Oxidation är den process där atomer förlorar elektroner under en kemisk reaktion. Bland de radioaktiva grundämnena är neptunium och plutonium mycket svårare att oxidera än uran.
För att studera dessa element har forskare designat donatorligander - molekyler som bidrar med elektrondensitet till metallcentra. Detta gör det möjligt för forskare att stabilisera dessa metaller när de blir mer elektronfattiga (med andra ord når högre oxidationstillstånd).
Detta flyttar deras oxidationspotentialer (energierna vid vilka det är möjligt att avlägsna en elektron) till ett mycket mer tillgängligt område. Detta låter forskare studera ovanliga komplex av cerium, uran och neptunium. Det hjälper i synnerhet forskare att undersöka hur höga oxidationstillstånd påverkar dessa grundämnens strukturer och kemiska beteenden.
Att få tillgång till och studera de höga oxidationstillstånden för uran-, neptunium- och plutoniumkomplex hjälper forskare att förstå deras kemiska reaktiviteter – hur lätt de bildar nya kemiska föreningar. Det hjälper också forskare att studera deras redoxegenskaper. Dessa är de förhållanden under vilka grundämnena förlorar eller får elektroner och de kemiska produkter som resulterar från dessa reaktioner.
Dessa studier kan belysa hur radioaktiva material kan bete sig i kärnavfallsströmmar och avfallslagring. Dessutom kan de magnetiska egenskaperna hos dessa element påverka utvecklingen av kvantinformationsvetenskap och kvantmaterial.
Dessa radioaktiva grundämnen är dock svåra att hantera. Detta gör det svårt för forskare att utveckla sin molekylära kemi. Liganderna och de elektrokemiska studierna i den forskning som beskrivs här kommer att hjälpa till att ta itu med utmaningarna med kärnavfall.
Denna forskning utvecklade en symmetribrytande ligand som har gjort det möjligt för forskare att syntetisera och utföra detaljerad karakterisering av icke-vattenhaltiga uran-, neptunium- och plutoniumkomplex i höga oxidationstillstånd. Resultaten publiceras i tidskriften Inorganic Chemistry och Angewandte Chemie International Edition .
Över hela aktinidserien ökar barriären mot oxidation avsevärt efter uran, vilket ofta gör karakterisering av dessa komplex till en utmaning. Den lägre symmetrin gör det möjligt för forskare att få bättre kristallografiska data och genomföra mer grundliga spektroskopiska och teoretiska undersökningar av strukturen och de elektroniska egenskaperna hos dessa komplex. Denna ligand är starkt elektrondonerande och ger gott om stöd till elektronfattiga komplex med högt oxidationstillstånd, som annars inte skulle bestå.
Det gör det möjligt för forskare att fastställa detaljerade syntetiska strategier och icke-vattenhaltiga elektrokemiska inställningar för karakterisering av radioaktiva neptunium- och plutoniumkomplex.
Elektrokemiska studier av cerium-, uran- och neptuniumkomplex visar att denna ligand har gjort dessa arters oxidationspotentialer betydligt mer tillgängliga. Dessa oxidationspotentialer bekräftas av teorier och informerar om dessa systems kemiska reaktivitet och fysikaliska egenskaper.
Detta sätter scenen för isolering och studie av nya neptunium- och plutoniumkomplex med hög oxidationstillstånd.
Mer information: Julie E. Niklas et al, Ligand Control of Oxidation and Crystallographic 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
Journalinformation: Angewandte Chemie International Edition , Oorganisk kemi
Tillhandahålls av US Department of Energy
