mc3+ 离子的化学性质。前者应该容易水解，不容易与卤化物、氰化物和氨络合。 氢氧化镆（McOH）、碳酸镆（Mc）2CO3、草酸镆（Mc2C2O4），氟化镆（McF）应溶于水；硫化镆（Mc2S）应该是不可溶的；而氯化镆（McCl）、溴化镆（McBr）、碘化镆（McI）和硫氰酸镆（McSCN）应该只是微溶的，所以加入过量的盐酸不会明显影响氯化镆（I）的溶解度。Mc3+应该和Tl3+一样稳定，因此也应该是镆的重要组成部分，尽管它在元素中最接近的同源物应该是它较轻的同族元素Bi3+。McF3和McS3应该不溶于水，类似于相应的铋化合物，而氯化镆（III）（McCl3），溴化镆（McBr3），和碘化镆（McI3）应易于溶解和水解形成卤氧化物，如McOCl和McOBr，同样类似于铋。 镆（I）和镆（III）都应该是常见的氧化态，它们的相对稳定性应该很大程度上取决于它们与什么复合以及水解的可能性。

像它的较轻同族元素氨、膦、胂、锑和铋一样，McH3预期具有三棱锥分子的几何构型，Mc-H键长度为195.4 pm，H-Mc-H键角为91.8度（BiH3的键长为181.7 pm，键角91.9度；SbH3的键长为172.3 pm，键角92.0度）。[34]在预测的芳香族五边形平面Mc - 5簇中，Mc - Mc键长有望从外推值156-158 pm扩展到329 pm，类似于五唑盐(N - 5)。[35]

3 实验化学特性编辑

镆化学特性的明确测定尚未建立。[36][37]2011年，在48Ca离子束撞击目标物镅-243和钚-244靶的反应中，进行了创造Nh、Fl、moscovium同位素的实验。然而，目标包括铅和铋杂质，因此在核子转移反应中产生了铋和钋的一些同位素。这虽然是一个不可预见的复杂因素，但可以为铋和钋更重同族元素的未来化学研究提供有帮助的信息，它们分别是Mc和Lv。[37]产生的核素铋-213和钋-212以213BiH3和212PoH2氢化物的形式在850°C通过一个装有钽的石英羊毛过滤器，显示出这些氢化物惊人的热稳定性，尽管通过简单推断p区的周期性趋势，预期它们较重的同系物McH3和LvH2的热稳定性会降低。[37]在进行化学研究之前，需要进一步计算McH3，PoH2，和LvH2的稳定性和电子结构。然而，因为Mc和Lv单质都被认为具有足够的挥发性，可以在不久的将来被用来进行化学研究。镆同位素 288Mc， 289Mc，和 290Mc可以用目前的方法进行化学研究，尽管它们短暂的半衰期会使研究具有挑战性。[37]镆是已知寿命足以进行化学实验的同位素中最重的元素。[38]

4 笔记编辑

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