РАДИОХИМИЯ, 2021, том 63, № 3, с. 220-226

УДК 546.798.3

ЭКСТРАПОЛЯЦИОННЫЕ ОЦЕНКИ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

НИХОНИЯ, ТЕННЕССИНА И ОГАНЕСОНА

Объединенный институт ядерных исследований, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, д. 6

*e-mail: norseev@jinr.ru; norseev@yahoo.com

Получена 03.10.2019, после доработки 03.10.2019, принята к публикации 27.12.2019

Метод сравнительного расчета, основанный на корреляции одних свойств с другими в группе элемен-

тов-аналогов и неоднократно применявшийся для определения свойств астата, можно использовать

для оценки некоторых физико-химических свойств теннессина, оганесона и нихония. В группах этих

элементов наблюдается прямолинейная зависимость одних их свойств от других свойств.

Ключевые слова: теннессин, оганесон, нихоний, астат, радон, свойства, метод сравнительного расчета.

DOI: 10.31857/S0033831121030035

Определение физико-химических свойств сверх-

физико-химические характеристики элементов-

тяжелых элементов, получаемых в виде одиночных

аналогов с другими характеристиками. Впервые

атомов, представляет неоспоримый интерес [1].

метод сравнительных расчетов был описан в кни-

Поскольку прямое изучение этих свойств весьма

ге, вышедшей в 1965 г. [5]. Книга была переизда-

затруднительно, важное значение приобретают ме-

на в 2014 г. и вновь выпущена в 2019 г. При этом

тоды расчета физико-химических характеристик

либо строится зависимость величин свойств от

элементов. Для расчетов привлекаются различные

параметров, характеризующих индивидуальность

варианты модели Томаса-Ферми [2], макроскопи-

элемента (атомный номер, атомная масса, ковалент-

чески-микроскопические модели и модели на ос-

ный или ионный радиус), либо сравниваются фи-

нове метода Хартри-Фока [3]. Наибольший объем

зико-химические свойства соединений в гомологи-

информации о свойствах сверхтяжелых элементов

ческих рядах. Этот метод позволяет сделать оценку

получен с помощью различных релятивистских ме-

свойств неизученных веществ. Метод сравнения

тодов теории функционала электронной плотности

неоднократно использовался при определении ряда

[4]. Усилиями многих ученых была создана микро-

физико-химических свойств астата и его соедине-

скопическая теория атомных ядер - стройная систе-

ний [6]; пример приведен на рис. 1.

ма физических закономерностей.

В дальнейшем вместо времени удерживания ана-

Наряду c вышеперечисленными методами опре-

лизируемых астаторганических соединений при их

деления свойств элементов, получаемых в предель-

газохроматографическом определении использова-

но малом количестве, вероятно, можно использовать

лись индексы удерживания, предложенные Ковачем

методы, основанные на поисках закономерностей

[7]. Индексы удерживания не зависят от скорости

в изменении физико-химических свойств в рядах

подачи газа-носителя.

соединений-аналогов. Система методов сравни-

Для всех полученных нами органических соеди-

тельного расчета (МСР), предложенная М.Х. Кара-

нений астата были определены газохроматографи-

петьянцем [5], основана на сопоставлении свойств

ческие индексы удерживания на полярных и непо-

веществ и дает возможность линейно связать одни

лярных жидких фазах [6, 8].

220

ЭКСТР

АПОЛЯЦИОННЫЕ ОЦЕНКИ

221

Таблица 1. Экстрополяционная оценка геометрических параметров астата [15, 16]

Галогенбензолы

Галогентолуолы

Литературные

Параметр

расчетные

оценки [17]

сквалан

апиезон

сквалан

апиезон

Ковалентный радиус, Å

1.52

1.51

1.52

1.46

Ван-дер-ваальсовый радиус, Å

2.38

2.39

2.38

2.39

2.32

Атомный радиус, Å

1.49

1.48

1.46

Ионный радиус Аt^-, Å

2.39

2.3

Атомный объем, м³/моль

27.8

27.73

27.66

27.67

Межатомное расстояние С-Аt в

2.23

2.24

астатароматике, Å

Поскольку индексы удерживания органических

поляционно определить температуры кипения аста-

производных были экспериментально найдены не

талифатических соединений как нормального, так и

только для астата, но и легких галогенов, эти ве-

разветвленного строения [9, 10], а также астатаро-

личины были использованы для определения ряда

матических соединений [8].

физико-химических свойств соединений астата ме-

Методом сравнительного расчета были опреде-

тодом сравнительного расчета.

лены температуры кипения синтезированных ма-

Линейная зависимость между логарифмами ин-

лоустойчивых о-, м- и п-изомеров астатнитробен-

дексов удерживания различных органических гало-

зола: 303, 297 и 303°С соответственно [11], а также

идпроизводных с одним и тем же радикалом и их

астаталлила: 129 ± 2°С [12] .

температурами кипения дала возможность экстра-

Для ароматических соединений астата были

оценены теплоты испарения [13], рефракция связи

углерод-астат [14] и дипольные моменты [14].

Метод сравнительного расчета позволил опреде-

лить не только некоторые характеристики впервые

полученных соединений астата [6], но и оценить

ряд параметров элементарного астата (табл. 1).

Данные, полученные на основе экстрополяци-

n-C₅H₁₁At

онных оценок физико-химических свойств астата,

мало отличаются от величин, указанных в литерату-

n-C₅H₁₁I

ре, найденных другими расчетными методами.

Можно ожидать, что метод сравнительных рас-

n-C₅H₁₁Br

четов позволит оценить ряд свойств труднодо-

ступных сверхтяжелых элементов. Например, для

n-C₅H₁₁Cl

расчета радиуса иона теннессина можно провести

сравнение с его ковалентным радиусом (табл. 2):

n-C₅H₁₁F

lg Y = aX + b.

(1)

0.8

По методу наименьших квадратов зависимость

120

160

200

lg Y от Х для F, Cl, Br, I, At имеет вид¹ lg Y = 0.003Х +

T_кип, °C

1.4556. Отсюда расчетный радиус иона теннессина

Рис. 1. Зависимость логарифма времени удерживания

равен Х = (2.217 - 1.4556)/0.003 = 254.

н-пентилгалогенидов от их температур кипения при

температурах колонки 140 (треугольники), 150 (черные

¹ Расчеты проводили по стандартной компьютерной программе

кружки) и 160°С (светлые кружки). Температура кипения

«МНК и регрессионный анализ Онлайн+Графики. (Линейная

C₅H₁₁At найдена равной 175°С.

регрессия).»

РАДИОХИМИЯ том 63 № 3 2021

222

НОРСЕЕВ

Таблица 2. К оценке радиуса иона теннессина

Теннессин (литературные

Параметр

Фтор

Хлор

Бром

Иод

Астат

данные)

Радиус иона, пм (Х)

133

181

196

220

239

333 [19]

Ковалентный радиус, пм

102 ± 4

114

133

152

165 [18]

lg Y

1.857

2.012

2.057

2.124

2.181

2.217

Таблица 3. Свойства фтора, хлора, брома, иода, астата и теннессина

Теннессин

Параметр

Фтор

Хлор

Бром

Иод

Астат

литературные

МСР

данные

Радиус атома, пм

64; 73

114

136

148

176

166 ± 7

[18,19]

Радиус иона, пм

133

181

196

220

239

333

260 ± 8

[19]

Ковалентный радиус, пм

102 ± 4

114

133

152

165

167 ± 8

[18]

Энергия ионизации (J₁), эВ

17.41

13.01

11.84

10.45

9.50

7.64

8.5 ± 0.5

[19]

Сродство к электрону, эВ

3.45

3.61

3.37

3.08

2.8

1.45 ± 0.03

2.5 ± 0.2

[19]

Температура плавления, °С

-219.7

-100.95

-7.25

113.5

230,

300-500

400 ± 50

244

[20]

Температура кипения, °С

-183, -188

-34.55

58.6,

184.35

309,

550-610

550 ± 50

59.82

317

[20]

Плотность, г/см³

1.51

1.57

3.1

4.9

6.3-6.5

7.1-7.3

8.5 ± 0.7

[19]

[21]

Относительная

4.0

3.0

2.8

2.5

~2/2

1.9 ± 0.1

электроотрицательность

рые представлены в табл. 4. Теоретически предпо-

Графическое сравнение логарифма ковалентных

лагается, что оганесон будет несколько активнее

радиусов галогенов с их радиусами ионов представ-

радона.

лено на рис. 2.

При сравнении логарифма атомных радиусов га-

логенов с их ионными радиусами величина ионного

радиуса теннессина оказалась равной 256 пм, при

сравнении логарифма энергии ионизации - 274 пм

и при сравнении логарифма относительной элек-

троотрицательности - 258 пм. Разброс зависит от

точности определения свойства предыдущих эле-

ментов-аналогов.

В табл. 3 показаны некоторые физико-химиче-

ские характеристики элементов группы галогенов.

100

200

300

Для теннессина приведены как литературные дан-

ные, так и данные, найденные методом сравнитель-

, пм

ных расчетов.

Метод сравнительного расчета был использован

Рис. 2. Зависимость логарифма ковалентных радиусов

и при оценке некоторые свойства оганесона, кото-

F, Cl, Br, I, At и Ts от их ионных радиусов.

РАДИОХИМИЯ том 63 № 3 2021

ЭКСТР

АПОЛЯЦИОННЫЕ ОЦЕНКИ

223

Таблица 4. Свойства гелия,неона, аргона, криптона, ксенона, радона и оганесона

Оганесон

Параметр

Гелий

Неон

Аргон

Криптон

Ксенон

Радон

литератур-

МСР

ные данные

Атомный радиус, пм

108

214,

152 [18]

150 ± 5

134

Ковалентный радиус,

106

116

140

150

230 [22]

177 ± 7

пм

Температура

272.2

248.6

189.35

156.6

111.85

71.15

45 ± 10

плавления, °С

Температура

268.94

246.05

185.85

153.2

107.05

61.75

80 ± 30 [23]

-35 ± 8

кипения,°С

Энергия ионизации

2361.3/

2079.4/

1519.6/

1350/

1170/

1036.5/

839.4 [20]/

837 ±

(J₁), кДж·моль^-1/эВ

24.47

21.56

15.76

13.99

12.13

10.74

8.7

5/9.01

Удельная теплота

0.0829

1.74

6.45

9.05

12.65

18.1

19.4 [24]

19 ± 1

испарения, кДж/моль

Плотность, г/л

0.147

1.204

1.7837

2.155

3.52

4.4

4.95.1 [21]

5 ± 0.2

120

180

-220

220

440

R_атом, пм

, °С

Рис. 3. Зависимость логарифма ковалентных радиусов

Рис. 4. Зависимость логарифма энергии ионизации F,

F, Cl, Br, I, At и Ts от их атомных радиусов.

Cl, Br, I, At и Ts от их температур плавления.

3.0

1.5

120

180

-220

-100

R_ков, пм

Т_кип, °С

Рис. 5. Зависимость логарифма энергии ионизации He,

Рис. 6. Зависимость логарифма энергии ионизации

Ne, Ar, Kr, Xe, Rn и Og от их ковалентных радиусов.

He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn и Og от их температур кипения.

РАДИОХИМИЯ том 63 № 3 2021

224

НОРСЕЕВ

Таблица 5. Энтальпии адсоробции Ga, In, Tl, Nh

Параметр

литературные данные

МСР

Энтальпия адсорбции на кварце,

350 ± 20

227 ± 10 [29]

134 ± 15 [30],

57.8 [31], 68.2 ± 13

75 ± 15

кДж/моль

158 ± 3 [32]

[33]

Энтальпия адсорбции на золоте,

450 ± 30

315 ± 10 [29]

270 ± 10 [30]

~100 [34], 180 ± 20

190 ± 30

кДж/моль

[31, 33]

На рис. 3, 4 показаны прямолинейные зависимо-

но в изучении их свойств. Первые эксперименты по

сти, образующиеся при сравнении одних свойств

химии нихония были успешно проведены в Дубне

галогенов с другими свойствами.

[27, 28] непосредственно за мишенью. Газофазные

Значительные сведения о свойствах сверхтяже-

термохроматографические исследования показали

лых элементах содержатся в работе [25]. Рисунки

его повышенное взаимодействие с поверхностью

5-7 еще раз иллюстрируют возможность примене-

золота [27].

ния метода сравнительного расчета для вычисления

В ряду галлия, индия, таллия и нихония толь-

свойств труднодоступных элементов.

ко для In и Tl были экспериментально найдены

Следует отметить, что Дубна лидирует не толь-

значения энтальпии адсорбции на кварце и золоте

ко в синтезе новых сверхтяжелых элементов [26], (табл. 5). С использованием этих данных была экс-

, эВ

, кДж/моль

Рис. 8. Зависимость логарифма энтальпии адсорбции

Рис. 7. Зависимость логарифма атомного радиуса He, Ne,

Ga, In, Tl и Nh на золоте от их энтальпии адсорбции на

Ar, Kr, Xe, Rn и Og от их энергии ионизации.

кварце.

3.0

1.5

200

400

, кДж/моль

, °С

Рис. 9. Зависимость логарифма атомного радиуса Ga, In,

Рис. 10. Зависимость логарифма температуры кипения

Tl, Nh от их энтальпии адсорбции на золоте.

Ga, In, Tl и Nh от их температуры плавления.

РАДИОХИМИЯ том 63 № 3 2021

ЭКСТР

АПОЛЯЦИОННЫЕ ОЦЕНКИ

225

Таблица 6. Свойства галлия, индия, таллия и нихония

Параметр

литературные данные

МСР

Атомный радиус, пм

139

166

171

170 [18]

180-200

Ковалентный радиус, пм

126

144

148

172-180[21]

170 ± 10

Ионный радиус M⁺, пм

110

130

147

165 ± 5

Температура плавления, °С

29.8

156.8

303.6

430 [18]

455 ± 10

Температура кипения, °С

2516

2323

1457

1157 [18]

1200 ± 50

Теплота испарения, кДж/моль

255.8

227.8

174.8

130 [22]

130 ± 10

Работа выхода электрона, эВ

3.96

3.80

3.70

3.6 ± 0.1

Энтальпия испарения, кДж/моль

270.3

231.8

166.1

130 [22]

115 ± 10

Плотность, г/см

5.91

7.36

11.85

16-18 [18]

17 ± 2

траполяционно рассчитана энтальпия адсорбции

7. Kovats E.

// Helv. Chim. Acta.

1958. Vol. 41.

галлия на кварце и золоте (рис. 8), и в дальнейшем

Р. 1915-1932.

эти величины наравне с другими использовали

8. Вашарош Л., Норсеев Ю.В., Халкин В.А. Сообщ.

ОИЯИ 12-12188. Дубна, 1979. 14 с.

в экстраполяционных расчетах свойств нихония

9. Ко1aсhkоvskу A., Norseyev Y.V. // J. Chromatogr. 1973.

(табл. 5; рис. 9, 10).

Vol. 84. Р. 175-180.

Найденные методом сравнительного расчета

10. Gesheva М., Kolachkovsky A., Norseyev Y.V.

свойства нихония представлены в табл. 6.

J. Chromatogr. 1971. Vol. 60, № 3. Р. 414-417.

Метод сравнительного расчета еще раз под-

11. Вашарош Л., Норсеев Ю.В., Фоминых В.И.,

тверждает прозорливость Д.И. Менделеева при соз-

Халкин В.А. // Радиохимия. 1982. Т. 24, № 1. С. 95-99.

дании им Периодической системы элементов.

12. Норсеев Ю.В., Вашарош Л., Сюч З. // Радиохимия.

1988. Т. 30, № 2. С. 182-185.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

13. Вашарош Л., Норсеев Ю.В., Халкин В.А. Сообщ.

ОИЯИ Р6-80-158. Дубна, 1980. 7 с.

Авторы звявляют об отсутствии конфликта

14. Вашарош Л., Норсеев Ю.В., Халкин В.А. Сообщ.

интересов.

ОИЯИ Р12-81-511. Дубна, 1981. 6 с.

15. Норсеев Ю.В, Вашарош Л. Сообщ. ОИЯИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Р12-93-129. Дубна, 1993. 6 с.

16. Норсеев Ю.В. // Радиохимия. 1995. Т. 37, вып. 3.

1. Оганесян Ю.Ц., Дмитриев С.Н. // Успехи химии.

С. 243-252.

2016. Т. 85, вып. 9. С. 901-916.

17. Ожигов E.П.

ЖФХ.

1964. Т. 34,

№ 10.

2. Лундквист С., Марч Н. Теория неоднородного элект-

С. 3519-3519.

родного газа. М.: Мир, 1987. 400 с.

18. Hoffman D.C., Lee D.M., Pershina V. // Transactinides

3. Moshinsky M.// Am. J. Phys. 1968. Vol. 36. P. 52-53.

and the Future Elements: vol. 3 of The Chemistry of the

4. Dreizler R., Gross E. Density Functional Theory. New

Actinide and Transactinide Elements / Eds N. Edelstein,

York: Plenum, 1995.

J. Fuger. Dordrecht: Springer, 2011. 4th ed.

5. Карапетьянц М.Х. Методы сравнительного расчета

19. Chang Z., Li J., Dong C. // J. Phys. Chem. A. 2010.

физико-химических свойств. М.: Наука, 1965; М.:

Vol. 114. Р. 13388-13394.

ЛЕНАНД, 2014; М.: ЛЕНАНД (УРСС), 2019.

20. Haire R. // Transactinides and the Future Elements: vol. 3

6. Норсеев Ю.В. Изучение химии астата в Объеди-

of The Chemis try of the Actinide and Transactinide

ненном институте ядерных исследований (Дубна).

Elements / Eds N. Edelstein, J. Fuger. Dordrecht:

Открытие и исследование свойств новых неоргани-

Springer, 2006. 3rd ed. Р. 1724.

ческих и органических соединений астата, синтез

терапевтических радиофармпрепаратов: Сообщ.

21. Bonchev D., Kamenska V. // J. Phys. Chem.

1981.

ОИЯИ P12-2013-32. 2013. 65 с.

Vol. 85, N 9. Р. 1177-1186.

РАДИОХИМИЯ том 63 № 3 2021

226

НОРСЕЕВ

22. Seaborg G.T. Transuranium element (chemical element)

Polyakov A.N., Popov Y.A., Sabel’nikov A.V.,

// Encyclopedia Britannica. Retrieved March 16, 2010.

Sagaidak R.N., Shirokovsky I.V., Shumeiko M.V.,

23. Fricke B. Superheavy elements: a prediction of their

Starodub G.Ya., Tsyganov Yu.A., Utyonkov V.K.,

chemical and physical properties // Structure and

Voinov A.A.,

Vos tokin

G.K.,

Yaremin A.V.,

Bonding. 1975. Vol. 21: Recent Impact of Physics on

Dmitriev S.N. // Eur. Phys. J. A.

2017. Vol.

53.

Inorganic Chemistry. Р. 89-144.

Article 158.

24. Nash C.S. // J. Phys. Chem. A. 2005. Vol. 109, N 15.

29. Serov A., Eichler R., Dressier R., Piguet D., Türler A.,

Р. 3493-3500.

Vögele A., Wittwer D., Gäggeler. H.W.// Radiochim.

25. Eichler R., Eichler B. // Thermochemical Properties of

Acta. 2011. Vol. 99, N 2. Р. 95-101.

the Elements Rn, 112, 114, and 118 (PDF). Paul Scherrer

Institut. Retrieved Oct. 23, 2010.

30. Serov A., Eichler R., Dressier R., et al. // Radiochim.

26. Oganessian Yu.Ts. Discovering Superheavy Elements.

Acta. 2013. Vol. 101. Р. 421-426.

Oak Ridge National Laboratory. Retrieved April 21,

31. Pershina V. // J. Phys. Chem. C. 2016. Vol. 120.

2017.

Р. 20232-20238.

27. Dmitriev

S.N.,

Aksenov

N.V.,

Alibin Y.V.,

32. Steinegger P., Asai M., Dressler R., Eichler R.,

Bozhikov G.A.,

Chelnokov M.L.,

Chepygin V.I.,

Eichler R., Isaev A.V., Katrasev D.E., Lebedev V. Ya.,

Kaneya Y., Mitsukai A., Nagame Y., Piguet D., Sato T.,

Malyshev O.N.,

Petrushkin O.V.,

Porobanuk L.S.,

Schadel M., Takeda S., Toyoshima A., Tsukada K.,

Ryabinin

M.A.,

Sabel’nikov A.V.,

Sokol E.A.,

Turler A., Vascon A. // J. Phys. Chem. C. 2016. Vol. 120,

Svirikhin A.V., Starodub G.Ya., Usoltsev I., Vos-

N 13. Р. 7122-7132.

tokin G.K., Yeremin A.V.// Mendeleev Commun. 2014.

33. Eichler B., Rossbach H. // Radiochim. Acta.

1983.

Vol. 24, N 5. Р. 253-256.

Vol. 33 Р. 121-125.

28. Aksenov N.V., Steinegger P., Abdullin F.Sh., Albin Y.V.,

Bozhikov G.A., Chepigin V.I., Eicher R., Lebedev V.Ya.,

34. Rusakov A., Demidov Y., Zaitsevskii A. // Centr. Eur. J.

Madumarov A.Sh., Malyshev O.N., Petrushkin O.V.,

Phys. 2013. Vol. 11. P. 1537-1540.

РАДИОХИМИЯ том 63 № 3 2021