元素週期表中最稀有和最神秘的元素之一在被發現八十年後，終於揭示了一些關鍵的化學秘密。元素週期表。田納西州橡樹嶺國家實驗室的研究人員成為首批使用放射性鉕製造化學“絡合物”的人——這是一種鉕與少量周圍分子結合的化合物。這項合成壯舉使該團隊能夠研究該元素如何在含水溶液中與其他原子結合。該研究結果於5月22日發表在《自然》雜誌上，填補了化學教科書中的一個長期空白，並最終可能為從核廢料中分離鉕等類似元素提供更好的方法。
“這是一項傑作，”加利福尼亞州伯克利勞倫斯伯克利國家實驗室的化學家波莉·阿諾德說，她沒有參與這項研究。
鉕是鑭系元素家族中最難以捉摸的成員，鑭系元素是元素週期表南部區域中一排15種金屬。該元素於1945年被發現，以希臘神話中從諸神那裡盜取火種的泰坦普羅米修斯命名。研究人員估計，目前地球地殼中自然存在的鉕不足1公斤，其輻射 ранее曾被用於為心臟起搏器和航天器供電。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保未來能夠繼續報道關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
鑭系元素與另外幾種金屬一起統稱為稀土元素，其中許多因其在技術領域的應用而備受重視，包括雷射和強力磁鐵。儘管許多稀土元素——與直覺相反——在地殼中含量豐富，但它們分佈稀疏，難以分離。部分原因是它們具有非常相似的化學性質，這使得僅提取一種鑭系元素並將其與其餘元素分離具有挑戰性。
目前的分離方法通常使用稱為配體的分子與溶液中帶正電的鑭系離子結合，形成配位絡合物。然後，化學家可以利用這些絡合物之間的細微差異來分離它們：例如，透過使用有機溶劑選擇性地將絡合物從水中洗脫出來。“但是您需要大量重複分離才能獲得純淨材料，”橡樹嶺化學家伊利亞·波波夫斯說，他是該研究的共同負責人。
對於致力於改進分離方法的研究人員來說，鉕一直像一本封閉的書。化學家僅成功製備了少數幾種鉕化合物，所有這些化合物都是簡單的固體，例如氧化物3——但從未製備出能夠顯示鉕如何在溶液中與分離配體鍵合的絡合物。
鉕被包圍
橡樹嶺的研究人員利用鉕-147填補了這一空白，鉕-147是一種放射性同位素，半衰期約為2.5年，他們從放射性鈽生產過程中產生的廢物中提取了它。像所有其他鑭系元素一樣，鉕傾向於形成帶三重正電荷的離子。
該團隊將這些離子與一種名為雙吡咯烷二甘醇醯胺的配體結合，該配體包含三個富電子的氧原子。三個這樣的配體緊緊地抱住每個鉕離子，生成具有九個鉕-氧鍵的絡合物。
研究人員使用X射線吸收光譜法和理論模擬，測量了這些鍵的平均長度。他們還發現，氧透過提供成對的電子來形成鍵，這些電子整齊地填充了鉕周圍的空能級，即軌道。
“這簡直是難以置信的、精湛的工作，他們能夠做到這一點真是令人印象深刻，”研究鑭系元素及其更重的表親錒系元素的阿諾德說。
完成集合
最後，為了瞭解他們的鉕絡合物與其他鑭系絡合物相比如何，橡樹嶺的研究人員將相同的配體與所有其他鑭系元素結合起來。這產生了溶液中首個可比較的鑭系絡合物的完整集合，並揭示了鑭系-氧鍵的長度如何從左到右，在元素週期表的鑭繫系列中減小——這是稱為鑭系收縮的眾所周知的效應的結果。
在鑭繫系列的每一步，從鑭到鎦，每種元素都會增加一個質子和一個電子。質子新增到原子的原子核中，而電子新增到其軌道中。對於鑭系元素，電子逐漸填充一組特定的電子軌道，稱為 4f 軌道，這些軌道相當彌散，因此不能“遮蔽”原子中其他帶負電的電子免受其原子核不斷增長的正電荷的影響。這使得原子核能夠對某些軌道施加更強的拉力，並使原子收縮的程度超出預期。由於其鑭系絡合物中的配體將電子提供給中心離子的軌道，因此橡樹嶺的研究人員能夠在其新合成的集合中看到鍵長中的鑭系收縮。他們還觀察到，在系列的前半部分，從鑭到鉕，鍵長的減小比系列的後半部分更劇烈。橡樹嶺化學家亞歷山大·伊萬諾夫說，儘管這些結果並非特別令人驚訝，但他是這項工作的共同負責人，“令人興奮的是證實了這種鑭系收縮也存在於溶液中。”
本文經許可轉載，首次發表於2024年5月22日。