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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 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


钷(Promethium)為一化学元素化学符号Pm原子序61,属于镧系元素稀土元素,它所有同位素皆帶有放射性,半衰期最长只有17.7年,故常以人工合成的方法制得。 在原子序82号()以前只有两个元素没有稳定的同位素,其中一个即為鉕,另一个是。在化學上,钷是一種鑭系元素,會與其他元素形成鹽類。钷會以+3氧化態形成穩定的,但是也有少數化合物中存在+2的钷。

在1902年時,布勞納英语Bohuslav Brauner预测在當時已知的(60)和(62)之間存在一個與它們性質相似的未知元素。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,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,俄亥俄州立大學在進行核試驗的過程中,產生了一些放射性元素,且已确定不是的放射性同位素。但此發現因缺乏化學證據證明那是61號元素,所以并沒有得到普遍的認可。1945年,美國橡樹嶺國家實驗室利用離子交換層析法(IEC)分析石墨核子反應堆中的235U)衰變產物,才真正发现並確認钷的存在。發現者原本打算以研究機構的名稱將之命名為Clintonium(源自橡樹嶺國家實驗室的前身柯林頓實驗室[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“人類才智的濫用”。第一件钷的金屬樣本於1963年被制造出來。


自然钷有兩個可能的來源:-151衰變(產生钷-147,和鈾(產生各種同位素)。實際應用方面,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,用於夜光漆,核電池和厚度測量裝置。钷在自然界非常稀有,製作钷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]

钷原子中有61個電子,电子组态為[Xe]4f56s2。在形成的化合物時,钷會失去其最外層的電子以及一個4f殼層電子,形成一個開放的子層。鉕的原子半徑在所有的鑭系元素中排名第三,只稍微比相鄰的元素大一點。


钷有許多特性介於的之間。例如熔點以及第一至第三電離能大但比少;沸點及離子(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。其加熱至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]

钷屬於鈰群鑭系元素,其化性和相鄰元素非常相近。由於钷非常不穩定,對於钷的化學研究並不完整,即使少部分的化合物已被合成,但它們亦沒有被充分研究。一般來說,钷化合物通常是粉紅色或紅色。將含有Pm3+離子的酸與反應, 會得出亮棕色的氫氧化钷( Pm(OH)3 )凝膠狀沈澱。將钷溶解在鹽酸中,會產生一種水溶性的黃色鹽類氯化钷(PmCl3)。同樣地,將钷溶解在硝酸中即生成硝酸钷(Pm(NO3)3)。硝酸钷易溶於水,乾燥後形成粉紅色晶體,與硝酸釹(Nd(NO3)3)類似。Pm3+的電子組態為[Xe]4f4,呈現粉紅色。基態符號為5I4。钷硫酸鹽微溶於水,如同其他的鈰群硫酸鹽。科學家在計算出八水合钷化合物的晶格常數後,導出八水合硫酸钷(Pm2(SO4)3·8 H2O)的密度是2.86 g/cm3。十水合草酸钷(Pm2(C2O4)3·10 H2O)具有所有鑭系元素草酸鹽中最低的溶解度。


雖然钷的硝酸鹽性質接近釹鹽,钷氧化物卻相似於釤鹽。利用加熱钷的草酸鹽等方法可合成钷氧化物,有不規則結構白色或薰衣草色粉末。這些粉末加熱到600℃就會得到立方晶系結晶。如果繼續加熱至 800℃之後退火,再加熱至 1750℃,立方晶系就會轉變爲單斜晶系六方晶系不可逆),晶格組成比例可以透過調整退火時間和溫度調整。

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氧化態+3,如同其他鑭系離子。(根據其在週期表中的位置,無法形成穩定呀+4及+2的氧化態)。用強的氧化劑或還原劑與含有Pm3+的化合物反應, 發現钷離子不容易被氧化或還原。

钷的鹵化物[编辑]

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沒有穩定的(或長壽命)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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