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61Pm
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外觀
金属光泽
概況
名稱·符號·序數 钷(promethium)·Pm·61
元素類別 镧系元素
·週期· 不適用·6·f
標準原子質量 [145]
電子排布

[] 6s2 4f5
2, 8, 18, 23, 8, 2

钷的电子層(2, 8, 18, 23, 8, 2)
歷史
發現 吳健雄, 埃米利奧·塞格雷, 漢斯·貝特(1942年)
分離 Charles D. Coryell, Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin, Harold G. Richter(1945年)
命名 Grace Mary Coryell(1945年)
物理性質
物態 固态
密度 (接近室温
7.26 g·cm−3
熔點 1315 K,1042 °C,1908 °F
沸點 3273 K,3000 °C,5432 °F
熔化熱 7.13 kJ·mol−1
汽化熱 289 kJ·mol−1
蒸汽壓
原子性質
氧化態 3 (弱性)
電負性 ? 1.13(鲍林标度)
電離能

第一:540 kJ·mol−1
第二:1050 kJ·mol−1

第三:2150 kJ·mol−1
原子半徑 183 pm
共價半徑 199 pm
雜項
晶體結構

六方晶格

磁序 顺磁性[1]
電阻率 (r.t.) est. 0.75 µ Ω·m
熱導率 17.9 W·m−1·K−1
膨脹係數 (r.t.) (α, 晶体)
est. 11 µm/(m·K)
楊氏模量 (α 式) est. 46 GPa
剪切模量 (α 式) est. 18 GPa
體積模量 (α 式) est. 33 GPa
泊松比 (α 式) est. 0.28
CAS號 7440-12-2
最穩定同位素

主条目:钷的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
145Pm 人造 17.7 年 ε 0.163 145Nd
146Pm 人造 5.53 年 ε 1.472 146Nd
β 1.542 146Sm
147Pm 微量 2.6234 年 β衰变 0.224 147Sm


是一个化学元素化学符号Pm原子序是61,属于镧系元素,也是稀土元素之一。它所有同位素原子核的活動都非常活躍,所以都帶有放射性。 在原子序82号()以前只有两个元素没有稳定的同位素,一个是鉕,另一个是。在化學上,钷是一種鑭系元素,所以它可以形成鹽。它與其他元素相結合形成時,會呈現一個穩定的氧化態為+3,但是也有少數+2化合物可能会存在。

在1902年時,布勞納(Bohuslav Brauner)预测有一個元素本身的特質會位在當時已知的(60)和(62)之間,而在1914年,亨利·莫塞萊利用原子序原子核電荷之間的關係(莫塞萊定律),確認當時還未知的61號元素確實存在。不過他測定當時所有已知元素的原子序,却發現沒有任何元素原子序是61。

1926年,兩個義大利佛羅倫薩化學家声称他們發現了第61號元素,將其命名為Florentium(中文譯作);同年,也一批美國伊利諾大學的化學家亦宣布61號元素的發現,將其命名為Illinium(中文譯作),但這兩個發現都被證實是錯誤的。[2] [3] 1938年,在俄亥俄州立大學(Ohio State University)進行的核試驗過程中,產生了一些放射性元素,而确定不是的放射性同位素,但因缺乏化學上的證據證明那是61號元素,所以發現并沒有得到普遍的認可。鉕第一次发现是由美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)在1945年利用離子交換層析法(IEC)分析石墨核子反應堆中的(235U)核分裂產物。發現者原本打算以研究機構的名稱將之命名為Clintonium(橡樹嶺國家實驗室的前身是柯林頓實驗室[The Clinton Engineer Works]),但之後提出的名稱為“prometheum”(現改變為promethium),來自普羅米修斯,祂在希臘神話中誰偷走了火,從奧林匹斯山帶给人類,以象徵“大膽”以及“钷的製造可能是人類智慧的誤用”。第一件钷的金屬樣本於1963年被制造出來。 钷在1945年才由矿的衰变物中真正被发现。由於它所有同位素都带有放射性半衰期最长只有17.7年,故常以人工合成的方法制得。

自然钷有兩個可能的來源:-151的衰變(產生钷-147),和鈾(產生各種同位素)。关于實際的應用,虽然钷-145是最穩定的钷同位素,但只有钷-147的化合物有实际运用,它用於夜光漆,原子電池和厚度測量裝置。由於自然钷是非常稀有的,常用的方法是用熱中子轟擊鈾-235(濃縮鈾)来產生钷-147。

性質[编辑]

物理性質[编辑]

一個钷原子中有61個電子,电子组态[Xe]4f56s2。在形成的化合物時,會失去了它最外層的電子以及一個4f殼層電子,成為一個開放的子層。鉕的原子半徑在所有的鑭系元素中是第三大的, 只稍微比相鄰的元素大一點。 钷的特性介於的之間。例如熔點,前三個電離能大但比少。至於沸點, 離子(Pm3+)和單原子氣體的標準形成熱比大但比少。钷具有雙六方晶系密堆積(DHCP)結構,硬度63 kg/mm2。加熱至890℃時,会从常溫的α形式轉換成β形式(體心立方(bcc))。

化學特性和化合物[编辑]

钷屬於的鈰組的鑭系元素,在化學上是非常相似的相鄰元素。由於它的不穩定性,钷的化學研究是不完整的。即使一少部分的化合物已被合成的,但它們沒有充分研究; 一般,它們往往是粉紅色或紅色。將共與含有Pm3+離子的酸與反應, 會得出一個膠凝狀光-棕色的沉澱物( Pm(OH)3 ),它是不溶於水的氫氧化物沉澱物。當溶解在鹽酸中,一種水溶性的黃色的鹽(PmCl3)產生。同樣地,當溶解在硝酸中,Pm(NO3)3產生。後者有良好的水溶性,在乾燥時,形成粉紅色晶體,類似的 Nd(NO3)3,PM3+的電子組態為[Xe]4F4,典離子的顏色是粉紅色的。基態的符號是514。硫酸鹽是微溶於水,像其他的銫組硫酸鹽。以晶胞參數計算其八水氫氧化鋇, 它們導致得出如下結論Pm2的(SO4)3.8 H2O的密度是2.86 G/CM3。草酸,Pm2(C2O4)3·10 H2O,具有最低的所有鑭系元素草酸鹽的溶解度。 與硝酸鹽不同的是氧化物是類似對應的釤鹽,而不是釹鹽。所合成的,例如通過加熱的草酸鹽,它是一種白色或薰衣草色的粉末,為不規則之結構。這些粉末要加熱到600℃就會結晶。繼續加熱至 800 °C之後加熱至 1750 °C將其轉換到單斜晶和六方晶相(不可逆),最後兩個階段可以分別通過調整加熱時間和溫度而相互轉換。

化學式 形式 空間群 No 皮爾遜符號 a (pm) b (pm) c (pm) Z 密度,

g/cm3

α-Pm dhcp P63/mmc 194 hP4 365 365 1165 4 7.26
β-Pm bcc Fm3m 225 cF4 410 410 410 4 6.99
Pm2O3 cubic Ia3 206 cI80 1099 1099 1099 16 6.77
Pm2O3 monoclinic C2/m 12 mS30 1422 365 891 6 7.40
Pm2O3 hexagonal P3m1 164 hP5 380.2 380.2 595.4 1 7.53

钷形成只有一個穩定的氧化態,+3,這是按照鑭系元素而形成的離子形式。根據其在週期表中的位置,不能預期的元素會以+4還是+2的氧化態出現。利用強的氧化劑或還原劑與含有Pm3+的化合物化應, 從而表明離子不容易被氧化或減少。

钷的鹵化物

化學式 顏色 配位數 對稱性 空間群 No 皮爾遜符號 m.p. (°C)
PmF3 粉紫色 11 六方晶 P3c1 165 hP24 1338
PmCl3 薰衣草色 9 六方晶 P63/mc 176 hP8 655
PmBr3 紅色 8 斜方晶 Cmcm 63 oS16 624
α-PmI3 紅色 8 斜方晶 Cmcm 63 oS16 α→β
β-PmI3 紅色 6 菱面體 R3 148 hR24 695

同位素[编辑]

钷是唯一的鑭系元素和僅有的兩個元素在首82之間,沒有穩定的(或什至長壽命)的同位素之一,這是一個很少發生的液滴模型和穩定性的相鄰元素的同位素的結果;也是最穩定的第84的元素,衰變產物主要是釹和釤同位素(钷-146衰變兩種,輕同位素釹通常通過正電子衰變從而獲得電子,較重的同位素釤通過β衰變。)。钷核異構體可能衰減到其他钷同位素和一種同位素(145Pm),一種非常罕見鐠的α衰變模式。 最穩定的元素是是钷-145的同位素,其有特定的活性的940次(35太貝可)/ g和半衰期為17.7年。因為它有84中子(2個超過82,這是一個對應於一穩定中子的組態),它可以發射的α粒子(其中有2個中子),以形成鐠-141與82的中子。因此,它是唯一钷從實驗觀察到的α衰變的同位素,其部分的α衰變的半衰期為大約是6.3×109年,145Pm細胞核以這種方式衰減的相對概率是2.8×10-7%。其他幾個Pm同位素(144Pm,146Pm,钷-147等)的也有正面α衰變的能量釋放;預測他們的α衰變會發生的但都沒有被觀察到。 該元素也有18個核的異構體,質量數為133〜142,144,148,149,152,和154(一些質量數有一個以上的異構體)。最穩定的是钷148m,有43.1天的半衰期; 這是比所有钷同位素的基態的半衰期長,除了钷-143~147(附註钷-148m有一個較比钷-148基態長的半衰期)。

發現[编辑]

1934年,威拉德·利比發現在純釹裡的弱β活性,這是因為超過1012年的半衰期。近20年來,有人聲稱元素出現在自然釹的數量平衡,每克釹就有10-20克以下的钷。然而,這些意見都被新的調查否定了,因為七個釹同位素會自然產生,任何單一的的β衰變(可產生钷核素)被能源轉移禁止的。特別是仔細測量原子質量150Nd表示150Nd-150Pm 的質量差是負 (−87 keV),絕對防止單一的β衰變由150Nd衰變為150Pm。 自然銪的同位素有比其所有α潛能相加再加上一個α粒子的產物較大的質量, 因此他們(在實際上穩定)可能α衰變。在 Laboratori Nazionali del Gran Sasso的研究上發現銪-151實驗性衰變成钷-147的半衰期為5×1018年。它已被證明銪在地殼上有12克的含量。銪-153的α衰變還沒有被發現,理論計算其半衰期 很高(因為其低能量的衰減),這個過程可能永遠不會被觀察到。 最後, 钷能夠在自然中產生(鈾238的自發性裂變產物)。只有微量可以在礦石發現; 瀝青鈾礦的樣本被發現含有少量钷。鈾在地殼上有560g的钷的含量。 钷已經在仙女座的HR465的光譜, HD101065和HD965的星被發現;由於钷同位素的半衰期很短,所以它們通常會在那些星的表面附近形成的。

歷史[编辑]

元素61的搜索[编辑]

1902年,捷克化學家博胡斯拉夫·布勞納發現的所有相鄰的鑭系元素釹和釤之間的差異是最大的,作為結論,他建議有一個元素有它們之間的中間性質。這一預測在1914年由亨利·莫斯利所證實,同時他發現有幾個原子序並沒有相對應的元素,分別為43,61,72,75,85,87。隨著對元素表中族與族之間知識的差距, 所以開始進行預測地球和自然環境中的稀有元素。

第一個發表其發現的是來自佛羅倫薩,意大利的路易·吉羅拉洛倫佐·費爾南德斯。利用巴西礦物獨居石的分級結晶分離一硝酸鹽的稀土元素後,它們得到的溶液主要含有釤。此溶液得到一X-ray的光譜屬於釤和元素61。為了紀念他們的城市,他們命名的元素61“florentium的。該研究結果發表在1926年,但科學家們聲稱的實驗是在1924年。此外,在1926年,一組科學家從伊利諾伊大學Urbana-Champaign分校,史密斯霍普金斯和萊昂英特馬公佈的元素61的發現。他們把它命名為"illinium"。這些發現被指出是錯誤的,因為在所謂元素61的光譜上的線跟釹是相同的, 這些線被發現是一些雜質(鋇,鉻和鉑)組成的。

1934年,Josef Mattauch終於制定了“同量異位素的規則。其中一個對於這些規則的間接後果是元素61無法形成穩定的同位素。1938年,進行了核試驗的HB法等。在俄亥俄州立大學(Ohio State University)。產生一定的核素釹和釤的放射性同位素和的名稱為“cyclonium”的提出,但是有一個缺乏化學證明元素61的產生和發現沒有廣泛承認。

钷金屬的發現和製造[编辑]

在1945年,钷第一次在美國橡樹嶺國家實驗室(當時的克林頓實驗室)被發現,由Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin and Charles D. Coryell分離及分析照射在石墨的燃料的裂變產物。然而,因為在二戰期間忙於軍事有關的研究,他們並沒有公佈他們的發現,直到1947年。原建議的名稱是“clintonium”,然而,“prometheum”的建議是由發現者之一格雷斯的妻子瑪麗·科里爾命名的,這是來自普羅米修斯,希臘神話中的泰坦誰偷了火從奧林匹斯山,並把它降低到人類,象徵著“大膽的和人類的智力可能被濫用的。最後改為"promethium" ,這個名宇較接近其他金屬。

1963年,钷(III)氟化物用於製造钷金屬。從,和的雜質純化而來, 在外坩堝創建真空中,化學品進行混合到產生钷金屬: PmF3+3]→PM+ 3 LIF 钷的產生是被用於測量的一些金屬的性質,如它的熔點。1963年,在橡樹嶺國家實驗室使用離子交換法,準備從核反應堆約10克的钷燃料加工廢棄物。到今天, 钷仍然從鈾裂變的副產品回收, 它也可以通過用中子轟擊146Nd而產生,將其通過β衰變(11天的半衰期)钷-147衰變為147Nd

生產[编辑]

製造方法會因為不同的同位素而變化, 而只有钷-147是可知的, 因為它於工業應用上的同位素只有一個。钷-147由與熱中子轟擊鈾-235從而大量產生(與其他同位素相比)。 在60年代,橡樹嶺國家實驗室可以每一年產生650克的钷和是世界唯一的大型的生產設備。革蘭氏規模化生產钷在20世紀80年代初在美國已經停產,但可能會在2010年後於在高通量同位素反應堆恢復。目前,俄羅斯是唯一一個國家大量生產钷-147。

應用[编辑]

大多數钷僅用於研究, 除钷-147外(可在實驗室之外的地方找到)。它是以氧化物或氯化物的形式得到。這種同位素不發射γ射線,並且它的輻射具有相對小的穿透深度和相對長的半衰期。 一些信號燈使用的夜光塗料,含有的磷,吸收钷-147發射的β射線和發出的光。這種同位素不會跟α發射一樣會引起磷光體老化,因此光發射可穩定幾年。這本來是鐳-226的"工作"但後來被钷-147和氚(氫-3)取代。钷優於氚可能是出於安全理由。 在原子電池,β粒子從钷-147發射出來,繼而轉為電流(由兩個半導體板之間夾一個小Pm來源),這些電池其使用壽命約五年。第一個钷系電池組裝和生成出現於1964年,生成的幾個毫瓦的功率從約2立方英寸的體積。 钷是用來評估從钷源穿過樣品的輻射量,也可用於測量的材料的厚度。未來它有可能使用在可攜式X射線源,並作為輔助太空探測器和衛星的熱源或動力源(雖然阿爾法放射钚-238已經是可與太空探索作有關的用途)。

注意事項[编辑]

其他鑭系元素沒有生物的作用。钷-146可透過β衰變發射的X-射線,過程中對生命體構成危害。如果安全裝備做好(手套,鞋蓋,安全眼鏡),那與少量的钷-146作用是無害的。 現在還沒知道钷對人體器官有什麼害處, 有估計是可能會對人的骨組織有害。密封钷-146是沒有危險的。但是,如果包裝破損,那钷變得對環境和人類構成危險。如果發現放射性污染,受污染的地方應該用肥皂和水清洗。雖然钷主要影響皮膚,但皮膚是不會磨損。如果钷的發現洩漏,該地區應認定為危險,應立即疏散,並必須報警。

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参考[编辑]

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