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钷   61Pm
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外觀
金属光泽

Promethium spectrum visible.png
钷的發射光譜
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
蒸氣壓
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 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變
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 0.224 147Sm


是一种化学元素符号Pm原子序为61。它的所有同位素都具有放射性;它极为稀有,任何时候在地壳中自然存在的只有大约500-600克。在原子序82的以前只有两个元素没有稳定的同位素,其中一个即为钷,另一个是。化学上,钷是一种镧系元素。钷只表现出一种稳定的氧化态,即+3。

1902年,博胡斯拉夫·布劳纳英语Bohuslav Brauner提出有一种当时未知的元素,其性质介于已知元素(60)和(62)之间;1914年,亨利·莫塞莱证实了这一点,他测量了当时已知的所有元素的原子序数,发现缺少原子序数61。1926年,有两个小组(一组意大利人和一组美国人)声称分离出了61号元素的样品;这两个「发现」很快被证明是错误的。[2] [3] 1938年,在俄亥俄州立大学进行的一次核实验中,产生了一些放射性核素;这些核素肯定不是钕或钐的放射性同位素,但缺乏产生61号元素的化学证据,故这一发现没有得到普遍认可。1945年,在橡树岭国家实验室,通过对石墨反应堆中照射的铀燃料的裂变产物进行分离分析,真正发现并确认钷的存在。发现者提出了 "Prometheum" 这个名字(后来拼写改为Promethium),来源于希腊神话中从奥林匹斯山盗取火种并将火种降到人类身上的泰坦普羅米修斯,象征着「人类智慧的大胆和可能的滥用」。第一件钷的金属样本到了1963年才被制造出来。

天然钷有两种可能的来源:天然-151的稀有衰变(产生钷-147)和铀(产生各种同位素)。尽管钷-145是最稳定的钷同位素,但实际应用只存在于钷-147的化学化合物,这些化合物被用于发光涂料、原子电池和厚度测量装置。由于天然钷极为稀少,通常是通过用热中子轰击铀-235(浓缩铀)来合成钷-147,作为裂变产物。

性质[编辑]

物理性质[编辑]

一个钷原子有61个电子,以[Xe]4f56s2电子组态排列。[4]在形成化合物时,钷原子会失去两个最外层的电子和一个属于开放亚壳层的4f电子。[4] 该元素的原子半径在所有镧系元素中居第二位,但仅略大于邻近元素的原子半径[4],是镧系元素原子半径随原子数增加而收缩的一般趋势中最显著的例外(參见镧系收缩[5])。

钷的许多性质依赖于它在镧系元素中的位置,即介于之间。例如,熔点、第一至第三电离能水合能均大于钕,而低于钐;[4]同样的,对单原子气体的沸点、离子(Pm3+)半径和标准形成热的估计值都大于钐,而小于钕。[4]

钷具有α与β两种形式。α形式为双六方晶系密堆积(DHCP)结构,硬度为63 kg/mm2,存在于常温中。[6]这种低温α形态在加热到890℃时,则会转换成体心立方(bcc)的β形式。[7]

化学性质与化合物[编辑]

钷属于镧系元素中的铈组,与邻近元素的化学性质非常相似,[8]由于其不稳定性,对钷的化学研究还不完全。即使已经合成了一些化合物,也没有得到充分的研究。一般情况下,钷化合物往往呈粉红色或红色。[9][10]水处理含有Pm3+离子的酸性溶液,可得到一种不溶于水的浅褐色胶状氢氧化物沉淀物,氢氧化钷(Pm(OH)3)。[11]当钷溶于盐酸时,将产生一种水溶性的黄色盐类氯化钷(PmCl3)。[11]同样地,将钷溶解在硝酸中时,即生成硝酸钷(Pm(NO3)3)。[11]后者易溶于水,乾燥后形成粉红色晶体,与硝酸钕(Nd(NO3)3)类似。Pm3+的电子组态为[Xe]4f4,离子的颜色为粉红色。基态符号为5I4[12]硫酸盐与其他铈族硫酸盐一样,微溶于水,科学家在计算出其八水合化合物的晶格常数后,导出八水合硫酸钷(Pm2(SO4)3·8 H2O)的密度是2.86 g/cm3[13]十水合草酸钷(Pm2(C2O4)3·10 H2O)在所有镧系草酸盐中溶解度最低。[14]

与硝酸盐不同,氧化物类似于相应的钐盐,而不是钕盐。以钷草酸盐为例,在合成初始合成态下的样品,它是一种白色或淡紫色的粉末,结构紊乱。[11]这种粉末在加热到600℃时结晶为立方晶格。如果继续加热至在800℃与1750℃再进一步退火,会分别将其不可逆地转变为单斜晶系六方晶系;最后两相可以通过调整退火时间和温度进行相互转换[15]

化学式 对称性 空间群 No 皮尔逊符号 a (pm) b (pm) c (pm) Z 密度,
g/cm3
α-Pm DHCP[6][7] P63/mmc 194 hP4 365 365 1165 4 7.26
β-Pm 体心立方[7] Fm3m 225 cF4 410 410 410 4 6.99
Pm2O3 立方晶[15] Ia3 206 cI80 1099 1099 1099 16 6.77
Pm2O3 单斜晶[15] C2/m 12 mS30 1422 365 891 6 7.40
Pm2O3 六方晶[15] P3m1 164 hP5 380.2 380.2 595.4 1 7.53

钷只形成一种稳定的氧化态,即+3,以离子的形式存在;这与其他镧系元素一致。根据其在元素周期表中的位置,该元素不能形成稳定的+4或+2氧化态。

用强的氧化剂或还原剂与含有Pm3+离子的化合物, 发现钷离子不易被氧化或还原。[8]

钷的鹵化物[16]
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]

钷是唯一的镧系元素,也是前83种元素中仅有的两种没有稳定或长寿命同位素的元素之一。钷是液滴模型的特例,而相邻元素的稳定性也连带影响钷的稳定。钷也是前84种元素中(以前)最不稳定的元素。钷主要的衰变产物是同位素(钷-146会衰变为这两种同位素,其余较轻的同位素一般通过正电子发射电子俘获转变到钕,较重的同位素通过β衰变到钐)。钷核异构体可衰变为其他钷同位素,其中一种异构体(145Pm)具有非常罕见的α衰变模式,可转化为稳定的-141。


钷最稳定的同位素是是钷-145,它的放射性强度为940居里(35TBq)/ g,通过电子俘获的半衰期为17.7年。[17]因为它有84个中子(比82多2个中子,而82是其中一个对应于稳定中子构型的幻数),能够藉由放出一个α粒子(有2个中子)形成具有82个中子的-141,因此它是唯一具有实验观察到的α衰变的钷同位素,其α衰变的部分半衰期约为6.3×109年。钷-145核以这种方式衰变的相对概率为2.8×10-7 %。其他几种钷同位素如144Pm,146Pm和147Pm也有足够能量进行α衰变,但目前尚未被观测到。


该元素还有18种核异构体,质量数分别为133至142、144、148、149、152和154(有些质量数的核异构体不止一种)。其中最稳定的是钷-148m,半衰期为43.1天;这比除钷-143~147以外的所有钷同位素基态的半衰期都长。事实上,钷-148m的半衰期甚至比其基态钷-148的半衰期更长。

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。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,他們直到1947年都沒有公佈他們的發現。钷原建議的名稱以發現機構柯林頓實驗室命名其為“Clintonium”,然而,發現者之一格雷斯的妻子瑪麗·科里爾提出“Prometheum”這個名字。此名是來自普羅米修斯,希臘神話中從奧林匹斯山偷火給人類使用的泰坦,象徵著「大膽」和「人類才智的濫用」。“Prometheum”最後改為和其他金屬較相像的「Promethium」 。

1963年,科學家利用钷(III)氟化物來製造钷金屬。用一個特製雙層坩堝,內層填充從,和的雜質純化而來的钷化合物, 外層則填充相對於內層十倍量的。抽真空後,將化學品進行混合,反應產生钷金屬:

PmF3 + 3 Li → Pm + 3 LiF

收集得的钷足以測量的一些金屬性質,如熔點

1963年,橡樹嶺國家實驗室使用離子交換法,從核反應堆中約10克的燃料加工廢棄物提煉出钷。到今天, 钷仍然從鈾裂變的副產品回收。

钷也可以透過用中子轟擊146Nd,經過β衰變(11天的半衰期)產生147Pm。

生產[编辑]

不同钷同位素的生产方法各不相同,本文只给出钷-147的生产方法,因为它是唯一具有工业应用的同位素。钷-147是通过用热中子轰击铀-235来大量生产的(与其他同位素相比)。产量相对较高,占总产量的2.6%。[18]另一种生产钷-147的方法是通过钕-147,利用它较短的半衰期衰变为钷-147。钕-147可以通过用热中子轰击浓缩的钕-146或在粒子加速器中用高能质子轰击碳化铀靶来获得。[19]另一种方法是用快中子轰击铀-238,引起快速裂变,在多种反应产物中,产生钷-147。[20]

早在20世纪60年代,橡树岭国家实验室每年可生产650克钷[21],是世界上唯一的大批量合成设施,[22]美国在20世纪80年代初已停止了钷的公克级生产,但2010年以后可能会在高通量同位素反应堆恢复生产。目前,俄罗斯是唯一较大规模生产钷-147的国家。[23]

應用[编辑]

大多数钷只用于研究目的,但钷-147除外,它可以在实验室外找到。[24]它可以以氧化物或氯化物的形式,[25]以毫克為單位获得。[24]这种同位素不发射伽马射线,其辐射在物质中的穿透深度较小,半衰期相对较长。[25]

有些信号灯使用发光涂料,其中含有一种荧光粉,能吸收钷-147发出的β辐射而发光。[17][24]这种同位素不会像α发射源那样引起荧光粉的老化,[25]因此能稳定发光几年的時間。最初,镭-226被用于此目的,但后来被钷-147和(氢-3)所取代。[26]基于核安全的原因,钷可能再比氚更受青睐。[27]

在核电池中,通过在两块半导体板之间夹入一个小型钷源,能将钷-147发射的β粒子转化为电流。这些电池的有用寿命约为5年。第一块基于钷的电池组装于1964年,能从含外殼大约2立方英寸的体积中产生几毫瓦的功率。[28]

钷还可用于测量材料的厚度,以通过样品的钷源的辐射量估算。[17][9][29] 它今后還可能用于便携式X射线源,以及作为太空探测器和卫星的辅助热源或电源[30](尽管-238已成为大多数太空探索相关用途的标准)。[31]

注意事項[编辑]

钷與其他鑭系元素一樣,對生物不會產生明顯作用。钷-147會透過β衰變發射的X射線,對生命體構成危害。如果安全裝備做好(手套,鞋蓋,安全眼鏡),那與微量的钷-147是無害的。現在仍未知钷對人體器官的危害,目前推測可能會傷害人的骨組織。密封的钷-147是無害的,但如果包裝破損,那便會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。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。

參考文獻[编辑]

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外部連結[编辑]