钷 - Wikiwand
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钷   61Pm
氢(非金属) 氦(惰性气体)
锂(碱金属) 铍(碱土金属) 硼(类金属) 碳(非金属) 氮(非金属) 氧(非金属) 氟(卤素) 氖(惰性气体)
钠(碱金属) 镁(碱土金属) 铝(贫金属) 硅(类金属) 磷(非金属) 硫(非金属) 氯(卤素) 氩(惰性气体)
钾(碱金属) 钙(碱土金属) 钪(过渡金属) 钛(过渡金属) 钒(过渡金属) 铬(过渡金属) 锰(过渡金属) 铁(过渡金属) 钴(过渡金属) 镍(过渡金属) 铜(过渡金属) 锌(过渡金属) 镓(贫金属) 锗(类金属) 砷(类金属) 硒(非金属) 溴(卤素) 氪(惰性气体)
铷(碱金属) 锶(碱土金属) 钇(过渡金属) 锆(过渡金属) 铌(过渡金属) 钼(过渡金属) 锝(过渡金属) 钌(过渡金属) 铑(过渡金属) 钯(过渡金属) 银(过渡金属) 镉(过渡金属) 铟(贫金属) 锡(贫金属) 锑(类金属) 碲(类金属) 碘(卤素) 氙(惰性气体)
铯(碱金属) 钡(碱土金属) 镧(镧系元素) 铈(镧系元素) 镨(镧系元素) 钕(镧系元素) 钷(镧系元素) 钐(镧系元素) 铕(镧系元素) 钆(镧系元素) 铽(镧系元素) 镝(镧系元素) 钬(镧系元素) 铒(镧系元素) 铥(镧系元素) 镱(镧系元素) 镏(镧系元素) 铪(过渡金属) 钽(过渡金属) 钨(过渡金属) 铼(过渡金属) 锇(过渡金属) 铱(过渡金属) 铂(过渡金属) 金(过渡金属) 汞(过渡金属) 铊(贫金属) 铅(贫金属) 铋(贫金属) 钋(贫金属) 砈(类金属) 氡(惰性气体)
钫(碱金属) 镭(碱土金属) 锕(锕系元素) 钍(锕系元素) 镤(锕系元素) 铀(锕系元素) 镎(锕系元素) 钚(锕系元素) 镅(锕系元素) 锔(锕系元素) 锫(锕系元素) 锎(锕系元素) 锿(锕系元素) 镄(锕系元素) 钔(锕系元素) 锘(锕系元素) 铹(锕系元素) 𬬻(过渡金属) 𬭊(过渡金属) 𬭳(过渡金属) 𬭛(过渡金属) 𬭶(过渡金属) 鿏(预测为过渡金属) 𫟼(预测为过渡金属) 𬬭(预测为过渡金属) 鿔(过渡金属) 鉨(预测为贫金属) 𫓧(贫金属) 镆(预测为贫金属) 𫟷(预测为贫金属) 鿬(预测为卤素) 鿫(预测为惰性气体)
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外观
金属光泽

钷的发射光谱
概况
名称·符号·序数钷(promethium)·Pm·61
元素类别镧系元素
·周期·不适用 ·6·f
标准原子质量[145]
电子排布[] 4f5 6s2
2, 8, 18, 23, 8, 2
历史
发现吴健雄, 埃米利奥·塞格雷, 汉斯·贝特(1942年)
分离Charles D. Coryell, Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin, Harold G. Richter(1945年)
命名Grace Mary Coryell(1945年)
物理性质
物态固态
密度(接近室温
7.26 g·cm−3
熔点1315 K,1042 °C,1908 °F
沸点3273 K,3000 °C,5432 °F
熔化热7.13 kJ·mol−1
汽化热289 kJ·mol−1
蒸气压
原子性质
氧化态3 (弱性)
电负性? 1.13(鲍林标度)
电离能第一:540 kJ·mol−1

第二:1050 kJ·mol−1

第三:2150 kJ·mol−1
原子半径183 pm
共价半径199 pm
杂项
晶体结构六方晶格
磁序顺磁性[1]
电阻率(r.t.) est. 0.75 µ Ω·m
热导率17.9 W·m−1·K−1
膨胀系数(r.t.) (α, 晶体)
est. 11 µm/(m·K)
杨氏模量(α 式) est. 46 GPa
剪切模量(α 式) est. 18 GPa
体积模量(α 式) est. 33 GPa
泊松比(α 式) est. 0.28
CAS号7440-12-2
最稳定同位素
主条目:钷的同位素
同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰变
方式 能量MeV 产物
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


拼音注音ㄆㄛˇ粤拼po2;英语:Promethium),是一种化学元素,其化学符号Pm原子序数为61,属于镧系元素,也是稀土元素之一。钷的所有同位素都具有放射性;钷极为稀有,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。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罗米修斯,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

物理性质

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(参见镧系收缩[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

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,干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]

氯化钷(III)漆钮,因涂有硫化锌而被钷放射出的α粒子而发光。
氯化钷(III)漆钮,因涂有硫化锌而被钷放射出的α粒子而发光。

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]

钷的卤化物[16]
化学式 颜色 配位数 对称性 空间群 No 皮尔逊符号 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 红色 8 斜方晶 Cmcm 63 oS16 624
α-PmI3 红色 8 斜方晶 Cmcm 63 oS16 α→β
β-PmI3 红色 6 菱面体 R3 148 hR24 695

同位素

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),能够借由放出一个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。

发现

1934年,威拉德·利比发现在纯钕里的弱β活性,这是因为超过1012年的半衰期。近20年来,有人声称元素出现在自然钕的数量平衡,每克钕就有10-20克以下的钷。然而,这些意见都被新的调查否定了,因为七个钕同位素会自然产生,任何单一的的β衰变(可产生钷核素)被能源转移禁止的。特别是仔细测量原子质量150Nd表示150Nd-150Pm 的质量差是负 (−87 keV),绝对防止单一的β衰变由150Nd衰变为150Pm。

自然铕的同位素有比其所有α潜能相加再加上一个α粒子的产物较大的质量,因此他们(在实际上稳定)可能α衰变。在 Laboratori Nazionali del Gran Sasso的研究上发现铕-151实验性衰变成钷-147的半衰期为5×1018年。它已被证明铕在地壳上有12克的含量。铕-153的α衰变还没有被发现,理论计算其半衰期很高(因为其低能量的衰减),这个过程可能永远不会被观察到。最后,钷能够在自然中产生(铀238的自发性裂变产物)。只有微量可以在矿石发现:沥青铀矿的样本被发现含有少量钷。铀在地壳上有560g的钷的含量。

钷已经在仙女座的HR465的光谱,HD101065和HD965的星被发现;由于钷同位素的半衰期很短,所以它们通常会在那些星的表面附近形成的。

历史

元素61的搜索

1902年,捷克化学家博胡斯拉夫·布劳纳发现的所有相邻的镧系元素钕和钐之间的差异是最大的,作为结论,他建议有一个元素有它们之间的中间性质。这一预测在1914年由亨利·莫斯利所证实,同时他发现有几个原子序并没有相对应的元素,分别为43,61,72,75,85,87。随着对元素表中族与族之间知识的差距, 所以开始进行预测地球和自然环境中的稀有元素。

第一个发表其发现的是来自佛罗伦萨,意大利的路易·吉罗拉和洛伦佐·费尔南德斯。利用巴西矿物独居石的分级结晶分离一硝酸盐的稀土元素后,它们得到的溶液主要含有钐。此溶液得到一X-ray的光谱属于钐和元素61。为了纪念他们的城市,他们命名的元素61“florentium的。该研究结果发表在1926年,但科学家们声称的实验是在1924年。此外,在1926年,一组科学家从伊利诺伊大学Urbana-Champaign分校,史密斯霍普金斯和莱昂英特马公布的元素61的发现。他们把它命名为"illinium"。这些发现被指出是错误的,因为在所谓元素61的光谱上的线跟钕是相同的, 这些线被发现是一些杂质(钡,铬和铂)组成的。

1934年,Josef Mattauch终于制定了“同量异位素的规则。其中一个对于这些规则的间接后果是元素61无法形成稳定的同位素。1938年,进行了核试验的HB法等。在俄亥俄州立大学。产生一定的核素钕和钐的放射性同位素和的名称为“cyclonium”的提出,但是有一个缺乏化学证明元素61的产生和发现没有广泛承认。

钷金属的发现和制造

在1945年,钷第一次在美国橡树岭国家实验室(当时的克林顿实验室)被发现,由Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin and Charles D. Coryell分离及分析照射在石墨的燃料的裂变产物。然而,因为在二战期间忙于军事有关的研究,他们直到1947年都没有公布他们的发现。钷原建议的名称以发现机构克林顿实验室命名其为“Clintonium”,然而,发现者之一格雷斯的妻子玛丽·科里尔提出“Prometheum”这个名字。此名是来自普罗米修斯,希腊神话中从奥林匹斯山偷火给人类使用的泰坦,象征着“大胆”和“人类才智的滥用”。“Prometheum”最后改为和其他金属较相像的“Promethium” 。

  • Jacob A. Marinsky
    Jacob A. Marinsky
  • Larry E. Glendenin
    Larry E. Glendenin
  • Charles D. Coryell
    Charles D. Coryell

1963年,科学家利用钷(III)氟化物来制造钷金属。用一个特制双层坩埚,内层填充从,和的杂质纯化而来的钷化合物, 外层则填充相对于内层十倍量的。抽真空后,将化学品进行混合,反应产生钷金属:

PmF3 + 3 Li → Pm + 3 LiF

收集得的钷足以测量的一些金属性质,如熔点

1963年,橡树岭国家实验室使用离子交换法,从核反应堆中约10克的燃料加工废弃物提炼出钷。到今天, 钷仍然从铀裂变的副产品回收。

钷也可以透过用中子轰击146Nd,经过β衰变(11天的半衰期)产生147Pm。

生产

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]

应用

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]以毫克为单位获得。[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时间。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,能从含外壳大约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] 它今后还可能用于便携式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]

注意事项

钷与其他镧系元素一样,对生物不会产生明显作用。钷-147会透过β衰变发射的X射线,对生命体构成危害。如果安全装备做好(手套,鞋盖,安全眼镜),那与微量的钷-147是无害的。现在仍未知钷对人体器官的危害,目前推测可能会伤害人的骨组织。密封的钷-147是无害的,但如果包装破损,那便会对环境和人类构成危险。如果发现放射性污染,受污染的地方应该用肥皂和水清洗。如果钷的发现泄漏,该地区应认定为危险,应立即疏散,并必须报警。

参考文献

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