稀土元素钷被发现近 80 年后，其特性被揭示

我们对元素化学的理解存在很大差距，这一差距终于得到了部分填补。

被有机配体包围的小瓶中钷的概念图像，用于研究其化学性质。

图片来源：Jacquelyn DeMink，艺术； Thomas Dyke，摄影/ORNL，美国能源部

这种化学性质在很大程度上不为人所知的稀土元素现在不再那么神秘了。尽管钷本身不太可能像元素周期表上的邻居那样对社会变得重要，但有关它的信息可能有助于我们更好地获取其他元素。

不幸的是，“稀土元素”这一类别最近造成了一些混乱，因为其中许多元素变得更加重要。例如，钕有助于制造最强的永磁体，使其成为清洁能源革命的宝贵商品。稀土元素被贴上稀土元素的标签，让人觉得稀土元素可能不足以满足我们的需求，但实际上，它在地壳中几乎和铜一样常见，而且比铅还要多得多。

钷则不然，它是地球上最稀有的元素之一，甚至在一些超铀元素的背后，这些超铀元素曾经被认为在我们制造出来之前并不存在。因此，钷直到 1945 年才被发现，而且一直供应短缺，对其化学成分的研究很少。

现在，首次发现钷的橡树岭国家实验室 (ORNL) 正在寻求改变这一现状。亚历克斯·伊万诺夫博士在一份声明中说：“整个想法是探索这种非常罕见的元素以获得新知识。” “一旦我们意识到它是在这个国家实验室和我们工作的地方发现的，我们就感到有义务进行这项研究以维护橡树岭国家实验室的遗产。 ” ORNL 团队是第一个在解决方案中表征钷的团队。

该团队纯化了钚生产过程中产生的废品钷147。

考虑到它的名字来源于神话人物，研究小组将钷与称为二甘醇酰胺配体的有机分子结合，并使用 X 射线光谱法测量钷与其邻居之间的键长。然后，该团队对所有其他镧系元素的 3+ 离子做了同样的事情，以进行比较。

通过这种方式，他们能够证实，像它的邻居一样，钷原子经历了一种被称为“镧系元素收缩”的现象，这种现象比大多数其他原子更紧密地将电子与原子核包裹在一起。这是汞在室温下是唯一液态元素的原因之一。

由于所有其他镧系元素都会经历这种收缩，钷也会发生这种收缩也就不足为奇了，但每种元素的收缩程度并不相同。伊万诺夫说：“这种化学键的收缩沿着这个原子系列加速，但在钷之后，它的收缩速度大大减慢。”因此，在不测量收缩的情况下，我们不知道钷是否更像其左侧的钕或右侧的钐。 

然而，它比其他镧系元素要稀有得多，因为它的同位素的半衰期都不超过 17.7 年。构成地球大部分的原子在超新星中形成数十亿年后，什么也没有剩下。地球上存在微量自然量的唯一原因是由于像 Nd-146 这样的罕见事件被宇宙射线击中。其他所有镧系元素都至少有一种稳定同位素。 

“因为没有稳定的同位素，钷是最后被发现的镧系元素，也是最难研究的，”伊利亚·波波夫斯博士说。

其他 14 种镧系元素的化学性质众所周知，事实上它们非常相似，因此从同一矿石中开采时很难将它们分开。橡树岭国家实验室团队认为他们的工作将对此有所帮助。了解每个元素的收缩细节将有助于更轻松地确定将它们分开的方法，以满足不断增长的需求。

“有数千篇关于不含钷的镧系元素化学的出版物。这对所有科学来说都是一个明显的差距，”圣·詹索内-波波娃博士说。 “科学家必须假设它的大部分特性。现在我们可以实际测量其中的一些。 ”

该研究在 Nature 上是开放获取的。