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91 镤 稀有的锕系金属元素

本文作者:漂泊

镤是一种稀少的放射性锕系元素,曾被门捷列夫预测为“类钽元素”,实际上镤的性质却并非如此。镤元素有许多具有有趣结构的化合物,如五氟化镤、四茂镤等等。

镤的基本物理性质

分类 第ⅢB族▪锕系金属
原子序号原子量 91 (231.036)
电子配置 5f26d17s2
密度 15.37 g/cm3
熔点 1840 oC
沸点 4027 oC
形状 银灰色金属
半衰期 6.7h (234Pa)  3.276×104 year (231Pa)
发现者 William Crookes
主要的同位素 231Pa, 234Pa
前后的元素 钍-镤-铀

镤的发现

1871年,门捷列夫在发布元素周期表时就预言在钍和铀之间还存在未知的元素。当时锕系元素还没有被发现,钍被放在锆的下方,位于第四族,而铀则位于第六族钨的下方,被预测的新元素则被安排在第五族钽的下方,被称为类钽元素。很长一段时间以来,化学家们都在寻找与钽性质相似的类钽元素,但实际上钽与镤的性质差异很大,因此一无所获。

1903年,William Crookes从铀中分离出了一种强烈的放射性物质,然而他不知道他发现了一个新的化学元素,于是他将其命名为铀-X。William Crookes将硝酸铀酰溶解于乙醚中,发现剩余的水溶液中含有234Th和另一种放射性物质,这种放射性物质其实就是镤(234Pa),但是直到1913年,镤才被确认为是一种新元素。Kasimir Fajans和Oswald Helmuth Göhring在研究238U的衰变链时发现了234Pa。因为234Pa的半衰期仅只有6.7小时,于是他们将这种新元素命名为Brevium(意为短暂或短期)。1917-1918年,德国科学家Otto Hahn、Lise Meitner和Frederick Soddy及英国科学家John Cranston发现了231Pa,半衰期约为3.2万年。他们将这个元素命名为Protoactinium,源于希腊文:意义为之前,首先。

1927年,Aristid von Grosse制备提纯了2毫克的Pa2O5,并于1934年从Pa2O5中首次分离出了0.1毫克单质镤。他采取了两种不同的方法:第一种是利用35 keV的电子束在真空中辐射氧化镤。第二种方法被称为van Arkel–de Boer法,即将氧化镤转化为卤化镤,再在真空利用其他热金属单质置换制备。[1-11]

五氧化二镤

镤的性质

镤是一种稀少的放射性元素,自然界中镤的同位素几乎都是231Pa,这是一种α粒子发射源,通常是由235U衰变产生。而另一种镤的同位素234Pa则是由238U衰变产生,由于234Pa的半衰期极短,因此自然界中几乎观察不到234Pa的存在。

镤是一种密度很大的金属,它在空气中易氧化,与水和酸反应,不与碱反应。

五氟化镤(PaF5)是一种白色晶体,每一个镤离子与七个氟离子配位, 呈五角双锥结构。五氯化镤的结构与五氟化镤相同,但是五氯化镤晶体呈黄色。五氟化镤和五氯化镤都是类似于高分子的长链结构,每一个五角双锥单元通过共用卤素棱边构成长链,长链上五元环上的卤素原子都近似处于一个平面上。通过使氧化镤与三氟化硼或五氟化硼反应可以制备五氟化镤。五氯化镤则可以通过使氧化镤与四氯化碳反应制备。

镤也可以形成很多具有有趣结构的有机配合物。六氯化镤可以与二茂铍反应制得四茂镤,也可以在四氢呋喃中与 K2C8H8反应制备二环辛四烯合镤。 [12-13]

参考文献

  • [1] Emsley, John (2003) [2001]. “Protactinium”. Nature’s Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, England, UK: Oxford University Press. pp. 347–349. ISBN 978-0-19-850340-8.
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  • [3] Fessl, Sophie (2 January 2019). “How Far Does the Periodic Table Go?”. JSTOR. Retrieved 9 January 2019.
  • [4] National Research Council (U.S.). Conference on Glossary of Terms in Nuclear Science and Technology (1957). A Glossary of Terms in Nuclear Science and Technology. American Society of Mechanical Engineers. p. 180. Retrieved 25 July 2015.
  • [5] Crookes, W. (1899). “Radio-Activity of Uranium”. Proceedings of the Royal Society of London. 66 (424–433): 409–423. doi:10.1098/rspl.1899.0120.
  • [6] Johansson, Sven (1954). “Decay of UX1, UX2, and UZ”. Physical Review. 96 (4): 1075–1080. Bibcode:1954PhRv…96.1075J. doi:10.1103/PhysRev.96.1075.
  • [7] Fajans, K. & Gohring, O. (1913). “Über das Uran X2-das neue Element der Uranreihe”. Physikalische Zeitschrift. 14: 877–84.
  • [8] Eric Scerri, A tale of seven elements, (Oxford University Press 2013) ISBN 978-0-19-539131-2, p.67–74
  • [9] Hammond, C. R. (29 June 2004). The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics (81st ed.). CRC press. ISBN 978-0-8493-0485-9.
  • [10] Shea, William R. (1983) Otto Hahn and the rise of nuclear physics, Springer, p. 213, ISBN 90-277-1584-X.
  • [11] von Grosse, Aristid (1928). “Das Element 91; seine Eigenschaften und seine Gewinnung”. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 61 (1): 233–245. doi:10.1002/cber.19280610137.
  • [12] Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth–Heinemann. ISBN 978-0080379418.
  • [13] Starks, David F.; Parsons, Thomas C.; Streitwieser, Andrew; Edelstein, Norman (1974). “Bis(π-cyclooctatetraene) protactinium”. Inorganic Chemistry. 13 (6): 1307. doi:10.1021/ic50136a011.

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