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Ts 117Ts
氢（非金属） 氦（惰性气体）
锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（惰性气体）
钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 硅（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（惰性气体）
钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（惰性气体）
铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 锝（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（惰性气体）
铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镏（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砈（类金属） 氡（惰性气体）
钫（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 镎（锕系元素） 钚（锕系元素） 镅（锕系元素） 锔（锕系元素） 锫（锕系元素） 锎（锕系元素） 锿（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为惰性气体）
砈
↑
Ts
↓
(Uhs)
𫟷 ← Ts → Og
外观
半金属状（预测）[1]
概况
名称·符号·序数Tennessine·Ts·117
元素类别未知
可能为卤素、类金属或金属
族·周期·区17·7·p
标准原子质量[294]
电子排布[氡] 5f14 6d10 7s2 7p5
（预测）[2]
2, 8, 18, 32, 32, 18, 7
（预测）
Ts的电子层（2, 8, 18, 32, 32, 18, 7 （预测））
Ts的电子层（2, 8, 18, 32, 32, 18, 7
（预测））
历史
发现联合核研究所及劳伦斯利弗莫尔国家实验室（2010年）
物理性质
物态固体（预测）[2][3]
密度（接近室温）
7.1–7.3（推算）[3] g·cm−3
熔点573–773 K，300–500 °C，572–932（预测）[2] °F
沸点823 K，550 °C，1022（预测）[2] °F
原子性质
氧化态−1, +1, +3, +5（预测）[2]
电离能第一：742.9（预测）[2] kJ·mol−1
第二：1785.0–1920.1（预测）[3] kJ·mol−1
原子半径138（预测）[3] pm
共价半径156–157（推算）[3] pm
杂项
CAS号54101-14-3
同位素
主条目：Ts的同位素
同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰变
方式 能量​（MeV） 产物
294Ts 人造 78+370
−36 ms 		α 10.81 290Mc
293Ts 人造 14+11
−4 ms 		α 11.11, 11.00, 10.91 289Mc

Tennessine（Ts）是一种人工合成的超重化学元素，原子序为117。Ts在所有人工合成元素中质量第二高，在元素周期表中位于第7周期的倒数第二位置。2010年，一个美俄联合科学团队在俄罗斯杜布纳联合原子核研究所首次宣布发现Ts。2011年的另一项实验直接生成了Ts的其中一种子同位素，这证实了2010年实验的一部分结果；原先的实验在2012成功得到重现。2014年，德国亥姆霍兹重离子研究中心也宣布成功重现该实验。2015年，负责检验超重元素合成实验的IUPAC/IUPAP联合工作小组（JWP）确认Ts已被发现，命名的提议权由美俄联合科学团队取得。Ununseptium是Ts的系统命名，作为元素获得正式命名之前的临时名称。科学家一般在文献中把它称作117号元素，而非Ununseptium。

在元素周期表中，Ts位于17族、所有卤素以下。[a]Ts的性质很可能和卤素有显著地差异，但其熔点、沸点和第一电离能则预计遵从周期表的规律。

历史

发现前

2004年，位于俄罗斯莫斯科州杜布纳的联合核研究所（JINR）的一个团队提议进行合成117号元素的实验。该实验以钙（原子序20）粒子束轰击锫目标体，从而产生核聚变反应。[4]但是，美国橡树岭国家实验室是世界上唯一能够制成锫的实验室，其团队以产量不足为由未能提供这一元素。[4]俄罗斯团队决定转而用钙轰击锎目标体，尝试合成118号元素。[5]

实验需要难以取得的锫元素，有以下的原因。要产生高能离子束，需较轻的同位素。钙-48由20个质子和28各中子组成，是具有多个过剩中子的最轻的稳定（或近稳定）同位素。下一个具有大量过剩中子的同位素为锌-70，其质量比钙高出许多。要与含有20个质子的钙结合成Ts同位素，就需要含有97个质子的锫。[6]俄罗斯研究人员从地球上自然的钙中提取少量的钙-48，以化学方式制成了所需的钙离子束。[7][8]

合成的原子核将具有更高的质量，更加靠近所谓的稳定岛，即理论预测中稳定性特别高的一组超重原子。然而到了2013年，质量足够高的原子核还没有被合成，而已经合成的同位素也比稳定岛同位素具有较低的中子数。[9]

发现

用于合成Ts的锫目标体溶液
Ts同位素的衰变链。箭头旁的数字分别为半衰期和衰变能量。黑色数值为实验所得，蓝色数值则是理论预测值。[10]

美国团队在2008年重启了制造锫的计划，并与俄罗斯团队建立了合作关系。[4]计划产生了22微克的锫，足以进行合成实验。[11]锫样本经90天冷却后，再经90天的化学纯化过程。[12]这一锫目标体必须及时送往俄罗斯，因为锫-249的半衰期只有330天，即锫的量每330天因衰变而减半。实验必须在目标体运输算起的六个月之内进行，否则会因样本量过小而无法进行。[12]2009年夏，目标体装载在五个铅制容器中，搭乘纽约至莫斯科的航班送达俄罗斯。[12]

俄罗斯海关两次以文件不全为由拒绝了样本的通关，因此样本共五次飞越大西洋，一共花费了几天时间。[12]到达以后，它被送往乌里扬诺夫斯克州季米特洛夫格勒，固定在钛薄片上，然后运往杜布纳，安装在JINR粒子加速器上。这是世界上用于合成超重元素的最强大的粒子加速器。[11]

实验在2009年6月展开，直到2010年1月，弗廖洛夫核反应实验室的科学家在内部宣布成功探测到原子序为117的新元素的放射性衰变：一个奇数－奇数同位素和一个奇数－偶数同位素的共两条衰变链，前者经6次α衰变后自发裂变，后者经3次α衰变后自发裂变。[13]2010年4月9日，团队在《物理评论快报》上刊登了该项发现的正式报告。以上的两条衰变链分别属于294Ts和293Ts同位素，其合成反应分别为：[10]

249
97Bk
 + 48
20Ca
 → 297
117Ts
* → 294
117Ts
 + 3 1
0
n
（1个事件）
249
97Bk
 + 48
20Ca
 → 297
117Ts
* → 293
117Ts
 + 4 1
0
n
（5个事件）

在Ts被合成之前，其所有子同位素都尚未被发现，[10]所以这项结果不能用于向IUPAC/IUPAP联合工作小组（JWP）申请证实元素的发现。Ts的其中一个衰变产物Uup-289在2011年被直接合成，其衰变性质与合成Ts时所测得的数据相符。[14]不过当JWP在2007至2011年审阅各种鿔后元素的发现时，参与发现Ts的团队并没有向JWP提出申请。[15]杜布纳团队在2012又成功重现了实验，其结果与先前的实验吻合。[16]团队其后提交了新元素发现的申请书，[17]JWP正在审阅这一申请。[18]

2014年5月2日，德国达姆施塔特亥姆霍兹重离子研究中心的科学家宣布成功证实了Ts的发现。[19][20]他们亦因此发现了新的铹-266同位素。该同位素是𬭊-270的α衰变产物（在杜布纳进行的实验中，𬭊-270进行的是自发裂变），[21][22]半衰期为11小时，是所有超重元素的已知同位素中寿命最长的。铹-266可能就位于稳定岛的“岸边”。[23]

命名

根据德米特里·门捷列夫对未发现元素的命名方法，117号元素可称为“eka-砹”或“dvi-碘”。1979年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）发布了有关新元素命名的建议，根据这一规则117号元素应称为“Ununseptium”，符号为Uus。[24]在元素被发现并获得正式永久命名之前，都会先以元素系统命名法命名。但科学家一般称之为117号元素、(117)或117。[2]根据IUPAC目前的指引，所有新17族元素的正式命名都要以“-ine”结尾。IUPAC于2016年6月8日建议将此元素命名为Tennessine（Ts），源于橡树岭国家实验室、范德堡大学和田纳西大学所在的田纳西州，此名称于2016年11月28日正式获得认可。[25]

预测的性质

原子核稳定性及同位素

主条目：Ts的同位素
参见：稳定岛

钚-244是质量最高的原始元素。对于钚以后的元素，随着原子序的增加，原子核的稳定性迅速下降。所有原子序超过101（钔）的同位素都会进行半衰期不超过一天的放射性衰变，其中𬭊-268除外。原子序超过82（铅）的元素都没有稳定的同位素。[26]不过，原子序110（𫟼）至114（𫓧）的元素却具有比预测值更高的稳定性。科学家尚未明白这一现象的原因。这一超重元素稳定性增加的现象被称为“稳定岛”，最早是由格伦·西奥多·西博格所提出的。[27]Ts是所有已合成元素中质量第二高的，其放射性半衰期小于1秒，但这仍然比发现报告中的预测值高。[10]杜布纳团队相信，这一元素的成功合成直接证明了稳定岛的存在。[28]

根据计算，295Ts同位素的半衰期为18 ± 7毫秒，而且曾用于合成293Ts和294Ts的锫-钙反应也可以用来合成295Ts。但是这一反应产生295Ts的几率最多只有产生294Ts的七分之一。[29][30][31]利用量子穿隧模型来进行的计算预测，有多个Ts的同位素都能进行半衰期长达40毫秒的α衰变，其中以296Ts最为显著（此项研究到303Ts为止）。[32]另一项利用液滴模型的研究得出了相似的结果，而且还发现，质量比301Ts高的同位素有稳定性增加的趋势。到了335Ts，在不考虑β衰变的情况下，其半衰期甚至超过了宇宙的年龄。[33]

原子及物理性质

Ts最外层s、p和d电子的原子能级图

Ts属于元素周期表中的17族，位于五个卤素以下（氟、氯、溴、碘和砹）。所有Ts以上的17族元素都具有7个价电子，形成ns2np5价电子排布。对于Ts，这一规律将会持续，价电子排布预计为7s27p5，[2]所以Ts的许多性质都会和卤素相似。但是Ts和卤素之间还有不少显著的差别。其中一个最大的因素是自旋-轨道作用，即电子的运动与自旋之间的相互作用。这一作用在超重元素中特别强，因为它们的电子运动速度比轻元素快得多，速率与光速相当。[34]对于Ts，该作用降低了7s和7p电子能级，这使得这些电子更加稳定。其中两个7p电子的稳定效应比其他4个电子更强。[35]7s电子的稳定效应称为惰性电子对效应，而把7p支壳层拆分为较稳定和较不稳定两个部分的效应则称为支壳层分裂。对于计算化学家来说，这种分裂相当于第二量子数（角量子数）l从1变为1/2和3/2，分别对应于7p支壳层的较稳定和较不稳定部分。[36][b]Ts的价电子排布写法可以表现出这种分裂效应：7s2
7p2
1/27p3
3/2。[2]

Ts的6d电子层也有分裂的现象，形成6d3/2（4个电子）和6d5/2（6个电子）支壳层。这两个支壳层的能量都有所提升，更为接近7s电子层，[35]但科学家并没有预测任何涉及6s电子的化学反应。7p1/2和7p3/2层之间的距离异常高，有9.8 eV。[35]砹的6p支壳层分裂只有3.8 eV，[35]而且其6p1/2化学反应已经非常有限。[37]这些原因都导致Ts的化学性质与位于其上的同族元素不同。

Ts第一电离能，即从原子移除一颗电子所需的能量，预测为7.7 eV。这比上面的卤素低，延续了周期表的趋势。[2]它的电子亲和能将会是17族中最低的，预测值为2.6或1.8 eV，这同样符合规律。[2]当Ts处于类氢原子状态时（即只含有一颗电子），其电子的运动速度极快，相对论效应使它的质量增加至静止电子的1.9倍。砹的这一数值为1.27，而碘则是1.08。[38]根据相对论定律简单地推算，可间接得出原子半径的收缩。[38]不过，更详细的计算却显示，形成了一个共价键的Ts原子的半径为165 pm，而砹则是147 pm。[39]当移除了7颗外层电子后，Ts才比砹更小：Ts半径变为57 pm，[2]砹则是61 pm。[40]

Ts的熔点和沸点尚未有确切的预测值。早期论文估计，熔点为350至500 °C，沸点在550 °C；[2]另有估计熔点为350至550 °C，沸点为610 °C。[41]这些数值都比砹高，这与周期表趋势相符。之后的一篇论文则预计Ts的沸点为345 °C[42]（砹的沸点估值有309 °C、[43]337 °C[44]和370 °C，[45]但实验值有230 °C[46]和411 °C[40]）。密度预计在7.1和7.3 g·cm−3之间，这将延续卤素密度上升的趋势。[3]

化学性质

IF
3具有T形构造。
TsF
3预计具有三角形构造。

17族中位于Ts以上的元素通常会接受一颗电子，以达致稳定的惰性气体电子排布。这种排布中，价电子壳层含有8个电子，形成具有最低能量的八隅体构造。[47]该族元素形成八隅体的能力随着原子序的增加而降低，因此Ts将会是17族中最不易接受一个电子的元素。在Ts预测能够形成的氧化态中，−1态是最不常见的。[2]

两个Ts原子预计会形成Ts–Ts键，与卤素一样形成双原子分子。根据计算，At2分子中的σ键具有很强的反键性质；而Ts预计会持续这一趋势，Ts2分子会有较强的π键性质。[2][48]TsCl分子会以单个π键键合。[48]

除了不稳定的−1态之外，预测Ts还能够形成+5、+3和+1态。其中+1态应该是最为稳定的，因为最外层7p3/2电子的去稳定作用使它形成稳定的半满支壳层排布；[2]砹有着类似的特性。[49]+3态同样因7p3/2电子的去稳定作用而十分重要。[41]根据预测，+5态将非常罕见，因为7p1/2电子具有（反向）稳定作用。[2]计算并没有得出+7态的存在。而且由于7s电子的稳定性很强，所以有科学家认为Ts的价电子核心可能只有5个电子。[50]

最简单的Ts化合物是它的氢化物TsH。这一化合键是由Ts的7p3/2电子和氢的1s电子所形成的。TsH会延续卤素氢化物的趋势，与砹化氢（HAt）相比，其键长更长，离解能也更高。[2]然而在自旋-轨道作用下，TsF分子的离解能也有所提高。这是因为这一键合降低了Ts的电负性，使它与电负性极高的氟所形成的键更似一个离子键。[51]TsF很可能是17族元素的一氟化物中键合最强的一个。[51]

价层电子对互斥理论预测，17族的三氟化物都会具有T形分子结构。所有已知的卤素的三氟化物都有这种分子结构：AX
3E
2，即三个配位体（X）和两个孤电子对（E）围绕着一个中心原子（A）。如果不考虑相对论效应，TsF
3应该会和较轻同系物一样具有弯曲T形分子结构。不过，Ts的7s壳层电子应该不会参与任何化学反应，所以价层电子对互斥理论所预测的是一种三方金字塔形分子结构（AX
3E
1）。更加细致复杂的理论则显示，这一分子结构并不是TsF
3的最佳能量状态。这些理论所预测的是三方平面分子结构（AX
3E
0）。价层电子对互斥理论有可能无法准确预测超重元素的化合物分子结构。[50]另外，自旋-轨道作用大大加强了TsF
3分子的稳定性。这可能是因为，Ts和氟之间电负性的巨大差异造成分子呈现一些离子的性质。[50]

备注

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  1. ^ 17族指族，即以氟为首的一整列。17族与卤素并不相同：卤素只包括17族中的氟、氯、溴、碘和砹。
  2. ^ 这一量子数所表示的是电子壳层中的字母：0就是s，1就是p，2就是d，如此类推。

参考资料

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参考书目

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