首次成功合成！以元素周期表“第61號(hào)”填補(bǔ)化學(xué)教科書“空白”

出品：科普中國(guó)

作者：石霧遙（生物學(xué)博士）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

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在這個(gè)科技日新月異的時(shí)代，科學(xué)家們對(duì)放射性元素的探索從未停止。元素周期表中第61號(hào)元素--钷，是放射性元素領(lǐng)域研究中的一顆璀璨新星，其獨(dú)特的性質(zhì)引起了全球化學(xué)家的廣泛關(guān)注。

2024年5月24日，《自然》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于首次利用放射性元素钷制造出的一種化學(xué)“復(fù)合物”的成果，這一合成壯舉填補(bǔ)了化學(xué)教科書中一個(gè)長(zhǎng)期存在的空白！這一突破性的進(jìn)展不僅為化學(xué)界帶來了新的研究方向，也為我們理解放射性元素的性質(zhì)和應(yīng)用提供了新的視角。

研究成果發(fā)表于《自然》雜志

（圖片來源：《自然》雜志）

钷“配位復(fù)合物”的合成

钷（Pm），是一種具有放射性的鑭系稀土元素之一，在自然界的含量非常稀少，不足1公斤。钷的性質(zhì)極不穩(wěn)定且具有放射性，它與共存的很多其他稀土元素性質(zhì)類似，因此難以通過常規(guī)的化學(xué)方法將其分離出來。

钷元素

（圖片來源：百度百科）

研究人員發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)放射性钚元素時(shí)，產(chǎn)生的廢料中含有钷-147，根據(jù)其電子排布和核電荷特點(diǎn)，钷傾向于形成帶三重正電荷的離子?；诖颂攸c(diǎn)，科學(xué)家以吡咯烷和二甘醇為單元，通過酰胺鍵連接合成了一種有機(jī)雙吡咯烷二甘醇酰胺配體。在此配體中，有3個(gè)親電子的氧原子。研究人員將此配體與钷離子混合，發(fā)現(xiàn)每個(gè)钷離子可以和3個(gè)配體結(jié)合，形成含有9個(gè)钷-氧鍵的配位復(fù)合物。

钷復(fù)合物的制備（a、純化的Pm化合物；b、水溶液中配體與Pm離子的螯合）

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

研究者進(jìn)一步結(jié)合同步輻射X射線吸收光譜和量子化學(xué)計(jì)算對(duì)合成的钷復(fù)合物進(jìn)行表征。研究者測(cè)量出钷-氧鍵的平均鍵距為2.476 ?，氧提供電子對(duì)與钷形成配位鍵，這些電子對(duì)整齊地填滿了钷周圍的空能級(jí)，使兩者緊密地螯合在一起。此外，研究者對(duì)其他同構(gòu)的鑭系元素絡(luò)合物進(jìn)行完整的結(jié)構(gòu)研究。進(jìn)一步計(jì)算形成的復(fù)合物的鍵長(zhǎng)。結(jié)果表明，雙吡咯烷二甘醇酰胺配體與鑭系元素螯合后，出現(xiàn)了鑭系收縮效應(yīng)，即隨著電子層數(shù)的增加，原子半徑和離子半徑逐漸減小的現(xiàn)象。

钷復(fù)合物被水分子包圍的模擬圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

钷“配位復(fù)合物”合成的意義

高純度钷的提取。通過將钷與配體結(jié)合形成復(fù)合物，可以更有效地從復(fù)雜的溶液或混合物中分離和提取钷。這種復(fù)合物合成的方法為钷的分離和提純提供了一種新的手段，有助于獲得高純度的钷。

钷復(fù)合物在放射發(fā)光領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。通過合成具有特定結(jié)構(gòu)的钷復(fù)合物，可以制備出具有優(yōu)良放射發(fā)光性能的材料。這些材料可以在放射性同位素的射線作用下產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間光輻射的現(xiàn)象，為人工光源的開發(fā)提供了新的思路。

光源

（圖片來源：veer圖庫）

钷還可用于制造放射性同位素電池。通過合成钷復(fù)合物，可以利用其發(fā)出的射線產(chǎn)生熱量，并通過熱電偶將熱能轉(zhuǎn)化為電能。這種電池具有體積小、壽命長(zhǎng)、無需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、軍事設(shè)施等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

電池（圖片來源：veer圖庫）

結(jié)語

放射性钷元素的獨(dú)特性質(zhì)，結(jié)合配位化學(xué)的精確控制，為我們打開了新的科學(xué)大門。钷復(fù)合物的合成在能源、醫(yī)學(xué)、環(huán)保等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。我們期待钷配位復(fù)合物的研究能夠取得更多突破，為人類社會(huì)帶來更多福祉。

參考文獻(xiàn)：

1.Driscoll, D.M., White, F.D., Pramanik, S. et al. Observation of a promethium complex in solution. Nature 629, 819–823 (2024)

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