Meget tunge elementer leverer flere elektroner

Actinides, en række på 15 radioaktive elementer, er afgørende for medicin, energi, og det nationale forsvar. Forskere undersøgte to yderst sjældne aktinider, berkelium og californium. Disse elementer er i den yderste ende af, hvad der er muligt at syntetisere i mængder mere end atom til kemisk undersøgelse. Disse elementer er kun tilgængelige i de mindste mængder. Forskerne viste, at grundstofferne kan miste elektroner til binding som lettere actinider. Specifikt, de fandt +5 oxidationstilstanden meget mere stabil end forventet, og ligner stabiliteten fundet for lettere actinider.

På grund af vanskeligheden ved at studere disse radioaktive og sjældne elementer, hvoraf de fleste kun er blevet undersøgt siden Manhattan -projektet, der er meget at lære. Grundlæggende viden om det mest grundlæggende, endnu ukendt, aktinidernes kemi, såsom at vide bedre, hvordan to aktinider mere, berkelium og californium, danne bindinger ved høje oxidationstilstande, kunne gavne miljøoprydning på atomproduktionssteder. Sådan viden kan også hjælpe med at udvikle nye atombrændstoffer og deres oparbejdning. Yderligere, dette arbejde løser en mangeårig usikkerhed om aktinider.

Når man danner bindinger med ilt eller deltager i reaktioner, der involverer oxygenatomoverførsel, de tidlige aktinidelementer, protactinium gennem curium, kan opnå +5 oxidationstilstanden, når den er bundet til to iltatomer. Forskere ønskede at vide, om denne oxidationstilstand er vigtig ved binding til berkelium og californium (de næste to actinider i serien efter plutonium, americium, og curium). Teamet syntetiserede positivt ladede berkelium- og californiummolekyler, der indeholder oxygenatomer inden for et massespektrometer.

De skabte disse molekyler, BkO ₂ ⁺ og CfO ₂ ⁺ , ved at overføre til actinidmonoxidkationerne et andet oxygenatom fra den almindelige gas nitrogendioxid. Teamets elektroniske strukturberegninger på højt niveau viste, at de producerede molekyler er lineære, en væsentlig egenskab ved positivt ladede pentavalente dioxidioner af actiniderne. Dissociationsenergierne til at bryde actinid-iltbindinger, som er mindst 73 kcal/mol, er overraskende høje. Disse første femværdige berkelium- og californium -arter afslører, at +5 -oxidationstilstanden er mulig længere ind i actinidserien end tidligere anerkendt, hvilket er nøglen til at forstå disse elementers væsentlige natur og kemi.