عنصر کوپرنیسیم (Copernicium) با نماد شیمیایی Cn، یکی از عناصر شیمیایی جدول مندلیف است که عدد اتمی آن ۱۱۲ می باشد. این عنصر در حقیقت صد و دوازدهمین عنصر جدول تناوبی عناصر بوده که در گروه XII و تناوب هفتم جدول تناوبی عناصر قرار گرفته است. در واقع عنصر کوپرنیسیوم یک عنصر ترانس اکتینیدی (Transactinide) فوق سنگین، مصنوعی و از عناصر با خاصيت به شدت راديواكتيو جدول تناوبی است. این فلز با عناصر روی (Zn)، کادمیوم (Cd) و جیوه (Hg)، در گروه دوازده جدول تناوبی قرار گرفته است. توجه داشته باشید که عنصر کوپرنیسیوم سنگین ترین عضو گروه ۱۲ می باشد. این عنصر همچنین با نام های آن‌ان‌بیوم، و اکا- جیوه، کوپرنیکیم و کوپرنیکیوم نیز شناخته می شود. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی عنصر کوپرنیسیوم پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.
تاریخچه کشف عنصر کوپرنیسیم
عنصر کوپرنیسیم برای اولین بار در سال ۱۹۹۶ میلادی توسط يك گروه بین المللی و به سرپرستی پروفسور سیگورد هافمن (Sigurd Hofmann) در موسسه تحقیقات هسته ای یون های سنگین (GSI) هلمهولتز واقع در دارمشتات، آلمان سنتز شد. این محققان عنصر سرب (ایزوتوپ ۲۰۸Pb) را با هسته های شتاب دار شده روی (ایزوتوپ ۷۰Zn) بمباران کردند. بدین شکل موفق به سنتز ایزوتوپ ۲۷۷ از عنصر شماره ۱۱۲ شدند.
لازم به ذکر است که تلاش هایی برای سنتز عنصر شماره ۱۱۲ در سال ۱۹۷۱ میلادی در موسسه مشترک تحقیقات هسته ای در دوبنا (اتحاد جماهیر شوروی) انجام شده بود. این تلاش ها موفقیت آمیز نبود، در نهایت در سال های ۲۰۰۱ و ۲۰۰۳ میلادی، انجمن بين المللی شيمی محض و كاربردی یا همان آیوپاک (IUPAC)، کشف عنصر جدید را به دلیل کمبود شواهد مبنی بر وجود آن، رد کرد. اما تیم تحقیقاتی هافمن، آزمایشات خود را دوباره تکرار کردند. این دفعه وجود اتم کوپرنیسیم (۲۷۷Cn) را گزارش کردند. همچنین موسسه تحقیقاتی و اکتشاف ژاپنی ریکن (RIKEN) توانست اتم های بیشتری از عنصر ۱۱۲ را به کمک آزمایش شتاب دهنده تولید کند، بدین شکل کشف GSI تایید شد. در نتیجه آیوپاک نیز در سال ۲۰۰۹ میلادی وجود عنصر کوپرنیسیوم را تایید کرد. از این جهت، تیم GSI را رسما به عنوان کاشف عنصر ۱۱۲ به رسمیت شناخت.
توجه داشته باشید که این عنصر در حقیقت ششمین عنصری می باشد که توسط گروه محققان GSI کشف شده است. در واقع از سال ۱۹۸۱ میلادی، آزمایشات شتاب دهنده GSI موفق به کشف عناصر ۱۰۷ (بوهریم)، ۱۰۸ (هاسیم)، ۱۰۹ (مایتنریوم)، ۱۱۰ (دارمشتادیم) و عنصر ۱۱۱ یعنی رونتگنیم شده است. علاوه بر آن، عنصر ۱۱۲ نیز در همین موسسه تحقیقات هسته ای یون های سنگین آلمان ساخته و شناسایی شده است.
نامگذاری عنصر کوپرنیسیم
با استفاده از سیستم عناصر پیش بینی شده توسط مندلیف، عنصر کوپرنیسیم با نام اکا- جیوه شناخته می شد. در نهایت در سال ۱۹۷۱ میلادی، آیوپاک تصمیم گرفت که تا زمانیکه عنصر فوق کشف و تایید نشده است (در این صورت نامی نیز برایش تعیین نشده)، عنصر را در جدول تناوبی عناصر با نام سیستماتیک معرفی کند. بنابراین، انجمن آیوپاک نام موقت آن‌ان‌انیوم یا اونونبیوم (Ununbium) و نماد Uub را برای این عنصر تا زمانیکه یک تصمیم نهایی برای نامگذاری آن گرفته شود، انتخاب کرد. جالب است بدانید که اغلب دانشمندان، عنصر فوق را با نام های عنصر ۱۱۲، E112 و یا حتی ۱۱۲ می شناختند.
در سال ۲۰۰۹ میلادی، تیم تحقیقات هسته ای یون های سنگین (GSI) هلمهولتز، نام کوپرنیسیم با نماد شیمیایی Cp را به افتخار اخترشناس مشهور، یعنی نیکولاس کوپرنیک (Nicolaus Copernicus) برای این عنصر پیشنهاد داد. کوپرنیک در حقیقت کسی بود که اعلام کرد، سیارات به دور خورشید می گردند. بدین شکل موفق شد تا فرضیه مرکز جهان بودن زمین را نقض کند. در نهایت و در همان سال، آیوپاک واژه کوپرنیسیوم را به عنوان نام رسمی این عنصر تایید کرد.
بحث استفاده از نماد شیمیایی Cp، برای عنصر جدید در میان دانشمندان مطرح شد. زیرا این نماد، پیش از آن برای عنصر کاسیوپیوم (cassiopeium) که امروزه با نام لوتسیوم (lutetium) با نماد شیمیایی Lu شناخته می شود، استفاده شده بود. همچنین Cp برای ترکیبات سیکلوپنتادین نیز بکار می رود. به همین دلیل، آیوپاک استفاده از نماد شیمیایی Cp را به عنوان نماد عنصر جدید ممنوع کرد. بنابراین تیم GSI، نماد Cn را به عنوان جایگزین معرفی کرد. در نهایت در سال ۲۰۱۰ میلادی، آیوپاک رسما نام و نماد پیشنهادی را پذیرفت.
پیدایش و منابع عنصر شماره ۱۱۲ جدول تناوبی
عنصر کوپرنیسیم به دلیل سنگینی و ناپایداری بسیار بالا در طبیعت وجود ندارد. از این رو، این عنصر در پوسته زمین پیدا نمی شود و تنها به دست انسان و در آزمایشگاه ساخته شده است. این عنصر را می توان با سرعتی بالا به سایر عناصر، تجزیه نمود. به طور کلی می توان گفت که این عنصر از طریق بمباران اهداف سرب با اتم های روی تهیه شده است. لازم به ذکر است که تاکنون تنها تعداد کمی از اتم های کوپرنیسیم ساخته شده است. به احتمال زیاد در آینده نیز هرگز نمی تواند به مقداری ساخته شود که با چشم قابل مشاهده باشد.
لازم به ذکر است که هسته های اتمی سنگین در واکنش های هسته ای سنتز می شوند که در طی آن، دو هسته با اندازه نا برابر در یک هسته ادغام شوند. هر چقدر دو هسته از نظر جرم نا برابرتر باشند، احتمال واکنش میان آن دو بیشتر خواهد بود. ماده شیمیایی ساخته شده از هسته های سنگین تر به هدفی تبدیل می شود که می تواند توسط پرتو های هسته های سبک تر بمباران گردد. حال اگر انرژی ترکیبی دو هسته غیر یکسان زیاد باشد، نیرو های دافعه بین هسته ها بر آن غلبه می کند و واکنش شکست خواهد خورد. پس در این آزمایش به منظور تولید یک هسته منفرد، هدف بایستی به مدت یک هفته یا بیشتر بمباران شود.
تهیه عنصر کوپرنیسیم
از این رو، اتم های عنصر کوپرنیسیم از طریق هم جوشی میان اتم های روی و سرب بدست آمده است. این کار با شتاب دادن یون های روی در دستگاه شتاب دهنده خطی به طول ۱۲۰ متر، جهت دستیابی به سطوح انرژی بالاتر، انجام شده است. در نهایت و بعد از چند روز، ذرات روی به سوی هدف سربی، جهت تهیه و شناسایی عنصر کوپرنیسیوم، شلیک شدند. هسته های روی (با عدد اتمی ۳۰) و سرب (با عدد اتمی ۸۲) در یک واکنش هم جوشی هسته ای با یکدیگر ترکیب شدند. بدین شکل، هسته های عنصر جدید را تشکیل دادند که عدد اتمی آن (۱۱۲) حاصل جمع عدد اتمی دو عنصر روی و سرب است.
ویژگی های فیزیکی و شیمیایی عنصر کوپرنیسیم
همانطور که بیان شد، عنصر کوپرنیسیم تاکنون تنها به مقدار بسیار کم 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 درباره خواص آن انجام شده است. به عنوان مثال، انتظار می رود که کوپرنیسیم غیر فعال باشد، پس بیشتر به گاز های نجیب شباهت خواهد داشت تا فلزات.
فلز کوپرنیسیوم در چهارمین و در واقع آخرین دوره بلوک- d جدول تناوبی عناصر واقع شده است. توجه داشته باشید که در این بلوک، دهمین و در واقع آخرین عنصر است. از طرفی دیگر، نهمین عنصر سری فرا اکتینیدی نیز محسوب می شود. عنصر کوپرنیسیوم خصلت هایی شبیه همولوگ سبکترش یعنی عنصر جیوه نشان می دهد، یعنی به احتمال زیاد در حالت معمولی مایع است. عنصر جیوه در خانه بالای کوپرنیسیم در جدول تناوبی واقع شده است. جالب است بدانید که جرم هسته اتم کوپرنیسیم، ۲۲۷ بار از هسته اتم هیدروژن سنگین تر است. در واقع، عنصر کوپرنیسیم سنگین ترین عنصری است که تاکنون توسط آیوپاک به رسمیت شناخته شده است. همانطور که بیان شد، این عنصر جدید در دسته عناصر ابر سنگین قرار دارد، عناصر فوق سنگین عنصر هایی با اعداد اتمی بیشتر از ۱۰۳ هستند.
آرایش الکترونی کوپرنیسیم
خصوصیات ویژه کوپرنیسیم از ساختار اتمی ([۸۶Rn] 5f۱۴۶d۱۰۷s۲) آن ناشی می شود. همانطور که از آرایش الکترونی کوپرنیسیم مشخص است، اوربیتال d لایه ما قبل آخر آن در حال پر شدن است. آرایش الکترونی نشان می دهد که اوربیتال d و اوربیتال s لایه ظرفیت این عنصر پر شده است. عنصر کوپرنیسیم به واسطه آرایش الکترونی که دارد (زیر لایه d کاملا پر شده)، معمولا در دسته عناصر واسطه قرار نمی گیرد. این عنصر ممکن است جز فلزات پس واسطه باشد. با توجه به آرایش الکترونی مشخص است که تعداد زیادی الکترون در دورترین لایه الکترونی آن وجود دارد. بنابراین این عنصر احتمالا می تواند در ترکیبات به صورت کاتیون های مختلف ظاهر شود.
علاوه بر آن، آزمایشات شیمی تاکید کرده اند که عنصر کوپرنیسیم دارای چندین ویژگی مختلف است که با همولوگ های سبک تر آن در گروه ۱۲، یعنی عناصر روی، کادمیوم و جیوه متفاوت می باشد. به عنوان مثال، کوپرنیسیوم ممکن است الکترون های تراز ۶d خود را به جای الکترون های تراز ۷s خود آزاد کند. بنابراین احتمالا شباهت های بیشتری به گاز های نجیب همچون رادون داشته باشد تا همولوگ های سبکتر خود در گروه ۱۲. از طرفی دیگر می دانید که الکترون های تراز الکترونی ۶d راحت تر در پیوند های شیمیایی شرکت می کنند، بنابراین زمانیکه کوپرنیسیم یونیزه می شود، ممکن است بیشتر شبیه یک فلز واسطه عمل کند تا همولوگ های سبک تر خود.
خواص ویژه کوپرنیسیم
لازم به ذکر است که انتظار می رود کوپرنیسیوم نیز همانند سایر هم گروهان خود، بتواند حالت اکسیداسیون پایدار پایین تری مثل ۲+ و ۴+ را نیز در محلول های آبی تشکیل دهد. از دیگر ویژگی های عنصر کوپرنیسیوم می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- حالت فیزیکی آن در دمای ۲۵ درجه سلسیوس و فشار ۱ اتمسفر احتمالا به صورت مایع است.
- دمای ذوب و دمای جوش این عنصر به ترتیب برابر با ۱۰ ± ۱۱ و ۶۷ ± ۱۰ درجه سانتی گراد پیش بینی شده است.
- خاصت مغناطیسی عنصر کوپرنیسیم نا مشخص است.
- انتظار می رود که ساختار بلوری آن به شکل شش ضلعی یا هگزاگونال (hcp) باشد.
- این عنصر احتمالا آلوتروپ ندارد. در واقع آلوتروپ های آن ناشناخته هستند.
- جرم اتمی کوپرنیسیم برابر با ۲۸۵ g/mol است.
- چگالی آن نیز برابر با ۱۴ g/cm۳ پیش بینی می شود.
- شعاع اتمی آن نیز ۱۴۷ pm تخمین زده شده است.
- یون های کوپرنیسیم معمولا عدد اکسایش برابر با اعداد ۰، +۱، +۲ و +۴ را دارند. اعداد اکسایش ۰ و +۲ متداول تر می باشند.
- انرژی یونیزاسیون آن برابر با ۱۱۵۵ kJ/mol است.
ایزوتوپ های عنصر کوپرنیسیم
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 کوپرنیسیم ایزوتوپ های فراوانی دارد. نخستین ایزوتوپ شناسایی شده آن، رادیو ایزوتوپ ۲۷۷Cn است که در سال ۱۹۹۶ میلادی کشف شد. از آنجاییکه عنصر کوپرنیسیوم، 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 ۷ ایزوتوپ پرتوزا از عنصر کوپرنیسیم شناسایی شده است. ایزوتوپ های رادیواکتیو این عنصر دارای جرم های اتمی در محدوده ۲۷۷ تا ۲۸۶ amu می باشند.
لازم به ذکر است که ایزوتوپ های سنگین تر کوپرنیسیم از ایزوتوپ های سبک تر آن پایدارتر هستند. رادیو ایزوتوپ ۲۸۵Cn پایدار ترین ایزوتوپ کوپرنیسیم با نیمه عمر ۲۹ ثانیه است. بعد از رادیوایزوتوپ ۲۸۵Cn، رادیو ایزوتوپ ۲۸۳Cn با نیمه عمر ۴ ثانیه، رادیو ایزوتوپ تایید نشده ۲۸۵mCn با نیمه عمر ۱۵ ثانیه و رادیو ایزوتوپ ۲۸۶Cn با نیمه عمر ۸.۴۵ ثانیه از جمله ایزوتوپ های پایدار آن می باشند. بقیه ایزوتوپ های پرتوزای آن، نیمه عمری کمتر از یک ثانیه دارند. لازم به ذکر است که بیشتر آنها حتی نیمه عمری در حد میلی ثانیه دارند. علاوه بر آن، کوپرنیسیوم دارای یک حالت متا (m) یا ایزومر هسته ای نیز می باشد (۲۸۵mCn). دقت داشته باشید که ایزوتوپ کوپرنیسیوم- ۲۸۵ تایید نشده است.
کاربرد های عنصر کوپرنیسیم
از آنجاییکه عنصر شماره ۱۱۲ 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 کوپرنیسیم، این عنصر کاربرد تجاری ندارد.
ترکیبات عنصر کوپرنیسیوم
پیش بینی می شود که عنصر کوپرنیسیوم بتواند با هالوژن ها واکنش دهد و در نتیجه هالید ها را ایجاد نماید. در حلال های قطبی، پیش بینی می شود که کوپرنیسیم ترجیح دهد آنیون های −CnF۵ و –CnF۳ را به جای ترکیبات مشابه خنثی CnF۴ و CnF۲ تشکیل دهد. اگرچه یون های مشابه با برمید یا یدید ممکن است نسبت به هیدرولیز در محلول آبی پایدار تر باشند. به علاوه، آنیون های −CnCl۴۲ و −CnBr۴۲ نیز احتمالا در محلول آبی وجود داشته باشند. از طرفی دیگر، همانند عنصر جیوه که یک کمپلکس سیانید (Hg(CN)۲) تشکیل می دهد، انتظار می رود که عنصر کوپرنیسیوم نیز بتواند کمپلکس پایدار سیانید (Cn(CN)۲) را تشکیل دهد.
خطرات کوپرنیسیم بر روی سلامتی انسان
همانطور که بیان شد، عنصر کوپرنیسیم در طبیعت وجود خارجی ندارد. بنابراین در پوسته زمین نیز یافت نشده است. علاوه بر آن، کوپرنیسیم 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 ۱۱۲ 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.
