（Promethium），是一種具有放射性的金屬ree，化學(xué)符號(hào)為Pm，在元素周期表中的原子序數(shù)為61，屬于系元素，原子量為145。钷是固態(tài)金屬，熔點(diǎn)為1042 °C，沸點(diǎn)為3000 °C，密度為7.26 g/cm3，在室溫下，表現(xiàn)為順磁性。钷的化學(xué)活性較強(qiáng)，和大多數(shù)稀土元素一樣，在化學(xué)反應(yīng)中容易失去最外層的電子形成一種穩(wěn)定價(jià)態(tài)，即+3價(jià)。钷在空氣中容易被氧化，室溫下，可以與水反應(yīng)放出氫氣，與酸作用生成相應(yīng)的稀土鹽類化合物。钷的所有同位素都具有放射性，半衰期最長(zhǎng)的是钷-145，為17.7年。钷同其它ree一樣，具有低毒性，對(duì)人體只有放射性傷害，但經(jīng)呼吸道吸入粉塵會(huì)對(duì)肺部造成損傷。钷的用途廣泛，可以用來制造核動(dòng)力電池、便攜式X射線源、激光器、測(cè)厚儀等。
發(fā)現(xiàn)歷史
61號(hào)元素的探索
1902年，捷克化學(xué)家博胡斯拉夫·布勞納（Bohuslav Brauner）發(fā)現(xiàn)鑭系稀土元素存在某些特性，在所有相鄰的鑭系金屬中，釹（Nd）和釤（Sm）之間的性質(zhì)差異是最大的，因此他猜測(cè)有一未知元素存在于這兩者之間。1914年，英國(guó)物理學(xué)家和化學(xué)家莫塞萊（Henry Gwyn Jeffreys Moseley）根據(jù)元素的X射線光譜的研究，也說明了在鑭系元素和釤之間應(yīng)該存在一種元素。1926年，來自美國(guó)伊利諾大學(xué)厄巴納-香檳分校（University of lllinois Urbana-Champaign）的科學(xué)家史密斯·霍普金斯（Smith Hopkins）和萊昂·英特馬（Len Yntema）等宣稱，他們根據(jù)X射線光譜，在自然界中發(fā)現(xiàn)了61號(hào)元素，并以他們的所在地illionis州和伊利諾大學(xué)之名將其命名為illinium。同一年，意大利佛羅倫薩的科學(xué)家路易吉·羅拉（Luigi Rolla）和洛倫佐·費(fèi)爾南德斯（Lorenzo Fernandes）通過分段結(jié)晶法從獨(dú)居石中分離出了少量含有稀土硝酸鹽濃縮物的混合物后，得到了一種主要含有釤的溶液，這種溶液可以發(fā)射出一種未知的X射線，羅拉等人將這種X射線光譜歸因于釤和61號(hào)元素。為了紀(jì)念該元素的發(fā)現(xiàn)城市佛羅倫薩，他們將“61號(hào)元素”命名為florentium。雖然這項(xiàng)研究的結(jié)果是在1926年發(fā)表的，但他們聲稱該試驗(yàn)在1924年就已經(jīng)完成。后來，這兩組科學(xué)家的報(bào)告都被證明是錯(cuò)誤的，因?yàn)樵阝S和釤的中間產(chǎn)品中有未被鑒定的光譜出現(xiàn)并不能作為61號(hào)元素存在的證據(jù)。當(dāng)樣品中含有鋇（Ba）、鉻（Cr）、鉑（Pt）等雜質(zhì)時(shí)，也會(huì)得到霍普金斯等人認(rèn)為是61號(hào)元素的新譜線。
1934年，德國(guó)科學(xué)家約瑟夫·馬陶赫（Josef Mattauch）通過對(duì)大量存在的已知穩(wěn)定核素的研究，提出了馬陶赫同量異位素規(guī)則，推斷61號(hào)元素沒有穩(wěn)定的同位素。
钷的發(fā)現(xiàn)
1942年，美國(guó)科學(xué)家查爾斯·D·科耶爾（Charles D Coryell）在芝加哥大學(xué)的冶金實(shí)驗(yàn)室，成立了一個(gè)進(jìn)行核裂變的放射化學(xué)研究小組，來分離和鑒定ree的裂變產(chǎn)物；到了1943年，該小組的一部分成員在科耶爾教授的領(lǐng)導(dǎo)下，于美國(guó)橡樹嶺成立了新的實(shí)驗(yàn)室。1945年，年輕的美國(guó)科學(xué)家馬林斯基（Jacob A.Marinsky）和格蘭丹寧（Lawrence E.Glendenin）在美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室將燃料置于石墨反應(yīng)爐中用中子照射后分離并分析裂變產(chǎn)物時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了61號(hào)新元素钷（Pm）。當(dāng)時(shí)由于第二次世界大戰(zhàn)的原因，他們直到1947年才宣布61號(hào)元素的發(fā)現(xiàn)。
钷（Pm，Prometheim）的名稱來自于希臘神話中從奧林匹斯山盜火獻(xiàn)給人類的英雄普羅米修斯（Prometheus），最初拼寫為Prometheum，后來改為和大多數(shù)元素名稱格式一致的Promethium，這一名稱是由科耶爾的妻子葛蕾絲·瑪麗·科耶爾（Grace Mary Coryell）提出的。1949年，國(guó)際應(yīng)用和純粹化學(xué)會(huì)接受了這一名稱。
分布情況
钷最初在自然界中沒有被找到，因此很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們認(rèn)為钷是一種人造元素。1964年，科學(xué)家們從瀝青鈾礦等礦石中發(fā)現(xiàn)了痕量的钷，并證明是由鈾-238自發(fā)裂變產(chǎn)生的，地殼中約有560 g的钷是鈾的裂變產(chǎn)物。1965年，芬蘭科學(xué)家奧拉維·埃拉梅查（Olavi Er?mets?）從磷灰石中提取的稀土精礦中分離出痕量的钷-145，并且推測(cè)自然界中钷的豐度上限為10?21。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
钷是一種具有放射性的鑭系ree，是一種固態(tài)金屬，熔點(diǎn)為1042 °C，沸點(diǎn)為3000 °C，密度為7.26 g/cm3，在室溫下，表現(xiàn)為順磁性。钷具有??相和??相兩種同素異形體，常溫常壓下，钷為??相，為雙六方最密堆積結(jié)構(gòu)，硬度為63 kg/mm2，當(dāng)溫度升高至890 °C時(shí)，??相會(huì)變?yōu)?a href="/hebeideji/7278497159589947156.html">立方晶系（bcc）的??相。當(dāng)對(duì)钷金屬施加壓力時(shí)，钷的結(jié)構(gòu)會(huì)從雙六方最密堆積轉(zhuǎn)化為面心立方結(jié)構(gòu)（fcc）（10 GPa）。
化學(xué)性質(zhì)
钷的化學(xué)活性較強(qiáng)，和大多數(shù)鑭系ree一樣，在化學(xué)反應(yīng)中容易失去最外層的電子形成一種穩(wěn)定的+3價(jià)氧化數(shù)。钷室溫下可以與水反應(yīng)放出氫氣，與酸作用生成相應(yīng)的稀土鹽類化合物。表達(dá)式如下：
Pm3?離子的基態(tài)符號(hào)為?I?，顏色一般為粉色。在堿性的條件下，Pm3?會(huì)形成氫氧化钷（Pm(OH)?）沉淀，氫氧化钷加熱后會(huì)轉(zhuǎn)化為三氧化二钷（Pm?O?）。表達(dá)式如下：
钷還可以生成對(duì)應(yīng)的氯化物、硝酸鹽、草酸鹽、氟化物等，钷的氯化物和硝酸鹽是可溶性的鹽，草酸鹽、化物難溶于水。钷可以和噻吩甲酰三氟丙酮、銅鐵靈、8-羥基喹啉等萃取劑形成配位化合物從而被萃取。钷還可以與DL-乳酸、??-羥基異丁酸、乙二胺四乙酸、二亞乙基三胺五乙酸等有機(jī)酸形成螯合肥，利用這些絡(luò)合物和其它ree絡(luò)合物的穩(wěn)定成熟的差別來進(jìn)行元素分離。
和其它鑭系稀土元素一樣，钷暴露在空氣中便會(huì)被氧化為相應(yīng)的+3價(jià)穩(wěn)定氧化物，反應(yīng)的表達(dá)式如下：
钷化合物
钷氧化物
三氧化二钷（Pm?O?）又被稱為氧化钷(III)，是常見的钷氧化物，具有放射性。三氧化二钷可以由草酸钷（Pm?(C?O?)?）、碳酸钷（Pm?(CO?)?）和氫氧化钷（Pm(OH)?）加熱分解制得，在更高的溫度下，加熱分解硫酸钷（Pm?(SO?)?）和硝酸钷（Pm(NO?)?）也可以制得三氧化二钷。
三氧化二钷的晶體構(gòu)型是多變的，以草酸钷加熱分解制得三氧化二钷為例，在600 °C以下，得到的氧化钷結(jié)構(gòu)紊亂，沒有明確的晶體構(gòu)型的。將得到的氧化钷粉末繼續(xù)加熱至600 °C時(shí)，就會(huì)得到結(jié)晶為立方晶系的氧化钷產(chǎn)物；再繼續(xù)將氧化钷加熱至800 °C或1750 °C時(shí)再進(jìn)一步退火，就會(huì)分別得到單斜晶系和六方晶系的晶體構(gòu)型，這兩相之間通過調(diào)整退火時(shí)間和溫度可以相互轉(zhuǎn)換。
鹵化物
钷的鹵化物包括三氟化钷（PmF?）、三氯化钷（PmCl?）、三溴化钷（PmBr?）和三碘化钷（PmI?），它們都是钷的無(wú)機(jī)化合物，具有放射性。三氟化钷和三氯化钷是具有六分晶系的晶體結(jié)構(gòu)；三溴化钷屬于正交晶系；三碘化钷有兩種晶體結(jié)構(gòu)，分別為斜方晶系和三方晶系。三氟化钷可以由氧化钷與氟氣在300 °C下反應(yīng)生成；三氯化钷和三溴化钷分別由氧化钷和氯化氫、溴化氫在500 °C下反應(yīng)生成。由于氧化钷直接與碘化氫反應(yīng)會(huì)得到含有碘氧化钷（PmOI）雜質(zhì)的三碘化钷，所以通常由碘化氫直接與三氯化钷或三溴化钷反應(yīng)制得三碘化钷。相關(guān)的反應(yīng)表達(dá)式如下：
氫氧化钷
氫氧化钷（Pm(OH)?）是钷的無(wú)機(jī)化合物，具有放射性。氫氧化钷可以由钷鹽在堿性條件下沉淀得到，加熱氫氧化钷可以得到三氧化二钷，相關(guān)的反應(yīng)表達(dá)式如下：
硝酸钷
硝酸钷（Pm(NO?)?）是钷的無(wú)機(jī)化合物，具有放射性，可以溶于水。硝酸钷可以由氧化钷與硝酸反應(yīng)制得，反應(yīng)的表達(dá)式如下：
硝酸钷經(jīng)皮膚滲透可以進(jìn)入人體，主要蓄積在骨骼和肝臟內(nèi)。
硫酸钷
钷的氧化物與硫酸反應(yīng)可以得到钷的八水合硫酸鹽（Pm?(SO?)??8H?O）。钷的水合硫酸鹽加熱后會(huì)先生成钷的碘化鈉硫酸鹽，無(wú)水硫酸鹽進(jìn)一步加熱會(huì)分解為钷的氧基硫酸鹽，繼續(xù)加熱得到钷的氧化物。相關(guān)的反應(yīng)表達(dá)式如下：
钷的八水合硫酸鹽（Pm?(SO?)??8H?O）是具有單斜晶系的晶體結(jié)構(gòu)。
草酸钷
草酸钷（Pm?(C?O?)?）是钷的草酸鹽，ree的草酸鹽在弱酸性溶液中的溶解度很小，利用這一性質(zhì)，可以將稀土元素與普通元素進(jìn)行分離。將草酸溶液加入到钷的鹽溶液中會(huì)立即析出钷的草酸鹽沉淀Pm?(C?O?)??10H?O，高溫加熱草酸钷可以得到钷的氧化物。
同位素
钷沒有穩(wěn)定的同位素，所有的钷同位素都具有放射性。钷壽命最長(zhǎng)的同位素為钷-145，半衰期為17.7年，它也是唯一一個(gè)可能發(fā)生??衰變的钷同位素，不過概率極低，只有2.8×10?? %。钷主要的衰變產(chǎn)物為釤和釹的同位素，較輕的钷同位素一般通過正電子發(fā)射和電子俘獲轉(zhuǎn)變?yōu)殁S，較重的钷同位素通過??衰變變成釤。钷最重要的同位素為钷-147，由于钷-147可以發(fā)射??粒子，因此被用于核燃料工業(yè)。
钷同位素的信息如下：
生產(chǎn)和分離方法
還原钷鹵化物
金屬钷可以通過用鈣或鋰還原三氯化钷或三氟化钷制得。反應(yīng)的表達(dá)式如下：
鈾裂變生產(chǎn)法
通過用熱中子轟擊鈾-235可以得到一系列鈾的裂變產(chǎn)物，其中钷-147約占鈾的裂變產(chǎn)物總量的2.6%。
釹生產(chǎn)法
通過用熱中子轟擊濃縮的釹-146或在粒子加速器中用高能質(zhì)子轟擊碳化鈾靶可以獲得釹-147，之后釹-147可以快速衰變?yōu)轭?147。
溶劑萃取法分離裂變產(chǎn)物
萃取法是利用被分離的元素在兩個(gè)互不相溶的液體中分配性質(zhì)的差別，來對(duì)元素進(jìn)行分離的方法。一般是將溶有萃取劑的有機(jī)溶劑作為有機(jī)相，它與待分離的稀土離子的水溶液互不相溶，有機(jī)溶劑中的萃取劑可以和稀土離子形成能溶于有機(jī)溶劑的配位化合物，但是不同的稀土離子與萃取劑的絡(luò)合能力不同，生成的絡(luò)合物在有機(jī)相和水相中的分配系數(shù)也不同。利用這一性質(zhì)，經(jīng)過多次萃取，可以達(dá)到分離稀土離子的目的。常用的萃取劑有二（2-乙基己基）磷酸（HDEHP或p204）、2-乙基己基磷酸單2-乙基己基（HEH或P507）。
以钷-147為例，通過四步液液萃取法分離裂變產(chǎn)物鋯-95、鈮-95、-144、钷-147、-90、鍶-90、釕-106和-137。首先，將鋯-95、-95鹽酸溶液中提取到含銅鐵試劑的氯仿中；其次，將稀土核素鈰-144、钷-147、釔-90從食用醋酸緩沖溶液中提取到含有銅鐵試劑的氯仿中；之后，將-90從醋酸緩沖溶液中提取到含有2-噻吩甲酰三氟丙（TTA）試劑的己酮（甲基異丁基甲酮）中去；最后，在氯化亞錫存在下，用磷酸三丁脂（TBP）從鹽酸溶液中提取釕-106，將銫-137留在水溶液中。留在含有銅鐵試劑的氯仿中的鈰-144、钷-147和釔-90可以用3 mol/L的HNO?溶液進(jìn)行分離。
離子交換法分離钷
離子交換法是一種用于分離ree的方法，钷就是利用離子交換法被分離出來從而被發(fā)現(xiàn)的。該方法是在垂直放置的分離柱中裝上可以吸附陽(yáng)離子的陽(yáng)離子交換樹脂，之后用這些陽(yáng)離子交換樹脂吸附氫離子或銨根，形成氫型或型的樹脂。分離過程是往分離柱中倒入待分離的混合稀土陽(yáng)離子，稀土陽(yáng)離子會(huì)與沒藥樹上的氫離子或銨離子發(fā)生離子交換而被吸附在樹脂上，氫離子或銨離子則被置換出來。最后再往分離柱中不斷加入螯合劑作為淋洗劑，分離柱中的稀土陽(yáng)離子會(huì)和合劑絡(luò)合生成陰離子螯合物，因而不能被陽(yáng)離子交換樹脂吸附而被洗脫下來。由于不同的稀土陽(yáng)離子和螯合劑的生成與陰離子螯合物的穩(wěn)定性有差異，因此被洗脫的順序不同，從而達(dá)到分離的目的。常用的螯合劑有乙二胺四乙酸（乙二胺四乙酸二鈉）等。
應(yīng)用領(lǐng)域
測(cè)厚儀
钷-147可以發(fā)射??粒子，在核燃料工業(yè)，可以測(cè)量核反應(yīng)堆中包殼管內(nèi)表面石墨層的厚度。石墨是防止核燃料棒與燃料棒固定管之間機(jī)械接觸的保護(hù)層，也是防止核裂變產(chǎn)物擴(kuò)散的保護(hù)屏障。通過在石墨和包殼管之間放置一層半衰期較長(zhǎng)且可以發(fā)射??粒子的钷-147，則可以測(cè)量石墨層的厚度（稱為??射線反向散射法）。
核電池
在電池中放入钷-147放射源，钷-147發(fā)射的??粒子可以直接轉(zhuǎn)化為電流制成核電池。這種核電池的使用壽命長(zhǎng)，預(yù)計(jì)可以提供五年的電力，在太空或者海上這些特殊的環(huán)境條件下工作時(shí)可以發(fā)揮作用。第一塊以钷為電源的核電池組裝于1964年，能從大約2立方英寸的體積中產(chǎn)生幾毫瓦的功率。
便攜式X射線
钷還可以被用作便攜式的X射線源，在放射性同位素?zé)犭?a href="/hebeideji/7206471430308429876.html">發(fā)電機(jī)中為空間探測(cè)器和衛(wèi)星提供電力。
發(fā)光射線
一些信號(hào)燈和標(biāo)志牌使用的發(fā)光涂料還有一種熒光粉，可以吸收钷-147發(fā)出的??射線而發(fā)光。
安全事宜
和其它的鑭系ree一樣，钷是低毒物質(zhì)，對(duì)人體的傷害只有放射性危害。钷對(duì)機(jī)體的毒性經(jīng)靜脈注射最大，經(jīng)口染毒性最小。稀土钷生產(chǎn)的主要職業(yè)危害是钷粉塵，經(jīng)呼吸道吸入钷粉塵會(huì)對(duì)肺部造成損害，長(zhǎng)期吸入钷粉塵會(huì)引起肺組織的纖維性病變（稀土塵肺）。
钷進(jìn)入人體后可能會(huì)損害人體的骨組織。密封的钷-147是無(wú)害的，但如果包裝破裂，泄漏的钷產(chǎn)生的電離輻射會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成危害。如果人體受到放射性污染，受污染的部位要立即用肥皂水沖洗。如果钷發(fā)生泄漏，泄漏地區(qū)應(yīng)列為危險(xiǎn)地并立即疏散周圍人群，且必須聯(lián)系相關(guān)部門緊急處理。
微量的钷是幾乎無(wú)害的。在可能接觸到钷的環(huán)境中要做好防護(hù)措施，包括佩戴好防護(hù)手套、鞋套、護(hù)目眼鏡以及防護(hù)服。
參考資料 >