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
1945年,美国化学家马林斯基(Marinsky J. A.)、格伦登宁(Glendenin L. E.)和科里尔(Coryell C. D.),在铀的裂变产物残渣中用离子交换法分离得到钷的同位素,从而发现了钷元素。钷的命名“Promethium”源自希腊神话中的盗火者普罗米修斯(Prometheus)的名字,意为“火神”。普罗米修斯从太阳上盗取火种带到人间,而这种新元素则来自铀裂变的“人造太阳”。中文译为“钷”,元素符号为Pm。
1947年,通过核反应堆裂变提取出来。
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
钷是银白色金属,熔点1168℃,沸点2460℃。
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。金属钷可与氟气(F2)、氯气(Cl2)、溴单质(Br2)、碘单质(I2)反应,生成氟化钷(Ⅲ)(PmF3)、氯化钷(Ⅲ)(PmCl3)、溴化钷(Ⅲ)(PmBr3)和碘化钷(Ⅲ)(PmI3)。
金属钷可以迅速溶于硫酸中,生成含有水合Pm(Ⅲ)离子的绿色溶液和氢气(H2)。Pm3+(aq)极有可能是以配离子Pm(H2O)93+的形式存在的。
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。
在很多时候并不需要把各种金属都分离开,但是如果需要那么做,其过程会非常复杂。分离时,用
硫酸(H2SO4)、
盐酸(HCl)和
氢氧化钠(NaOH)把稀土金属以盐的形式浸取出来。分离纯化这些盐时,常用的方法包括选择性配位技术、萃取技术和离子交换树脂。
用金属钙还原PmF3,可以得到纯净的钷。
该反应也可以用其他卤化钷,但在所选用的反应条件下(在氩气中加热至高于金属熔点50℃),生成的氟化钙会比其他卤化钙更易于处理。可在真空条件下把过量的钙从反应混合物中除去。
应用领域
钷的应用多与放射性有关,如
钷-147是一种只放射
β射线的放射性核素,其半衰期为2.6年,可用于制造“夜明珠”的放射性发光材料。钷元素的特殊性能使其在人类生活中大放光彩。
钷的主要应用领域是放射发光。放射发光是指某些物体在放射性同位素的射线作用下产生长时间光辐射的现象。放射发光不产生热量,也叫“冷光”。比起普通的自发光元素,放射发光的优势在于它不需要电源供电,不用电池、灯泡和导线等零部件,可以根据不同要求制成各种不同形状和颜色的器件,其光线柔和隐蔽,不需要维护保养即可长期提供微弱照明,例如地下建筑物永久性的发光标志等。
放射性发光材料作为良好的夜间显示器材料,可用于陆、海、空武器装备的仪器和仪表。利用放射发光粉作涂料,夜间显示仪表数据十分清晰,一目了然。随着夜间作战的需要,采用钷同位素的放射发光照明器材将在未来战场上大有用武之地。
钷-147放出低能量的
β射线,能使磷光体发光,可制作防护用的发光粉,用于航标灯及各种飞机、军舰、坦克、车辆的驾驶室、仪表舱、控制台的夜间显示仪表。
利用钷发出射线产生热量,为真空探测和人造卫星提供辅助能量。
美国阿波罗登月舱中曾使用了125个钷-147原子灯。
利用钷的β放射性还能制造便携式X射线仪、密度自动测量和厚度自动测量仪等。
钷-147可用于制造放射性同位素电池,利用钷发出射线产生热量,通过热电偶将热能转化为电能;也可以利用放射线作用于荧光物质产生的荧光照射在硅光电池上而产生电能,这类特殊的电池只有纽扣大小,能持续工作5年之久,可用于导弹中的仪器核动力电池、仪表及无线电接收器电源,也可作为心脏起搏器电源。
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。
保护措施
2024年6月,国务院总理
李强签署国务院令,公布《稀土管理条例》,自2024年10月1日起施行。