Физикам удалось определить химические свойства сверхтяжелого элемента по одному атому. Для этого они попробовали осадить его вместе с веществом-носителем — гидроксидом самария. Определение альфа-распада полученного осадка в сравнении с суммарным альфа-распадом образца помогло понять, что гидроксид одного атома резерфордия действительно выпадает в осадок. Также выяснилось, что, как и другие элементы его группы, резерфордий плохо образует аммиачные комплексы.

Статья опубликована в Nature Chemistry.

Исследование свойств сверхтяжелых элементов может сильно помочь в понимании периодического закона. Последний говорит о том, что элементы, находящиеся в одной группе — или столбце, если смотреть на таблицу Менделеева — обладают однотипной электронной конфигурацией, и как следствие, похожими свойствами.

Но в случае с тяжелыми элементами, простое предсказание по этому принципу может быть неточным из-за релятивистских эффектов. Из-за дальности внешних электронов от ядра в тяжелых элементах они двигаются со скоростями, составляющими значительную долю скорости света. Это приводит к увеличению так называемой релятивистской поправки, а это влияет на химические свойства элементов. Учитывая, что химические свойства элементов обусловлены их внешними электронами, этот эффект может влиять на свойства сверхтяжелых элементов. В случае же с легкими элементами релятивистскими поправками чаще всего можно пренебречь без ущерба точности модели.

Все химические элементы с атомными номерами выше 104 синтезированы искусственно и в природе их нет. Более того, физики получают их в количестве одного или нескольких атомов, которые крайне нестабильны. Поэтому об их химических свойствах почти ничего не известно. Знания в этой области могут сильно помочь в понимании влияния релятивистских эффектов на свойства элементов.

Химические эксперименты с нестабильными искусственными элементами — это очень сложная лабораторная работа. Учитывая, что их периоды полураспада составляют меньше минуты, за это время нужно успеть провести эксперимент. Причем в один химический эксперимент получается ввести только один атом элемента.

Физикам под руководством Ацуси Синохары (Atsushi Shinohara) из Осакского университета удалось показать резерфордий-261 не образует комплексов с аммиаком, но образует слаборастворимый гидроксид. Так как работать пришлось с одним атомом резерфордия, они использовали метод соосаждения, который заключается в совместном осаждении соединения экспериментального атома с носителем.

До этого ученые уже использовали этот метод с другими элементами также для изучения образования аммиачных комплексов и гидроксидов, и носителем для соосаждения служил гидроксид самария. Поэтому для сравнения свойств резерфордия с уже полученными данными других элементов был выбран уже разработанный авторами метод.

Мишень из кюрия-248 и натурального гадолиния (состоит из семи изотопов) обстреливали атомами кислорода-18. Полученные атомы резерфордия попадали в поток газа-носителя, который состоит из гелия с кластерами хлорида калия. Поток переносил атомы в химический отсек установки, где они попадали в кислый раствор, содержащий нитрат самария. К полученному раствору добавляли растворы аммиака (0,37 или 15,00 моль на литр) или гидроксид натрия (1 или 6 моль на литр). После перемешивания полученной смеси в течение 10 секунд полученный осадок фильтровали, сушили горячим гелием при температуре 100 градусов Цельсия и определяли интенсивность альфа-распада. Для образца сравнения раствор без фильтрации переносили на подложку и упаривали из него воду горячим гелием при температуре 150 градусов Цельсия и тоже определяли альфа-распад. Сравнение полученных данных позволило сказать, осаждается ли гидроксид или аммиачный комплекс резерфордия.

На основе полученных данных ученые сделали вывод, что гидроксид резерфордия, формула которого, как полагают авторы, Rf(OH)₄, действительно выпадает в осадок в воде. Резерфордий, как и находящиеся с ним в одной группе цирконий и гафний, слабо координируется в аммиачные комплексы даже при высокой концентрации аммиака. При этом резерфордий гораздо хуже образует комплексы M(OH)₅^-, даже при высокой концентрации щелочи.

Схема экспериментальной установки / Atsushi Shinohara / Nature Chemistry, 2021