首次成功合成！以元素周期表“第61号”填补化学教科书“空白”

出品：科普中国

作者：石雾遥（生物学博士）

监制：中国科普博览

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在这个科技日新月异的时代，科学家们对放射性元素的探索从未停止。元素周期表中第61号元素--钷，是放射性元素领域研究中的一颗璀璨新星，其独特的性质引起了全球化学家的广泛关注。

2024年5月24日，《自然》杂志上发表了一项关于首次利用放射性元素钷制造出的一种化学“复合物”的成果，这一合成壮举填补了化学教科书中一个长期存在的空白！这一突破性的进展不仅为化学界带来了新的研究方向，也为我们理解放射性元素的性质和应用提供了新的视角。

研究成果发表于《自然》杂志

（图片来源：《自然》杂志）

钷“配位复合物”的合成

钷（Pm），是一种具有放射性的镧系稀土元素之一，在自然界的含量非常稀少，不足1公斤。钷的性质极不稳定且具有放射性，它与共存的很多其他稀土元素性质类似，因此难以通过常规的化学方法将其分离出来。

钷元素

（图片来源：百度百科）

研究人员发现，在生产放射性钚元素时，产生的废料中含有钷-147，根据其电子排布和核电荷特点，钷倾向于形成带三重正电荷的离子。基于此特点，科学家以吡咯烷和二甘醇为单元，通过酰胺键连接合成了一种有机双吡咯烷二甘醇酰胺配体。在此配体中，有3个亲电子的氧原子。研究人员将此配体与钷离子混合，发现每个钷离子可以和3个配体结合，形成含有9个钷-氧键的配位复合物。

钷复合物的制备（a、纯化的Pm化合物；b、水溶液中配体与Pm离子的螯合）

（图片来源：参考文献1）

研究者进一步结合同步辐射X射线吸收光谱和量子化学计算对合成的钷复合物进行表征。研究者测量出钷-氧键的平均键距为2.476 Å，氧提供电子对与钷形成配位键，这些电子对整齐地填满了钷周围的空能级，使两者紧密地螯合在一起。此外，研究者对其他同构的镧系元素络合物进行完整的结构研究。进一步计算形成的复合物的键长。结果表明，双吡咯烷二甘醇酰胺配体与镧系元素螯合后，出现了镧系收缩效应，即随着电子层数的增加，原子半径和离子半径逐渐减小的现象。

钷复合物被水分子包围的模拟图

（图片来源：参考文献1）

钷“配位复合物”合成的意义

高纯度钷的提取。通过将钷与配体结合形成复合物，可以更有效地从复杂的溶液或混合物中分离和提取钷。这种复合物合成的方法为钷的分离和提纯提供了一种新的手段，有助于获得高纯度的钷。

钷复合物在放射发光领域具有潜在的应用价值。通过合成具有特定结构的钷复合物，可以制备出具有优良放射发光性能的材料。这些材料可以在放射性同位素的射线作用下产生长时间光辐射的现象，为人工光源的开发提供了新的思路。

光源

（图片来源：veer图库）

钷还可用于制造放射性同位素电池。通过合成钷复合物，可以利用其发出的射线产生热量，并通过热电偶将热能转化为电能。这种电池具有体积小、寿命长、无需维护等优点，在航空航天、军事设施等领域具有广泛的应用前景。

电池（图片来源：veer图库）

结语

放射性钷元素的独特性质，结合配位化学的精确控制，为我们打开了新的科学大门。钷复合物的合成在能源、医学、环保等领域都有着广阔的应用前景。我们期待钷配位复合物的研究能够取得更多突破，为人类社会带来更多福祉。

参考文献：

1.Driscoll, D.M., White, F.D., Pramanik, S. et al. Observation of a promethium complex in solution. Nature 629, 819–823 (2024)

2.王月梅,李青仁,张金玲.稀土元素与人体健康[J].世界元素医学, 2006, 13(2):6.

3.刘春娜.核电池及其应用概述[J].电源技术, 2013, 37(5):2.