Menos de un milisegundo - Origen y vida del elemento más pesado de la tabla periódica

El oganesón (Og, anteriormente llamado ununoctio) es el elemento que posee el número y masa atómica más altos de todos los elementos sintetizados. Anunciada su existencia el 30 de diciembre de 2015, este elemento es nombrado de manera similar a los gases nobles (neón, xenón…) en honor a su descubridor, el físico ruso Yuri Oganessian. Un elemento único y difícil de estudiar debido a su corto tiempo de vida.

Figura 1. Tabla periódica. Fuente

Su radiactividad y su alta inestabilidad han provocado que solo se hayan sintetizado tres (o posiblemente cuatro) átomos del isótopo desde 2002. Aunque esto dificulta el estudio experimental adecuado para caracterizar sus propiedades y sus posibles compuestos, cálculos teóricos han permitido predecir muchas de sus cualidades, incluidas algunas inesperadas. Por ejemplo, a pesar de que el oganesón es considerado formalmente un elemento del grupo de los gases nobles, probablemente no se pueda clasificar como tal.  Si bien inicialmente se pensaba que era un gas, ahora se supone que es un sólido bajo condiciones normales de presión y temperatura.

Su síntesis, junto a la del livermorio, no estuvo exenta de polémica. El equipo estadounidense que anunció en primer lugar la síntesis en 1999 tuvo que publicar una retractación en 2002 reconociendo que habían amañado los datos experimentales. Este hecho provocó un escándalo científico de grandes proporciones y la revisión de las normas éticas de la investigación en varios centros del país. Fue en 2006 cuando un equipo ruso (dirigido por Yuri Oganessian) publicó su síntesis, estando, en esta ocasión, libre de duda.

Como se ha mencionado previamente, la poca cantidad de veces que este compuesto se ha podido sintetizar (3 ó 4), teniendo en cuenta su alta inestabilidad, ha provocado que no se conozcan aplicaciones de este elemento más allá de la investigación científica. La exposición a cualquiera de sus compuestos supondría, por tanto, un caso grave de envenenamiento por radiación.

Realizado por Sergio Carrasco Carmona y Mario Jesús Mohedano Fragueiro
Fecha de publicación: 8 de noviembre de 2019

Antecedentes

Yuri Oganessian es un físico nuclear ruso considerado como uno de los científicos más importantes de los últimos años. Oganessian tuvo un papel importante en el descubrimiento de elementos como el rutherfordio, el dubnio, el seaborgio, el bohrio, el flerovio, el livermorio, el nihonio y el ununoctio (2006). Dado la importancia de sus descubrimientos el ununoctio fue nombrado oganesón (Og) en su honor en el año 2016 por la IUPAC.

Desde la década de los 60 hasta la actualidad, Oganessian se ha dedicado a la búsqueda de nuevos elementos. Los elementos previamente descritos fueron descubiertos mediante técnicas en las que fue pionero como la “fusión fría”, que conduciría al descubrimiento los elementos 107-113, y las reacciones de “fusión caliente” con el ⁴⁸Ca, rico en neutrones, que le llevaría a obtener el flevorio, entre otros elementos. Todo esto ha ayudado a definir a Oganessian como uno de los científicos más relevantes e importantes en la actualidad. Actualmente posee, junto con Glenn T.Seaborg, el honor de tener un elemento con su nombre en vida.

Figura 2. Yuri Oganessian, científico ruso descubridor del oganesón, entre otros elementos. Fuente

El oganesón, el compuesto conocido más pesado

El oganesón (Og) es un elemento sintetizado artificialmente con el número atómico 118. Pese a haber sido renombrado recientemente por la IUPAC, este elemento era previamente conocido como eka radón o ununoctium (Uuo).  Los átomos del elemento se produjeron por primera vez utilizando el ciclotrón U400 en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR) en Rusia, a través de una reacción de fusión de iones pesados que utilizaron la colisión de un haz de calcio (²⁰₄₈Ca)  a un objetivo de californio (²⁴⁹₉₈Cf):

Figura 3. Ciclotrón U400, máquina utilizada para sintetizar el oganesón. Fuente

²⁰₄₈Ca es un isótopo de Ca que se descompone por desintegración. Es considerado “casi estable”, teniendo una vida media de 4.4 × 10¹⁹ años y que actualmente compone el 0.187% de todo el Ca natural. Este enfoque condujo al descubrimiento del oganesón, así como al de múltiples isótopos de los elementos 112-117.

El estudio de este elemento es muy complicado debido a su corta vida útil (0.89 ms). El oganesón genera livermorio (Lv) y la emisión espontánea de núcleos de helio (He⁴).

El estudio teórico del oganesón

El estudio teórico de su estructura electrónica ha mostrado una inesperada sorpresa: no es un gas noble desde el punto de vista químico (como el resto de elementos del grupo 18). Sus electrones no se disponen en capas con un nivel energético bien definido como ocurre en casi todos los elementos, sino que se distribuyen de forma casi continua, de manera similar a como se podría describir un gas de Thomas–Fermi. La razón es la fuerte interacción mutua entre sus electrones, que deben ser descritos mediante la ecuación de Dirac, pues se mueven a velocidades relativistas. Ha sido obtenida usando el llamado método de la localización de fermiones aplicado a la ecuación de Dirac. Este método, que se usa para predecir la estructura energética de los núcleos atómicos, se usa por primera vez para calcular los estados electrónicos de un elemento superpesado. 

Todos los orbitales electrónicos del oganesón están completos, de manera similar a los gases nobles (como el xenón (Xe) y el radón (Rn)). Sin embargo, la razón del comportamiento tan raro de este elemento es su acoplamiento espín-órbital, más fuerte que para los gases nobles xenón (Xe) y radón (Rn).

Figura 4. ELFs para calculos no relativistas (NR, izquierda) y relativistas (R, derecha) para Xe (arriba), Rn (medio) y Og (abajo). Fuente

Para el estudio teórico de la estructura electrónica del oganesón se puede usar el método de la localización de fermiones (FLM, siglas de Fermion Localization Method) que determina la llamada Función de Localización Electrónica (ELF). Mediante este método se puede estimar la probabilidad de encontrar un electrón a cierta distancia del núcleo. Los niveles electrónicos se observan como picos donde la probabilidad se acerca a la unidad (representado en rojo). La Figura 4 nos muestra la ELF para cálculos no relativistas (NR = Hartree-Fock ) y relativistas (R = Dirac-Coulomb) para los elementos Xe (arriba), Rn (centro) y Og (abajo). En la imagen se puede observar que los gases nobles Xe y Rn presentan unas ELF localizadas similares al Og en los cálculos NR, mientras que el modelo es muy diferente para este último en los cálculos relativistas, presentando niveles electrónicos difíciles de discernir y con sus electrones muy deslocalizados. Por tanto, se puede observar que el comportamiento observado es muy parecido a un gas de electrones homogéneo. 

Conclusiones

El oganesón queda definido, por tanto, como un elemento difícil de estudiar. Su corta vida útil (inferior a un milisegundo) hace que las únicas aproximaciones para comprender el funcionamiento de este elemento provengan de modelos teóricos. A día de hoy, es imposible explicar o predecir ninguna aplicación para este elemento más allá de los posibles estudios en el laboratorio. Sin embargo, actualmente, de manera similar a lo que podría suceder con otros elementos sintéticos, su existencia podría tener lugar en otras partes del universo  como en otros sistemas solares o en agujeros negros, y quien sabe si este elemento pudiera formarse en las supernovas o en el Big Bang. 

Referencias

• Chapman, K., 2018. The oganesson odyssey. Nat. Chem. 10, 796–796. https://doi.org/10.1038/s41557-018-0098-4 (Acceso el 03-11-19)
• Giuliani, S.A., Matheson, Z., Nazarewicz, W., Olsen, E., Reinhard, P.-G., Sadhukhan, J., Schuetrumpf, B., Schunck, N., Schwerdtfeger, P., 2019. Colloquium: Superheavy elements: Oganesson and beyond. Rev.Mod.Phys. 91, 011001. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.91.011001 (Acceso el 03-11-19)
• Jerabek, P., Schuetrumpf, B., Schwerdtfeger, P., Nazarewicz, W., 2018. Electron and Nucleon Localization Functions of Oganesson: Approaching the Thomas-Fermi Limit. Phys. Rev. Lett. 120, 053001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.053001 (Acceso el 03-11-19)
• Lackenby, B.G.C., Dzuba, V.A., Flambaum, V.V., 2018. Atomic structure calculations of superheavy noble element oganesson $(Z=118)$. Phys. Rev. A 98, 042512. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.98.042512 (Acceso el 03-11-19)
• Macrae, R.M., Kemp, T.J., 2018. Oganesson: A Most Unusual ‘Inert Gas.’ Sci. Prog. 101, 101–120. https://doi.org/10.3184/003685018X15173976099750 (Acceso el 03-11-19)
• Nash, C.S., 2005. Atomic and Molecular Properties of Elements 112, 114, and 118. J. Phys. Chem. A 109, 3493–3500. https://doi.org/10.1021/jp050736o (Acceso el 03-11-19)