Nye grunnstoffer i periodesystemet – navn, oppdagelse og begreper

I 2003-4 er oppdagelsen av to nye grunnstoffer akseptert, og de har fått navn og symboler. Bare få atomer av grunnstoffene er registrert. Artikkelen omtaler de syntetiserte grunnstoffene etter nr. 100 i periodesystemet og ser på begreper som grunnstoff og atom.

Tema

Kampen om navn på grunnstoffer

IUPAC og forskergruppene

IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ble dannet i 1919 og er en internasjonal sammenslutning av verdens kjemiorganisasjoner. IUPAC har blant annet ansvaret for kjemisk nomenklatur og for å verifisere oppdagelsen av nye grunnstoffer og å fastsette deres navn.

Det er tre forskergrupper som har vært spesielt produktive i oppdagelsen av nye grunnstoffer. Gruppene omtales nedenfor som California-, Dubna- og Darmstadt-gruppen. California-gruppen omfatter forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL, Berkeley Lab) og andre institusjoner ved University of California. Dubna-gruppen hører til ved kjerneforskningsinstituttet (JINR) i Dubna, Russland. Darmstadt-gruppen arbeider ved Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) i Darmstadt, Tyskland.

Foreløpige navn

I 1978 anbefalte IUPAC at man skulle bruke systematiske navn på grunnstoffer fra 101 og utover, mens de rapporterte funnene ble etterprøvd og vurdert (se nettressurser). I systematiske navn oppgis nummersifrene med latinske eller greske ord eller stavelser - her i norsk språkdrakt: nil = 0, un = 1, bi = 2, tri = 3, kvad (latin: quad) = 4, pent = 5, heks = 6, sept = 7, okt = 8 og enn = 9. Endelsen –ium legges så til i navnet. Symbolet består av første bokstav i de tre sifferordene på gresk/latin. For eksempel kan nr. 104 kalles unnilkvadium (Unq). Se kolonne 2 i tabellen.

Slike navn og symboler ble aldri populære. Trivialnavnene for grunnstoff nr. 101, 102 og 103, henholdsvis mendelevium, nobelium og lawrencium, hadde lenge vært i bruk, og IUPAC godtok da også i 1978 at disse fortsatt kunne brukes.

Tabell Oppdagelse av og navn og symbol på grunnstoffene nr. 101-111

Nr. UPAC-anbefa-inger 1978 Oppdaget
år og forskergruppe
Forslag til navn og symbol Endelige navn og symbol godkjent av IUPAC, og året for godkjenning
101 Unu 1955 California Mendelevium, Mv (Cal.)
Mendelevium, Md (2, 5)
Mendelevium (1978, 1997), Md
102 Unb (1957 Nobel-inst. Sverige)*
1958 California
Nobelium, No (6, 2, 5) Nobelium (1978, 1997), No
103 Unt 1961 California Lawrencium, Lr (2, 5)  Lawrencium, (1978, 1997), Lr
104 Unq 1964 Dubna
1969 California
Dubnium, Db (1)
Kurchatovium, Ku (3)
Rutherfordium, Rf (2) 
Rutherfordium (1997), Rf
105 Unp 1968 Dubna
1970 California
Joliotium, Jo (1)
Nielsbohrium, Ns (3)
Hahnium, Ha (2) 
Dubnium (1997), Db
106 Unh 1974 California
1974 Dubna
Rutherfordium (1)
Seaborgium, Sg (2)
Seaborgium (1997), Sg
107 Uns  1981 Darmstadt Bohrium (1)
Nielsbohrium (2, 4)
Bohrium (1997), Bh
108 Uno 1984 Darmstadt Hahnium, Ha (1)Hassium, Hs (2, 4) Hassium (1997), Hs
109 Une 1982 Darmstadt Meitnerium, Mt (2, 4) Meitnerium (1997), Mt
110 Uun 1994 Darmstadt Darmstadtium, Ds (4) Darmstadtium (2003), Ds
111 Uuu 1994 Darmstadt Røntgenium, Rg (4)  Røntgenium (2004), Rg

* senere ikke akseptert
1) IUPACs 1994 anbefalinger
2) American Chemical Society (ACS) forslag 1994
3) Joint Institute for Nuclear Research (JINR) i Dubna, Russland
4) Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) i Darmstadt, Tyskland
5) IUPAC 1978
6) Nobel-instituttet for fysik, Stockholm

Regler for å sette navn på nye grunnstoffer

I 1986 startet IUPAC og IUPAP (International Union of Pure and Applied Physics) et samarbeid om å vurdere nye grunnstoff etter fermium, nr. 100. Før oppdagelsen eller syntesen av et nytt grunnstoff skal kunne godkjennes, blir forskningsresultatene grundig analysert. Det kreves bekreftelse på oppdagelsen og da fortrinnsvis utført i et annet laboratorium og med en annen teknikk. Det kan derfor ta lang tid fra første gang en forskergruppe meddeler funn av et grunnstoff, til eksperimentet reproduseres og resultatet konfirmeres. Når IUPAC har godkjent fremstillingen av det nye grunnstoffet og avgjort hvilken forskergruppe som skal ha prioritet på oppdagelsen, gis denne gruppen retten til å foreslå navn og symbol på grunnstoffet. Navnet kan knyttes til egenskap, mineral, sted, land, person eller mytologi. Etter at navnet har vært alminnelig kjent i minst 5 måneder, fastsetter IUPAC det endelige navnet og symbolet.

Uenighet om navnene

Det har vært kamp om navnene på grunnstoffene nr. 104-1081. Striden har

særlig stått mellom California-gruppen og Dubna-gruppen. Amerikanere annonserte i 1994 navnet seaborgium på nr. 106 etter Glenn T. Seaborg (1912-99). Han var nobelprisvinner og til tider leder for den suksessrike forskergruppe som stod bak oppdagelsen av alle grunnstoffene nr. 93-103.  Men IUPAC var uenig i navnet seaborgium og vedtok senere samme år en ny regel om at et grunnstoff ikke kunne oppkalles etter en levende person. Det til tross for at både einsteinium (nr. 99) og fermium (nr. 100) var oppkalt etter prominente naturvitere mens disse ennå levde. IUPAC fremsatte i stedet en anbefaling om navnet rutherfordium for nr. 106 og samtidig nye navn på de andre grunnstoffene nr. 104-108. Disse 1994-anbefalingene fra IUPAC er i tabellen merket (1).

Anbefalingene irriterte amerikanerne, og American Chemical Society (ACS) presenterte sitt eget forslag til navn på grunnstoffene nr. 104-108. Dette forslaget er i tabellen merket (2). Som et kuriosum kan vi nevne at nye norske lærebøker for 2KJ-kurset våren 1997 opererte med ulike navn for nr. 104-108 etter om forfatterne var tro mot IUPAC eller ACS.

Nye endelige navn

Etter noen år kom det internasjonale kjemikersamfunnet frem til et kompromiss, og høsten 1997 ratifiserte IUPAC navnet seaborgium på nr. 106, mens nr. 104 fikk navnet rutherfordium. Forskningsstedet til den russiske gruppen i Dubna og den tyske gruppen i Darmstadt, Hessen ((lat.) = Hassium) ble beæret med grunnstoffnavnene dubnium (nr. 105) og hassium (nr.108). Likevel er det bare én person i verden som noen gang har kunnet få brev direkte adressert til seg ut fra grunnstoffnavn: seaborgium, lawrencium, berkelium, californium, americium – med referanse til grunnstoff nr. 106, 103, 97, 98 og 95!

I 2003 var IUPAC/IUPAPs arbeid med å godkjenne oppdagelsen av og å navngi grunnstoff nr. 110 avsluttet, og IUPAC vedtok i august navnet darmstadtium og symbolet Ds for grunnstoffet. Det var i tråd med forslaget fra oppdagerne i Darmstadt-gruppen.

I november 2004 godkjente IUPAC oppdagelsen av nr. 111 og navnet røntgenium (Rg) til ære for Wilhelm C. Røntgen (1845-1923). Hundre år før fremstillingen av Rg, oppdaget Røntgen spesielle elektromagnetiske stråler med en bølgelengde på 1/1000 av synlig lys. Disse x-rays, eller røntgenstråler, fikk hurtig stor anvendelse i medisin og teknikk, og W.C. Røntgen ble tildelt den første nobelpris i fysikk i 1901.


1 Pedersen & Ringnes (1994): Kamp om navn på grunnstoffer. Kjemi 10, 28

 

Fremstillingen av grunnstoffene og deres egenskaper

Tidlig syntetiserte grunnstoff

Grunnstoffer etter 92U i periodesystemet er syntetiske med unntak av plutonium nr. 94 som dannes i naturen fra uran under innvirkning av kosmisk stråling. Ved å bombardere grunnstoffer med nøytroner og positive ioner har det vært mulig å utvide periodesystemet utover nr. 92 med nye grunnstoffer. I 1940 ble neptunium dannet ved å bombardere uran med nøytroner fra en syklotron, og i reaksjonen ble en β-partikkel produsert:

Dannelse av neptunium

Også 94Pu og 95Am er dannet ved nøytroninntak.

Fra nr. 96 og utover i periodesystemet brukes bombardement med alfastråler (heliumioner) eller positive ”tungioner” av f.eks. C, N og O. Eksempel er dannelsen av curium (Cm) og rutherfordium (Rf):

Dannelse av curiumDannelse av rutherfordium

I tillegg til grunnstoffene som er oppført i tabellen, er det rapportert om følgende oppdagelser av grunnstoffer av gruppe og i år: Uub Darmstadt 1996, Uut California og Dubna 2004, Uuq Dubna 1999, Uup California og Dubna 2004, Uuh Dubna 2000, Uuo Dubna 2002 (se vedlegg: grunnstoffenes periodesystem).I 2005 er disse oppdagelsene (ennå) ikke akseptert av IUPAC.

Fremstilling av de nyeste grunnstoffene

Fra 1997 og til 2004 har IUPAC akseptert oppdagelsen av og gitt endelige navn til grunnstoffene nr. 101-111. Se tabellen. Disse grunnstoffene er fremstilt syntetisk ved å bombardere stoffer med høyenergetiske stråler, og det har ført til fusjoner. De nydannede grunnstoffene er radioaktive og desintegrerer gjerne raskt.

Grunnstoffet røntgenium ble dannet ved et eksperiment i desember 1994. Da sendte Sigurd Hofmann og hans medarbeidere i Darmstadt-gruppen en stråle av 64Ni, med 10 % av lysets hastighet, mot en tynn film av 209Bi 2. De aller fleste nikkelionene gikk uendret gjennom filmen, men noen ganger skjedde det en sammensme lting til 273Rg som straks mistet et nøytron og dannet 272Rg:

Dannelse av røntgenium

I alt tre slike 272Rg-partikler ble observert i 1994. I oktober 2000 ble tre nye 272Rg-partikler registrert. Den gjennomsnittlige levetiden for de seks 272Rg var 2,3 millisekund som gir en halveringstid på 1,6 ms. Darmstadt-gruppen fulgte desintegrasjonen av 272Rg til 252Md, og for hvert trinn ble en alfapartikkel emittert:

Desintegrasjonen av 272Rg til 252Md

Røntgenium er senere observert i andre forskergruppers eksperimenter, men da med andre isotoper. Dubna-gruppen har registrert to tilfeller - 279Rg og 280Rg - som nedbrytningsprodukter av henholdsvis 287Uup og 288Uup, mens RIKEN-instituttet i Wako, Japan har observert én 274Rg-partikkel fra en nedbrytning av 278Uut.

Ved å bombardere folier med partikler, kan man altså få dannet de nyeste syntetiske grunnstoffene, slik eksemplet over viser. Disse nyoppdagete grunnstoffene er ikke nøytrale atomer, men positive ioner. Antall elektroner i ionene varierer og oppgis sjelden. Ionene som dannes, ”mangler” gjerne flere elektroner enn de positive ionene vi kjenner fra skolekjemien. Men de syntetiserte ionene plukker fort opp elektroner etter kjernereaksjonen. For de tre 111 272Rg-partiklene fra 1994-eksperimentet er det snakk om positive ioner med 80-90 elektroner2. (Et nøytralt Rg-atom ville hatt 111 elektroner.)

I stedet for partikler bruker forskerne ord som kjerne (nucleus på engelsk), atom, ion eller nuklide. Her er hva Hofmann fra Darmstadt-gruppen skrev i en spørsmål-svar-runde i forbindelse med godkjenningen av navnet darmstadtium for nr. 110: 

The first nucleus of 269Ds was produced on Nov. 9, 1994

By now a total of 48 nuclei of darmstadtium were measured at different laboratories. The nuclei were attributed to 6 different isotopes produced in different reactions. Some of the published data is subject to further investigation and confirmation.

62Ni + 208Pb-> 269Ds + 1n, 1994, GSI Darmstadt, 3 atoms

64Ni + 208Pb -> 271Ds + 1n, 1994, GSI Darmstadt, 9 atoms

(vår kursivering)

Egenskaper til syntetiske grunnstoffer

Flere av de tidligst fremstilte syntetiske grunnstoffene er laget i store mengder. Det er f.eks. fremstilt tonnevis av plutonium, og ved bestråling av plutonium med alfapartikler og nøytroner er det produsert curium i mengder på kg. For slike syntetiske grunnstoffer kan en eller flere fysiske egenskaper oppgis. Curium (96Cm) er for eksempel et sølvglinsende, mykt metall med tetthet 13,5 kg/dm3 og smeltepunkt 1340°C.


Av de nyeste syntetiske grunnstoffene, nr. 104-111, er det bare fremstilt noen få partikler. Det blir ikke nok til å bestemme fysiske egenskaper. Men man forventer for eksempel at røntgenium som har fått plass i samme gruppe (nr. 11) i periodesystemet som kobber, sølv og gull, ligner disse grunnstoffene i egenskaper. På nettsidene til Webelements (se lenke til høyre) blir grunnstoffene nr. 104-111 klassifisert som metalliske, og som antagelig faste stoffer ved romtemperatur med grå eller sølvaktig farge.

Kjemiske egenskaper til et grunnstoff er knyttet til partikler av grunnstoffet og reaksjoner mellom partikler. Det er mange slike egenskaper som er bestemt for de syntetiske grunnstoffene, og av mange er det også laget forbindelser. Allerede i 1947 ble Cm(OH)3 fremstilt i ”synlige” mengder, ca 30 mikrogram. I våre dager arbeider man med å beskrive kjemiske egenskaper for de nyeste syntetiske grunnstoffene. Norske forskere fra Universitetet i Oslo er i 2005 i Berkeley ved California-gruppen og eksperimenterer med rutherfordium. De har klart å isolere 104Rf-ioner og få dannet komplekser av dem med svovelsyre. I disse kompleksene har Rf den forventete ioneladningen ut fra plasseringen i periodesystemet.


[2] Brubacher (2005): Element 111 is roentgenium. Chem13News, 328, 5

Aktuelle kompetansemål i læreplanen

Læreplan i naturfag

  • Etter 10. årstrinn
    • Fenomener og stoffer
      • vurdere egenskaper til grunnstoffer og forbindelser ved bruk av periodesystemet
  • Etter Vg1 - studieforberedende utdanningsprogram
    • Stråling og radioaktivitet
      • gjennomføre forsøk med radioaktivitet, halveringstid og bakgrunnsstråling, forklare fenomenene og gjøre enkle beregninger
  • Etter Vg3 - påbygging til generell studiekompetanse
    • Stråling og radioaktivitet
      • gjennomføre forsøk med radioaktivitet, halveringstid og bakgrunnsstråling, forklare fenomenene og gjøre enkle beregninger

Læreplan i kjemi - programfag i studiespesialiserende utdanningsprogram

  • Kjemi 1
    • Språk og modeller i kjemi
      • forklare, illustrere og vurdere stoffers sammensetning, bindingstyper og egenskaper ved hjelp av periodesystemet

Grunnstoff og andre begreper i undervisningen

I artikkelen har vi sett at forskere omtaler sine nyoppdagete grunnstoffer både som atomer og kjerner. Vi har videre sett at dette ofte er positive ioner med langt færre elektroner enn de ionene elevene lærer om i skolekjemien. Når forskere snakker om kjerner, er det fordi de er opptatt av kjernereaksjoner der antall protoner og nøytroner er det interessante. Ofte bruker de det mer dekkende ordet nuklider. Men hva menes med begreper som grunnstoff, atom og nuklide?

Kjemien handler om stoffer. Alt vi består av og alt i verden omkring oss er kjemiske stoffer - eller rett og slett stoffer. Mens stoff i vår dagligtale har ulike betydninger, mener naturvitere at:

Et stoff er noe som har masse og opptar plass.

En gullbarre er et eksempel på et stoff. Også et gullatom har masse og er dermed et stoff.

I skolen tenker vi gjerne på et stoff som noe i såpass store mengder at vi kan observere det, måle det og beskrive stoffets reaksjoner og egenskaper. Oksygengass, kobbermetall, kobber(II)oksidpulver og vann er fire eksempler på stoffer som elever kan beskrive på det vi kaller makronivå. Lærere forklarer stoffenes egenskaper og reaksjoner ut fra oppbygningen av molekylene, de nøytrale atomene og/eller ionene på mikronivå 3. Vi tror det er fruktbart i naturfagundervisningen å presisere hvilken form av stoffet som er i fokus i øyeblikket. Vi kan føye til slike tilleggsord som vi har gjort over − gass, metall, pulver − og også ord som atom, molekyl, ion for å presisere hvilken form av stoffet vi snakker om 4.

Begrepet stoff (matter) brukes i IUPACs definisjon av et grunnstoff: “An element (or elementary substance) is matter, all of whose atoms are alike in having the same positive charge on the nucleus.” I norske lærebøker formuleres begrepet grunnstoff oftest slik:

Et grunnstoff er et stoff der alle atomene har like mange protoner i kjernene.

Grunnstoffet oksygen har 8 protoner i atomkjernene, 8O. Grunnstoffet finnes i ulike former. Både oksygenatom (O), oksygenmolekyl (O2), ozonmolekyl (O3), oksidion (O2-), oksygengass (O2(g)) og ozongass (O3(g)) representerer grunnstoffet oksygen. Dioksygen (O2) og trioksygen/ozon (O3) er strukturelle modifikasjoner av grunnstoffet, eller det vi kaller allotrope former.

Da vi over sa at oksygenatom var en form av grunnstoffet oksygen, tenkte vi på et nøytralt atom. Men også ion inkluderes i IUPACs definisjon av et atom:

Et atom den minste enheten av et grunnstoff som kan eksistere enten alene eller i kjemisk binding til andre atomer av samme eller andre grunnstoffer.

Det betyr at både det nøytrale oksygenatomet (O) som danner binding til et annet nøytralt oksygenatom i O2, og oksidionet (O2−) som danner binding med Cu2+ i CuO, regnes som atom.

I grunnstoffenes periodesystem er det oppført atomer av både naturlig forekommende grunnstoffer og av syntetiske grunnstoffer. Atomene er ordnet etter antall protoner i atomet (atomnummeret) og etter fordelingen av elektroner på skall og orbitaler i de nøytrale atomene. Antall nøytroner kommer frem i massetallet/nukleontallet (antall protoner og nøytroner) som oppgis for de syntetiske grunnstoffene. I periodesystemet er massetallet oppført til den nukliden som har lengst halveringstid. Med nuklide menes ethvert atom som er definert med et bestemt atomnummer og et bestemt massetall. For det syntetiske grunnstoffet darmstadtium, er massetallet 269 til nukliden 110269Ds oppført i periodesystemet.


For de naturlig forekommende grunnstoffene blir atommassen oppført. Atommassen til kobber er oppgitt til 63,55 (u), og står for den gjennomsnittlige massen av de naturlig forekommende isotopene. Kobber forekommer naturlig som en blanding av to isotoper - nukliden 2963Cu (69,2 %) og nukliden 2965Cu (30,8 %).

Vi har over nevnt en rekke begreper fra kjemien. I blant bør vi i undervisningen peke på at kjemiens definisjoner, lover og systemer er noe kjemikere har laget for å beskrive stoffene og kommunisere om dem. Naturen med stoffene er ikke slik organisert.



[3] Herron (1996): The Chemistry Classroom. Formulas for Successful Teaching. The American Chemical Society.

[4] Ringnes & Hannisdal (2000): Kjemi i skolen. Undervisning og læring. HøyskoleForlaget

Aktuelle kompetansemål i læreplanen

Læreplan i naturfag

  • Etter 10. årstrinn
    • Fenomener og stoffer
      • vurdere egenskaper til grunnstoffer og forbindelser ved bruk av periodesystemet