釒卡
- 注意:本條目的主題不是鐦。
鉲元素(英文:Kagaminelenium)是一種超理元素,符號Ka,原子序數為250,有250個核外電子。具放射性,共有Ka-987,Ka-876、Ka-765、Ka-654、Ka-543五種同位素,其中半衰期最長的Ka-654半衰期為50億年,半衰期最短的Ka-987半衰期僅為1秒。在銻星上,鉲元素均為常見元素,占銻星的38%。熔點為250攝氏度,沸點為250250攝氏度,不可燃,綠色固體,有一種令人蛋疼的氣味,主要用於製作銻場。 鉲元素是非金屬單質,具有良好的導電性,是世界上最硬的物質,硬度高達250,密度為 25.0*103。
發現與分佈
1990年,礦物質學家趙明毅博士在五指山上發現了一種具有放射性的礦石,經過元素以及結構分析發現其中有一種新的化合物,它是由已知元素Po和另一種新元素組成,為直線形結構,整個分子的偶極矩為101庫侖德拜。X光衍射的結果說明Po和Ka以離子鍵結合,即Po2-Ka2+。此化合物與CaO,KaO同晶形。趙明毅博士將這種新元素命名為鉲。
微觀性質
原子結構
鉲元素的質量數在不斷變化。研究發現,它的質量數的平均值為250。
鉲的原子結構特殊,超出量子力學解釋範圍,需量子超理學解釋。通過對Ka的化合物的X光衍射結果表明,Ka的同一化合物的結構在不同時間並不相同,說明Ka的核外電子排布不規則,其軌道能量完全不符合近似能級圖。有研究表明,Ka核外電子並不是以原子軌道的方式運動,而是以一種特殊方式運動,電子的自旋方向全部相同。
這種特殊的電子排布結構導致了Ka性質上的奇異。鉲的氧化數有+1,+2、+3、+4、+6、+7和+8,以+2、+4、+6三種比較穩定,但其最高價不具有氧化性。而正常價態的Ka顯兩性。比如KaF6與2H2KaO3以摩爾比3∶2的比例混合,由於Ka結構的特殊性,得到的3KaF6·2H2KaO3是一種超強的質子酸,其酸性是濃硫酸的1012倍,即魔酸的1000倍。而Ka(OH)4在FrOH中仍能接受質子,是一種超強鹼。
原子排布
鉲單質的晶形有三種,分別是α-鉲、β-鉲和γ-鉲。近年來,人們在綠色泰伯利亞礦中發現了微量的Ka和大量的U-235與Pu-238。經過趙明毅小組的研究結果表明,泰礦中的Ka以β晶形存在,而β-Ka會自發裂變為U-235與Pu-238,同時放出光子和中微子。這是第一次發現原子的排布方式對原子核的衰變產生影響,對量子力學的進展作出了巨大貢獻。
化學性質
化合價[1]
+1到+7都有(+6價存在於鏀化物中,極端條件下才製取出來,瞬間分解)(當第283號元素出現時,才製得了+7價的卡化物,只形成鑤鹽,很不穩定馬上分解,比二氟化六氧還不穩定)。
第10周期中除了之外,鉲最活潑,通常狀態下鉲的金屬鍵十分強,所以不可燃,在發功時鉲打破了金屬鍵,便就能和熱水猛烈置換反應生成氫氧化鉲和氫氣,生成的氫氣會點燃甚至發生核反應,溫度高達1500萬攝氏度,也是原子半徑最大的元素。同時7g9也可以號稱是最穩定的半滿(在鉲之前),比2p3的還穩定。
電離能表
I1=265,I2=1977,I3=3241,I4=4571
I5=5941,I6=7588,I7=9145,I8=10944,I9=12802,I10=14731
I11=34317。
鉲在超理上有着非常多的作用。
稀有氣體化合物
通過實驗發現,Ka能與人們認為無化合態的稀有氣體結合成化合物。 如果把KaO2與Ar,HF高溫高壓,會得到一種淡黃色固體2Ka4[ArF2]:
- $ 8KaO_{2}+2Ar+4HF\rightarrow 2Ka_{4}[ArF_{2}]+2H_{2}O+7O_{2} $
其中Ka顯+4價,Ar顯-14價,這種物質十分穩定,但在Pt的催化下高溫會與He反應
- $ Ka_{4}[ArF_{2}]+4He\rightarrow 4KaHe+F_{2}+Ar $:
這是首次發現金屬與稀有氣體的離子化合物。
氫氧化鉲
氫氧化鉲,化學式KaOH,這裏鉲成+1價,是一種極強的鹼,曾被一度認為是最強的鹼 。若將 1 mol 卡單質放入足量的水中,會和水發生無比 劇烈的反應,放出高達一千萬攝氏度的高溫,瞬間點燃氫氣,劇烈爆炸。據估計,爆炸的威力能夠摧毀太陽系。雖然+1價的鉲不穩定,但在水中不會進一步氧化到+2。
鉲酸鈉
β-鉲礦石經過Na2O2熔融後分離出了鉲(IV)酸鈉,水溶液中較為穩定,常見的氧化-還原電對是:
- $ KaO_{3}^{2-}+8H^{+}+3e^{-}\rightarrow KaO+2H_{2}O,\ E^{\Theta }=1.12V $
十二氟合鉲離子
如果把Ka(IV)與液態F2或者PtF6在1×106V電壓下放電1h,就可製得比較不穩定的[KaF12]4-即十二氟合鉲(VIII)離子。另有報道稱已合成其他的鹼金屬與鹼土金屬的鹽,其銫鹽Cs4[KaF12]比較穩定,鈁(Fr)鹽Fr4[KaF12]可能是更為穩定的鹼金屬鹽。Ba2[KaF12]已製成,為黃綠色帶微光的晶體,Ca2[KaF12],Sr2[KaF12]為紅色至洋紅色帶微光的晶體,極不穩定,257K以上溫度能發生爆炸性分解。半衰期比鈁長的同主族元素則可以形成穩定的化合物以及復鹽Ra2[KaF12]、Cs2Ra[KaF12]。在水溶液中為強氧化劑,在惰性非極性溶劑CF4中可以長時間穩定存在而不發生氧化-還原反應以及分解反應。在CF4中,Cs4[KaF12]仍為強氧化劑,可以氧化一般認為不會被氧化的過二連硫酸鉀(K2S2O8):
- $ Cs_{4}[KaF_{12}]+2K_{2}S_{2}O_{8}\xrightarrow {CF_{4}} Cs_{2}[KaF_{6}]+4KF+2CsF+2S_{2}O_{8} $
氟化物
2006年,人們把八氟化鉲與氮氣在特殊Ni-Cu容器中共熱,意外製得了NF5,並得到常法不能製得的四氟化鉲。
- $ 5KaF_{8}+2N_{2}\rightarrow 4NF_{5}+5KaF_{4} $
研究表明,四氟化鉲的一個重要的特性就是對共軛結構有強烈的親和性。
- $ C_{60}+120KaF_{4}\rightarrow 60CF_{4}+120KaF_{2} $
四氟化鉲酸性是高氯酸的1000億倍,常溫下能存在的最強氟化劑,直接就可以氟化氮氣生成三氟化氮或者四氟銨鹽。也可以氟化氯,溴等生成六氟化氯陽離子或六氟化溴陽離子。甚至可以氟化錳生成六氟合錳(V)酸鉀,乃至八氟合錳(VI)酸鉀。
二氟化鉲在常溫具有相當強的穩定性,為弱電解質。不和水,氧氣,金屬以及惰性氣體反應。
三氟化鉲,強路易酸性,比三氟化硼還要強,同時極具氧化性,腐蝕性,三氟化卡的氫氟酸1:1混合的酸性是高氯酸的1萬多倍。
五氟化鉲酸性則更強,比五氟化金還強的多,氧化性比四氟化鉲更強的多,能直接氟化錳生成灰錳氟,氟化鐵生成八氟合鐵(VI)酸鹽甚至是八氟合鐵(VII)酸鹽。穩定性很差,穩定性堪比比二氟化二氧,低溫就分解。將五氟化鉲和氫氟酸1:1混合,酸性是異常的強,腐蝕性也極強,要快速使用,不然很快就分解成四氟化鉲。六氟化鉲基團的電負性比氟原子更大,和氫電負性的差距很大,所以六氟合鉲酸形成了「離子鍵」,基本完全電離成了氫離子和六氟化鉲陽離子,不再是鉘陽離子。
HKaF6→H++KaF6-
腐蝕蠟燭的過程,先分解蠟燭生成甲烷,就是變成甲烷也還是沒能逃脫被反應的命運,之後甲烷被六氟合鉲酸酸化生成質子化甲烷(可見酸性有多強,六氟合卡酸中氫原子和六氟化鉲基團形成的是離子鍵),質子化甲烷直接就又被六氟合鉲酸接着氧化生成四氟化碳(這一步反應非常劇烈),自身還原成低價鉲。
同樣的六鏀合鉲酸也具有這一性質。
鉲代魔酸
化學式KaF5·HSO3F
用氟磺酸和五氟化鉲1:1在-250攝氏度下混合而成。
酸性不如六氟合鉲酸,和四氟合鉲酸酸性相當,極具氧化性和氟化性。因為有-2價氧存在,很不穩定,會部分發生反應,溶液中有四聚氧,刷新氧,二氟化二氧等等的存在。
KaF5+HSO3F→KaF4+H2SF8+SF6+O4
O4+4KaF5→4KaF4+2O2F2
此溶液因為生成八氟合硫酸,所以酸性大大增強。
此溶液可以氧化錳生成七價:
KaF5·HSO3F+Mn→KaF2+HMnO3F2+SO2F2↑
高鉲酸
將金屬鉲和氧其直接反映得到四氧化鉲,為高鉲酸(H2KaO5)的酸酐,在水溶液中的$ K_{a1}=1.2\times 10^{-2} $。
奇怪的是,高鉲酸並不具有特別強的氧化性,但是它能和鉑等不活潑金屬在常溫下反應,研究表明,這是由於反應生成了極為穩定的奇特配合物[Pt(KaO4)5]的緣故。
- $ Pt+5H_{2}KaO_{5}\rightarrow [Pt(KaO_{4})_{5}]+5H_{2}O $
γ-鉲相關
氯化鉲(II)和氰化鈉反應,生成了淡綠色氰化亞鉲沉澱:
- $ 2KaCl_{2}+4NaCN\rightarrow (CN)_{2}+2KaCN+4NaCl $
該物質可以溶解於四氫呋喃中,以乙硼烷還原後得到γ-鉲。
γ-鉲在常溫下是一種帶有彩虹色的熒光液體,不穩定,會逐漸變成黑色的α-鉲。
而γ-鉲的孤對電子不甚穩定,可以作為強Lewis鹼,在有機合成中有重要應用,比如使γ-鉲與乙醇發生親核取代反應,得到C2H5Ka,在溶液中即可產生乙基自由基,生成正丁烷和極穩定的二鉲(Ka-Ka)。此反應經常在有機合成中用來製備脂肪烴,被稱做ZMY-KAKAKAKA反應。
而氰基化合物在Ka+的催化作用下可以重派為異腈,即胩。然後Ka+與異氰基結合,生成胩化亞鉲。該物質有劇毒。
特殊化合物
近年來萬草園主嘗試將金屬鉲與三碘化磷共熱,得到一種綠色柱狀晶體,經過X射線衍射研究表明,該物質結構式為$ I-P=Ka $,俗稱IP鉲,此物有增進智力,提高免疫力的功效。
而金屬鉲也可以與碘化氰發生類似的反應,生成IC鉲,結構為$ I-C\equiv Ka $。最新研究表明,金屬鉲與碘化氰發生反應生成IC鉲後,在反應爐中還存在礬鉲,碘化鉲等雜質。根據銻星大學對超熱力學的研究,系該原子發生了Mp3雜化所致。
其他
2價鉲可以與大環多醚中的氧置換,生成環多鉲醚,為相轉移催化劑研究做出了重大貢獻。
應用(非化學)
可以作為抗高溫材料。
鉲元素的一個最重要的特性就是強烈的對電子儀器的干擾作用,其干擾半徑可達到101m,使通訊儀器接收信號的速度變慢,使電腦CPU及內存使用效率降低,被稱作鉲元素的Kasile效應。
元素周期表 | ||||||||||||||||
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