Аннотация

Борий представляет собой синтетический сверхтяжелый элемент с атомным номером 107, расположенный в группе 7 периодической таблицы как самый тяжелый член ниже марганца, технеция и рения. Этот трансактиноидный элемент обладает радиоактивными свойствами с периодами полураспада от миллисекунд до приблизительно 11,5 минут для наиболее долгоживущего изотопа ²⁷⁸Bh. Химические исследования показывают, что борий ведет себя как ожидаемый более тяжелый гомолог рения, демонстрируя характерные степени окисления группы 7 и образуя летучие оксихлориды. Синтез элемента осуществляется исключительно через реакции бомбардировки в ускорителях частиц, при этом наиболее изученным изотопом является ²⁷⁰Bh с периодом полураспада 2,4 минуты. Релятивистские эффекты существенно влияют на электронную структуру и химическое поведение бория.

Введение

Борий занимает уникальное положение как элемент 107 в периодической таблице, являясь пятым членом серии переходных металлов 6d и самым тяжелым подтвержденным элементом группы 7. Значение элемента выходит за рамки его атомной структуры, демонстрируя систематическое продолжение периодических тенденций в область сверхтяжелых элементов. Электронная конфигурация бория [Rn] 5f¹⁴ 6d⁵ 7s² однозначно помещает его в d-блок переходных металлов, где релятивистские эффекты становятся все более выраженными. Названный в честь датского физика Нильса Бора за его фундаментальные вклады в атомную теорию, борий стал результатом десятилетий теоретических предсказаний и экспериментальных подтверждений в синтезе сверхтяжелых элементов. Открытие элемента стало возможным благодаря совместным усилиям советских и немецких исследовательских групп, с окончательным подтверждением через цепочки α-распада и химические характеристики.

Физические свойства и атомная структура

Фундаментальные атомные параметры

Борий имеет атомный номер Z = 107 и электронную конфигурацию [Rn] 5f¹⁴ 6d⁵ 7s², характерную для переходных металлов группы 7. Атомный радиус составляет приблизительно 128 пм, что отражает значительное релятивистское сокращение 7s-орбитали по сравнению с классическими ожиданиями. Расчеты эффективного ядерного заряда указывают на сильный экран из полной 5f¹⁴-оболочки, приводящий к уникальным электронным свойствам по сравнению с более легкими аналогами группы 7. Первая энергия ионизации достигает приблизительно 742 кДж/моль, что значительно ниже, чем у рения (760 кДж/моль), из-за увеличенного атомного размера и релятивистской стабилизации 7s-электронов. Последующие энергии ионизации следуют ожидаемым тенденциям, со второй по седьмую энергии ионизации приблизительно 1690, 2570, 3710, 5210, 7040 и 10200 кДж/моль соответственно.

Макроскопические физические характеристики

Борий принимает гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру с параметрами решетки c/a = 1,62, что согласуется с его положением как более тяжелого гомолога рения. Расчеты плотности дают значения между 26–27 г/см³, значительно превышающие плотность рения (21,02 г/см³) из-за увеличенной атомной массы и релятивистских эффектов. Температура плавления оценивается приблизительно в 2400°C на основе экстраполяции тенденций группы 7, тогда как температура кипения, вероятно, приближается к 5500°C. Расчеты теплоты плавления предполагают приблизительно 38 кДж/моль, а теплоты испарения – 715 кДж/моль. Удельная теплоемкость при стандартных условиях достигает приблизительно 0,13 Дж/(г·К), следуя предсказаниям закона Дюлонга-Пти для тяжелых металлов. Элемент проявляет металлическую связь с предсказываемой электропроводностью, сравнимой с другими переходными металлами.

Химические свойства и реакционная способность

Электронная структура и поведение связей

Химическая реакционная способность бория вытекает из его валентной конфигурации 6d⁵ 7s², позволяющей степени окисления от +3 до +7. Степень окисления +7 демонстрирует исключительную стабильность благодаря использованию всех семи валентных электронов, проявляясь в соединениях, таких как гептоксид бория Bh₂O₇ и перборатные анионы BhO₄^-. Более низкие степени окисления +4 и +5 проявляют умеренную стабильность в водных растворах, тогда как +6 представляет промежуточное состояние, наблюдаемое в некоторых оксифторидах. Ковалентные связи преобладают в высоких степенях окисления, с длинами связей Bh-O, оцениваемыми в 1,68 Å в BhO₄^- по сравнению с 1,72 Å для перрениата. Координационная химия обычно включает октаэдрические геометрии для Bh(IV) и тетраэдрические для Bh(VII). Гибридизация следует типам d²sp³ для гексакоординированных комплексов и sp³ для тетраэдрически координированных соединений высоких степеней окисления.

Электрохимические и термодинамические свойства

Электроотрицательность бория составляет 2,2 по шкале Полинга, немного выше, чем у рения (1,9), из-за увеличенного эффективного ядерного заряда. Стандартные электродные потенциалы указывают на BhO₄^-/BhO₂ = +0,45 В и Bh⁴⁺/Bh = -0,15 В в кислом растворе, что предполагает умеренную окислительную способность для высоких степеней окисления. Энергия электронного сродства составляет 151 кДж/моль, сравнимая с 146 кДж/моль для рения, но отражающая усиленные релятивистские эффекты. Термодинамические расчеты показывают, что соединения Bh(VII) сохраняют стабильность при сильно окисляющих условиях, но легко восстанавливаются до Bh(IV) в нейтральных или восстановительных средах. Стандартные энтальпии образования достигают -842 кДж/моль для Bh₂O₇ и -724 кДж/моль для BhO₃Cl, что указывает на значительные термодинамические силы для образования оксидов и оксихлоридов.

Химические соединения и комплексообразование

Бинарные и тройные соединения

Гептоксид бория Bh₂O₇ представляет собой наиболее термодинамически стабильное бинарное соединение, обладающее летучестью, сравнимой с гептоксидом рения, но с пониженным давлением пара из-за увеличенной молекулярной массы. Соединение кристаллизуется в орторомбической структуре с длинами связей Bh-O 1,68 Å и углами O-Bh-O 109,5°. Тетрафторид бория BhF₄ и гексафторид бория BhF₆ демонстрируют характерную фторидную химию, при этом гексафторид проявляет октаэдрическую геометрию и умеренную летучесть. Образование оксихлоридов дает BhO₃Cl как основной продукт при хлорировании, с тетраэдрической координацией вокруг центра бория. Сульфидные соединения включают BhS₂ со слоистой структурой, аналогичной дисульфиду рения, а нитриды формируют BhN с кубической структурой и металлической проводимостью.

Координационная химия и органометаллические соединения

Координационные комплексы бория обычно включают жесткие донорные лиганды, такие как оксид, фторид и хлорид-ионы, из-за высокой плотности заряда центров Bh(IV) и Bh(VII). Гексакоординированные комплексы [BhCl₆]^3- имеют октаэдрическую геометрию с длинами связей Bh-Cl 2,35 Å, тогда как тетракоординированные [BhO₄]^- демонстрируют тетраэдрическую симметрию. Электронные конфигурации в этих комплексах следуют предсказаниям теории кристаллического поля, с d³-конфигурацией для Bh(IV), приводящей к магнитным моментам 3,87 μB. Спектроскопические свойства включают характерные d-d переходы в видимой области для комплексов Bh(IV) и полосы переноса заряда в ультрафиолете для Bh(VII). Ограниченная органометаллическая химия отражает предпочтительные высокие степени окисления бория, хотя теоретические расчеты предполагают возможные карбонильные комплексы Bh(CO)₆⁺ при сильно восстановительных условиях.

Природное распространение и изотопный анализ

Геохимическое распределение и распространенность

Борий встречается исключительно как синтетический элемент без наземного природного распространения, что связано с его коротким периодом полураспада и положением за пределами области стабильных изотопов. Примордиальные нуклеосинтезные процессы не производили изотопы бория из-за быстрого β⁺-распада и нестабильности сверхтяжелых ядер при делении. Реакции спаллации космическими лучами теоретически могут генерировать следовые количества изотопов бория в звездных средах, но их обнаружение остается вне пределов современных аналитических возможностей. Лабораторные темпы производства достигают приблизительно 10³ атомов в час при оптимизированных условиях бомбардировки, с общим мировым запасом, оцениваемым менее чем 10¹² атомов в любой момент времени. Распространение в окружающей среде пренебрежимо мало из-за полного радиоактивного распада в течение часов после синтеза.

Ядерные свойства и изотопный состав

Двенадцать подтвержденных изотопов бория охватывают массовые числа 260–267 и 270–274, с неподтвержденным ²⁷⁸Bh, который потенциально может быть самым долгоживущим. Наиболее стабильный изотоп ²⁷⁰Bh имеет период полураспада 2,4 минуты через α-распад до ²⁶⁶Db с энергией распада Q_α = 8,93 МэВ. Назначение спинов ядер включает I = 5/2 для ²⁶⁷Bh и I = 0 для изотопов с четной массой, следуя систематическим тенденциям сверхтяжелых ядер. Барьеры деления достигают приблизительно 6–8 МэВ для нейтронно-богатых изотопов, тогда как α-распад доминирует для нейтронно-дефицитных видов. Поперечные сечения ядерных реакций для синтеза через ²⁰⁹Bi + ⁵⁴Cr составляют приблизительно 15 пб для производства ²⁶²Bh, тогда как более тяжелые изотопы требуют многоступенчатых цепочек от московия или нихония. Эффекты магического числа около N = 162 предполагают повышенную стабильность для изотопов, приближающихся к предсказанному острову стабильности.

Промышленное производство и технологические применения

Методы извлечения и очистки

Синтез бория использует горячие реакции синтеза с актиноидными мишенями и ускоренными легкими ядрами, обычно ²⁴⁹Bk + ²²Ne → ²⁶⁷Bh + 4n с сечением 2,5 пб. Альтернативные холодные пути синтеза используют ²⁰⁹Bi + ⁵⁴Cr → ²⁶²Bh + n с более высокими сечениями, но более короткими периодами полураспада. Эффективность производства требует интенсивности пучка 10¹³ частиц/см²·с и толщины мишени 0,5 мг/см² для оптимизации выхода и минимизации конкурирующих реакций. Методы разделения включают быструю химическую обработку в течение секунд после синтеза, используя газовую хроматографию для разделения летучих оксихлоридов от неволатильных актиноидных загрязнителей. Очистка опирается на термокроматографическое разделение при температурах 350–400°C, где BhO₃Cl осаждается в характерных позициях, отличных от аналогов технеция и рения.

Технологические применения и перспективы

Современные применения ограничены фундаментными ядерными и химическими исследованиями из-за чрезвычайно короткого периода полураспада и микроскопических количеств бория. Исследования фокусируются на тестировании теоретических предсказаний химии сверхтяжелых элементов и подтверждении тенденций периодической таблицы в трансактиноидной области. Перспективы включают возможное использование как трассеров для изучения химии элементов группы 7 в экстремальных условиях, хотя практические применения ожидают открытия более долгоживущих изотопов вблизи предсказанного острова стабильности. Современные ускорительные установки могут позволить производство нейтронно-богатых изотопов бория с повышенной стабильностью, потенциально достигая периодов полураспада от часов до дней для изотопов с массовыми числами 275–285. Экономические аспекты остаются непреодолимыми с затратами на производство, превышающими $10⁹ за микрограмм, ограничивая исследования специализированными ядерными лабораториями с возможностями ускорения тяжелых ионов.

Историческое развитие и открытие

Первые сообщения об элементе 107 появились в 1976 году от советских исследователей в ОИЯИ Дубна, которые бомбардировали мишени из висмута и свинца снарядами хрома и марганца, наблюдая α-распадные активности, приписываемые изотопам бория. Однако недостаточная характеристика продуктов распада помешала окончательному подтверждению синтеза. Окончательное открытие произошло в 1981 году в GSI Дармштадт под руководством Петера Армбрустера и Готтфрида Мюнценберга, которые получили пять атомов ²⁶²Bh через реакцию ²⁰⁹Bi + ⁵⁴Cr и подтвердили их идентичность через α-корреляционные цепочки к известным дочерним ядрам. Спор о названии включал первоначальные предложения "ниельсборий" (символ Ns) в честь полного имени Нильса Бора, но IUPAC в 1997 году выбрал "борий" (символ Bh) в соответствии со стандартными номенклатурными конвенциями. Химическая характеристика значительно продвинулась с экспериментами 2000 года в PSI, доказавшими образование летучих оксихлоридов, согласующееся с поведением группы 7, установив борий как более тяжелый гомолог рения через прямые химические доказательства.

Заключение

Борий служит примером успешного расширения систематичности периодической таблицы в область сверхтяжелых элементов, демонстрируя предсказанные химические свойства группы 7 несмотря на значительные релятивистские возмущения электронной структуры. Синтез и характеристика элемента представляют собой вершины современной ядерной химии, требующие сложных технологий ускорителей и быстрых методов химического разделения. Будущие исследования будут направлены на получение более нейтронно-богатых изотопов с повышенной стабильностью, что потенциально позволит проводить более детальные спектроскопические и термодинамические измерения. Роль бория в тестировании теоретических моделей химии сверхтяжелых элементов продолжает обеспечивать критическую проверку вычислительных подходов к предсказанию свойств еще более тяжелых, пока неизвестных элементов.