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코페르니슘

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목차

1. 개요

코페르니슘(Copernicium, Cn)은 1996년 독일의 중이온 연구소(GSI)에서 처음 합성된, 원자 번호 112번의 인공적으로 만들어진 원소이다. 코페르니슘은 7주기 12족 원소로, 아연, 카드뮴, 수은과 같은 족에 속하며, 니콜라우스 코페르니쿠스의 이름을 따 2010년에 명명되었다. 코페르니슘은 방사성 원소로, 여러 동위원소가 알려져 있으며, 가장 안정적인 동위원소인 코페르니슘-285의 반감기는 약 30초이다. 예측되는 화학적 성질은 수은과 유사하며, 상대론적 효과로 인해 독특한 특성을 보일 것으로 예상된다. 실험적으로는 금 표면에 흡착되는 특성을 통해 휘발성이 수은보다 높다는 것이 확인되었다.

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코페르니슘
일반 정보
원소 기호Cn
원자 이름코페르니슘
영어 이름Copernicium
일본어 이름코페르니시우무 (コペルニシウム)
CAS 등록번호54084-26-3
주기적 테이블 정보
왼쪽뢴트게늄
오른쪽니호늄
위쪽수은 (Hg)
아래쪽불명
계열포스트 전이 금속
족12
주기7
구역d
원자 속성
외형불명
표준 원자 질량[285]
전자 배열[라돈|Rn] 5f14 6d10 7s2 (예측)
껍질 당 전자 수2, 8, 18, 32, 32, 18, 2 (예측)
상 (STP)액체 (예측)
밀도14.0 g/cm3 (예측)
녹는점283 ± 11 K (10 ± 11 °C, 50 ± 20 °F) (예측)
삼중점 온도283 K
삼중점 압력"25 kPa" (예측)
끓는점340 ± 10 K (67 ± 10 °C, 153 ± 18 °F) (예측)
결정 구조육방정계 (예측)
산화 상태4, 2 (예측)
이온화 에너지1차: 1155 kJ/mol (예상)
2차: 2170 kJ/mol (예상)
3차: 3160 kJ/mol (예상)
원자 반지름 (계산)"147 pm" (예측)
공유 반지름"122 pm" (예측)
기타 속성
자기 감수율해당 없음
동위 원소
동위 원소 정보mn: "277"
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pn: 해당 없음
ps: 해당 없음
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de: "8.63"
pn: "281b"
ps: 다름스타튬 ?
발견
발견자GSI 헬름홀츠 중이온 연구소
발견 연도1996
이름 유래니콜라우스 코페르니쿠스

2. 역사

wikitext

1996년 2월 9일, 독일 다름슈타트에 있는 중이온 연구소(GSI)에서 지그루트 호프만(Sigurd Hofmann), 빅터 니노프(Victor Ninov) 등이 처음으로 코페르니슘을 합성하였다.[5] 이들은 중이온 가속기를 이용하여 아연(Zn)-70(70Zn) 원자핵을 납(Pb)-208(208Pb) 표적에 충돌시켜 질량수 277인 코페르니슘 원자 하나를 생성하였다.[5]

:Pb + Zn → Cn* → Cn + n

2000년 5월, GSI는 코페르니슘-277 원자를 추가로 합성하는 데 성공했다.[6] 2004년과 2013년에는 일본 이화학연구소(RIKEN)에서 이 반응을 반복하여 세 개의 코페르니슘 원자를 추가로 합성하고, GSI 연구팀이 보고한 붕괴 데이터를 확인했다.[7][8] 1971년 러시아 두브나에 있는 러시아연방핵연구소(Joint Institute for Nuclear Research)에서도 이 반응을 시도했지만 성공하지 못했다.[9]

국제순수·응용화학연합(IUPAC)/국제순수·응용물리연합(IUPAP) 합동 작업반(JWP)은 2001년[10]과 2003년[11]에 GSI팀의 코페르니슘 발견 주장을 평가했지만, 증거 불충분으로 인정하지 않았다. 이는 루터포듐-261(261Rf) 핵종에 대한 상반되는 붕괴 데이터 때문이었다. 그러나 2001년부터 2005년 사이에 GSI팀은 하슘-269(269Hs)와 루터포듐-261(261Rf)의 붕괴 데이터를 확인했다. 루터포듐-261(261Rf)에 대한 기존 데이터는 이성체(isomer)[12]였으며, 현재 루터포듐-261m(261mRf)로 지정되었다.

2009년 5월, JWP는 GSI팀을 원소 112의 발견자로 공식 인정했다.[13] 이 결정은 딸핵의 붕괴 특성 확인과 RIKEN의 확인 실험을 바탕으로 이루어졌다.[14] 1998년부터 러시아연방핵연구소는 더 무거운 동위원소인 283Cn 합성을 위한 연구를 진행했고, 2011년 플레로븀(원소 114)과 리버모륨(원소 116) 발견을 인정하는데 중요한 역할을 했다. 하지만 이 연구는 GSI의 연구보다 늦게 시작되어 우선권은 GSI에 주어졌다.[14] 이후 2010년 2월 19일, '''코페르니슘'''으로 명명되었다.[127]

1996년 9월, 독일의 중이온 연구소(GSI)에서 코페르니슘 합성에 성공했다고 발표하였다.[127] 멘델레예프의 명명법에 따르면 코페르니슘은 '에카-수은'으로 불려야 했다. 1979년 국제순수·응용화학연합(IUPAC)은 해당 원소를 ''우눈비움''(기호: ''Uub'')이라고 부르는 것을 권장하는 내용을 발표했는데,[16] 이는 원소가 발견되고 발견이 확인된 후에 영구적인 이름이 정해질 때까지 사용되는 임시 이름이었다. 과학자들은 대부분 이 권고안을 무시하고 "원소 112" (기호 ''E112'', ''(112)'', ''112'')라고 불렀다.[89][105]

GSI 팀의 발견을 인정한 IUPAC은 그들에게 원소 112의 영구적인 이름을 제안해 줄 것을 요청했다.[14][17][87][90] 2009년 7월 14일, 그들은 니콜라우스 코페르니쿠스(Nicolaus Copernicus)의 이름을 딴 ''코페르니슘''(원소 기호 Cp)을 제안했다.[18][91]

명명에 대한 과학계의 표준 6개월 논의 기간 동안,[19][20][92][93] 기호 ''Cp''가 루테튬(Lu)의 이전 명칭인 ''카시오페이움''(카시오피움)과 관련이 있었고, 사이클로펜타디에닐 리간드(C5H5)와 동일하다는 사실이 지적되었다.[21][22][94][95] IUPAC은 Cp를 기호로 사용하는 것을 허용하지 않았고, GSI 팀은 Cn을 제시했다. 2010년 2월 19일, 코페르니쿠스 탄생 537주년에 IUPAC은 제안된 이름과 기호를 공식적으로 승인했다.[19][25][92][96]

2. 1. 발견

1996년 2월 9일, 독일 다름슈타트에 있는 중이온 연구소(GSI)에서 지그루트 호프만(Sigurd Hofmann), 빅터 니노프(Victor Ninov) 등이 처음으로 코페르니슘을 합성하였다.[5] 이들은 중이온 가속기를 이용하여 아연(Zn)-70(70Zn) 원자핵을 납(Pb)-208(208Pb) 표적에 충돌시켜 질량수 277인 코페르니슘 원자 하나를 생성하였다.[5]

:Pb + Zn → Cn* → Cn + n

2000년 5월, GSI는 코페르니슘-277 원자를 추가로 합성하는 데 성공했다.[6] 2004년과 2013년에는 일본 이화학연구소(RIKEN)에서 이 반응을 반복하여 세 개의 코페르니슘 원자를 추가로 합성하고, GSI 연구팀이 보고한 붕괴 데이터를 확인했다.[7][8] 1971년 러시아 두브나에 있는 러시아연방핵연구소(Joint Institute for Nuclear Research)에서도 이 반응을 시도했지만 성공하지 못했다.[9]

국제순수·응용화학연합(IUPAC)/국제순수·응용물리연합(IUPAP) 합동 작업반(JWP)은 2001년[10]과 2003년[11]에 GSI팀의 코페르니슘 발견 주장을 평가했지만, 증거 불충분으로 인정하지 않았다. 이는 루터포듐-261(261Rf) 핵종에 대한 상반되는 붕괴 데이터 때문이었다. 그러나 2001년부터 2005년 사이에 GSI팀은 하슘-269(269Hs)와 루터포듐-261(261Rf)의 붕괴 데이터를 확인했다. 루터포듐-261(261Rf)에 대한 기존 데이터는 이성체(isomer)[12]였으며, 현재 루터포듐-261m(261mRf)로 지정되었다.

2009년 5월, JWP는 GSI팀을 원소 112의 발견자로 공식 인정했다.[13] 이 결정은 딸핵의 붕괴 특성 확인과 RIKEN의 확인 실험을 바탕으로 이루어졌다.[14] 1998년부터 러시아연방핵연구소는 더 무거운 동위원소인 283Cn 합성을 위한 연구를 진행했고, 2011년 플레로븀(원소 114)과 리버모륨(원소 116) 발견을 인정하는데 중요한 역할을 했다. 하지만 이 연구는 GSI의 연구보다 늦게 시작되어 우선권은 GSI에 주어졌다.[14] 이후 2010년 2월 19일, '''코페르니슘'''으로 명명되었다.[127]

2. 2. 명명

1996년 9월, 독일의 중이온 연구소(GSI)에서 코페르니슘 합성에 성공했다고 발표하였다.[127] 멘델레예프의 명명법에 따르면 코페르니슘은 '에카-수은'으로 불려야 했다. 1979년 국제순수·응용화학연합(IUPAC)은 해당 원소를 ''우눈비움''(기호: ''Uub'')이라고 부르는 것을 권장하는 내용을 발표했는데,[16] 이는 원소가 발견되고 발견이 확인된 후에 영구적인 이름이 정해질 때까지 사용되는 임시 이름이었다. 과학자들은 대부분 이 권고안을 무시하고 "원소 112" (기호 ''E112'', ''(112)'', ''112'')라고 불렀다.[89][105]

GSI 팀의 발견을 인정한 IUPAC은 그들에게 원소 112의 영구적인 이름을 제안해 줄 것을 요청했다.[14][17][87][90] 2009년 7월 14일, 그들은 니콜라우스 코페르니쿠스(Nicolaus Copernicus)의 이름을 딴 ''코페르니슘''(원소 기호 Cp)을 제안했다.[18][91]

명명에 대한 과학계의 표준 6개월 논의 기간 동안,[19][20][92][93] 기호 ''Cp''가 루테튬(Lu)의 이전 명칭인 ''카시오페이움''(카시오피움)과 관련이 있었고, 사이클로펜타디에닐 리간드(C5H5)와 동일하다는 사실이 지적되었다.[21][22][94][95] IUPAC은 Cp를 기호로 사용하는 것을 허용하지 않았고, GSI 팀은 Cn을 제시했다. 2010년 2월 19일, 코페르니쿠스 탄생 537주년에 IUPAC은 제안된 이름과 기호를 공식적으로 승인했다.[19][25][92][96]

3. 동위원소

코페르니슘은 안정 동위원소 또는 자연적으로 발생하는 동위원소가 없다. 두 원자를 융합하거나 더 무거운 원소의 붕괴를 관찰하여 실험실에서 여러 방사성 동위원소가 합성되었다.[31][97] 질량수 277과 280~286을 가진 8가지의 서로 다른 동위원소가 보고되었으며, 285Cn에서 확인되지 않은 준안정 이성질체 1개가 보고되었다.[31] 이들 대부분은 주로 알파 붕괴를 통해 붕괴하지만, 일부는 자발 핵분열을 겪으며 코페르니슘-283은 전자 포획 가지를 가질 수 있다.[32][98]

코페르니슘-283 동위원소는 플레로븀과 리버모륨 원소 발견 확인에 중요한 역할을 했다.[33][99] 확인된 모든 코페르니슘 동위원소는 매우 불안정하고 방사성을 띤다. 일반적으로 무거운 동위원소가 가벼운 동위원소보다 더 안정적이며, 홀수 중성자 수를 가진 동위원소는 자발적 핵분열에 대한 추가적인 방해로 인해 상대적으로 반감기가 더 길다. 가장 안정적인 것으로 알려진 동위원소인 285Cn의 반감기는 30초(29-30초)이다.[98] 283Cn의 반감기는 4초이며, 확인되지 않은 285mCn과 286Cn의 반감기는 각각 약 15초와 8.45초이다. 다른 동위원소의 반감기는 1초보다 짧다. 281Cn과 284Cn의 반감기는 모두 0.1초 정도이며, 나머지 동위원소의 반감기는 1밀리초보다 짧다.[32] 무거운 동위원소인 291Cn과 293Cn은 이론적 안정성의 섬 중심에 가까이 위치할 것으로 예측되며, 반감기가 수십 년 이상일 수 있다. r-과정에서 생성되어 우주선에서 검출될 수도 있지만, 납보다 약 10−12배 정도 희귀할 것이다.

가장 가벼운 코페르니슘 동위원소는 두 개의 가벼운 핵 사이의 직접적인 융합과 붕괴 생성물로 합성되었다(277Cn은 붕괴 생성물이 아닌 것으로 알려져 있음). 반면 무거운 동위원소는 더 무거운 핵의 붕괴에 의해서만 생성되는 것으로 알려져 있다. 직접 융합으로 생성된 가장 무거운 동위원소는 283Cn이며, 세 개의 더 무거운 동위원소인 284Cn, 285Cn, 286Cn은 더 큰 원자 번호를 가진 원소의 붕괴 생성물로서만 관찰되었다.[32][98]

1999년, 캘리포니아 대학교 버클리캠퍼스의 미국 과학자들은 293Og의 원자 3개를 합성하는 데 성공했다고 발표했다.[34][100] 이 모핵은 연속적으로 세 개의 알파 입자를 방출하여 코페르니슘-281 핵을 형성하는 것으로 보고되었으며, 이는 붕괴 에너지가 10.68 MeV이고 반감기가 0.90 ms인 알파 붕괴를 거친다고 주장했지만, 이 주장은 2001년 니노브가 조작된 데이터를 기반으로 했던 것으로 밝혀지면서 철회되었다.[35][36][101][102] 이 동위원소는 2010년 같은 연구팀에 의해 실제로 생성되었으며, 새로운 데이터는 이전의 조작된 데이터와 상반되었다.[37][103]

4. 성질

코페르니슘 또는 그 화합물에 대해 실측된 성질은 매우 적다. 이는 생산량이 매우 제한적이고 비용이 많이 들기 때문이며[104], 매우 빠르게 붕괴되기 때문이다. 끓는점 등 일부 화학적 성질은 실측되었지만, 금속 코페르니슘의 성질 대부분은 알 수 없으며, 예측값만 이용 가능하다.

4. 1. 화학적 성질 (예측)

코페르니슘(Copernicium, Cn)은 6d 계열의 열 번째이자 마지막 원소이며, 주기율표에서 아연, 카드뮴, 수은 아래에 위치하는 가장 무거운 12족 원소이다. 가벼운 12족 원소들과는 상당히 다른 성질을 보일 것으로 예측된다. 12족 원소와 7주기 원소의 원자가 s-부껍질은 코페르니슘에서 가장 강하게 상대론적으로 수축될 것으로 예상된다. 이러한 현상과 코페르니슘의 닫힌 껍질 전자 배치로 인해 매우 귀금속일 가능성이 높다. Cn2+/Cn 쌍에 대한 표준 환원 전위는 +2.1 V로 예측된다. 코페르니슘의 예측된 첫 번째 이온화 에너지는 1155 kJ/mol로, 귀족 기체 크세논의 1170.4 kJ/mol과 거의 일치한다. 코페르니슘의 금속 결합은 매우 약할 것으로 예상되며, 이로 인해 귀족 기체처럼 매우 휘발성이 강하고, 상온에서 기체 상태일 가능성이 있다.[41]

상대론적 효과에 의해 7s 전자 궤도가 안정화되고 6d 전자 궤도가 불안정화되기 때문에, Cn2+는 동족체와 달리 7s 궤도보다 6d 궤도를 먼저 사용하는 [Rn]5f146d87s2 전자 배열을 가질 가능성이 높다. 6d 전자가 화학 결합에 더 쉽게 참여한다는 사실은 코페르니슘이 이온화되면, 특히 +4 산화 상태에서 경원소 동족체보다 전이 금속처럼 행동할 수 있음을 의미한다. 수용액에서 코페르니슘은 +2 및 +4 산화 상태를 형성할 수 있다. 코페르니슘(II) 플루오라이드(CnF2)는 유사한 수은 화합물인 수은(II) 플루오라이드(HgF2)보다 불안정하며, 구성 원소로 자발적으로 분해될 수도 있다. 가장 전기음성도가 높은 반응성 원소인 플루오린은 CnF4 및 CnF6에서 코페르니슘을 +4 및 +6 산화 상태로 더 산화시킬 수 있는 유일한 원소일 수 있다.[44] CnF4는 CnF2보다 더 안정적일 것이다.[44] 극성 용매에서 코페르니슘은 유사한 중성 플루오라이드(각각 CnF4 및 CnF2)보다 및 음이온을 더 선호하는 것으로 예측되지만, 유사한 브로마이드 또는 아이오다이드 이온은 수용액에서 가수분해에 대해 더 안정적일 수 있다. 및 음이온도 수용액에 존재할 수 있다. 수은(II) 시안화물(Hg(CN)2)과 유사하게, 코페르니슘은 안정한 시안화물인 Cn(CN)2를 형성할 것으로 예상된다.[45]

그러나 구리, 팔라듐, 백금, 은, 금과 금속-금속 결합을 형성할 수 있으며, 이러한 결합은 수은과의 유사한 결합보다 약 15~20 kJ/mol 정도만 약할 것으로 예측된다. 높은 정확도의 ab initio 계산[43]에 따르면, 일가 코페르니슘의 화학적 성질은 귀족 기체보다는 수은과 유사할 것으로 예측된다.

4. 2. 물리적 성질 (예측)

코페르니슘(Copernicium)은 밀도가 높은 금속일 것으로 예상되며, 300 K에서 액체 상태일 때의 밀도는 14.0 g/cm³이다. 이는 수은(13.534 g/cm³)의 알려진 밀도와 유사하다. (같은 온도에서 고체 코페르니슘의 밀도는 14.7 g/cm³일 것으로 예상된다.) 이는 코페르니슘의 더 높은 원자량의 효과가 수은에 비해 더 큰 원자간 거리에 의해 상쇄되기 때문이다.[2][109] 일부 계산에서는 코페르니슘의 닫힌 껍질 전자 배열로 인해 상온에서 기체일 것이라고 예측했는데,[46][111] 이는 주기율표에서 최초의 기체 금속이 될 가능성을 시사한다.[41][105][106] 2019년 계산 결과는 상대론적 효과의 역할에 대한 이러한 예측과 일치하며, 코페르니슘은 표준 조건에서 분산력에 의해 결합된 휘발성 액체일 것이라고 제시한다. 녹는점은 283±11 K, 끓는점은 340±10 K로 추정되며, 후자는 실험적으로 추정된 값 357 K와 일치한다.[2][109] 코페르니슘의 원자 반지름은 약 147 pm일 것으로 예상된다. 7s 오비탈의 상대론적 안정화와 6d 오비탈의 불안정화로 인해, Cn⁺ 및 Cn²⁺ 이온은 가벼운 동족원소와는 반대로 7s 전자 대신 6d 전자를 내놓을 것으로 예측된다.[105]

7s 부껍질의 상대론적 수축 및 결합 외에도, 스핀-궤도 결합으로 인해 6d₅/₂ 오비탈이 불안정해질 것으로 예상되며, 크기, 모양 및 에너지 측면에서 7s 오비탈과 유사하게 작용할 것이다. 코페르니슘의 예상 밴드 구조에 대한 예측은 다양하다. 2007년 계산에서는 코페르니슘이 약 0.2 eV의 밴드갭을 가진 반도체[47][112]일 수 있으며,[48][113] 육방 조밀 충진 결정 구조로 결정화될 것이라고 예상했다.[48][112] 그러나 2017년과 2018년의 계산 결과에 따르면, 코페르니슘은 표준 조건에서 체심 입방 결정 구조를 가진 귀금속일 것으로 나타났다. 따라서 수은과 마찬가지로 밴드갭이 없을 것으로 예상되지만, 페르미 준위에서의 상태 밀도는 코페르니슘이 수은보다 낮을 것으로 예상된다.[49][50][114][115] 2019년 계산 결과는 실제로 코페르니슘이 6.4 ± 0.2 eV의 큰 밴드갭을 가지며, 이는 귀족 기체 라돈(예측치 7.1 eV)과 유사하며 절연체가 될 것임을 시사한다. 이러한 계산에 따르면, 벌크 코페르니슘은 귀족 기체와 마찬가지로 주로 분산력에 의해 결합된다고 예측된다.[2][109] 수은, 라돈, 플레로븀과 마찬가지로, 하지만 오가네손(에카-라돈)과는 달리, 코페르니슘은 전자 친화도가 없을 것으로 계산된다.[51][116]

4. 3. 실험적 화학 연구

코페르니슘의 화학적 특성은 주기율표 7주기 12족 원소 중 그리고 알려진 118개 원소 중에서 가장 큰 상대론적 효과를 보일 것이라는 예측 때문에 주목받았다. 코페르니슘은 바닥 상태 전자 배열이 [Rn] 5f14 6d10 7s2로 예상되어 오프바우 원리에 따라 12족에 속하며, 수은의 무거운 동족체로 작용하여 금과 같은 귀금속과 강한 이원 화합물을 형성할 것으로 예측되었다. 코페르니슘의 반응성을 조사하는 실험은 다양한 온도에서 유지되는 금 표면에 원자를 흡착시켜 흡착 엔탈피를 계산하는 데 초점을 맞췄다. 7s 전자의 상대론적 안정화로 인해 코페르니슘은 라돈과 유사한 특성을 나타낼 것으로 예상되었다.[54]

최초의 코페르니슘 화학 실험은 238U(48Ca,3n)283Cn 반응을 이용하여 수행되었으며, 반감기 5분의 모원소 자발적 핵분열로 검출되었다. 데이터 분석 결과, 코페르니슘은 수은보다 휘발성이 높고 비활성 기체 특성을 가진다는 것이 밝혀졌으나, 코페르니슘-283 합성에 대한 혼란으로 인해 이 결과에 의문이 제기되었다.[54]

이러한 불확실성 때문에 2006년 4월~5월 JINR에서 FLNR–PSI 팀은 242Pu(48Ca,3n)287Fl 핵반응에서 딸 원소로 이 동위원소 합성을 조사하는 실험을 수행했다.[54] 이 실험에서 코페르니슘-283 두 원자가 명확하게 확인되었고, 흡착 특성은 금과의 약한 금속-금 결합 형성으로 인해 코페르니슘이 수은보다 휘발성이 더 높은 동족체임을 보여주는 것으로 해석되었다.[54] 이는 일부 상대론적 계산 결과와 일치하지만,[53] 2019년에 이 결과는 단순히 강한 분산 상호 작용 때문일 수 있다는 지적이 있었다.[2]

2007년 4월, 이 실험이 반복되었고 코페르니슘-283 세 원자가 더 확인되었다. 흡착 특성이 확인되었고, 코페르니슘이 12족 원소 중 가장 무거운 원소임과 일치하는 흡착 특성을 가지고 있음을 나타냈다.[54] 이러한 실험을 통해 코페르니슘의 끓는점에 대한 최초의 실험적 추정치는 84 °C로, 표준 조건에서는 기체일 수 있다.[47]

가벼운 12족 원소는 종종 칼코겐화물 광석으로 존재하기 때문에, 2015년에 코페르니슘 셀레늄화물(CnSe)을 형성하기 위해 코페르니슘 원자를 셀레늄 표면에 증착하는 실험이 수행되었다. 코페르니슘 원자가 삼방정계 셀레늄과 반응하여 셀레나이드를 형성하는 것이 관찰되었으며, -Δ''H''adsCn(t-Se) > 48 kJ/mol 이었고, 셀레나이드 형성에 대한 운동적 장애는 수은보다 코페르니슘에서 더 낮았다. 이것은 ZnSe에서 HgSe로 갈수록 12족 셀레나이드의 안정성이 감소하는 경향이 있기 때문에 예상치 못한 결과였다.[55]

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