For at studere radioaktivt neptunium og plutonium etablerer forskere en ny kemi

Oxidation er den proces, hvor atomer mister elektroner under en kemisk reaktion. Blandt de radioaktive grundstoffer er neptunium og plutonium meget sværere at oxidere end uran.

For at studere disse elementer har forskere designet donorligander - molekyler, der bidrager med elektrontæthed til metalcentre. Dette gør det muligt for forskere at stabilisere disse metaller, efterhånden som de bliver mere elektronfattige (med andre ord når højere oxidationstilstande).

Dette flytter deres oxidationspotentialer (de energier, ved hvilke det er muligt at fjerne en elektron) til et meget mere tilgængeligt område. Dette lader videnskabsmænd studere usædvanlige komplekser af cerium, uran og neptunium. Det hjælper især forskere med at undersøge, hvordan høje oxidationstilstande påvirker disse grundstoffers strukturer og kemiske adfærd.

Adgang til og undersøgelse af de høje oxidationstilstande af uran-, neptunium- og plutoniumkomplekser hjælper videnskabsmænd med at forstå deres kemiske reaktiviteter - hvor let de danner nye kemiske forbindelser. Det hjælper også videnskabsmænd med at studere deres redoxegenskaber. Det er de betingelser, hvorunder grundstofferne taber eller får elektroner og de kemiske produkter, der er resultatet af disse reaktioner.

Disse undersøgelser kan kaste lys over, hvordan radioaktive materialer kan opføre sig i nukleart affaldsstrømme og affaldsopbevaring. Derudover kan de magnetiske egenskaber af disse elementer påvirke udviklingen af ​​kvanteinformationsvidenskab og kvantematerialer.

Disse radioaktive grundstoffer er dog svære at håndtere. Dette gør det svært for forskere at udvikle deres molekylære kemi. De ligander og elektrokemiske undersøgelser i den forskning, der er beskrevet her, vil hjælpe med at løse udfordringerne med nukleart affald.

Denne forskning udviklede en symmetri-brydende ligand, der har gjort det muligt for forskere at syntetisere og udføre detaljeret karakterisering af ikke-vandige uran-, neptunium- og plutoniumkomplekser i høje oxidationstilstande. Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Inorganic Chemistry og Angewandte Chemie International Edition .

På tværs af actinid-serien stiger barrieren for oxidation betydeligt efter uran, hvilket ofte gør karakterisering af disse komplekser til en udfordring. Den lavere symmetri gør det muligt for forskere at opnå bedre krystallografiske data og udføre mere grundige spektroskopiske og teoretiske undersøgelser af strukturen og de elektroniske egenskaber af disse komplekser. Denne ligand er stærkt elektrondonerende og giver rigelig støtte til elektronfattige komplekser med høj oxidationstilstand, som ellers ikke ville fortsætte.

Det giver forskere mulighed for at etablere detaljerede syntetiske strategier og ikke-vandige elektrokemiske opstillinger til karakterisering af radioaktive neptunium- og plutoniumkomplekser.

Elektrokemiske undersøgelser af cerium-, uran- og neptuniumkomplekser viser, at denne ligand har gjort disse arters oxidationspotentialer betydeligt mere tilgængelige. Disse oxidationspotentialer bekræftes af teori og informerer om disse systemers kemiske reaktivitet og fysiske egenskaber.

Dette sætter scenen for isolering og undersøgelse af nye neptunium- og plutoniumkomplekser med høj oxidationstilstand.

Flere oplysninger: Julie E. Niklas et al., Ligand Control of Oxidation and Crystallography Disorder in the Isolation of Hexavalent Uranium Mono-Oxo Complexes, Inorganic Chemistry (2023). DOI:10.1021/acs.inorgchem.2c04056

Kaitlyn S. Otte et al., Divergent Stabilities of Tetravalent Cerium, Uranium and Neptunium Imidophosphorane Complexes**, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202306580

Journaloplysninger: Angewandte Chemie International Edition , Uorganisk kemi

Leveret af det amerikanske energiministerium