Прорыв в химии тяжелых элементов разрушает давно устоявшиеся предположения о трансурановых элементах.

Исследователи открыли «беркелоцен» — первую охарактеризованную органометаллическую молекулу, содержащую тяжелый элемент берклий.
Молекула была синтезирована с использованием всего 0,3 миллиграмма берклия-249, что потребовало специализированных условий для работы с его крайней чувствительностью к кислороду, воде и радиоактивности.
Это открытие бросает вызов давно устоявшимся теориям о химии трансурановых элементов, особенно тех, что находятся за ураном в периодической таблице.

Берклий: Загадочный элемент

Команда исследователей из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США открыла «беркелоцен» — первую в истории органометаллическую молекулу, содержащую тяжелый элемент берклий.

Органометаллические молекулы, структуры, в которых ион металла связан с углеродным каркасом, хорошо известны для ранних актинидов, таких как уран (атомный номер 92). Однако они чрезвычайно редки для более поздних актинидов, таких как берклий (атомный номер 97).

«Это первый случай, когда получены доказательства образования химической связи между берклием и углеродом. Открытие дает новое понимание того, как берклий и другие актиниды ведут себя по сравнению со своими соседями в периодической таблице», — сказал Стефан Минасян, ученый из отдела химических наук Berkeley Lab и один из четырех соавторов нового исследования, опубликованного в журнале Science.

Молекула тяжелого металла с берклийскими корнями

Берклий — один из 15 актинидов в f-блоке периодической таблицы. Над актинидами расположен ряд лантаноидов.

Выдающийся ядерный химик Гленн Сиборг открыл берклий в Berkeley Lab в 1949 году. Это стало лишь одним из множества достижений, которые привели к тому, что он получил Нобелевскую премию по химии 1951 года вместе с коллегой из Berkeley Lab Эдвином Макмилланом за их открытия в химии трансурановых элементов.

• «Это первый случай, когда получены доказательства образования химической связи между берклием и углеродом.»

Сложности изучения берклия

Таким образом, Минасян, Арнольд и соавтор Ребекка Абергель, доцент ядерной инженерии и химии Калифорнийского университета в Беркли, возглавляющая группу по химии тяжелых элементов в Berkeley Lab, собрали команду, чтобы преодолеть эти препятствия.

В Лаборатории исследования тяжелых элементов Berkeley Lab команда разработала специальные перчаточные боксы, позволяющие проводить синтез без доступа воздуха с использованием высокоактивных радиоактивных изотопов. Затем, используя всего 0,3 миллиграмма берклия-249, исследователи провели эксперименты по дифракции рентгеновских лучей на монокристаллах. Изотоп, полученный командой, изначально был предоставлен Национальным центром разработки изотопов, который управляется программой изотопов Министерства энергетики США в Национальной лаборатории Ок-Ридж.

Удивительная химическая структура

Результаты показали симметричную структуру, в которой атом берклия зажат между двумя 8-членными углеродными кольцами. Исследователи назвали молекулу «беркелоцен», поскольку ее структура аналогична урановому органометаллическому комплексу, называемому «ураноцен». (Химики Калифорнийского университета в Беркли Эндрю Стрейтвизер и Кеннет Рэймонд открыли ураноцен в конце 1960-х годов.)

В неожиданном открытии расчеты электронной структуры, выполненные соавтором Йохеном Аутшбахом из Университета Буффало, показали, что атом берклия в центре структуры беркелоцена имеет тетравалентное состояние окисления (положительный заряд +4), которое стабилизируется связями берклий–углерод.

Переосмысление периодической таблицы

«Традиционное понимание периодической таблицы предполагает, что берклий должен вести себя как лантанид тербий», — сказал Минасян.

«Но ион берклия гораздо стабильнее в степени окисления +4, чем другие ионы f-блока, с которыми мы ожидали его сходства», — добавил Арнольд.

Новый взгляд на ядерную науку

Исследователи утверждают, что для решения проблем, связанных с долгосрочным хранением и утилизацией ядерных отходов, необходимы более точные модели, показывающие, как меняется поведение актинидов в периодической таблице.

«Более четкое представление о поздних актинидах, таких как берклий, открывает новый взгляд на поведение этих удивительных элементов», — сказала Абергель.