神秘的61號元素：解開鈼的化學之謎

更新于：2025-04-06 16:40:00

在元素週期表中，鑭系元素指的是原子序數從57到71的15種元素的總稱。科學家已經對幾乎所有鑭系元素進行了廣泛研究，並應用在諸多現代技術中，例如鐳射、風力渦輪機、電動汽車、X射線螢幕，甚至是一些抗癌藥物。然而，鉐（Promethium），元素符號定為Pm，這個位於週期表中第61號的鑭系元素，卻在實驗研究中明顯缺席了。長期以來，研究人員都對它的基本化學性質知道的非常有限。

直到2024年5月22日，《自然》雜誌發佈了一項突破性研究，科學家成功合成了一種包含鈷離子的配位化合物。這一發現不僅填補了實驗研究中的空白，還為鑭系元素的全面實驗對比提供了關鍵數據。

鉐的故事可以追溯到1902年。當時，化學家Bohuslav Brauner提出，元素釹（Nd）和釨（Sm）之間可能存在著一個新的元素，這是因為它們的原子量差異比鑭系元素中任何其他相鄰元素的差異都大得多。然而，直到1945年，科學家們通過核反應分析才首次確認了原子序數為61的鉐。

雖然鈼可以通過核反應合成，但自然存在的鈼極為稀少——在地球上的任何時刻，自然存在的鈼只有幾百克。事實上，鉯是鑭系元素中唯一沒有穩定同位素的元素，這意味著所有鈼的同位素都會自然衰變為其他元素。鉐-145和鉐-147是兩種常見的鈼同位素。其中，鉐-145的半衰期最長，為17.7年；而鈼-147的半衰期為2.6年。钷-147因為其適中的半衰期，廣泛應用於放射治療和核電池中。

在這項研究中，為了更好地研究鈼的化學結構，研究人員首先需要在水溶液中穩定鉐離子（Pm³⁺）。由於鉐的高活性，它極易在水中與其他物質反應，因此他們使用了一種名為PyDGA（bispyrrolidine diglycolamide）的水溶性配體。這種配體分子通過與金屬離子結合，形成配位化合物，從而有效穩定了鈼離子，避免其與水中的其他物質發生反應。

圖：PyDGA配體與鈼離子結合，會形成穩定的鈼配位化合物[Pm(PyDGA)₃]³⁺

接著，研究人員利用同步輻射光源進行了X射線吸收光譜分析。這種技術通過照射樣品並測量樣品對X射線的吸收情況，可以精確地揭示樣品中的原子結構。不同元素吸收特定能量的X射線，因此研究人員能夠藉此識別樣品中的元素並分析它們的排列方式。通過這項技術和量子化學計算，他們揭示了鈼配位化合物的一些關鍵化學性質。例如，他們發現了鈼是如何與周圍氧原子結合的，並首次精確測量了鈷與氧原子的化學鍵長。

在此次研究中，研究人員不僅研究了鈷配位化合物，還將同樣的配體與其他鑭系元素（比如最輕的鑭和最重的鑮）結合。然後，他們測量了每種鑭系離子與配體中氧原子之間的化學鍵長。這個鍵長反映了配位化合物中離子的半徑。結果顯示，從鑭到鑮，隨著原子序數的增加，鍵長會逐漸變短。這種現象被稱為鑭系元素收縮。

換句話說，鑭系元素收縮指的是鑭系元素隨著原子序數增加，其離子半徑逐漸減小的現象。這種現象在過去主要依賴於理論計算和間接實驗推測。此次研究是首次通過直接實驗數據證實了這一現象，填補了鑭系元素研究中的重大空白。