钷（Pm）是一种罕见的放射性元素。1945年，它首次在实验室中被发现，是镧系元素（原子序数从57到71）中最后被发现的元素。尽管钷的原子序数相对较低（61），但多年来，它的特性一直难以捉摸，原因之一是，它是唯一一种没有稳定同位素的元素。
现在，在这种稀有而神秘的元素被发现80年后，科学家终于揭开了它的一些秘密。在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一组科学家通过制备一种钷的化学“复合物”，首次在溶液中对这种元素的元素进行了描述。
难以捉摸的重要元素
镧系元素具有非常相似的化学性质，这也是它们很难被分离的部分原因。科学家已经对绝大部分镧系元素进行了广泛研究，并将它们应用在许多现代技术上，比如激光、风力涡轮机、电动汽车、X射线屏幕甚至抗癌药物等。
然而，钷却在镧系元素的实验研究中明显缺席了。钷是一种高放射性的镧系元素，地壳中自然产生的钷非常稀有。而且，由于钷没有稳定的同位素，因此可用的合成钷也非常微少。
在这项研究中，研究团队生产了半衰期为2.62年的放射性同位素钷-147，其数量和纯度足以让研究人员分析其化学性质。像所有其他镧系元素一样，钷也倾向于形成带3个正电荷的离子。
钷在一个被有机配体包围的小瓶子里。（图/Jacquelyn DeMink & Thomas Dyke / ORNL, U.S. Dept. of Energy）
研究人员将这些离子与一种名为二甘醇胺配体的有机分子在水溶液中结合，这种配体中含有三个富含电子的氧原子。三个这样的配体与每个钷离子结合，生成了包含9个钷-氧键的复合物。然后，利用X射线光谱学，研究人员确定了这种复合物的性质，比如钷与氧之间的化学键键长。
观察缺失的收缩
为了观察这种复合物是如何形成的，研究人员还将相同的配体与其他镧系元素结合在一起。这使得研究人员首次揭示了所有镧系元素在溶液中收缩的特征，填补了镧系元素研究中的重大空白。
所谓镧系元素收缩，指的是镧系元素的原子半径和离子半径在总体上比预期值小的现象。随着这些镧系元素的原子序数增加，它们的原子和离子大小会不断减小。这种收缩产生了许多独特的化学和电子特性。
在这项研究中，研究人员清晰地观察到，镧系元素与氧之间的化学键的收缩，会随着原子序列的增加而加速，但是在钷之后，这种收缩率会大大减缓。
里程碑式的突破
钷对医学研究和长寿命核电池具有重要意义。但长期以来，科学家对于钷的大部分特性都只能进行假设。新的研究成果是理解镧系元素的化学键性质以及它们在元素周期表上的结构变化的一个重要里程碑，使得科学家可以更全面地理解镧系元素收缩现象。
此外，这一成就还能减轻分离这些镧系元素的难度，为分离这些元素带来更好的方法，例如从核废料中分离钷和类似元素。一直以来，科学家都试图能够分离出整个镧系元素系列，钷是其中的最后缺失的一块。
研究人员强调，这一成就可以归功于团队合作。首先，钷是在高通量同位素反应堆合成的，并在放射化学工程开发中心进行纯化。然后，通过利用布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源II，他们对其进行了X射线吸收光谱研究。与此同时，研究人员还利用计算设施进行了量子化学计算和分子动力学模拟。
这是一项具有里程碑意义的研究，它填补了化学教科书中长期存在的空白，标志着镧系元素研究取得了重大进展。
#创作团队：
编译：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.nature.com/articles/d41586-024-01480-z
https://www.ornl.gov/news/promethium-bound-rare-earth-elements-secrets-exposed
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07267-6
#图片来源：
封面图&首图：Jacquelyn DeMink, art; Thomas Dyke, photography/ORNL, U.S. Dept. of Energy
发布于：浙江