Prometium

Promethium, ₆₁ pm
Prometium
Uttal	/ p r oʊ ˈ m iː θ i ə m / <a i=13>( ( proh- MEE -thee-əm )
Utseende	metallisk
Massnummer	[145]
Prometium i det periodiska systemet
	neodym ← prometium → samarium
Atomnummer ( Z )	61
Grupp	f-block grupper (inget nummer)
Period	period 6
Blockera	f-block
Elektronkonfiguration	[ Xe ] 4f 5 6s 2
Elektroner per skal	2, 8, 18, 23, 8, 2
Fysikaliska egenskaper
Fas vid STP	fast
Smältpunkt	1315 K (1042 °C, 1908 °F)
Kokpunkt	3273 K (3000 °C, 5432 °F)
Densitet (nära rt )	7,26 g/cm 3
Värme av fusion	7,13 kJ/mol
Förångningsvärme	289 kJ/mol
Atomegenskaper
Oxidationstillstånd	+2, +3 (en lätt basisk oxid)
Elektronnegativitet	Pauling-skala: 1,13 (?)
Joniseringsenergier	1:a: 540 kJ/mol; 2:a: 1050 kJ/mol; 3:a: 2150 kJ/mol; ;
Atom radie	empiri: 183 pm
Kovalent radie	199 pm
	Spektrallinjer av prometium
Andra egenskaper
Naturlig förekomst	från förfall
Kristallstruktur	<a i=0>dubbel hexagonal tätpackad (dhcp)
Termisk expansion	9,0 µm/(m⋅K) (vid rt )
Värmeledningsförmåga	17,9 W/(m⋅K)
Elektrisk resistans	uppskattningsvis 0,75 µΩ⋅m (vid rt )
Magnetisk beställning	paramagnetisk
Youngs modul	α-form: uppskattningsvis 46 GPa
Skjuvmodul	α-form: uppskattningsvis 18 GPa
Bulkmodul	α-form: uppskattningsvis 33 GPa
Poisson-förhållande	α-form: uppskattningsvis 0,28
CAS-nummer	7440-12-2
Historia
Upptäckt	Charles D. Coryell , Jacob A. Marinsky , Lawrence E. Glendenin (1945)
Namngiven av	Grace Mary Coryell (1945)
Isotoper av prometium
β −	146 Sm
	; Kategori: Prometium \| referenser

Prometium är ett kemiskt grundämne med symbolen Pm och atomnummer 61. Alla dess isotoper är radioaktiva ; det är extremt sällsynt, med endast cirka 500–600 gram som förekommer naturligt i jordskorpan vid varje given tidpunkt. periodiska systemet följs av grundämnen med stabila former, den andra är teknetium . Kemiskt är prometium en lantanid . Prometium visar endast ett stabilt oxidationstillstånd på +3.

År 1902 föreslog Bohuslav Brauner att det fanns ett då okänt grundämne med egenskaper mellan egenskaperna hos de kända grundämnena neodym (60) och samarium (62); detta bekräftades 1914 av Henry Moseley , som, efter att ha mätt atomnumren för alla då kända grundämnen, fann att atomnummer 61 saknades. 1926 hävdade två grupper (en italiensk och en amerikansk) att de hade isolerat ett prov av element 61; båda "upptäckten" visade sig snart vara falska. 1938, under ett kärnkraftsexperiment utfört vid Ohio State University , producerades några radioaktiva nuklider som verkligen inte var radioisotoper av neodym eller samarium, men det saknades kemiska bevis för att grundämnet 61 producerades, och upptäckten var inte allmänt erkänd . Promethium producerades och karakteriserades först vid Oak Ridge National Laboratory 1945 genom separation och analys av klyvningsprodukterna från uranbränsle bestrålat i en grafitreaktor. Upptäckarna föreslog namnet "prometheum" (stavningen ändrades senare), härlett från Prometheus , Titanen i grekisk mytologi som stal eld från berget Olympen och förde ner den till människor, för att symbolisera "både vågigheten och det möjliga missbruket av mänsklighetens intellekt". Ett prov av metallen gjordes dock först 1963.

De två källorna till naturligt prometium är sällsynta alfa-sönderfall av naturligt europium -151 (som producerar prometium-147) och spontan klyvning av uran (olika isotoper). Promethium-145 är den mest stabila prometiumisotopen, men den enda isotopen med praktiska tillämpningar är promethium-147, vars kemiska föreningar används i självlysande färg , atombatterier och utrustning för tjockleksmätning. Eftersom naturligt prometium är ytterst ont om syntetiseras det vanligtvis genom att bombardera uran-235 ( anrikat uran ) med termiska neutroner för att producera prometium-147 som en klyvningsprodukt .

Egenskaper

Fysikaliska egenskaper

En prometiumatom har 61 elektroner, arrangerade i konfigurationen [ Xe ] 4f ⁵ 6s ² . De sju 4f- och 6s-elektronerna är valens . Vid bildning av föreningar förlorar atomen sina två yttersta elektroner och en av 4f-elektronerna, som tillhör ett öppet underskal. Grundämnets atomradie är den näst största bland alla lantanider men är bara lite större än de för de närliggande elementen. Det är det mest anmärkningsvärda undantaget från den allmänna trenden för sammandragning av lantanidatomer med ökningen av deras atomnummer (se lantanidkontraktion) . Många egenskaper hos prometium är beroende av dess position bland lantanider och är mellanliggande mellan de hos neodym och samarium. Till exempel är smältpunkten, de tre första joniseringsenergierna och hydratiseringsenergin större än de för neodym och lägre än de för samarium; på liknande sätt är uppskattningen för kokpunkten, jonisk (Pm ³⁺ ) radie och standardvärme för bildning av monoatomisk gas större än för samarium och mindre än för neodym.

Promethium har en dubbel hexagonal tätpackad (dhcp) struktur och en hårdhet på 63 kg/mm ² . Denna lågtemperatur alfaform omvandlas till en beta, kroppscentrerad kubisk (bcc) fas vid uppvärmning till 890 °C.

Kemiska egenskaper och föreningar

Prometium tillhör ceriumgruppen av lantanider och är kemiskt mycket lik de närliggande grundämnena. På grund av dess instabilitet är kemiska studier av prometium ofullständiga. Även om ett fåtal föreningar har syntetiserats är de inte helt studerade; i allmänhet tenderar de att vara rosa eller röda till färgen. Behandling av sura lösningar innehållande Pm ³⁺ -joner med ammoniak resulterar i ett gelatinartat ljusbrunt sediment av hydroxid, Pm(OH) ₃ , som är olösligt i vatten. När det löses i saltsyra bildas ett vattenlösligt gult salt, PmCl _{3 ;} på liknande sätt, när det löses i salpetersyra, resulterar ett nitrat, Pm( _NO3 ) ₃ . Den senare är också vällöslig; när den torkas bildar den rosa kristaller, liknande Nd(NO ₃ ) ₃ . Elektronkonfigurationen för Pm ³⁺ är [Xe] 4f ⁴ , och jonens färg är rosa. Grundtillståndstermsymbolen är ⁵ I ₄ . Sulfatet är svagt lösligt, liksom de andra ceriumgruppsulfaterna. Cellparametrar har beräknats för dess oktahydrat; _/ till _slutsatsen Pm2 (SO4 ) ₃ ·8H2O _är att densiteten för 2,86 g ^cm3 . Oxalatet, Pm2 ( C2O4 ₎ 3 _· 10H2O _{, har}_{den lägsta}_lösligheten . av alla lantanidoxalater

Till skillnad från nitratet liknar oxiden motsvarande samariumsalt och inte neodymsaltet. Syntetiserat, t.ex. genom uppvärmning av oxalatet, är det ett vitt eller lavendelfärgat pulver med oordnad struktur. Detta pulver kristalliserar i ett kubiskt gitter vid upphettning till 600 °C. Ytterligare glödgning vid 800 °C och sedan vid 1750 °C omvandlar den irreversibelt till monoklina respektive hexagonala faser, och de två sista faserna kan omvandlas till varandra genom att justera glödgningstiden och temperaturen.

Formel	symmetri	rymdgrupp	Nej	Pearson symbol	a (pm)	b (pm)	c (pm)	Z	densitet, g/cm ³
a-Pm	dhcp	P6 ₃ /mmc	194	hP4	365	365	1165	4	7,26
p-Pm	bcc	Fm 3 m	225	cF4	410	410	410	4	6,99
Pm ₂ O ₃	kubisk	Ia 3	206	cI80	1099	1099	1099	16	6,77
Pm ₂ O ₃	monoklinisk	C2/m	12	mS30	1422	365	891	6	7,40
Pm ₂ O ₃	hexagonal	P 3 m1	164	hP5	380,2	380,2	595,4	1	7,53

Prometium bildar endast ett stabilt oxidationstillstånd, +3, i form av joner; detta är i linje med andra lantanider. Enligt sin position i det periodiska systemet kan elementet inte förväntas bilda stabila +4 eller +2 oxidationstillstånd; behandling av kemiska föreningar innehållande Pm ³⁺ -joner med starka oxiderande eller reduktionsmedel visade att jonen inte lätt oxideras eller reduceras.

Prometiumhalogenider
Formel	Färg	koordinationsnummer _	symmetri	rymdgrupp	Nej	Pearson symbol	mp (°C)
PmF ₃	Lila-rosa	11	hexagonal	P3 cl _	165	hP24	1338
PmCl3 _{_}	Lavendel	9	hexagonal	P63 _/ mc	176	hP8	655
PmBr ₃	Röd	8	ortorombisk	Cmcm	63	oS16	624
a-PmI ₃	Röd	8	ortorombisk	Cmcm	63	oS16	α→β
β-PmI ₃	Röd	6	romboedrisk	R 3	148	hR24	695

Isotoper

Prometium är den enda lantaniden och ett av endast två grundämnen bland de första 82 som inte har några stabila eller långlivade ( ursprungliga ) isotoper. Detta är ett resultat av en sällan förekommande effekt av vätskedroppsmodellen och stabiliteten hos intilliggande elementisotoper; det är också det minst stabila elementet av de första 84. De primära sönderfallsprodukterna är neodym- och samariumisotoper (prometium-146 sönderfaller till båda, de lättare isotoperna i allmänhet till neodym via positronsönderfall och elektroninfångning , och de tyngre isotoper till samarium via beta förfall). Prometiumkärnisomerer kan sönderfalla till andra prometiumisotoper och en isotop ( ^{145 Pm) har ett} mycket sällsynt alfasönderfallsläge till stabil praseodym -141.

Den mest stabila isotopen av grundämnet är prometium-145, som har en specifik aktivitet på 940 Ci / g (35 TBq /g) och en halveringstid på 17,7 år via elektroninfångning . Eftersom den har 84 neutroner (två fler än 82, vilket är ett magiskt tal som motsvarar en stabil neutronkonfiguration), kan den sända ut en alfapartikel (som har 2 neutroner) för att bilda praseodym-141 med 82 neutroner. Det är alltså den enda prometiumisotopen med ett experimentellt observerat alfa-sönderfall . Dess partiella halveringstid för alfasönderfall är cirka 6,3 × 10 ⁹ år, och den relativa sannolikheten för en ¹⁴⁵ Pm kärna att sönderfalla på detta sätt är 2,8 × 10 ⁻⁷ %. Flera andra prometiumisotoper som ¹⁴⁴ Pm, ¹⁴⁶ Pm och ¹⁴⁷ Pm har också en positiv energifrisättning för alfasönderfall; deras alfasönderfall förutsägs inträffa men har inte observerats. Totalt är 41 isotoper av prometium kända, från ¹²⁶ Pm till ¹⁶⁶ Pm.

Grundämnet har också 18 nukleära isomerer, med masstal 133 till 142, 144, 148, 149, 152 och 154 (vissa massnummer har mer än en isomer). Den mest stabila av dem är promethium-148m, med en halveringstid på 43,1 dagar; detta är längre än halveringstiden för grundtillstånden för alla prometiumisotoper, förutom prometium-143 till 147. Faktum är att prometium-148m har en längre halveringstid än dess grundtillstånd, prometium-148.

Förekomst

Uraninite , en uranmalm och värd för det mesta av jordens prometium

1934 rapporterade Willard Libby att han hade funnit svag betaaktivitet i ren neodym, vilket tillskrevs en halveringstid över 10 ¹² år. Nästan 20 år senare hävdades det att grundämnet förekommer i naturligt neodym i jämvikt i mängder under 10 ⁻²⁰ gram prometium per ett gram neodym. Dessa observationer motbevisades dock av nyare undersökningar, eftersom för alla sju naturligt förekommande neodymisotoper är alla enstaka beta-sönderfall (som kan producera prometiumisotoper) förbjudna av energibesparing. Särskilt noggranna mätningar av atommassor visar att massskillnaden ¹⁵⁰ Nd- ¹⁵⁰ Pm är negativ (−87 keV), vilket absolut förhindrar det enstaka beta-sönderfallet på ¹⁵⁰ Nd till ¹⁵⁰ Pm.

1965 separerade Olavi Erämetsä spår av ¹⁴⁵ Pm från ett sällsynt jordartsmetallkoncentrat renat från apatit , vilket resulterade i en övre gräns på 10 ⁻²¹ för förekomsten av prometium i naturen; detta kan ha producerats av den naturliga kärnklyvningen av uran, eller av kosmisk strålning av ¹⁴⁶ Nd.

Båda isotoper av naturligt europium har större massöverskott än summan av de av deras potentiella alfa-döttrar plus den för en alfapartikel; därför kan de (stabila i praktiken) alfasönderfalla till prometium. Forskning vid Laboratori Nazionali del Gran Sasso visade att europium-151 sönderfaller till prometium-147 med en halveringstid på 5 × 10 ¹⁸ år. Det har visat sig att europium är "ansvarigt" för cirka 12 gram prometium i jordskorpan. Alfasönderfall för europium-153 har ännu inte hittats, och dess teoretiskt beräknade halveringstid är så hög (på grund av låg sönderfallsenergi) att denna process förmodligen inte kommer att observeras inom en snar framtid.

Prometium kan också bildas i naturen som en produkt av spontan klyvning av uran-238 . Endast spårmängder kan hittas i naturligt förekommande malmer: ett prov av beckblende har visat sig innehålla prometium i en koncentration av fyra delar per kvintiljon (4 × 10 ⁻¹⁸ ) i massa. Uran är alltså "ansvarigt" för 560 g prometium i jordskorpan .

Prometium har också identifierats i spektrumet av stjärnan HR 465 i Andromeda ; den har också hittats i HD 101065 ( Przybylskis stjärna ) och HD 965. På grund av den korta halveringstiden för prometiumisotoper bör de bildas nära ytan av dessa stjärnor.

Historia

Söker efter element 61

År 1902 fick den tjeckiske kemisten Bohuslav Brauner reda på att skillnaderna i egenskaper mellan neodym och samarium var de största mellan två på varandra följande lantanider i den sekvens som då kändes; som en slutsats föreslog han att det fanns ett element med mellanliggande egenskaper mellan dem. Denna förutsägelse stöddes 1914 av Henry Moseley som, efter att ha upptäckt att atomnummer var en experimentellt mätbar egenskap hos element, fann att ett fåtal atomnummer inte hade några kända motsvarande element: mellanrummen var 43, 61, 72, 75, 85 och 87. Med kunskapen om en lucka i det periodiska systemet började flera grupper söka efter det förutsagda grundämnet bland andra sällsynta jordartsmetaller i den naturliga miljön.

Det första påståendet om en upptäckt publicerades av Luigi Rolla och Lorenzo Fernandes från Florens , Italien. Efter att ha separerat en blandning av några få sällsynta jordartsmetaller nitratkoncentrat från det brasilianska mineralet monazit genom fraktionerad kristallisation, gav de en lösning innehållande mestadels samarium. Denna lösning gav röntgenspektra tillskrivna samarium och element 61. För att hedra sin stad döpte de element 61 till "florentium". Resultaten publicerades 1926, men forskarna hävdade att experimenten gjordes 1924. Även 1926 publicerade en grupp forskare från University of Illinois i Urbana–Champaign, Smith Hopkins och Len Yntema upptäckten av element 61. De döpte den till "illinium", efter universitetet. Båda dessa rapporterade upptäckter visade sig vara felaktiga eftersom spektrumlinjen som "motsvarade" element 61 var identisk med den för didymium ; linjerna som troddes tillhöra element 61 visade sig tillhöra ett fåtal föroreningar (barium, krom och platina).

1934 formulerade Josef Mattauch slutligen isobarregeln . En av de indirekta konsekvenserna av denna regel var att element 61 inte kunde bilda stabila isotoper. Från 1938 genomfördes ett kärnkraftsexperiment av HB Law et al. vid Ohio State University . Nuklider producerades 1941 som inte var radioisotoper av neodym eller samarium, och namnet "cyklonium" föreslogs, men det saknades kemiska bevis för att grundämnet 61 producerades och upptäckten inte till stor del erkänd.

Upptäckt och syntes av prometiummetall

Promethium producerades och karakteriserades först vid Oak Ridge National Laboratory (Clinton Laboratories vid den tiden) 1945 av Jacob A. Marinsky , Lawrence E. Glendenin och Charles D. Coryell genom separation och analys av klyvningsprodukterna från uranbränsle bestrålat i grafiten reaktor ; var dock för upptagna med militärrelaterad forskning under andra världskriget , tillkännagav de inte sin upptäckt förrän 1947. Det ursprungliga föreslagna namnet var "clintonium", efter laboratoriet där arbetet utfördes; dock föreslogs namnet "prometheum" av Grace Mary Coryell, hustru till en av upptäckarna. Det härstammar från Prometheus , Titanen i grekisk mytologi som stal eld från berget Olympen och förde ner den till människor och symboliserar "både vågigheten och det möjliga missbruket av mänsklighetens intellekt". Stavningen ändrades då till "promethium", eftersom detta var i överensstämmelse med de flesta andra metaller.

1963 användes prometium(III)fluorid för att tillverka prometiummetall. Provisoriskt renad från föroreningar av samarium, neodym och americium, placerades den i en tantaldegel som var placerad i en annan tantaldegel; den yttre degeln innehöll litiummetall (10 gånger överskottet jämfört med prometium). Efter att ha skapat ett vakuum blandades kemikalierna för att producera prometiummetall:

PmF ₃ + 3 Li → Pm + 3 LiF

Prometiumprovet som producerades användes för att mäta några av metallens egenskaper, såsom dess smältpunkt .

1963 användes jonbytesmetoder vid ORNL för att framställa cirka tio gram prometium från kärnreaktorbränslebearbetningsavfall.

Prometium kan antingen utvinnas från biprodukterna från uranklyvning eller produceras genom att bombardera ¹⁴⁶ Nd med neutroner , förvandla det till ¹⁴⁷ Nd som sönderfaller till ¹⁴⁷ Pm genom beta-sönderfall med en halveringstid på 11 dagar.

Produktion

Produktionsmetoderna för olika isotoper varierar, och endast de för prometium-147 anges eftersom det är den enda isotopen med industriella tillämpningar. Promethium-147 produceras i stora mängder (jämfört med andra isotoper) genom att uran-235 bombarderas med termiska neutroner. Produktionen är relativt hög, 2,6 % av den totala produkten. Ett annat sätt att producera prometium-147 är via neodym-147, som sönderfaller till prometium-147 med kort halveringstid. Neodymium-147 kan erhållas antingen genom att bombardera anrikat neodym-146 med termiska neutroner eller genom att bombardera ett urankarbidmål med energiska protoner i en partikelaccelerator. En annan metod är att bombardera uranium-238 med snabba neutroner för att orsaka snabb fission, som bland flera reaktionsprodukter skapar prometium-147.

Redan på 1960-talet kunde Oak Ridge National Laboratory producera 650 gram prometium per år och var världens enda storvolymsyntesanläggning. Gram-skala produktion av prometium har avbrutits i USA i början av 1980-talet, men kommer eventuellt att återupptas efter 2010 vid High Flux Isotope Reactor . ^{[ behovsuppdatering ]} 2010 var Ryssland det enda landet som producerade prometium-147 i relativt stor skala.

Ansökningar

Prometium(III)klorid används som ljuskälla för signaler i en värmeknapp

Det mesta prometium används endast för forskningsändamål, förutom prometium-147, som kan hittas utanför laboratorier. Det erhålls som oxid eller klorid, i milligram kvantiteter. Denna isotop avger inte gammastrålar , och dess strålning har ett relativt litet penetrationsdjup i materia och en relativt lång halveringstid.

Vissa signalljus använder en självlysande färg , som innehåller en fosfor som absorberar beta-strålningen som sänds ut av prometium-147 och avger ljus. Denna isotop orsakar inte åldrande av fosforn, som alfastrålare gör, och därför är ljusemissionen stabil under några år. Ursprungligen radium -226 för ändamålet, men det ersattes senare med prometium-147 och tritium (väte-3). Prometium kan gynnas framför tritium av kärnsäkerhetsskäl .

I atombatterier omvandlas beta-partiklarna som avges av prometium-147 till elektrisk ström genom att en liten prometiumkälla placeras mellan två halvledarplattor. Dessa batterier har en livslängd på cirka fem år. Det första prometiumbaserade batteriet monterades 1964 och genererade "några milliwatt effekt från en volym på cirka 2 kubiktum, inklusive skärmning".

Prometium används också för att mäta tjockleken på material genom att utvärdera mängden strålning från en prometiumkälla som passerar genom provet. Den har möjliga framtida användningar i bärbara röntgenkällor och som hjälpvärme- eller kraftkällor för rymdsonder och satelliter (även om alfasändaren plutonium-238 har blivit standard för de flesta rymdutforskningsrelaterade användningar).

Promethium-147 används också, om än i mycket små mängder (mindre än 330nCi), i vissa Philips CFL (Compact Fluorescent Lamp) glödströmbrytare i PLC 22W/28W 15mm CFL-serien.

Försiktighetsåtgärder

Elementet har ingen biologisk roll. Promethium-147 kan sända ut gammastrålar under dess beta-sönderfall , vilket är farligt för alla livsformer. Interaktioner med små mängder prometium-147 är inte farliga om vissa försiktighetsåtgärder iakttas. I allmänhet bör handskar, skoöverdrag, skyddsglasögon och ett yttre lager av lätt avtagna skyddskläder användas.

Det är inte känt vilka mänskliga organ som påverkas av interaktion med prometium; en möjlig kandidat är benvävnaderna . Förseglad promethium-147 är inte farligt. Men om förpackningen är skadad blir prometium farligt för miljön och människor. Om radioaktiv förorening upptäcks ska det kontaminerade området tvättas med vatten och tvål, men även om prometium främst påverkar huden ska huden inte nötas. Om ett prometiumläckage upptäcks ska området identifieras som farligt och evakueras och räddningstjänst måste kontaktas. Inga faror med prometium förutom radioaktiviteten är kända.

Bibliografi

Emsley, John (2011). Naturens byggstenar: En A-Ö-guide till elementen . Oxford University Press. s. 428–430. ISBN 978-0-19-960563-7 .
Lavrukhina, Avgusta Konstantinovna; Pozdnyakov, Aleksandr Aleksandrovich (1966). Аналитическая химия технеция, прометия, астатина и франция (analytisk kemi av teknetium, prometium, astatin och frankium) ( på ryska). Nauka .
2013, ER Scerri, A tale of seven elements, Oxford University Press, Oxford, ISBN 9780195391312

externa länkar

Det är elementärt - Promethium

Prometiumföreningar _
Halider	PmF ₃ PmCl3 _{_} PmBr ₃ PmI ₃
Andra föreningar	Pm ₂ O ₃ Pm2(SO4)3 Pm(OH) ₃ Pm(NO ₃ ) ₃ Pm2(C2O4)3 PmPO ₄