钷

6s2 4f52, 8, 18, 23, 8, 2第一：540 kJ·mol−1 第二：1050 kJ·mol−1 第三：2150 kJ·mol主条目：钷的同位素钷是一种化学元素，符号为Pm，原子序61，属于镧系元素与稀土元素，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的铅以前只有两个元素没有稳定的同位素，其中一个即为钷，另一个是锝。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氧化态形成稳定的盐，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，在已知元素钕（60）和钐（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。 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，且已确定不是钕或钐的放射性同位素。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铀（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：铕-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。一个钷原子有61个电子，电子组态为4f56s2。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。 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。钷有许多特性介于钕和钐的之间。例如，熔点、第一至第三电离能、水合能均大于钕，低于钐；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。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。其加热至890℃时，则会转换成体心立方（bcc）的β形式。钷属于镧系元素中的铈组，化学性质与相邻元素非常相似。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。将含有Pm3+离子的酸与氨反应, 会得出亮棕色的氢氧化钷( Pm(OH)3 )凝胶状沉淀。将钷溶解在盐酸中，会产生一种水溶性黄色盐类氯化钷(PmCl3)。同样地，将钷溶解在硝酸中时，即生成硝酸钷(Pm(NO3)3)。硝酸钷易溶于水，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4f4，呈现粉红色。基态符号为5I4。钷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。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。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。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℃，立方晶系就会转变为单斜晶系和六方晶系（不可逆），晶格组成比例可以透过调整退火时间和温度调整。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。钷是唯一在镧系元素中及唯二在铅之前没有稳定的同位素的元素。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。钷也是钋以前最不稳定的元素。钷的衰变产物主要是钕和钐同位素（钷-146衰变途径有两种：衰变成钕通常透过正电子衰变及电子捕获,衰变成钐则是通过β衰变)。钷核异构体可能衰变为其他钷同位素，145Pm则有一种非常罕见的α衰变模式衰变为镨。钷最稳定的同位素是是钷-145,放射性强度为940居里（35TBq）/ g，半衰期为17.7年。因为它有84中子（刚好为魔数），它可以发射的α粒子（其中有2个中子），以形成镨-141(拥有82个中子)。这是钷唯一从实验观察到的α衰变,其部分的α衰变的半衰期为大约是6.3×109年，145Pm细胞核以这种方式衰减的相对概率是2.8×10-7％。其他几个Pm同位素（144Pm，146Pm，钷-147等）的也有正面α衰变的能量释放;预测他们的α衰变会发生的但都没有被观察到。该元素也有18个核的异构体，质量分别为133，142，144，148，149，152，和154（一些质量数有一个以上的异构体）。其中最稳定的是钷148m,有43.1天的半衰期; 这比除了钷143到钷147之外所有钷同位素基态的半衰期还要长（例如钷-148m半衰期比钷-148基态的半衰期长）。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。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。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铀燃料的裂变产物。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. MarinskyLarry E. GlendeninCharles D. Coryell1963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，内层填充从钐，钕，和镅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锂。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。制造方法会因为不同的同位素而变化, 而只有钷-147是可知的，因为它于工业应用上的同位素只有一个。钷-147由与热中子轰击铀-235从而大量产生（与其他同位素相比）。在60年代，橡树岭国家实验室可以每一年产生650克的钷和是世界唯一的大型的生产设备。革兰氏规模化生产钷在20世纪80年代初在美国已经停产，但可能会在2010年后于在高通量同位素反应堆恢复。目前，俄罗斯是唯一一个大量生产钷-147的国家。大多数钷仅用于研究, 除钷-147外（可在实验室之外的地方找到）。它是以氧化物或氯化物的形式得到。这种同位素不发射γ射线，并且它的辐射具有相对小的穿透深度和相对长的半衰期。一些信号灯使用的夜光涂料，含有的磷，吸收钷-147发射的β射线和发出的光。这种同位素不会跟α发射一样会引起磷光体老化，因此光发射可稳定几年。这本来是镭-226的"工作"但后来被钷-147和氚（氢-3）取代。钷优于氚可能是出于安全理由。在原子电池，β粒子从钷-147发射出来,继而转为电流（由两个半导体板之间夹一个小Pm来源），这些电池其使用寿命约五年。第一个钷系电池组装和生成出现于1964年,生成的几个毫瓦的功率从约2立方英寸的体积。钷是用来评估从钷源穿过样品的辐射量，也可用于测量的材料的厚度。未来它有可能使用在便携式X射线源，并作为辅助太空探测器和卫星的热源或动力源（虽然α放射钚-238已经是可与太空探索作有关的用途）。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。^ Marinsky, J. A.; Glendenin, L. E.; Coryell, C. D. (1947). "The chemical identification of radioisotopes of neodymium and of element 61". Journal of the American Chemical Society 69 (11): 2781–5. doi:10.1021/ja01203a059. PMID 20270831.