Fermij: Hemijski element sa simbolom Fm i atomskim brojem 100

To je u potpunosti vještački dobijeni element koji ne postoji u prirodi. U periodnom sistemu nalazi se u grupi aktinoida (7. perioda, f-blok) te se ubraja u transuranijske elemente. Fermij je radioaktivni metal, ali koji zbog vrlo malih dostupnih količina do danas se zvanično ne smatra metalom. Otkriven je nakon testa američke hidrogenske bombe 1952. godine. Dobio je ime po Enricu Fermiju, mada Fermi nije učestvovao u otkriću elementa niti ga je istraživao.

Fermij,  ₁₀₀Fm

Fermij u periodnom sistemu
↓                                                                     ↓                                                             →                                                             →
Hemijski element, Simbol, Atomski broj	Fermij, Fm, 100
Serija	Aktinoidi
Grupa, Perioda, Blok	Ac, 7, f
Izgled	-
Zastupljenost	0 %
Atomske osobine
Atomska masa	257,0951 u
Atomski radijus (izračunat)	- ((divalentni) 198) pm
Kovalentni radijus	? pm
Van der Waalsov radijus	? pm
Elektronska konfiguracija	[Rn] 5f127s2
Broj elektrona u energetskom nivou	2, 8, 18, 32, 30, 8, 2
Fizikalne osobine
Agregatno stanje	čvrsto
Gustoća	? kg/m3
Magnetizam	?
Tačka topljenja	1125 K (852 °C)
Tačka ključanja	? K (? °C)
Molarni volumen	? m3/mol
Toplota isparavanja	? kJ/mol
Toplota topljenja	? kJ/mol
Brzina zvuka	? m/s
Hemijske osobine
Oksidacioni broj	+2, +3
Elektrodni potencijal	−1,96 V(Fm3+ + 3 e− → Fm)
Elektronegativnost	1,3 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR 252Fm sin 25,39 h SR (0,0023 %) ? ? α (≈ 100 %) 7,153 248Cf 253Fm sin 3 d ε (88 %) 0,333 253Es α (12 %) 7,197 248Cf 254Fm sin 3,24 h SR (0,0592 %) ? ? α (≈ 100 %) 7,037 250Cf 255Fm sin 20,07 h SR (2,4 · 10−5 %) ? ? α (100 %) 7,241 251Cf 257Fm sin 100,5 d SR (0,210 %) ? ? α (≈ 100 %) 6,864 253Cf
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja Oznaka upozorenja nepoznata
Obavještenja o riziku i sigurnosti	R: / S: /
Ostala upozorenja
Radioaktivnost
Radioaktivni element
Ako je moguće i u upotrebi, koriste se osnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.

Fermij je zajedno sa ajnštajnijem otkriven nakon testa prve američke hidrogenske bombe Ivy Mike 1. novembra 1952. na atolu Eniwetok. Prvi uzroci pronađeni su na filter-papiru, koji bio stavljen na uređaje aviona pri njegovom prolasku kroz nastali oblak nakon eksplozije. Tek kasnije izolirane su veće količine elementa iz korala. Zbog suzdržanosti i tajnovitosti tadašnjih vojnih struktura u SAD, rezultati i otkriće nisu odmah objavljeni.

Prva ispitivanja uzoraka nastalih eksplozijom pokazala su nastanak novog izotopa plutonija ²⁴⁴Pu, koji je mogao nastati kada je jezgro uranija-238 primilio šest neutrona, te se raspalo u dva uzastopna β-raspada.

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ {\xrightarrow[{-2\ \beta ^{-}}]{+\ 6\ (n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{244}Pu} }$ 

Danas je pretpostavlja da je vrlo rijetka mogućnost da teška atomska jezgra apsorbiraju neutrone. Procesom identifikacije izotopa ²⁴⁴Pu došlo se do zaključka da jezgra uranija mogu primiti veći broj neutrona, što dovodi do nastanka novih elemenata.

Nastanak novog elementa desio se zbog kontinuiranog zahvata neutrona: u trenutku detonacije bombe gustoća protoka neutrona bila tako velika, da se većina nastalih radioaktivnih jezgara atoma nije uspjela raspasti prije sljedećeg primanja novog neutrona. Pri tako velikom toku neutrona također raste i maseni broj, a istovremeno je moguće da se atomski broj jezgre ne mijenja. Tek poslije toga nastali nestabilni nuklidi raspadaju se do stabilnih preko mnogobrojnih β-raspada uz visok atomski broj:

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ {\xrightarrow[{-8\ \beta ^{-}}]{+\ 15,\ 16,\ 17\ (n,\gamma )}}\ _{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 100}^{253,\ 254,\ 255}Fm} }$ 

Otkriće elementa fermija (Z = 100) zahtijevalo je mnogo materijala, tako da se smatra, da bi prinos trebao biti niži od prinosa elementa 99 najmanje za jedan red veličine. Zbog toga, kontaminirani korali sa atoma Eniwetok (gdje je izvršen test bombe) preneseni su u Radijacijsku laboratoriju Univerziteta Kalifornije u Berkeleyu (Kalifornija), radi prerade i analize. Odvajanje rastvorenih iona aktinoida vršeno je u prisustvu pufera limunske kiseline i amonij-citrata u slabo kiselom mediju (pH ≈ 3,5) sa ionskim izmjenjivačima pri povišenoj temperaturi. Tek dva mjeseca kasnije izolirana je nova komponenta. Bio je to visokoenergetski α-emiter (7,1 MeV) sa vremenom poluraspada od oko jednog dana. Sa tako kratkim vremenom raspada moglo se možda raditi samo od nekom izotopu ajštajnija koji nastaje β-raspadom, pa su pretpostavili da se radi o izotopu elementa 100. Vrlo brzo on je identificiran kao izotop ²⁵⁵Fm (t_½ = 20,07 sati).

U septembru 1953. nije bilo poznato kada će naučni timovi iz Berkeleya, Argonne i Los Alamosa moći objaviti svoja otkrića. Odlučeno je da se novi elementi pokušaju sintetizirati pomoću eksperimenata bombardovanja teških atomskih jezgara lakšim; istovremeno osiguravajući da takvi rezultati neće potpadati pod vojnu tajnu kao raniji pa bi se mogli nesmetano objaviti. Vrlo brzo napravljen je izotop ajnštajnija u Radijacijskoj laboratoriju Univerziteta Kalifornije putem bombardiranja uranija (²³⁸U) sa dušikom (¹⁴N). Tada je zapaženo da radi o elementu čije je istraživanje i dalje stajalo pod vojnom tajnom. Izotopi oba novootkrivena elementa nastali su zračenjem izotopa plutonija ²³⁹Pu, a rezultati su objavljeni u pet publikacija objavljivanih zaredom u kratkim razmacima. U posljednjim reakcijama počev od kalifornija nastali su:

${\displaystyle \mathrm {^{252}_{\ 98}Cf\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 98}^{253}Cf\ {\xrightarrow[{17,81\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 99}^{253}Es\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 99}^{254}Es\ {\xrightarrow[{}]{\beta ^{-}}}\ _{100}^{254}Fm} }$ 

Tim u Berkeleyju bio je zabrinut da bi neko drugi mogao otkriti lakše izotope elementa 100 putem bombardovanja ionima te takvo otkriće objaviti prije nego što bi se sa njihovih istraživanja mogla "skinuti" oznaka vojne tajne. Krajem 1953. i početkom 1954. radna grupa Nobelovog instituta za fiziku u Stockholmu vršila je eksperimente bombardiranja uranijevih jezgara jezgrima atoma kisika, čime je nastao izotop elementa 100 sa masenim brojem 205 (²⁵⁰Fm). Nesumnjiv dokaz o nastanku novog elementa dobijen je zbog karakteristične energije α-čestica nastalih raspadom.

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{\ 8}^{16}O\ \longrightarrow \ _{100}^{250}Fm\ +\ 4\ _{0}^{1}n} }$      ${\displaystyle \mathrm {(_{100}^{250}Fm\ \longrightarrow \ _{\ 98}^{246}Cf\ +\ _{2}^{4}He)} }$ 

Ipak, tim iz Berkeleya već ranije je objavio neke rezultate hemijskih osobina oba elementa. Najzad, sa rezultata termonuklearne eksplozije je skinuta vojna tajna pa su napokon 1955. i objavljeni. Prioritet davanju imena novom elementu općenito je priznat naučnicima iz Berkeleya, jer je njihovih pet radova prethodilo švedskim istraživanjima, a zbog prethodnog držanja otkrića u tajnosti zbog vojnih propisa, ona su bila u saglasnosti sa rezultatima termonuklearne eksplozije iz 1952. godine. Oni su odlučiti dati imena po poznatim, tada već preminulim naučnicima. Vrlo brzo su došli do imena Alberta Einsteina i Enrica Fermija, koji su umrli neposredno prije objave: "Sugeriramo da novo ime elementa sa atomskim brojem 99 bude ajnštajnim (simbol E) po Albertu Einsteinu, a ime za element sa atomskim brojem 100 bude fermij (simbol Fm) po Enricu Fermiju". Čast zvaničnog objavljivanja oba novootkrivena elementa ajnštajnija i fermija pripala je Albertu Ghiorsu koji je to učinio na 1. ženevskoj atomskoj konferenciji održanoj od 8. do 20. augusta 1955. godine.

Kasnije, fermij je privremeno dobio sistematsko ime unnilnilij.

 

U periodnom sistemu, fermij sa atomskim brojem 100 nalazi se u redu aktinoida. Njegov prethodnik je ajnštajnij, a nakon njega slijedi mendelevij. Njegov analog u redu lantanoida je erbij.

Fizičke

Do danas ovaj metal nije dobijen u količinama dovoljnim za proučavanje. Ipak, uspjelo se doći do određenih mjerenja njegovih legura sa lantanoidima, a osim njih postoje brojni izračuni i pretpostavke. Entalpija sublimacije povezana je direktno sa strukturom valentnih elektrona u metalu. Ona je kod fermija određena direktnim mjerenjima parcijalnog pritiska fermija preko legura Fm-Sm i Fm/Es-Yb u temperaturnom rasponu od 642 do 905 K. Dobijena je vrijednost od 142(13) kJ·mol⁻¹. Entalpija sublimacije fermija približna je onoj kod dvovalentnih ajnštajnija, europija i iterbija, pa je iz toga izveden zaključak da je i fermij dvovalentan u metalnom stanju. Usporedba radijusa i tačaka topljenja metala europija, iterbija i ajnštajnija dovela je do pretpostavljenih vrijednosti za fermij od 198 pikometara (atomski radijus) i 1125 K (tačka topljenja).

Elektrodni potencijal bi trebao biti sličan kao kod iterbija par Yb³⁺/Yb²⁺, dakle oko 1,15 V u odnosu na standardnu vodikovu elektrodu., što predstavlja vrijednost koja je u saglasnosti sa teoretskim izračunima. Na osnovu polarografskih mjerenja utvrđen je elektrodni potencijal para Fm²⁺/Fm⁰ od −2,37 V. Fm³⁺ bi mogao relativno lahko reducirati Fm²⁺, naprimjer sa samarij(II)-hloridom koji bi se istaložio zajedno sa fermijem.

Hemijske

Do danas hemijske osobine fermija su se mogle proučavati samo u rastvorima pomoću tehnike trejsera, a njegovi čvrsti spojevi do danas nisu dobijeni. U normalnim uslovima fermij se u rastvorima nalazi u obliku iona Fm³⁺, koji ima hidracijski broj 16,9 te konstantu kiselosti 1,6 · 10⁻⁴ (pK_s = 3,8). Ovaj ion gradi komplekse brojnih organskih liganada sa donorskim atomima poput kisika. Ovakvih kompleksi su po pravilu stabilniji od nekih lakših aktinoida. Također gradi anionske komplekse sa ligandima poput hlorida i nitrata, a i ovi kompleksi bi mogli biti stabilniji od onih kod ajnštajnija ili kalifornija. Pretpostavlja se, da su veze u kompleksima kod viših aktinoida većinom ionskog karaktera. Prema očekivanjima, ion Fm³⁺ je manji nego ioni prethodnog elementa Es³⁺, zbog višeg efektivnog naboja jezgra fermija, pa bi fermij vjerovatno trebao graditi kraće i snažnije veze između liganda i metala.

Izotopi

Do danas je poznato 19 izotopa i tri nuklearna izomera fermija, i svi su radioaktivni i veoma nestabilni. Njihovi maseni brojevi kreću se od 242 do 260. Izotop sa ubjedljivo najdužim vremenom poluraspada je ²⁵⁷Fm, a koje iznosi 100,5 dana, što znači da se na Zemlji ne može naći u prirodi. Izotop ²⁵³Fm ima vrijeme poluraspada od 3 dana, a slijede izotopi ²⁵¹Fm sa 5,3 sata, ²⁵²Fm sa 25,4 sati, ²⁵⁴Fm sa 3,2 sata, ²⁵⁵Fm sa 20,1 sati i ²⁵⁶Fm sa 2,6 sata. Svi ostali izotopi imaju vremena poluraspada od 30 minuta do manje od jedne milisekunde.

Ako se posmatra raspad najduže živućeg izotopa ²⁵⁷Fm, njegovim α-raspadom nastaje izotop kalifornija ²⁵³Cf, dok s druge strane njegovim β-raspadom, on prelazi u ajnštajnij ²⁵³Es. Daljnji tok raspada zatim vodi preko izotopa ²⁴⁹Bk, ²⁴⁹Cf, ²⁴⁵Cm, ²⁴³Am, ²⁴¹Pu, ²⁴¹Am sve do neptunija ²³⁷Np, koji predstavlja početak neptunijevog niza (4 n + 1).

${\displaystyle \mathrm {^{257}_{100}Fm\ {\xrightarrow[{100,5\ d}]{\alpha }}\ _{\ 98}^{253}Cf\ {\xrightarrow[{17,81\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 99}^{253}Es\ {\xrightarrow[{20,47\ d}]{\alpha }}\ _{\ 97}^{249}Bk\rightarrow \ ...\rightarrow \ _{\ 93}^{237}Np} }$ 

Navedena vremena predstavljaju vremena poluraspada.

Pod pojmom fermijska barijera ili fermijska granica označava se pojava da se izotopi fermija ²⁵⁸Fm, ²⁵⁹Fm i ²⁶⁰Fm jednim dijelom već nakon djelića sekunde raspadaju spontanim raspadom (t_½ = 370 µs; 1,5 s odnosno 4 ms, respektivno). Izotop ²⁵⁷Fm je α-emiter i raspada se na ²⁵³Cf. Pri tome niti jedan poznati izotop fermija ne pokazuje β-raspad, što onemogućava nastanak mendelevija putem raspada fermija. Ova činjenica poništava praktično sva nastojanja da se pomoću radijacije neutronima, naprimjer unutar nuklearnog reaktora, dobiju elementi sa atomskim brojevima iznad 100 odnosno sa masenim brojevima iznad 257. Prema tome, fermij je posljednji element koji je moguće dobiti zahvatom neutrona. Svaki pokušaj dodavanja dodatnih neutrona u jezgro fermija vodi do spontanog raspada.