钷(Promethium),元素符号为Pm,原子序数为61,是一种具有
放射性的
镧系稀土元素。已知有17种
同位素和4种
同质异能素,其中最重要的是从
铀裂变产物中提取或用中子照射146Nd制得的147Pm(半衰期2.64年)。
研究简史
发现人:马林茨基(J.A.Marinky)、格伦丁宁(L.E.Glendenin)和克里尔(C.Coryell)
发现的年代:1945年
发现过程:1945年马林茨基、格伦丁宁和克里尔(C.Coryell),从
裂变产物的残余物中分离制得。
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数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。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X-ray的光谱属于钐和元素61。为了纪念他们的城市,命名元素61为“florentium”。该研究结果发表在1926年,但科学家们声称的实验是在1924年。
1939年,加州大学用60英寸
回旋加速器制造钷,但它没有实现。
1945年,美国田纳西州橡树岭克林顿实验室的研究人员马林茨基、格伦丁宁和克里尔在铀裂变产物中发现了61号元素。他们应用了新的离子色层分离法把它分离出来,并研究了它。新元素并命名为promethium,元素符号定为Pm,名称来自希腊神话中偷取火种给人类的英雄普罗米修斯(Prometheus)。1949年国际纯粹和应用化学联合会接受了这一名称。
钷是继锝之后,人工制得的第二个化学元素。在
天然矿物中寻找61号元素的工作,花费了科学家们不少的时间和精力,但最后都无功而返。后来在“
同位素统计规则”的指导下,科学家们放弃了从天然矿石中寻找,而走向
核反应的产物中。(然而,微量的钷的确以核裂变的结果出现于铀矿石中,但总量少于矿石的每百万吨1微克。)
1947年,马林斯基(J.A.Marinsky)、格伦丹宁(L.E.Glendenin)和科里尔(C.E.Coryell)从
铀的
裂变产物中发现了61号元素,用希腊神话中的神名普罗米修斯(Prometheus)命名为钷(Promethium)。
一直到1948年,才制得可以看得见并可称重的氯化钷(PmCl3,黄色)和硝酸钷(Pm(NO3)3)各3毫克。1965年从6000吨铀矿中取得350毫克钷,是铀自动分裂的产物(一说为1986年M.阿特雷普微(M.Attrep)从刚果
沥青铀矿中分离出钷,含量甚微,每千克矿物中仅含4×10-15克)。这样地壳中也找到了它。
1972年在天然铀矿提取物中发现了147Pm(半衰期2.64年),从此Pm不再是人造元素。
理化性质
物理性质
第一电离能5.55eV。放射性元素,半衰期最长的为145Pm,为18年,147Pm半衰期为2.64年。虽然有较长的半衰期,但是很难大量积累它。物理性质和化学性质与钕和钌相似。其同位素不稳定。原子丰度和宇宙体重原子丰度无。金属钷为六角晶系晶体。
化学性质
钷原子的外围电子排布为4f56s2,其气态离子的电子排布为:Pm+ 4f56s1;Pm2+ 4f5;Pm3+ 4f4,与其他稀土元素一样最常见的为三价。钷易溶于稀酸,与热水作用可置换出氢气。其+3价离子在晶体或水溶液中呈浅红黄色。
金属钷在空气中会慢慢失去光泽。钷可以在空气中迅速燃烧,生成
氧化钷(Ⅲ)(Pm2O3)。
可能钷没有进行过如下的反应,这主要是因为钷非常稀少。银白色的金属钷的
电负性相当低,能与冷水发生反应,并与热水迅速反应,生成氢氧化钷和
氢气。
金属钷可以与所有的卤素单质发生反应生成三卤化物。
制备方法
把钷同其他元素分离,并得到纯净的金属钷比较困难,这在很大程度上取决于它在自然界中的存在形式。在自然界中有多种稀土矿,其中以
磷钇矿、
独居石和
氟碳铈矿最为重要;前两种矿物都是正磷酸盐矿LnPO4(Ln表示除非常稀少的钷以外所有镧系元素组成的集合),而氟碳铈矿则是由氟化物和碳酸盐形成的复盐矿LnCO3F。原子序数为
偶数的镧系元素比较常见。上述矿物中最常见的镧系元素主要依次为铈、镧、钕和镨,独居石中还含有钍(
锕系元素)和钇。钍及其衰变产物有放射性,这使得它变得更加难以处理。
制法1 以碘为发热剂,钙还原
三氯化钷。该反应实际是不可逆的,因为反应是在瞬间完成的,同时还原剂钙充分过量,反应产物CaCl2及CaI2又十分稳定。 其工艺和设备如下:钙热还原是在密封的不锈钢反应弹中进行。装好炉料的反应弹。反应前,将氧化镁坩埚放入反应弹内,壁间缝隙用石英砂充填。将配好的炉料装入坩埚中,密封好顶盖后,抽真空、充氩气,然后加热使炉料开始反应。反应放出的大量热量,足以使反应快速进行并使炉料的温度达到还原产物的熔点以上。 用以上工艺制得的金属钷的回收率大于92%,但钷中含有较多的钙和镁。为除去杂质可用真空蒸馏技术提纯。钙、镁含量可分别降至(55~175)×10-6和(350~450)×10-6。
制法2 用还原-蒸馏工艺能制得较纯的金属钷。用
金属钍为还原剂,还原-蒸馏氧化钷,得到金属钷的结晶。还原反应如下:2Pm2O3(s) + 3Th(l) → 2Pm(g) + 3ThO2(s)。
应用领域
(1)可作热源。为真空探测和人造卫星提供辅助能量。
(2)Pm-147放出能量低的β射线,用于制造钷电池。作为导弹制导仪器及钟表的电源。此种电池体积小,能连续使用数年之久。此外,钷还用于便携式X-射线仪、制备荧光粉、度量厚度以及航标灯中。
(4)用量作测厚度仪器的射线源
(5)刻度和校正仪表、工业厚度计:用于钢铁制造、塑料工业和造纸工业。
(6)电离源:用于电子捕获鉴定器、静电消除器等。
(7)用作同位素热源。
危害及防护
对于147Pm密封源来讲,在正常使用或操作的条件下不存在环境影响问题,或环境影响很小。但在密封源包壳破裂、放射源失控等情况下可能对环境造成一定污染。
147Pm为β辐射体,在衰变过程中,除释放出β粒子外,还能释放一定能量的γ射线。因此147Pm源可引发γ外照射;事故工况下,147Pm泄漏可对人体形成β射线外照射,或经呼吸道、消化道及完整皮肤及伤口进入人体引发内照射。
诊断治疗
147Pm促排:
(1)氨羧型络合剂:DTPA、三亚乙基四胺六乙酸(TTHA)、
乙二胺四乙酸(EDTA)和
喹胺酸等,促排效果最好。
(2)H-73-10是中国合成的新型螯合剂,能显著降低147Pm在肝、骨中的滞留量,增加147Pm在尿中的排出率。
(3)N-双羧甲基氨基乙酰对氨基水杨酸、3-N,N-双羧甲基氨甲基-5-乙氧羰基邻苯二酚和N,N-双羧甲基氨基乙酰半胱氨酸。三种新促排剂能明显增高尿、粪147Pm排出量,其中以N,N-双羧甲基氨基乙酰半胱氨酸效果最佳。
保护措施
2024年6月,公布《稀土管理条例》,自2024年10月1日起施行。