عنصر دارمشتادیم (Darmstadtium) با نماد شیمیایی Ds، یکی از عناصر شیمیایی جدول مندلیف است که عدد اتمی آن 110 می باشد. این عنصر در حقیقت صد و دهمین عنصر جدول تناوبی عناصر بوده که در گروه XB و تناوب هفتم جدول تناوبی عناصر قرار دارد. در واقع عنصر دارمشتادیوم یک فلز واسطه (Transition Metals) فوق سنگین (ابر سنگین)، مصنوعی و از عناصر با خاصيت راديواكتيو بالای جدول تناوبی است. این فلز با عناصر نیکل (Ni)، پالادیوم (Pd) و پلاتین (Pt)، در گروه ده واسطه جدول تناوبی قرار گرفته است. توجه داشته باشید که عنصر دارمشتادیوم سنگین ترین عضو گروه 10 می باشد. این عنصر همچنین با نام های دارمستادیم و دارمستادیوم نیز شناخته می شود. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی عنصر دارمشتادیم پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.
فهرست مطالب
تاریخچه کشف عنصر دارمشتادیم
عنصر دارمشتادیم برای اولین بار در سال ۱۹94 میلادی توسط يك گروه آلماني یعنی پیتر آرمبروستر (Peter Armbruster) و گاتفرید مونسنبرگ (Gottfried Münzenberg) و به سرپرستی سیگورد هافمن (Sigurd Hofmann) در موسسه تحقیقات هسته ای یون های سنگین (GSI) واقع در دارمستات، آلمان غربی کشف شد. این محققان عنصر سرب (ایزوتوپ 208Pb) را با هسته های شتاب دار شده نیکل (ایزوتوپ 62Ni) بمباران کردند. بدین شکل موفق به سنتز ایزوتوپ 269 از عنصر شماره ۱10 شدند.
لازم به ذکر است که قبل از این، تلاش هایی برای سنتز عنصر شماره ۱10 جدول تناوبی در سال های 1986-1987 میلادی در موسسه مشترک تحقیقات هسته ای در دوبنا (در آن زمان در اتحاد جماهیر شوروی) و همچنین در سال 1990 میلادی در GSI انجام شده بود. این تلاش ها در حقیقت شکست خورده بودند.
علاوه بر آن، تلاش های دیگری نیز در سال 1994 میلادی توسط گروه دوبنا (بمباران عنصر پلوتونیوم (ایزوتوپ 244Pu) با یون های گوگرد (ایزوتوپ 34S)) و همچنین بمباران عنصر بیسموت (ایزوتوپ 209Bi) با یون های کبالت (ایزوتوپ 59Co) در سال 1995 میلادی در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی انجام شد. این فعالیت ها منجر به نشانه هایی شد که نشان دهنده کشف ایزوتوپ های جدید 273 (273Ds) در دوبنا و 267 (267Ds) در برکلی آمریکا از عنصر شماره ۱10 بود، اما به طور قطعی بیان نشد.
توجه داشته باشید که این عنصر در حقیقت چهارمین عنصری می باشد که توسط گروه محققان GSI کشف شده است. در واقع در بین سال های 1981 تا 1984 میلادی، عناصر 107 (بوریم)، 108 (هاسیم)، 109 (ماتنریم) و عنصر 110 یعنی دارمشتادیم ساخته و شناسایی شده اند. علاوه بر، عناصر 111 و 112 نیز در همین موسسه تحقیقات هسته ای یون های سنگین آلمان کشف شده اند.
نامگذاری عنصر دارمشتادیم
همانطور که بیان شد، ادعا هایی مبنی بر سنتز عنصر دارمستادیم از آزمایشگاه های آلمان، اتحاد جماهیر شوروی و آمریکا مطرح شده بود. بنابراین اولویت اکتشاف و نامگذاری این عنصر در میان دانشمندان شوروی، آمریکایی و آلمانی مورد بحث بود. هر تیم تحقیقاتی نام دلخواه خود را برای عنصر شماره 110 جدول تناوبی پیشنهاد داده بود. به عنوان مثال، تیم آمریکایی به افتخار اتو هان (Otto Hahn)، نام هانیوم (hahnium) را مد نظر داشت (مدت ها این نام برای عنصر 105 جدول استفاده می شد). تیم های روسی نیز به افتخار هانری بکرل (Antoine Henri Becquerel)، نام بکرلیوم (becquerelium)، و تیم آلمانی نیز نام دارمشتاتیم را به افتخار محل موسسه خود، یعنی دارمشتات (Darmstadt)، پیشنهاد کردند.
در نهایت انجمن بين المللي شيمي محض و كاربردي یا همان آیوپاک (IUPAC)، با بررسی نتایج سه آزمایشگاه روسی، آمریکایی و آلمانی، تیم آلمانی را به عنوان کاشفان رسمی عنصر دارمستادیوم به رسمیت شناخت. برای مدت زمان زیادی، بحث و جدل نامگذاری عناصر 101 تا 110 جدول تناوبی عناصر وجود داشت. بنابراین، انجمن آیوپاک در ابتدا نام موقت آنیونیلیم (ununilium) و نماد Uun را برای این عنصر تا زمانیکه یک تصمیم نهایی برای نامگذاری آن گرفته شود، انتخاب کرد. در نهایت و در سال 2003 میلادی، آیوپاک واژه دارمشتادیم را به عنوان نام رسمی این عنصر تایید کرد.
پیدایش و منابع عنصر شماره 110 جدول تناوبی
عنصر دارمشتادیم به دلیل سنگینی و ناپایداری بسیار بالا در طبیعت وجود ندارد. از این رو، این عنصر در پوسته زمین پیدا نشده و تنها به دست بشر و در آزمایشگاه تهیه شده است. این عنصر را می توان با سرعتی بالا به دیگر عناصر تجزیه نمود. به طور کلی می توان گفت که این عنصر جدید از طریق بمباران اهداف سرب با اتم های نیکل تهیه شده است. لازم به ذکر است که تاکنون تنها تعداد کمی از اتم های دارمشتادیم ساخته شده است. به احتمال زیاد در آینده نیز هرگز نمی تواند به مقداری ساخته شود که با چشم قابل مشاهده باشد.
به عبارت دیگر، عنصر دارمستادیم از طریق هم جوشی میان اتم های نیکل و سرب بدست آمده است. این کار با شتاب دادن ذرات نیکل در دستگاه شتاب دهنده (UNILAC) به منظور دستیابی به سطوح انرژی بالاتر، انجام شده است. در نهایت و بعد از چند روز، بیلیون ها اتم نیکل به هدف سربی انتخاب شده، جهت تولید و شناسایی عنصر دارمستادیوم، شلیک شدند. هسته های نیکل (با عدد اتمی 28) و سرب (با عدد اتمی 82) در یک واکنش هم جوشی هسته ای با یکدیگر ادغام می گردند. بدین شکل، هسته های عنصر جدید را تشکیل دادند که عدد اتمی آن (110) حاصل جمع عدد اتمی دو عنصر نیکل و سرب خواهد بود.
سنتز عنصر دارمشتادیم
سنتز هسته های سنگین
هسته های اتم های سنگین در واکنش های هسته ای تولید می شوند که در طی آن، دو هسته با اندازه غیر یکسان در یک هسته ادغام می گردند. هرچقدر دو هسته از لحاظ جرم، نا برابرتر باشند، احتمال واکنش میان آن دو نیز بیشتر خواهد بود. ترکیب شیمیایی ساخته شده از هسته های سنگین تر به هدفی تبدیل می شود که می تواند به وسیله پرتو های هسته های سبک تر بمباران گردد. دو هسته تنها وقتی می توانند با یکدیگر ادغام شوند که به اندازه کافی به هم نزدیک شده باشند. می دانید که هسته ها دارای بار مثبت اند، پس به خاطر دافعه الکترواستاتیکی، یکدیگر را دفع می کنند. در حالیکه بر همکنش های قوی می تواند بر این دافعه غلبه کند.
وقتیکه دو هسته به هم نزدیک می شوند، معمولا به مدت 10 تا 20 ثانیه در کنار هم باقی می مانند، سپس از هم جدا می شوند. اگر همجوشی میان آنها اتفاق افتد، ادغام موقت (که هسته مرکب نام دارد) یک حالت برانگیخته خواهد بود. برای از دست دادن انرژی برانگیختگی و رسیدن به حالت پایدار تر، یک هسته مرکب می شکافد و یا یک یا چند نوترون را بیرون می اندازد. حال اگر انرژی ترکیبی دو هسته نا برابر زیاد نباشد، نیرو های دافعه بین هسته ها بر آن غلبه کرده و واکنش شکست خواهد خورد.
جهت تولید یک هسته منفرد، هدف بایستی در مدت زمان نسبتا زیادی بمباران شود. هسته تازه تولید شده به یک آشکار ساز منتقل می شود که هسته را متوقف می کند. محل دقیق ضربه آتی بر روی آشکار ساز، انرژی آن و زمان ورود ثبت می گردد. مشخصات هسته پس از ثبت فروپاشی، مجددا ثبت می شود و مکان، انرژی و زمان فروپاشی اندازه گیری می گردد.
ویژگی های فیزیکی و شیمیایی عنصر دارمشتادیم
همانطور که بیان شد، عنصر دارمشتادیم تاکنون تنها به مقدار بسیار ناچیزی و در حد چند اتم تهیه شده است. در واقع، این عنصر هنوز خیلی شناخته شده نیست، زیرا به اندازه ای پایدار نمی باشد که بتوان بر روی آن آزمایش انجام داد. از این جهت، اطلاعات کمی درباره شكل ظاهری و یا خواص فیزیکی و شیمیایی آن وجود دارد. با این وجود، تعدادی پیش بینی و نتایج تجربی اولیه در مورد خواص آن انجام شده است. به عنوان مثال، انتظار می رود که دارمشتادیم یک فلز بسیار نجیب باشد.
فلز دارمشتادیوم در چهارمین و در واقع آخرین دوره بلوک- d جدول تناوبی عناصر واقع شده است. توجه داشته باشید که در این بلوک، هشتمین عنصر است. از طرفی دیگر هفتمین عنصر سری ترا، ترانس یا فرا اکتینیدی (Transactinide) نیز محسوب می شود. آزمایشات شیمی تاکید کرده اند که عنصر دارمشتادیوم مانند همولوگ سبکترش یعنی عنصر پلاتین در گروه ده رفتار می کند. عنصر پلاتین در خانه بالای دارمشتادیم در جدول تناوبی قرار دارد. به عبارت دیگر، عنصر جدید باید بسیار شبیه فلزات گروه پلاتین باشد.
خصوصیات ویژه دارمشتادیم از ساختار اتمی ([86Rn] 5f146d87s2) آن ناشی می شود. همانطور که از آرایش الکترونی دارمشتادیم مشخص است، اوربیتال d لایه ماقبل آخر آن در حال پر شدن است. عنصر دارمشتادیم به واسطه آرایش الکترونی که دارد، در دسته عناصر واسطه قرار می گیرد. فلزات واسطه در بین عناصر قلیایی خاکی و عناصر گروه بور در جدول تناوبی قرار دارند. به عناصر واسطه، عناصر گروه B نیز گفته می شود. با توجه به آرایش الکترونی مشخص است که ده الکترون در دورترین لایه الکترونی آن وجود دارد. بنابراین این عنصر می تواند در ترکیبات به صورت کاتیون های مختلف ظاهر شود.
خواص ویژه دارمشتادیم
لازم به ذکر است که انتظار می رود دارمشتادیوم نیز همانند سایر هم گروهان خود، بتواند حالت اکسیداسیون پایدار پایین تری مثل 2+، 4+ و 6+ را نیز تشکیل دهد. علاوه بر آن، پیش بینی می شود که حالت اکسیداسیون صفر، پایدارترین حالت در محلول آبی باشد. از دیگر ویژگی های عنصر دارمشتادیوم می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- حالت فیزیکی آن در دمای 25 درجه سلسیوس و فشار 1 اتمسفر احتمالا به صورت جامد است.
- دمای ذوب و دمای جوش این عنصر تعیین نشده است.
- خاصت مغناطیسی عنصر دارمشتادیم نیز نا مشخص است.
- انتظار می رود که ساختار بلوری آن به شکل مکعبی مرکز پر یا ساختار مکعبی مرکز حجمی (bcc) باشد.
- این عنصر احتمالا آلوتروپ ندارد. در واقع آلوتروپ های آن ناشناخته هستند.
- جرم اتمی دارمشتادیم برابر با 281 g/mol است.
- چگالی آن نیز برابر با 26–27 g/cm3 پیش بینی می شود.
- شعاع اتمی آن نیز 128 pm تخمین زده شده است.
- یون های دارمشتادیم معمولا عدد اکسایش برابر با اعداد 0، +2، +4، +6 و+8 را دارند. اعداد اکسایش 0، +2 و +8 متداول تر می باشند.
- انرژی یونیزاسیون آن برابر با 960 kJ/mol است.
ایزوتوپ های عنصر دارمشتادیم
همانطور که در مقالات پیشین نشریه جهان شیمی فیزیک بیان شده است، ایزوتوپ های یک عنصر تنها در تعداد نوترون ها با یکدیگر تفاوت دارند. عنصر دارمشتادیم ایزوتوپ های فراوانی دارد. نخستین ایزوتوپ شناسایی شده آن، رادیو ایزوتوپ 269Ds است که در سال ۱۹94 میلادی کشف شد. از آنجاییکه عنصر دارمشتادیوم، عنصری مصنوعی است، بنابراین ایزوتوپ پایدار ندارد. این عنصر در حقیقت به صورت سنتزی و در رآکتور های هسته ای تهیه شده است. در نتیجه نمی توان برای آن جرم اتمی استاندارد تعریف کرد. تاکنون 9 ایزوتوپ پرتوزا از عنصر دارمشتادیم شناسایی شده است.
لازم به ذکر است که ایزوتوپ های سنگین تر دارمستادیم از ایزوتوپ های سبک تر آن پایدارتر هستند. رادیو ایزوتوپ 281Ds پایدار ترین ایزوتوپ دارمشتادیم با نیمه عمر 9.6 ثانیه است. بقیه ایزوتوپ های پرتوزای آن، نیمه عمری کمتر از چند میلی ثانیه دارند. علاوه بر آن، دارمشتادیوم دارای 2 یا 3 حالت متا (m) یا ایزومر هسته ای نیز می باشد (270mDs ، 271mDs و 281mDs). دقت داشته باشید که ایزوتوپ دارمشتادیوم- 281 تایید نشده است. ایزوتوپ های رادیواکتیو این عنصر دارای جرم های اتمی در محدوده 267 تا 281 amu می باشند.
کاربرد های عنصر دارمشتادیم
از آنجاییکه عنصر شماره 110 جدول تناوبی به میزان بسیار ناچیز (فقط تعداد کمی از اتم های آن) تولید شده است، بنابراین کاربرد خاصی خارج از پژوهش های علمی، هسته ای و یا تحقیقاتی ندارد. به بیان دیگر، به دلیل نیمه عمر بسیار پایین دارمشتادیم، این عنصر کاربرد تجاری ندارد.
ترکیبات عنصر دارمشتادیوم
پیش بینی می شود که عنصر دارمشتادیوم بتواند به راحتی با عناصر اکسیژن و همچنین هالوژن ها واکنش دهد. در نتیجه اکسید، هالید ها و یا حتی اکسی هالید را تولید نماید. از جمله ترکیبات آن می توان به هگزا فلوئورید دارمشتادیم (DsF6)، تترا کلرید دارمشتادیم (DsCl4) و کاربید دارمشتادیم (DsC) اشاره کرد. همچنین امکان تشکیل ترکیب اکتا فلوورید دارمشتادیم فرار (DsF8) نیز وجود دارد. از طرفی دیگر، برخلاف عنصر پلاتین که ترجیح می دهد در حالت اکسیداسیون +2 خود یک کمپلکس سیانید (Pt(CN)2) تشکیل دهد، انتظار می رود که عنصر دارمستادتیوم در حالت خنثی باقی بماند و کمپلکس سیانید (2−[Ds(CN)2]) را تشکیل دهد.
خطرات دارمشتادیم بر روی سلامتی انسان
همانطور که بیان شد، عنصر دارمشتادیم در طبیعت وجود خارجی ندارد. بنابراین در پوسته زمین نیز یافت نشده است. علاوه بر آن، دارمشتادیم آنقدر ناپایدار است و نیمه عمری کوتاهی دارد، که هر مقداری از آن ایجاد شود، به سرعت به سایر عناصر تبدیل می گردد. بنابراین دلیلی برای در نظر گرفتن اثرات و خطرات سلامتی آن وجود ندارد. به عبارت دیگر، عنصر شماره 110 جدول تناوبی نقش زیست شناختی مشخصی ندارد، اما با توجه به پرتوزا بودن، سمی محسوب می شود. بنابراین در هنگام کار با آن، بایستی حتما مراقب بود.
