Berkelij

S Wikipedije, slobodne enciklopedije
Jump to navigation Jump to search
Berkelij,  97Bk
Berkelium metal.jpg
Berkelij u periodnom sistemu
Hemijski element, Simbol, Atomski broj Berkelij, Bk, 97
Serija Aktinoidi
Grupa, Perioda, Blok Ac, 7, f
Izgled srebrenasto bijeli metal
Zastupljenost 0 %
Atomske osobine
Atomska masa 247 u
Atomski radijus (izračunat) 170[1] (-) pm
Kovalentni radijus - pm
Van der Waalsov radijus - pm
Elektronska konfiguracija [Rn] 5f9s2
Broj elektrona u energetskom nivou 2, 8, 18, 32, 27, 8, 2
Fizikalne osobine
Agregatno stanje čvrsto
Kristalna struktura heksagonalna
Gustoća 14780 kg/m3
Tačka topljenja 1259 K (986 °C)
Tačka ključanja K ( °C)
Molarni volumen 16,84 · 10-6 m3/mol
Toplota isparavanja kJ/mol
Toplota topljenja kJ/mol
Brzina zvuka m/s
Hemijske osobine
Oksidacioni broj 3, 4
Elektrodni potencijal −2,00 V
(Bk3+ + 3e → Bk)
Elektronegativnost 1,3 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR
245Bk

sin

4,94 d ε (≈ 100 %) 0,810 245Cm
α (0,12 %) 6,455 241Am
246Bk

sin

1,80 d ε (≈ 100 %) 1,350 246Cm
α (0,1 %) 6,070 242Am
247Bk

sin

1380 god α (≈ 100 %) 5,889 243Am
SR ? ? ?
248Bk

sin

> 9 god β 0,870 248Cf
ε 0,717 248Cm
α 5,803 244Am
249Bk

sin

330 d β (≈ 100 %) 0,125 248Cf
α (0,00145 %) 5,526 245Am
Sigurnosno obavještenje

Oznake upozorenja

Oznaka upozorenja nepoznata[2]
Obavještenja o riziku i sigurnosti R: /
S: /
Ostala upozorenja
Radioaktivnost
Radioaktivni element

Radioaktivni element
Ukoliko je moguće i u upotrebi, koriste se osnovne SI jedinice.
Ako nije drugačije označeno, svi podaci su podaci dobiveni mjerenjima u normalnim uslovima.

Berkelij (latinski: berkelium) jest vještački dobijeni hemijski element sa simbolom Bk i atomskim brojem 97. U periodnom sistemu nalazi se u grupi aktinoida (7. perioda, f-blok) pa se prema tome ubraja u transuranijske elemente. Ovaj element dobio je ime po gradu Berkeley u Kaliforniji, središtu kalifornijskog univerziteta i jednog od najvećih središta za ispitivanje jezgara na svijetu, gdje je i otkriven. Berkelij je radioaktivni metal, srebrenasto-bijelog izgleda. Prvi put je dobijen u decembru 1949.[3] bombardiranjem elementa americija α-česticama (ionima helija). On nastaje u vrlo malim količinama u nuklearnim reaktorima. Primjenu je našao isključivo u laboratorijama za sintetiziranje težih transuranijskih i transaktinoidnih elemenata.

Historija[uredi | uredi izvor]

Kao što su elementi americij (atomski broj 95) i kirij (96) otkriveni gotovo jedan iza drugog tokom 1944. i 1945. godine, na sličan način su 1949. i 1950. uslijedila su otkrića elemenata berkelija (97) i kalifornija (98). Naučnici Glenn T. Seaborg, Albert Ghiorso i Stanley G. Thompson dobili su prva jezgra novog elementa 19. decembra 1949. u 60-inčnom ciklotronu na Univerzitetu Kalifornije u Berkeleyju. Bio je to peti otkriveni transuranijski element. Njegovo otkriće objavljeno je zajedno sa otkrićem elementa kalifornija.[4][5][6][7]

Odabir imena za novi element slijedio je zajedničko porijeklo dva novootkrivena elementa. Berkelij je nazvan po mjestu njegovog otkrića, gradu Berkeley u Kaliforniji. Time je na još jedan način slijeđen trend kao i kod mnogih drugih aktinoida i lantanoida: terbij koji u periodnom sistemu stoji tačno iznad berkelija dobio je ime po švedskom gradu Ytterby gdje je prvi put otkriven: Sugerirano je da se elementu 97 dodijeli ime berkelij (simbol Bk) po gradu Berkeleyju na sličan način koji se koristio za davanje imena njegovom hemijskom homologu terbiju (atomski broj 65) čije ime je izvedeno od imena grada Ytterby u Švedskoj, gdje je taj rijetki zemni mineral prvi put otkriven.[5] Za element 98 odabrano je ime kalifornij u čast Univerziteta i savezne države Kalifornije.

Kao najteži korak u pripremanju sinteze elementa pokazao se razvoj odgovarajućih hemijskih metoda separacije kao i dobijanje dovoljnih količina americija koji je služio kao materijal za metu. Priprema uzorka uslijedila je nakon nanošenja rastvora americij-nitrata (sa izotopom 241Am) na foliju od platine, zatim se rastvor isparavao a ostatak se žario do nastanka oksida (AmO2). Zatim se taj uzorak unio u 60-inčni ciklotron te se bombardirao jako ubrzanim alfa česticama sa energijom od 35 MeV tokom šest sati. Pri tome je u takozvanoj (α,2n) reakciji nastao 243Bk i dva slobodna neutrona:

Nakon bombardiranja u ciklotronu, sloj uzorka se rastvarao pomoću dušične kiseline i zagrijavao, da bi se napokon istaložio sa koncentriranim vodenim rastvorom amonijaka u vidu hidroksida i kasnije centrifugirao. Talog se zatim ponovno rastvarao u dušičnoj kiselini.

Godine 1958. Burris B. Cunningham i Stanley G. Thompson su prvi put dobili mjerljive količine ovog elementa nakon dugogodišnjeg izlaganja neutronima izotopa 239Pu u testnom reaktoru Nacionalne laboratorije u američkoj saveznoj državi Idaho.[8]

Osobine[uredi | uredi izvor]

Pošto je još uvijek nemoguće dobiti dovoljne količine elementarnog berkelija da bi se ispitale njegove osobine, previđa se da bi mogao imati srebrenasti metalni sjaj, lahko oksidirati u zraku pri povišenoj temperaturi, te da bi se mogao rastvarati u razblaženim mineralnim kiselinama.

Fizičke[uredi | uredi izvor]

Berkelij je vještački radioaktivni metal, srebrenasto-bijelog izgleda, koji se topi pri temperaturi od 986 °C.

Pri standardnim uslovima temperature i pritiska kristalizira se kao α modifikacija u heksagonalnom kristalnom sistemu u prostornoj grupi P63/mmc sa parametrom rešetke a = 341,6 ± 0,3 pm i c = 1106,9 ± 0,7 pm kao i četiri formulske jedinice po elementarnoj ćeliji, metalnog radijusa od 170 nm i gustoće 14,78 g/cm3. Kristalna struktura sastoji se iz dvostrukog heksagonalno najgušćeg kuglastog pakovanja (d. h.c.p.) sa redoslijedom slojeva ABAC pa je prema tome izotip prema strukturi α-La.[1]

Pri višim temperaturama α-Bk modifikacija prelazi u β-Bk. Alotropska modifikacija β-Bk se kristalizira u kubičnom kristalnom sistemu u prostornoj grupi Fmm sa parametrom rešetke a = 499,7 ± 0,4 pm, metalnog radijusa od 177 nm i gustoće 13,25 g/cm3. Kristalna struktura sastoji se iz kubične najgušće kuglaste pakovane strukture sa redoslijedom ABC, što odgovara kubičnoj plošno-centriranoj rešeci (f.c.c.).[1]

Entalpija rastvora metalnog berkelija u hlorovodičnoj kiselini pri standardnim uslovima iznosi −600,2 ± 5,1 kJ·mol−1. Pored ovih vrijednosti naučnicima je uspjelo po prvi put izračunati standardnu entalpiju nastajanja (ΔfH0) iona Bk3+(aq) od −601 ± 5 kJ·mol−1 kao i standardne potencijale Bk3+ / Bk0 od −2,01 ± 0,03 V.[9]

U rasponu od 70 K do sobne temperature, berkelij se ponaša kao Curie–Weissov paramagnet sa efektivnim magnetnim momentom od 9,69 Bohrovih magnetonaB) i Kirijeve temperature od 101 K. Pri hlađenju na oko 34 K, berkelij doživljava prelaz u antiferomagnetsko stanje.[10] Taj magnetni moment gotovo u potpunosti odgovara teoretskoj vrijednosti od 9,72 µB.[11][12]

Hemijske[uredi | uredi izvor]

Kao i svi drugi aktinoidi, i berkelij je veoma reaktivan element. Međutim, ne reagira brzo sa kisikom pri sobnoj temperaturi, zbog čega bi možda mogao nastati zaštitni sloj oksida na površini (pasivizacija). Ipak, reagira sa rastopljenim metalima, vodikom, halogenim, halkogenim i pniktogenim elementima, dajući razne binarne spojeve.[11][12]

U vodenim rastvorima, trovalentno oksidacijsko stanje elementa je najpostojanije, mada su zapaženi i četverovalentni i dvovalentni[13] spojevi. Vodeni rastvori sa ionima Bk3+ su žuto-zelene boje, dok su sa Bk4+ ionima su u rastvorima hlorovodika bež boje, a rastvorima sumporne kiseline narandžasto-žuti.[14][15][16] Slične osobine uočene su i kod njegovog analoga među lantanoidima, terbija.[6][7]

Ioni Bk3+ pokazuju dva vrlo oštra fluoroscentna vrha pri 652 nm (crveno svjetlo) i 742 nm (tamno crveno, blizu infracrvenog spektra), putem internog prelaza u f elektronskoj ljusci.[17][18]

Izotopi[uredi | uredi izvor]

Postoje samo radionuklidi berkelija a niti jedan stabilan izotop. Do danas je poznato dvanaest izotopa i pet nuklearnih izomera elementa. Najduže "živući" izotop je 247Bk sa vremenom poluraspada 1380 godina, slijedi 248Bk sa devet godina i 249Bk sa 330 dana. Vremena poluraspada ostalih izotopa dužine su između nekoliko milisekundi do nekoliko sati ili dana.[19]

Ako se naprimjer uzme raspad najdugovječnijeg izotopa 247Bk, zapaža se da putem α-raspada najprije nastaje dugovječni 243Am koji se opet daljnjim alfa raspadom pretvara u 239Np. Daljnji tok raspada vodi preko 239Pu do 235U, što predstavlja početak uranij-aktinijevog niza raspada (4 n + 3).

Navedena vremena su vremena poluraspada.

Upotreba[uredi | uredi izvor]

Upotreba izotopa berkelija uglavnom se svodi na naučna ispitivanja i istraživanja. Izotop 249Bk je polazni nuklid za sintezu još težih transuranijskih i transaktinoidnih elemenata kao što su lorensij, raderfordij i borij.[20] Također služi i kao izvor za izotop 249Cf, kojim je omogućeno proučavanje hemije elementa kalifornija. On ima određenu prednost nad radioaktivnim 252Cf, kojim se inače dobija bomabardovanjem neutronima u HFIR (reaktor toka brzih izotopa).[21]

Godine 2009, uzorak od 22 miligrama 249Bk se bombardirao tokom 250 dana te nakon toga se pročišćavao u laboratoriji Oak Ridge u procesu koji je trajao 90 dana. Iz ovog uzorka nastalo je prvih šest atoma elementa tenesina u Zajedničkom institutu za nuklearna istraživanja (JINR) u ruskom gradu Dubna, nakon što je bombardiran ionima kalcija u ciklotronu U400 tokom 150 dana koliko je trajao eksperiment. Ova sinteza je bila vrhunac rusko-američkog zajedničkog rada i saradnje između JINR i Nacionalne laboratorije "Lawrence Livermore" u vezi sinteze elemenata sa atomskim brojevima od 113 do 118, a koja je započeta 1989. godine.[22][23]

Spojevi[uredi | uredi izvor]

Iako je 247Bk najduže "živući" izotop ovog elementa, izotop 249Bk je daleko lakše dostupan i uglavnom se više koristi za određivanje hemijskih osobina berkelija.

Oksidi[uredi | uredi izvor]

Postoje oksidi berkelija sa oksidacijskim stanjima +3 (Bk2O3) i +4 (BkO2).[24][25] Berkelij(IV)-oksid (BkO2) je smeđi kristal a kristalizira se u kubičnom sistemu u strukturi fluorita sa prostornom grupom Fmm sa koordinacijskim brojevima Cf[8], O[4]. Parametar rešetke iznosi 533,4 ± 0,5 pm.[26]

Berkelij(III)-oksid (Bk2O3) nastaje iz BkO2 putem redukcije sa vodikom:

To je žutozelena čvrsta supstanca koja se topi na 1920 °C.[14] Gradi kubičnu prostorno centriranu kristalnu rešetku sa parametrom a = 1088,0 ± 0,5 pm.[26]

Halogenidi[uredi | uredi izvor]

Poznati su halogenidi berkelija sa oksidacijskim stanjima +3 i +4.[14] Najstabilnije stanje +3 poznato je za određene spojeve od fluora do joda a stabilno je i u vodenim rastvorima. Četverovalentno stanje može se stabilizirati samo u čvrstoj fazi.

Oksidacijski broj F Cl Br I
+4 Berkelij(IV)-fluorid
BkF4
žuto-zelen
+3 Berkelij(III)-fluorid
BkF3
žuto-zelen
Berkelij(III)-hlorid
BkCl3
zelen
Berkelij(III)-bromid
BkBr3
žuto-zelen
Berkelij(III)-jodid
BkI3
žut

Berkelij(IV)-fluorid (BkF4) je zeleno-žuti ionski spoj koji se kristalizira u monoklinskom kristalnom sistemu i izotip je sa uranij(IV)-fluoridom.[27]

Berkelij(III)-fluorid (BkF3) je žuto-zelena čvrsta supstanca koja ima dvije kristalne strukture, koje zavise od temperature (temperatura pretvaranje je od 350 do 600 °C). Pri nižim temperaturama je u ortorompskom kristalnom sistemu (tipa YF3). Pri višim temperaturama nastaje trigonalna kristalna struktura (tipa LaF3).[28][27]

Berkelij(III)-hlorid (BkCl3) je zelena čvrsta supstanca koja se topi na 603 °C[14] a kristalizira u heksagonalnom sistemu.[29][30] Njegova kristalna struktura je izotip sa uranij(III)-hlorida (UCl3). Heksahidrat (BkCl3 · 6 H2O) ima monoklinsku kristalnu strukturu.[31]

Berkelij(III)-bromid (BkBr3) je žuto-zelena čvrsta supstanca koja se pri nižim temperaturama kristalizira u tipu PuBr3, dok se pri višim temperaturama kristalizira u tipu AlCl3.[32]

Berkelij(III)-jodid (BkI3) je žuta čvrsta supstanca koja se kristalizira u heksagonalnom sistemu (tip BiI3).[33][34][35]

Oksihalogenidi BkOCl, BkOBr i BkOI imaju tetragonalnu strukturu tipa PbFCl.[36][37]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ a b c J. R. Peterson, J. A. Fahey, R. D. Baybarz (1971). "The Crystal Structures and Lattice Parameters of Berkelium Metal". J. Inorg. Nucl. Chem. 33 (10): 3345–3351. doi:10.1016/0022-1902(71)80656-5. 
  2. ^ EU ovaj element još uvijek nije stavila na spisak opasnih elemenata, međutim trenutno nije moguće pronaći pouzdani izvor ili literaturu o opasnim svojstvima ove supstance. Radioaktivnost ne spada u opasna svojstva koja se ovdje navode.
  3. ^ Lenntech Water treatment & purification Holding B.V
  4. ^ S. G. Thompson, A. Ghiorso, G. T. Seaborg (1950). "Element 97". Physical Review 77 (6): 838–839. doi:10.1103/PhysRev.77.838.2. 
  5. ^ a b S. G. Thompson, A. Ghiorso, G. T. Seaborg (1950). "The New Element Berkelium (Atomic Number 97)". Physical Review 80 (5): 781–789. doi:10.1103/PhysRev.80.781. 
  6. ^ a b Stanley G. Thompson, Glenn T. Seaborg. "Chemical Properties of Berkelium". doi:10.2172/932812. 
  7. ^ a b S. G. Thompson, B. B. Cunningham, G. T. Seaborg (1950). "Chemical Properties of Berkelium". J. Am. Chem. Soc. 72 (6): 2798–2801. doi:10.1021/ja01162a538. 
  8. ^ S. G. Thompson, B. B. Cunningham: First Macroscopic Observations of the Chemical Properties of Berkelium and Californium, dodatak radu P/825 objavljenog na Drugoj međunarodnoj konferenciji o mirnodopskom korištenju atomske energije, Ženeva, 1958.
  9. ^ J. Fuger, R. G. Haire, J. R. Peterson (1981). "A New Determination of the Enthalpy of Solution of Berkelium Metal and the Standard Enthalpy of Formation of Bk3+(aq)". J. Inorg. Nucl. Chem. 43 (12): 3209–3212. doi:10.1016/0022-1902(81)80090-5. 
  10. ^ S. E. Nave, P. G. Huray, R. G. Haire (1980). J. E. Crow, R. P. Guertin, T. W. Mihalisin, ur. Crystalline Electric Field and Structural Effects in f-Electron Systems. New York: Plenum. str. 269–274. ISBN 0-306-40443-5. 
  11. ^ a b Peterson, Hobart (1984), str. 45.
  12. ^ a b Hobart, Peterson (2006), str. 1460.
  13. ^ Jim C. Sullivan, K. H. Schmidt, L. R. Morss, C. G. Pippin, C. Williams (1988). "Pulse Radiolysis Studies of Berkelium(III): Preparation and Identification of Berkelium(II) in Aqueous Perchlorate Media". Inorg. Chem. 27 (4): 597–598. doi:10.1021/ic00277a005. 
  14. ^ a b c d A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg (2007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (102 iz.). Berlin: de Gruyter. str. 1956–1972. ISBN 978-3-11-017770-1. 
  15. ^ Peterson, Hobart (1984), str. 55.
  16. ^ Hobart, Peterson (2006), str. 1472.
  17. ^ Z. Assefa, R. G. Haire, N. A. Stump (1998). "Emission profile of Bk(III) in a silicate matrix: anomalous dependence on excitation power". Journal of Alloys and Compounds. 271–273: 854–858. doi:10.1016/S0925-8388(98)00233-3. 
  18. ^ Rita Cornelis, Joe Caruso, Helen Crews, Klaus Heumann (2005). Handbook of Elemental Speciation II: Species in the Environment, Food, Medicine & Occupational Health. John Wiley and Sons. str. 552. ISBN 0-470-85598-3. 
  19. ^ G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra (2003). "The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties". Nuclear Physics A 729 (1): 3–128. 
  20. ^ Hobart, Peterson (2006), str. 1445–1448.
  21. ^ Richard G. Haire (2006). "Californium". u Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger. The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements. Dordrecht: Springer. str. 1499–1576. ISBN 1-4020-3555-1. doi:10.1007/1-4020-3598-5_11. 
  22. ^ Collaboration Expands the Periodic Table, One Element at a Time, Science and Technology Review, Lawrence Livermore National Laboratory, oktobar/novembar 2010.
  23. ^ "Missing Link Created at Last: Superheavy Element 117". Science daily. Pristupljeno 7. 4. 2010. 
  24. ^ Joseph R. Peterson, Burris B. Cunningham (1967). "Some Chemical Properties of Element 97 (UCRL-17337)". Trans. Amer. Nucl. Soc. 10: 92–93. 
  25. ^ J. R. Peterson, B. B. Cunningham (1967). "Crystal Structures and Lattice Parameters of the Compounds of Berkelium I. Berkelium Dioxide and Cubic Berkelium Sesquioxide". Inorg. Nucl. Chem. Lett. 3 (9): 327–336. doi:10.1016/0020-1650(67)80037-0. 
  26. ^ a b R. D. Baybarz (1968). "The Berkelium Oxide System". J. Inorg. Nucl. Chem. 30 (7): 1769–1773. doi:10.1016/0022-1902(68)80352-5. 
  27. ^ a b D. D. Ensor, J. R. Peterson, R. G. Haire, J. P. Young (1981). "Absorption Spectrophotometric Study of Berkelium (III) and (IV) Fluorides in the Solid State". J. Inorg. Nucl. Chem. 43 (5): 1001–1003. doi:10.1016/0022-1902(81)80164-9. 
  28. ^ J. R. Peterson, B. B. Cunningham (1968). "Crystal Structures and Lattice Parameters of the Compounds of Berkelium IV. Berkelium Trifluoride". J. Inorg. Nucl. Chem. 30 (7): 1775–1784. doi:10.1016/0022-1902(68)80353-7. 
  29. ^ J. R. Peterson, B. B. Cunningham (1968). "Crystal Structures and Lattice Parameters of the Compounds of Berkelium II. Berkelium Trichloride". J. Inorg. Nucl. Chem. 30 (3): 823–828. doi:10.1016/0022-1902(68)80443-9. 
  30. ^ J. R. Peterson, J. P. Young, D. D. Ensor, R. G. Haire (1986). "Absorption Spectrophotometric and X-Ray Diffraction Studies of the Trichlorides of Berkelium-249 and Californium-249". Inorg. Chem. 25 (21): 3779–3782. doi:10.1021/ic00241a015. 
  31. ^ John H. Burns, Joseph Richard Peterson (1971). "The Crystal Structures of Americium Trichloride Hexahydrate and Berkelium Trichloride Hexahydrate". Inorg. Chem. 10 (1): 147–151. doi:10.1021/ic50095a029. 
  32. ^ John H. Burns, J. R. Peterson, J. N. Stevenson (1975). "Crystallographic Studies of some Transuranic Trihalides: 239PuCl3, 244CmBr3, 249BkBr3 and 249CfBr3". J. Inorg. Nucl. Chem. 37 (3): 743–749. doi:10.1016/0022-1902(75)80532-X. 
  33. ^ Peterson, Hobart (1984), str. 48.
  34. ^ Hobart, Peterson (2006), str. 1469.
  35. ^ R. L. Fellows, J. P. Young, R. G. Haire, u: Physical–Chemical Studies of Transuranium Elements (Izvještaj o napretku april 1976–mart 1977) (ur. J. R. Peterson), U.S. Energy Research and Development Administration Document ORO-4447-048, University of Tennessee, Knoxville, str. 5–15.
  36. ^ Peterson, Hobart (1984), str. 53.
  37. ^ Hobart, Peterson (2006), str. 1465, 1470.

Literatura[uredi | uredi izvor]