行業(yè)資訊
元素周期表中最遠(yuǎn)元素被誘導(dǎo)成化合物 化學(xué)家首次用放射性钷完成合成壯舉
在被發(fā)現(xiàn)近80年后，元素周期表中最稀有、最神秘的元素之一，終于“公開”了一些關(guān)鍵的化學(xué)秘密。
化學(xué)家合成了一種以钷元素(粉紅色)為中心的“配位復(fù)合物”。圖片來源：D. M. Driscoll et al./Nature
據(jù)《自然》報(bào)道，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員首次使用放射性钷制造出一種化學(xué)“復(fù)合物”，這種化合物與周圍的一些分子結(jié)合在一起。這一合成壯舉使該研究團(tuán)隊(duì)能夠研究這種元素是如何在水溶液中與其他原子結(jié)合的。5月22日發(fā)表于《自然》的這一研究填補(bǔ)了化學(xué)教科書中一個(gè)長期存在的空白，并有望最終帶來更好的方法，從核廢料中分離钷和類似元素。
“這是一項(xiàng)杰作。”未參與這項(xiàng)研究的美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家Polly Arnold說。
钷是由15種金屬組成的鑭系元素家族中最難以捉摸的成員，于1945年被發(fā)現(xiàn)。研究人員估計(jì)，目前地殼中天然存在的這種物質(zhì)不到1公斤，其輻射此前已被用于為起搏器和航天器提供動(dòng)力。
鑭系元素與其他幾種金屬元素一起被稱為稀土元素，其中許多元素因其在技術(shù)上的應(yīng)用——比如激光和強(qiáng)力磁鐵而受到珍視。盡管許多稀土元素在地殼中含量豐富，但它們分布很薄，很難分離。部分原因是它們具有非常相似的化學(xué)性質(zhì)，這使得僅提取一種鑭系元素并將其與其他元素分離成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
目前的分離方法通常使用被稱為配體的分子與溶液中帶正電的鑭系元素離子結(jié)合，形成配位復(fù)合物。然后，化學(xué)家可以利用這些復(fù)合物之間的細(xì)微差別來分離它們。例如，通過使用有機(jī)溶劑選擇性地將復(fù)合物從水中洗出。“但你需要進(jìn)行很多次分離，才能得到純凈的物質(zhì)。”這項(xiàng)研究的共同負(fù)責(zé)人、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家Ilja Popovs說。
對(duì)于致力于改進(jìn)分離方法的研究人員來說，钷一直是一本封閉的書。他們只成功制造了少量的钷化合物——都是簡單的固體，比如氧化物，但從來沒有制造出能顯示钷在溶液中如何與分離配體結(jié)合的復(fù)合物。
橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員利用钷-147填補(bǔ)了這一空白。钷-147是一種半衰期約為2.5年的放射性同位素，研究人員從放射性钚生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢料中收集到钷-147。像所有其他鑭系元素一樣，钷傾向于形成帶三重正電荷的離子。
研究小組將這些離子與一種叫做雙吡咯烷二醇酰胺的配體結(jié)合，這種配體含有3個(gè)富電子的氧原子。其中3個(gè)配體與每個(gè)钷離子結(jié)合，生成了含有9個(gè)钷-氧鍵的復(fù)合物。
利用X射線吸收光譜和理論模擬，研究人員測量了這些鍵的平均長度。他們還發(fā)現(xiàn)，氧通過提供電子對(duì)來形成鍵，這些電子對(duì)整齊地填滿了钷周圍的空能級(jí)。
“這是一項(xiàng)非常困難、技巧高超的工作，他們能夠做到這一點(diǎn)真的令人印象深刻。”Arnold說。
最后，為了觀察钷復(fù)合物是如何與其他鑭系元素復(fù)合物相結(jié)合的，研究人員將相同的配體與所有其他鑭系元素結(jié)合在一起。這產(chǎn)生了溶液中類似鑭系化合物的第一個(gè)完整集合，并揭示了在元素周期表鑭系元素系列中，鑭系-氧鍵的長度是如何從左到右減少的——這是眾所周知的鑭系收縮效應(yīng)的結(jié)果。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07267-6
