Berkelij () jest vještački dobijeni hemijski element sa simbolom Bk i atomskim brojem 97. U periodnom sistemu svrstan je u grupu aktinoida (7. perioda, f-blok), pa se prema tome ubraja u transuranijske elemente. Nazvan je po gradu Berkeleyju u Kaliforniji, središtu Univerziteta Kalifornije i jednog od najvećih središta za ispitivanje jezgara na svijetu, gdje je i otkriven. Berkelij je radioaktivni metal, srebrenasto-bijelog izgleda. Prvi je put dobijen u decembru 1949. bombardiranjem americija α-česticama (ionima helija). Nastaje u vrlo malim količinama u nuklearnim reaktorima. Primjenu je našao isključivo u laboratorijama za sintetiziranje težih transuranijskih i transaktinoidnih elemenata.
Historija Kao što su elementi americij (atomski broj 95) i kirij (96) otkriveni gotovo jedan iza drugog tokom 1944. i 1945, na sličan način 1949. i 1950. uslijedila su otkrića elemenata berkelija (97) i kalifornija (98). 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 s otkrićem kalifornija.
Odabir imena za novi element slijedio je zajedničko porijeklo dva novootkrivena elementa. Berkelij je nazvan po mjestu njegovog otkrića. 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 mjestu Ytterbyju, gdje je otkriven. Za element 98 odabrano je ime kalifornij u čast Univerziteta i savezne države Kalifornije.
Najtežim korakom 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 s 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 prvi su put dobili mjerljive količine ovog elementa nakon dugogodišnjeg izlaganja neutronima izotopa 239Pu u testnom reaktoru Nacionalne laboratorije u američkoj saveznoj državi Idaho.
Osobine Budući da je još nemoguće dobiti dovoljne količine elementarnog berkelija da bi se ispitale njegove osobine, predviđa 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 Berkelij je vještački radioaktivni metal, srebrenasto-bijelog izgleda, koji se topi pri temperaturi 986 °C.
Pri standardnim uvjetima 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.
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.).
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.
U rasponu od 70 K do sobne temperature, berkelij se ponaša kao Curie–Weissov paramagnet s efektivnim magnetnim momentom od 9,69 Bohrovih magnetona (µB) i Kirijeve temperature od 101 K. Pri hlađenju na oko 34 K, berkelij doživljava prelaz u antiferomagnetsko stanje. Taj magnetni moment gotovo u potpunosti odgovara teoretskoj vrijednosti od 9,72 µB.Peterson, Hobart (1984), str. 45.Hobart, Peterson (2006), str. 1460.
Hemijske 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.
U vodenim rastvorima, trovalentno oksidacijsko stanje elementa je najpostojanije, mada su zapaženi i četverovalentni i dvovalentni spojevi. Vodeni rastvori s ionima Bk3+ su žuto-zelene boje, dok su s Bk4+ ionima su u rastvorima hlorovodika bež boje, a rastvorima sumporne kiseline narandžasto-žuti.Peterson, Hobart (1984), str. 55.Hobart, Peterson (2006), str. 1472. Slične osobine uočene su i kod njegovog analoga među lantanoidima, terbija.
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.
Izotopi 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.
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 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.Hobart, Peterson (2006), str. 1445–1448. 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).
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 s atomskim brojevima od 113 do 118, a koja je započeta 1989. godine.
Spojevi 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 Postoje oksidi berkelija sa oksidacijskim stanjima +3 (Bk2O3) i +4 (BkO2). Berkelij(IV)-oksid (BkO2) je smeđi kristal a kristalizira se u kubičnom sistemu u strukturi fluorita sa prostornom grupom Fmm sa koordinacijskim brojevima Cf, O. Parametar rešetke iznosi 533,4 ± 0,5 pm.
Berkelij(III)-oksid (Bk2O3) nastaje iz BkO2 putem redukcije sa vodikom:
To je žutozelena čvrsta supstanca koja se topi na 1920 °C. Gradi kubičnu prostorno centriranu kristalnu rešetku sa parametrom a = 1088,0 ± 0,5 pm.
Halogenidi Poznati su halogenidi berkelija s oksidacijskim stanjima +3 i +4. 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)-fluoridBkF4žuto-zelen +3 Berkelij(III)-fluoridBkF3žuto-zelen Berkelij(III)-hloridBkCl3zelen Berkelij(III)-bromidBkBr3žuto-zelen Berkelij(III)-jodidBkI3žut
Berkelij(IV)-fluorid (BkF4) jest zeleno-žuti ionski spoj koji se kristalizira u monoklinskom kristalnom sistemu i izotip je s uranij(IV)-fluoridom.
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).
Berkelij(III)-hlorid (BkCl3) jest zelena čvrsta supstanca koja se topi na 603 °C a kristalizira u heksagonalnom sistemu. Njegova kristalna struktura je izotip sa uranij(III)-hlorida (UCl3). Heksahidrat (BkCl3 · 6 H2O) ima monoklinsku kristalnu strukturu.
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.
Berkelij(III)-jodid (BkI3) je žuta čvrsta supstanca koja se kristalizira u heksagonalnom sistemu (tip BiI3).Peterson, Hobart (1984), str. 48.Hobart, Peterson (2006), str. 1469.
Oksihalogenidi BkOCl, BkOBr i BkOI imaju tetragonalnu strukturu tipa PbFCl.Peterson, Hobart (1984), str. 53.Hobart, Peterson (2006), str. 1465, 1470.
Reference
Literatura
Kategorija:Hemijski elementi Kategorija:Aktinoidi Kategorija:Sintetički elementi