神秘的61号元素：解开钷的化学之谜

作者：陈佳君

在元素周期表中，镧系元素指的是原子序数从57到71的15种元素的总称。科学家已经对几乎所有镧系元素进行了广泛研究，并应用在诸多现代技术中，例如激光、风力涡轮机、电动汽车、X射线屏幕，甚至是一些抗癌药物。然而，钷（Promethium），元素符号定为Pm，这个位于周期表中第61号的镧系元素，却在实验研究中明显缺席了。长期以来，研究人员都对它的基本化学性质知道的非常有限。

直到2024年5月22日，《自然》杂志发布了一项突破性研究，科学家成功合成了一种包含钷离子的配位化合物。这一发现不仅填补了实验研究中的空白，还为镧系元素的全面实验对比提供了关键数据。

钷的故事可以追溯到1902年。当时，化学家Bohuslav Brauner提出，元素钕（Nd）和钐（Sm）之间可能存在着一个新的元素，这是因为它们的原子量差异比镧系元素中任何其他相邻元素的差异都大得多。然而，直到1945年，科学家们通过核反应分析才首次确认了原子序数为61的钷。

虽然钷可以通过核反应合成，但自然存在的钷极为稀少——在地球上的任何时刻，自然存在的钷只有几百克。事实上，钷是镧系元素中唯一没有稳定同位素的元素，这意味着所有钷的同位素都会自然衰变为其他元素。钷-145和钷-147是两种常见的钷同位素。其中，钷-145的半衰期最长，为17.7年；而钷-147的半衰期为2.6年。钷-147因为其适中的半衰期，广泛应用于放射治疗和核电池中。

在这项研究中，为了更好地研究钷的化学结构，研究人员首先需要在水溶液中稳定钷离子（Pm³⁺）。由于钷的高活性，它极易在水中与其他物质反应，因此他们使用了一种名为PyDGA（bispyrrolidine diglycolamide）的水溶性配体。这种配体分子通过与金属离子结合，形成配位化合物，从而有效稳定了钷离子，避免其与水中的其他物质发生反应。

图：PyDGA配体与钷离子结合，会形成稳定的钷配位化合物[Pm(PyDGA)₃]³⁺

接着，研究人员利用同步辐射光源进行了X射线吸收光谱分析。这种技术通过照射样品并测量样品对X射线的吸收情况，可以精确地揭示样品中的原子结构。不同元素吸收特定能量的X射线，因此研究人员能够借此识别样品中的元素并分析它们的排列方式。通过这项技术和量子化学计算，他们揭示了钷配位化合物的一些关键化学性质。例如，他们发现了钷是如何与周围氧原子结合的，并首次精确测量了钷与氧原子的化学键长。

在此次研究中，研究人员不仅研究了钷配位化合物，还将同样的配体与其他镧系元素（比如最轻的镧和最重的镥）结合。然后，他们测量了每种镧系离子与配体中氧原子之间的化学键长。这个键长反映了配位化合物中离子的半径。结果显示，从镧到镥，随着原子序数的增加，键长会逐渐变短。这种现象被称为镧系元素收缩。

换句话说，镧系元素收缩指的是镧系元素随着原子序数增加，其离子半径逐渐减小的现象。这种现象在过去主要依赖于理论计算和间接实验推测。此次研究是首次通过直接实验数据证实了这一现象，填补了镧系元素研究中的重大空白。

图：镧系元素收缩现象。

理解镧系元素收缩非常重要，因为这个现象不仅影响镧系元素的化学性质，也增加了这些元素分离的难度。因此，新的研究可以帮助开发更加高效的分离技术，这对于镧系元素在可持续能源系统中的应用至关重要。

总的来说，尽管钷在地球上的存在量极少，但通过科学家的努力和先进的研究方法，我们正在逐步解开这个神秘元素的面纱。未来，钷或许会在能源、医疗和材料科学等领域发挥更大的作用，为解决许多技术难题提供创新的解决方案。

论文连接链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07267-6

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者名称：陈佳君

审核：穆云松 中国人民大学化学与生命资源学院环境科学与工程系主任

出品：中国科协科普部

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