你能做什么?

Schlenk线条和手套箱,乍一看史蒂夫·Liddle的来自英国诺丁汉大学的化学实验室就像任何其他。但熟悉的功能中有迹象表明可能提高报警,甚至在化betway必威游戏下载大全学家用来处理实验的危险。穿着个人测试仪的研究人员暗示了实验室的最不寻常的特性:锁定安全,和里面的铀储备。

Liddle的团队是新一代的一部分在野外探索化学前沿底部的元素周期表,放射性锕系元素的元素。由于大型核的质量铀、钚和他们的同伴,这是相对论和量子力学的地方摔跤直接成键和反应。在许多情况下,化学家根本还不知道冲突的影响。来帮助清理现有的核废料和防止未来问题国家追求核而非化石燃料的能源,他们重新发现的努力。当他们这样做,他们获得的基本知识可以合成、催化、数据存储和化学作为一个整体。

科学家最初分组元素钍开始直接在d区过渡金属,因为他们有类似的氧化态。但当锕系元素的先锋格伦Seaborg建议他们应该坐镧系元素下面,他认为他们5轨道将不同4 f电子在上面的元素。在铀,mass-driven相对论效应首先影响s - p轨道,稳定他们,吸引他们接近原子核。这些稳定轨道盾d和f轨道电子的核电荷,让他们展开。

'结果是5 f电子变得更加可用于氧化还原化学和成键,“Liddle表示。在没有相对论效应的情况下,您所期望的锕系元素化学更像镧系元素,由3 +氧化态,与共价很少。”产生的活泼争论锕系元素结合的本质有助于吸引他。如果有任何共价,它的本质是什么?多少采用f轨道特征和d轨道多少?你有什么配体字符混合成吗?我认为有一些非常有趣的机会研究小说在铀键联系。”

新核能发电

其潜在军事用途和发电保持锕系元素研究资金充足通过第二次世界大战和冷战,但到了1990年代的科学家们很快退休。这可能是一个问题。许多国家现在有一个遗留的冷战,”戴夫·克拉克说洛斯阿拉莫斯国家实验室美国新墨西哥州(LANL)。“我们现在有环境污染(见下面的框];我们有需要处理的核废料。还有全球认可,如果核能会向前移动,然后核废料的问题必须解决。因此,我们需要教育和培训的全新一代技术人的质量和广度需要解决这些复杂的问题。“克拉克因此成为LANL创始主任Seaborg研究所,与高校合作开发所需的技能。

锕系元素周期表的仍然是西部

波莉·阿诺德

只有大约3%的乏燃料的质量是放射性废物:锌和更重的元素引起的裂变。其余是潜在有用的钚和铀,提供强劲动力找到化学回收方法。当你燃烧核燃料,生成元素周期表,”克拉克说。很多,很容易分开,但当你到达三价锕系元素——沉重的镅和锔——他们的稳定状态是三价和它们有相同的charge-to-size半径比镧系元素,所以它是更加困难。但克拉克指出Seaborg提出一个解决方案:利用锕系元素的可能偏好,与镧系元素相比,共价键。

这些挑战导致实验室的创建Marinella Mazzanti加入东航,法国替代能源和原子能委员会,1996年在格勒诺布尔。在接下来的十年中,她的团队和全球研究人员显示重叠锕系元素的扩展5 f轨道和电子捐赠的配体可以从乏燃料中镧系元素分开。”有更强的锕系元素之间的相互作用和一些柔和的硫、磷和氮含量配体,”她解释说。

潜在的配体识别为此包括bis-triazinyl关于环和dithiophosphinic酸。但这成功,核能的人气下降自2011年在日本福岛核电站危机已经改变了东航团队前进的方向。Liddle和许多其他人一样,Mazzanti现在希望锕系元素将被证明是一个狩猎的肥沃土壤基本化学发现。

最后一行

尽管导致激励锕系元素化学研究,还有待学习,根据波莉·阿诺德英国爱丁堡大学的。”仍然是西部元素周期表的一部分,”她说。直到大约15年前,我们确实有一个明确的确切顺序的图片如何填满电子的轨道(UO铀酰离子₂^{2 +}),一直都存在。如果我们不同意订购的铀酰离子在那之前,你可能会认为我们不希望有任何东西。”

锕系元素有许多相似的轨道能级,也很难描述化合物使用传统方法如核磁共振(NMR)谱。未配对电子可以围绕他们的核,导致顺化合物中单个电子的磁场变化和扩大核磁共振共振。因为为了安全反应通常在很小的范围内,通常没有足够的产品通过晶体学获得结构信息。

而现代科学家仍然面临这些问题,今天的工具可以提供信息来交叉引用。我们的核磁共振光谱仪更好,我们可以看看顺磁性物质更容易,”阿诺德说。”,它曾经是我们不可能得到的晶体结构的微小晶体粉末,这些天我们鱼的管子。当你使用这些重大、艰难的顺磁性物质,晶体结构非常有帮助。我们现在可以工作速度,先锋不可能。”

锕系元素配位化学落后于其他元素表示卡斯滕·迈耶德国埃朗根弗里德里希亚历山大大学。而过渡金属配位化学研究了自19世纪末以来,类似的化学铀1989年才开始发展的明显。以铀为基础的过渡金属配位化学是只看过一次戴夫·克拉克和艾尔Sattelberger发表的合成定义良好的可溶性形式的tetrakis-THF铀trisiodide和solvate-free铀trisamide,”他说。¹

这些材料使梅尔的研究开始,从1998年在美国麻省理工学院博士后,然后自己从2001年加州大学圣地亚哥分校(UCSD)组。“我们所做的一切都是新的和令人兴奋的”,他回忆道。UCSD团队2004年,他显示,二氧化碳可以协调以前所未有的铀绑定模式:端点的,通过一个氧原子。²这是第一次出现在铀分子复杂科学,迈耶说。自2004年以来有另一个科学纸上分子铀化学几乎每年-铀化学已经起飞了。

避免放射恐怖

看到这样奇怪的分子引发Liddle的兴趣,他觉得机会是由有限数量的放大的科学家致力于锕系元素。我认为人推迟了他们的声誉,”他说。他使用贫铀,低于0.2%^235年U,因此不如天然放射性形式。安全地存储,它必须被小心地跟踪和研究人员的监控通过测试仪,但在其他方面传统惰性化学条件提供了足够的预防措施。我认为处理贫铀时,只要你不去一个荒谬的规模,是任何比锡或铅。有很多有毒物质,化学家与在常规的基础上没有跟踪。我不认为有相同级别的审查或争议,因为他们没有放射性,但他们可能更有毒。”

2012年,Liddle锕系元素化学的研究小组发表了长期目标:a氮化终端铀复杂在室温下是稳定的。³这直接联系铀和一个未被取代的氮之前仅出现飞快地,但是被一个拥挤的配位环境稳定。人们开始认为这个链接天生就是不稳定的。它都是非常优秀的博士生,正确合适的配体,合成方法,它只是陷入了地方,Liddle说。他指出,许多教材有机金属配合物与过渡金属与锕系元素目前还不能生产。“d区有机金属化合物经历了一个快速增长阶段在1970年代和1960年代。铀和钚现在正在经历这个阶段,让未来将课本的例子为第一次。

主要制造新的锕系元素分子的重要性是澄清他们的反应,根据阿诺。她的团队是第一个说服一些形成共价键的氧原子铀酰离子,铀的关键中间体提取和处理。⁴我们阻止一个含氧的组,然后发现我们能够意向性还原性silylate另含氧的集团,”她解释说。我们已经能够推动,现在使得含氧的化合物组可以绑定到大部分的金属元素周期表。“这些发现似乎与铀酰离子反应提出了如何在环境中,阿诺德说仍然迷惑,让她着迷。但让这些新锕系元素分子提供了机会,调查他们使用x光吸收光谱等技术,其数据反过来帮助化学家完善理论的理解。

5 f在使用?

同时,迈耶的小组已经能够绑定,分裂,激活和变换二氧化碳反应与铀的协调配合物的氧化态+ 3 + 5。他的团队已经利用这种系统将二氧化碳插入铀和配体之间的债券,将它转化为异氰酸酯通过多种债券置换作用,⁵意向性还原性不成比例,产生一氧化碳和碳酸盐。⁶导致一个催化循环,您可以运行几周期将二氧化碳转化为一氧化碳,”Meyer补充道。”如果你能优化这个循环和饲料一氧化碳菲舍尔·托合成过程,那么你可能会使液体燃料。这些反应阐明铀的反应,他补充道。“这告诉我们,债券在铀化学主要是离子,与某种程度的共价。这意味着铀·配位键高度分化,因此更多的活性比共价键。

Mazzanti和她的同事们也在调查五价的铀,第一组被调查的反应五价的铀酰离子。⁷但他们还开发了另一个惊人的新方向·使用铀制造的单分子磁体之间切换磁州因旋转对齐。这些分子可以用来存储信息,例如作为优良的磁性薄膜外套硬盘。他们需要高的磁各向异性,创建一个转换的障碍,和高自旋。过渡金属具有较高的自旋和锕系元素的高磁各向异性。

在社区”已经有一个想法很长一段时间,与过渡金属铀可以建立磁沟通,“Mazzanti说。在验证一个问题这是构建包含锕系元素和过渡金属化合物。我们建立了铀集群或多核化合物的五价的铀酰,我们与锰有关。我们演示了磁之间的沟通,导致单分子磁体的性质。⁸这是非常重要的,将导致未来的发展领域。

Mazzanti放眼核应用,催化和数据存储可能是最明显的实际使用铀的研究。她承认普遍的恐惧元素是一个主要问题,虽然她回声Liddle,贫铀的立场是没有比其他重金属更危险。但她强调,可能学习的好处锕系元素也更深刻。我们正在做基础研究,我认为这将导致真正的应用程序中,Mazzanti说。但它还带来了一个新的角度对过渡金属,可能导致重大发现。”

安迪Extance在埃克塞特是一个基于科学作家,英国