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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 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61,属于镧系元素稀土元素,它所有的同位素皆带有放射性。钷在自然界极其罕见,在任意给定的时间内,地球地壳中自然产生的钷只有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。在化学上,钷是一种镧系元素,会与其他元素形成盐类。钷会以+3氧化态形成稳定的,但是也有少数化合物中存在+2的钷。

1902年,布劳纳英语Bohuslav Brauner预测,在已知元素(60)和(62)之间存在一个与它们性质相似的未知元素。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,发现没有任何一个元素的原子序是61。1926年,两组科学团队(一组意大利人和一组美国人)先后声称已经分离出61号元素的样本;然而这两个「发现」很快都被证明是错误的。[2] [3] 1938年,俄亥俄州立大学在进行核试验的过程中,产生了一些放射性元素,且已确定不是的放射性同位素。但此发现因缺乏化学证据证明那是61号元素,所以并没有得到普遍的认可。1945年,美国橡树岭国家实验室利用离子交换层析法(IEC)分析石墨核子反应堆中的235U)衰变产物,真正发现并确认钷的存在。发现者们提出了“Prometheum”这个名字(后来拼写被改变为Promethium),这个名字来源于希腊神话中的泰坦普罗米修斯,他从奥林匹斯山偷来了火,并把火带给人类。这个名称象征着「人类智慧的大胆和可能的滥用」。第一件钷的金属样本于1963年被制造出来。

天然钷有两种可能的来源:-151衰变(产生钷-147),和铀(产生各种同位素)。钷-145是最稳定的钷同位素,但只有钷-147的化合物有实际运用,用于发光涂料、核电池和厚度测量装置。由于天然的钷极其稀少,它通常是透过用热中子轰击铀-235(浓缩铀)来合成,以生成钷-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,电子组态为[Xe]4f56s2[4]钷在形成化合物时,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] 在所有镧系元素中,钷的原子半径原子半径是第三大的,但只比相邻元素的原子半径大一点点。

钷有许多特性介于的之间。例如,熔点、第一至第三电离能水合能均大于钕,低于钐;[4]同样的,对沸点、离子(Pm3+)和单原子气体标准形成热的估计则大于钐,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。[5]其加热至890℃时,则会转换成体心立方(bcc)的β形式。[6]

化学性质与化合物[编辑]

钷属于镧系元素中的铈组,化学性质与相邻元素非常相似。[7]由于它的不稳定性,对于钷的化学研究并不完整。虽然已经合成了一些化合物,但它们亦没有被充分研究。一般来说,钷化合物往往是粉红色或红色的。[8][9]将含有Pm3+离子的酸与反应, 会得出亮棕色的氢氧化钷( Pm(OH)3 )凝胶状沉淀。[10]将钷溶解在盐酸中,会产生一种水溶性黄色盐类氯化钷(PmCl3)。[10]同样地,将钷溶解在硝酸中时,即生成硝酸钷(Pm(NO3)3)。[10]硝酸钷易溶于水,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,呈现粉红色。基态符号为5I4[11]硫酸盐和其他铈类硫酸盐一样,具有一定的可溶性。科学家在计算出八水合钷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[12]十水合草酸钷(Pm2(C2O4)3·10 H2O)具有所有镧系元素草酸盐中最低的溶解度。[13]

与硝酸盐不同,钷氧化物的性质相似于钐盐而非钕盐。利用加热钷的草酸盐(通常为不规则结构白色或薰衣草色粉末)等方法可合成钷氧化物。[10]将这些粉末加热到600℃就会得到立方晶系结晶。如果继续加热至 800℃之后退火,再加热至 1750℃,立方晶系就会转变爲单斜晶系六方晶系(不可逆),晶格组成比例可以透过调整退火时间和温度调整。[14]

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[5][6] P63/mmc 194 hP4 365 365 1165 4 7.26
β-Pm 体心立方[6] Fm3m 225 cF4 410 410 410 4 6.99
Pm2O3 立方晶[14] Ia3 206 cI80 1099 1099 1099 16 6.77
Pm2O3 单斜晶[14] C2/m 12 mS30 1422 365 891 6 7.40
Pm2O3 六方晶[14] P3m1 164 hP5 380.2 380.2 595.4 1 7.53

钷只有一个稳定氧化态+3,这和其他镧系元素是一致的。根据它在元素周期表上的位置,钷不能形成稳定+4或+2氧化状态。用强的氧化剂或还原剂与含有Pm3+的化合物反应, 可发现钷离子不容易被氧化或还原。[7]

钷的鹵化物[15]
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]

钷是唯一在鑭系元素中及唯二在之前沒有穩定的同位素的元素。钷是液滴模型的特例,而相鄰元素的穩定性也連帶影響钷的穩定。钷也是以前最不穩定的元素。钷的衰變產物主要是釹和釤同位素(钷-146衰變途徑有兩種:衰變成釹通常透過正電子衰變及電子捕獲,衰變成釤則是通過β衰變)。钷核異構體可能衰變為其他钷同位素,145Pm則有一種非常罕見的α衰變模式衰變為


钷最穩定的同位素是是钷-145,放射性強度為940居里(35TBq)/ g,半衰期為17.7年。因為它有84中子(剛好為魔數),它可以發射的α粒子(其中有2個中子),以形成鐠-141(擁有82個中子)。這是钷唯一從實驗觀察到的α衰變,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,質量分別為133,142,144,148,149,152,和154(一些質量數有一個以上的異構體)。其中最穩定的是钷148m,有43.1天的半衰期; 這比除了钷143到钷147之外所有钷同位素基態的半衰期還要長(例如钷-148m半衰期比钷-148基態的半衰期長)。

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]

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,俄羅斯是唯一一個大量生產钷-147的國家。

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α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]

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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