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운비닐륨

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목차

1. 개요

운비닐륨은 아직 발견되지 않은 가상의 화학 원소로, 원자 번호 120을 가지며 기호 Ubn으로 표시된다. 2000년대 초반부터 여러 국가에서 합성을 시도했으나, 현재까지 성공하지 못했다. 운비닐륨은 알칼리 토금속과 유사한 성질을 가질 것으로 예측되며, 특히 핵의 안정성과 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다.

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운비닐륨
일반 정보
이름운비닐륨
원소 기호Ubn
원자 번호120
다른 이름원소 120
에카-라듐
상대적 위치좌: 우누넨늄
우: 운비우늄
상: Ra
하: (예상)
핵종 정보
전자 배치[Og] 8s2 (예측)
껍질당 전자 수2, 8, 18, 32, 32, 18, 8, 2
물리적 성질
상고체 (예상)
밀도 (g/cm3)7 (예상)
녹는점 (K)953 (예상)
녹는점 (섭씨)680 (예상)
녹는점 (화씨)1256 (예상)
끓는점 (K)1973 (예상)
끓는점 (섭씨)1700 (예상)
끓는점 (화씨)3092 (예상)
융해열8.03–8.58 (추정)
결정 구조체심 입방 (추정)
물리적 성질 주석실험 및 이론 계산
원자 성질
전기 음성도0.91 (예상, 폴링 척도)
이온화 에너지 (eV)1차: 563.3 (예상)
2차: 895–919 (추정)
원자 반지름 (pm)200 (예상)
공유 반지름206–210 (추정)
기타 정보
CAS 등록번호54143-58-7
명명IUPAC 계통명

2. 역사

2000년대 초반부터 러시아, 프랑스, 독일 등 여러 국가에서 운비닐륨 합성을 시도했다.

원소 114번(플레로븀)부터 118번(오가네손)까지는 플루토늄부터 캘리포늄까지의 악티늄족 원소에 중성자가 풍부한 준안정 동위원소인 칼슘-48을 충돌시키는 "고온 핵융합" 반응으로 발견되었다. 그러나 이러한 방식은 원소 119번과 120번(운비닐륨)으로 쉽게 이어질 수 없는데, 다음 악티늄족 원소인 아인슈타이늄과 페르미움을 표적으로 사용해야 하기 때문이다. 이러한 표적을 만들기 위해서는 수십 밀리그램의 아인슈타이늄이 필요하지만, 지금까지 아인슈타이늄은 마이크로그램 단위, 페르미움은 피코그램 단위로만 생산되었다.[6]

더 많은 초중원소를 실용적으로 생산하려면 48Ca보다 무거운 발사체를 악티늄족 원소에 충돌시켜야 하지만,[7] 이는 더 어려울 것으로 예상된다.[6] 원소 119번과 120번을 합성하려는 시도는 생산 반응의 유효 단면적 감소와 예상되는 짧은 반감기 때문에 현재 기술의 한계에 직면해 있으며, 이는 마이크로초 단위일 것으로 예상된다.[8]

오가네손을 249Cf와 48Ca의 반응으로 얻는 데 성공한 2006년 이후,[9][10] 독일 다름슈타트의 GSI 헬름홀츠 중이온 연구센터는 2007년부터 2008년에 걸쳐 3차례 추가 실험을 진행했으나, 모두 부정적인 결과로 끝났다.

2009년 이후, GSI 헬름홀츠 중이온 연구센터와 일본 이화학연구소에서 큐륨-248을 표적으로 하는 초중원소 합성 연구가 진행되고 있다.[62][63] 이화학연구소는 2012년 9월 29일에 운비닐륨을 우누넨늄과 함께 합성·발견할 방침을 밝혔다고 보도되었으며,[64] 니호늄 발견 관련 특설 페이지에도 "119번, 120번 원소에의 도전"이라는 페이지가 개설되어 있다.[65]

2022년 3월, 핵물리학자 유리 오가네시안은 러시아 두브나 합동원자핵연구소(JINR)에서 248Cm+54Cr 반응을 이용한 120번 원소 합성 방법 검토에 관한 강연을 진행했다.[68] 2023년, JINR의 그리고리 트루브니코프 소장은 2025년에 120번 원소 합성 실험을 시작할 예정임을 밝혔다.[69]

2. 1. 초기 시도 (2003년 ~ 2008년)

2003년 러시아 합동핵연구소(JINR) 산하 플레로프 핵반응연구소(FLNR)에서 플루토늄-244(Plutonium-244영어)와 철-58(Iron-58영어), 우라늄-238(Uranium-238영어)과 니켈-64(Nickel-64영어)를 이용한 합성 실험을 시도했으나 실패했다.[61] 초기 실험에서는 검출된 원자들이 모두 짧은 수명(약 10-18초)을 가지고 자발적 핵분열을 하는 것으로 나타났다.

  • Pu영어-244 + Fe영어-58 → Ubn영어-302* → 원자 없음
  • U영어-238 + Ni영어-64 → Ubn영어-302* → 원자 없음


2004년과 2008년에는 프랑스의 거대 중이온 가속기연구소(GANIL)에서 우라늄-238과 철-58, 60-62, 64를 이용한 합성 실험을 시도했으나, 역시 실패했다.

  • U영어-238 + Fe영어-58,60-62,64 → Ubn영어-296,298-300,302* → 원자 없음


2007년 4월, 독일 GSI 헬름홀츠 중이온 연구센터(GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschungde) 연구팀은 우라늄-238과 니켈-64를 사용한 실험을 시도했으나, 원자가 검출되지 않았다.[12] 2007년 4월~5월, 2008년 1월~3월, 2008년 9월~10월에 세 차례의 추가 실험이 있었지만, 모두 부정적인 결과를 보였다.[12]

  • U영어-238 + Ni영어-64 → Ubn영어-302* → 원자 없음

2. 2. 후기 시도 (2011년 ~ 현재)

2011년, 도이칠란트 GSI는 퀴륨-248(248Cm)과 크로뮴-54(54Cr)를 이용한 비대칭 핵융합 반응을 시도했지만, 운비닐륨 원자는 확인되지 않았다.[19] 이 반응은 이전 실험보다 운비닐륨 합성 확률을 5배 높일 것으로 예상되었지만, 결과는 성공적이지 못했다.[13] 같은 해 8월~10월, GSI는 칼리포르늄-249(249Cf)와 타이타늄-50(50Ti)을 이용한 더욱 비대칭적인 반응을 시도했으나, 역시 운비닐륨 원자는 확인되지 않았다.[19][21]

2012년, GSI는 버클륨-249(249Bk)와 타이타늄-50(50Ti), 칼리포르늄-249(249Cf)와 타이타늄-50(50Ti) 반응을 통해 원소 119(우누넨늄)와 120(운비닐륨)을 동시에 검색했으나, 두 원소 모두 관찰되지 않았다.[22]

일본 이화학연구소(RIKEN)는 2009년부터 퀴륨-248(248Cm)을 표적으로 하는 초중원소 합성 연구를 진행하고 있으며,[62][63] 2012년에는 운비닐륨과 우누넨늄을 함께 합성·발견할 방침을 밝히기도 했다.[64]

2021년, 러시아 두브나 합동원자핵연구소(JINR)는 새로운 설비로 칼리포르늄-249(249Cf)와 타이타늄-50(50Ti)의 합성을 조사할 계획을 발표했으나,[66] 2022년 러시아의 우크라이나 침공으로 인한 국제 정세 변화로 인해 차질을 빚었다.[23][24][25] 2023년, JINR은 2025년에 운비닐륨 합성 실험을 시작할 예정임을 밝혔다.[27]

미국 로렌스 버클리 국립 연구소(LBNL) 팀도 2025년에 운비닐륨 합성을 시도할 예정이다.[6] 중국 과학원 근대물리연구소(IMP)도 운비닐륨 합성을 계획하고 있다.[33]

3. 명명

멘델레예프가 예측한 원소의 명명법에 따르면, 운비닐륨은 "에카-라듐"이라고 불릴 것이다. 1979년 IUPAC의 권고에 따르면 발견, 확인 및 영구적인 이름이 선택될 때까지 임시로 "운비닐륨"(기호 Ubn)이라고 부른다.[34] IUPAC 체계적 이름은 화학 교실에서 고급 교과서에 이르기까지 모든 수준의 화학계에서 널리 사용되지만, 초중원소에 대해 이론적으로 또는 실험적으로 연구하는 과학자들은 일반적으로 이를 "원소 120"으로 부르며, 기호는 E120, (120) 또는 120이다.

4. 예상되는 성질

운비닐륨은 라듐이나 스트론튬과 비슷한 성질을 가질 것으로 예상된다.[38] 2족 원소인 운비닐륨은 주기율표에서 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 라듐 바로 아래에 위치하며, 이 원소들과 마찬가지로 가장 바깥쪽 s-궤도에 2개의 원자가 전자를 가지는 ''n''s2 원자가 전자 배치를 가져 화학 반응에서 +2 산화 상태를 형성하기 위해 쉽게 전자를 잃을 것으로 보인다. 따라서 운비닐륨은 8s2의 원자가 전자 배치를 가지며, 가벼운 동족체와 유사하게 행동할 것으로 예상된다.

하지만 운비닐륨은 스핀-궤도 상호작용과 같은 상대론적 효과로 인해 다른 알칼리 토금속과 구별되는 성질을 보일 수 있다. 운비닐륨 원자에서 7p 및 8s 전자 에너지 준위가 낮아져 전자가 안정화되지만, 7p 전자 에너지 준위 중 2개는 다른 4개보다 더 안정화된다.[49] 이로 인해 8s 전자는 안정화되어 제거하기 어려워지고, 7p3/2 전자는 불안정해져 화학 반응에 참여할 수 있게 된다.

운비닐륨은 실온에서 고체일 것으로 예상되며, 녹는점은 680°C이다.[52] 이는 라듐의 녹는점(700°C)보다 낮다.[53] 끓는점은 약 1700°C로 예상되며,[1] 밀도는 7g/cm3으로 예측된다.[1][2]

화학적 성질은 알칼리 토금속과 유사할 것으로 예측되지만, 바륨이나 라듐보다는 칼슘이나 스트론튬과 더 유사하게 행동할 것이다. 스트론튬과 마찬가지로 운비닐륨은 공기 중에서 산화물(UbnO)을 형성하고 물과 격렬하게 반응하여 수산화물(Ubn(OH)2)을 형성하며, 이는 강한 염기가 되어 수소 가스를 방출할 것이다. 또한 할로젠과 반응하여 UbnCl2와 같은 염을 형성할 것이다.[54]

주기적 경향을 따르면 운비닐륨은 바륨이나 라듐보다 훨씬 더 반응성이 높을 것으로 예측되지만, 운비닐륨 원자가 전자의 상대론적 안정화로 인해 운비닐륨의 첫 번째 이온화 에너지가 증가하고 금속 및 이온 반경이 감소하기 때문에 반응성은 낮다.[55]

운비닐륨은 다른 알칼리 토금속에서 관찰되지 않는 +4 산화 상태를 나타낼 수 있다. +2 산화 상태 외에도 7p3/2 스피너의 불안정화 및 확대로 인해 외부 전자의 이온화 에너지가 예상보다 낮기 때문에 +4 산화 상태가 나타날 수 있다.[56]

많은 운비닐륨 화합물은 7p3/2 전자가 결합에 관여하기 때문에 큰 공유 결합 성질을 가질 것으로 예상된다.

4. 1. 핵 안정성 및 동위 원소

운비닐륨의 동위원소는 마이크로초 단위의 알파 붕괴 반감기를 가질 것으로 예측된다.[38][39] 양자 터널링 모델에서 거시적-미시적 모델의 질량 추정치를 사용하면, 여러 운비닐륨 동위원소(292–304Ubn)의 알파 붕괴 반감기는 약 1–20 마이크로초로 예측되었다.[38][40][41][42] 일부 더 무거운 동위원소는 더 안정적일 수 있으며, 1971년에는 320Ubn을 가장 안정적인 운비닐륨 동위원소로 예측한 바 있다.[1] 운비닐륨은 코페르니슘 부근에서 자발적 핵분열로 이어지는 일련의 알파 붕괴를 통해 붕괴될 것으로 예상되므로, 운비닐륨 동위원소의 총 반감기도 마이크로초 단위로 측정될 것으로 예측된다.[8]

핵의 안정성은 큐륨(원자 번호 96번) 이후로 원자 번호가 증가함에 따라 크게 감소하며, 멘델레븀(101번)보다 큰 원자 번호를 가진 모든 동위원소는 30시간 미만의 반감기로 방사성 붕괴를 겪는다. 82번(납)보다 큰 원자 번호를 가진 원소는 안정적인 동위원소를 가지고 있지 않다.[36] 그럼에도 불구하고, 다름슈타튬(110번) – 플레로븀(114번) 원자 번호 부근에서 핵의 안정성이 약간 증가하여 핵물리학에서 "안정성 섬"이라고 알려진 현상이 나타난다.[37]

원자 번호 120은 양성자의 마법수이므로, 운비닐륨은 전후의 핵종보다 안정적이며 긴 반감기를 가질 가능성이 높다. 게다가 중성자의 마법수인 184를 함께 가지는 운비닐륨-304는 반감기가 수 년에 이를 것으로 예상된다.

4. 2. 원자 및 물리적 성질

운비닐륨은 주기율표에서 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 라듐 아래에 위치하는 8족 알칼리 토금속으로 예측된다. 이 원소들은 가장 바깥쪽 s-궤도에 2개의 원자가 전자를 가지는 ''n''s2 원자가 전자 배치를 가지며, 이는 화학 반응에서 +2 산화 상태를 형성하기 위해 쉽게 잃을 수 있다. 따라서 운비닐륨은 8s2의 원자가 전자 배치를 가지며, 가벼운 동족체와 유사하게 행동할 것으로 예상된다.

하지만 운비닐륨은 스핀-궤도 (SO) 상호작용과 같은 상대론적 효과로 인해 다른 알칼리 토금속과 구별되는 성질을 보일 수 있다. 스핀-궤도 상호작용은 전자의 운동과 스핀 사이의 상호작용으로, 초중원소에서 특히 강하게 나타난다. 이는 전자가 광속에 필적하는 속도로 움직이기 때문이다. 운비닐륨 원자에서 7p 및 8s 전자 에너지 준위가 낮아져 전자가 안정화되지만, 7p 전자 에너지 준위 중 2개는 다른 4개보다 더 안정화된다.[49] 이로 인해 7p 부껍질이 더 안정화된 부분과 덜 안정화된 부분으로 분할되며, 8s 전자는 안정화되어 제거하기 어려워지고, 7p3/2 전자는 불안정해져 화학 반응에 참여할 수 있게 된다.

외부 8s 전자의 안정화로 인해 운비닐륨의 첫 번째 이온화 에너지는 중성 원자에서 전자를 제거하는 데 필요한 에너지로 로 예측되며, 이는 칼슘과 유사하다. 수소 유사 운비닐륨 원자(Ubn119+)의 전자는 매우 빠르게 움직여 질량이 비이동 전자의 2.05배가 될 것으로 예측된다. 원자 반지름은 약 200 pm로 수축될 것으로 예상되며, 이는 스트론튬(215pm)과 매우 가깝다. Ubn2+ 이온의 이온 반지름은 160pm로 낮아진다.

운비닐륨은 실온에서 고체일 것으로 예상되며, 녹는점은 680°C이다.[52] 이는 라듐의 녹는점(700°C)보다 낮다.[53] 끓는점은 약 1700°C로 예상되며,[1] 밀도는 7g/cm3으로 예측된다.[1][2]

4. 3. 화학적 성질

운비닐륨의 화학적 성질은 알칼리 토금속과 유사할 것으로 예측되지만, 바륨이나 라듐보다는 칼슘이나 스트론튬과 더 유사하게 행동할 것이다. 스트론튬과 마찬가지로 운비닐륨은 공기 중에서 산화물(UbnO)을 형성하고 물과 격렬하게 반응하여 수산화물(Ubn(OH)2)을 형성하며, 이는 강한 염기가 되어 수소 가스를 방출할 것이다. 또한 할로젠과 반응하여 UbnCl2와 같은 염을 형성할 것이다.[54]

주기적 경향을 따르면 운비닐륨은 바륨이나 라듐보다 훨씬 더 반응성이 높을 것으로 예측된다. 그러나 운비닐륨 원자가 전자의 상대론적 안정화로 인해 운비닐륨의 첫 번째 이온화 에너지가 증가하고 금속 및 이온 반경이 감소하기 때문에 반응성은 낮다.[55] 이러한 효과는 이미 라듐에서 관찰된다.

운비닐륨은 다른 알칼리 토금속에서 관찰되지 않는 +4 산화 상태를 나타낼 수 있으며, +2 산화 상태 외에도 7p3/2 스피너의 불안정화 및 확대로 인해 외부 전자의 이온화 에너지가 예상보다 낮기 때문에 +4 산화 상태가 나타날 수 있다.[56] 7p3/2 전자를 모두 포함하는 +6 상태는 육불화물 UbnF6에서 제안되었다.

많은 운비닐륨 화합물은 7p3/2 전자가 결합에 관여하기 때문에 큰 공유 결합 성질을 가질 것으로 예상된다. 라듐도 플루오린화 라듐 (RaF2) 및 아스타티드 (RaAt2)에서 결합에 대한 6s 및 6p3/2의 일부 기여로 인해 이러한 효과가 더 작은 정도로 나타나며, 이 화합물들은 더 많은 공유 결합 성질을 갖는다.

참조

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