元素

93 镎 以海王星命名的元素

本文作者:漂泊

镎是是第一个被发现的人工合成的超铀元素,为奠定现代元素周期系和建立锕系元素奠定了基础。镎的名称来源于海王星,它差不多和海王星是同时发现的。此外,由于镎具有五种氧化态,这也直接导致镎离子在溶液中具有不同的水合结构,因而溶液五颜六色,非常美丽。

镎的基本物理性质

分类 第ⅢB族▪锕系金属
原子序号原子量 93 (237)
电子配置 5f46d17s2
密度 18.0~20.45 g/cm3
熔点 640 oC
沸点 3902 oC
形状 银白色金属
半衰期 2.35天 (239Np)
发现者 Edwin McMillan, Philip H. Abelson
主要的同位素 239Np
用途例 核武器(理论)
前后的元素 铀-镎-钚

镎的发现

化学家们寻找93号元素的工作早在20世纪20年代里就已经开始了。当时这个元素被预测具有与锰相似的性质,所以曾有科学家试图从软锰矿中发现这一元素,但没有成功。在1932年之前,还有很多科学家们认为比铀更重的元素是不存在的,尽管当时的核理论并没有表明这些元素是不存在的,但确实也没有证据证明它们存在。直到1932年中子被查德威克发现。

1930年,德国物理学家博特和贝克尔发现金属铍在α粒子轰击下,会产生一种贯穿性很强的辐射,当时他们认为这是一种高能量的硬γ射线。1932年居里夫妇重复了这一实验,他们惊奇地发现,这种硬γ射线的能量大大超过了天然放射性物质发射的γ射线的能量。同时他们还发现,用这种射线去轰击石蜡,会轰击出质子。他们把这种现象解释为一种康普顿效应。但是打出的质子能量高达5.7MeV,按照康普顿公式,入射的γ射线能量至少应为50MeV,这在理论上是解释不通的。查德威克重复了这一实验,他用α粒子轰击铍,再用铍产生的射线轰击氢、氮,结果打出了氢核和氮核。由此,他断定这种射线不可能是γ射线。因为γ射线不具备将从原子中打出质子所需要的动量。他认为铍放出的射线应该是一种质量跟质子差不多的中性粒子,他用仪器测量了被打出的氢核和氮核的速度,并由此推算出了这种新粒子的质量。其质量与氢核相近。这种新粒子由于不带电,故被称为中子。后来更精确的实验测出,中子的质量非常接近于质子的质量,只比质子质量约大千分之一。中子的发现开辟了一种研究元素的新方法,科学家们开始利用中子轰击其他元素进行研究。

1939年春,美国劳伦斯国家实验室的科学家Edwin McMillan开始利用回旋加速器加速中子轰击铀,并对轰击铀产生的碎片进行研究,由于这些碎片之间会因为电性的原因产生巨大的排斥力,因此它们会相互分离,所以可以对产生的碎片进行单独分析。尽管他们没有从中发现任何值得注意的东西,但是他们很快发现所使用的三氧化铀标靶中存在两种具有不同半衰期的物质,其中一种半衰期为23分钟的物质很快被确认为239U。另一种半衰期为2.3天的物质则是未知的。于是Edwin McMillan开始寻求他的同事化学家Emilio Segrè帮助分离这种未知的放射性物质。当Emilio Segrè将该物质与HF反应时,得到了一种近似稀土的物质,他们认为这是一种裂变产物,但是始终无法确定它究竟是什么。

1940年初,化学家Philip H. Abelson帮助Edwin McMillan终于成功分离了该物质,(这种物质就是239Np)它的性质与已知的所有元素都不一样,与铀更加相似,而不是和稀土性质相似。因此毫无疑问地证明了已经发现了一种新元素。McMillan和Abelson于1940年5月27日在《Physical Review》上发表了一篇名为“放射性元素93”的论文,讨论他们的研究结果。当时他们并没有给这种新元素命名,但海王星的发现给了他们答案,他们用海王星的名字(Neptune)来命名它为neptunium,元素符号定为Np。

镎的发现为超铀元素中其他元素的发现闯开了道路,为奠定现代元素周期系和建立锕系元素奠定了基础。它是第一个被发现的人工合成的超铀元素。

在自然界中的铀矿中,238U会先捕获中子成为239U,再透过β衰变成为239Np。由于239Np半衰期极短,所以在自然界中只有在铀矿中有极微量的镎存在。[1-5]

五颜六色的镎离子溶液

镎有五种可能的氧化态,(从+3到+7),不同氧化态的稳定程度与所处环境有很大关系,例如酸碱性、配位情况等等。在酸性溶液中,镎离子的存在形式有Np3+, Np4+, NpO2+, NpO22+, 和NpO3+. 在中性溶液中有 Np(OH)3, NpO2, NpO2OH, NpO2(OH)2和NpO53−。 Np3+ 和 Np4+ 很容易被还原为NpO2+ 和NpO22+

Np4+ + NpO22+ + 2 H2O⇌2 NpO2+ + 4 H+

Np 3+以水合络合物的形式存在于酸性溶液Np(H2O)n 3+ ,它通常是深蓝色或紫色的;Np 4+在酸性溶液中为淡黄绿色,以水合配合物形式存在(Np(H2O)n 4+ );NpO2在水溶液中呈蓝绿色,是最为稳定的镎离子;NpO2 2+ 在酸性溶液中呈浅粉红色或带红色;Np(VII)在强碱性溶液中为深绿色。虽然它的化学式在碱性溶液常常被视为NPO53- ,这是一个简化的结构,其真实结构可能是 [NpO4(OH) 2]3−[6-8]

五颜六色的镎离子溶液

参考文献

  • [1] Segrè, Emilio (1939). “An Unsuccessful Search for Transuranium Elements”. Physical Review. 55 (11): 1104–5. Bibcode:1939PhRv…55.1104S. doi:10.1103/PhysRev.55.1104.
  • [2] Mcmillan, Edwin; Abelson, Philip (1940). “Radioactive Element 93”. Physical Review. 57 (12): 1185–1186. Bibcode:1940PhRv…57.1185M. doi:10.1103/PhysRev.57.1185.2.
  • [3] Seaborg, G. T. (1994). “Ch. 118. Origin of the actinide concept”. In K. A. Gschneidner, Jr.; L, Eyring; G. R. Choppin; G. H. Landet (eds.). Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths. 18 – Lanthanides/Actinides: Chemistry. Elsevier. pp. 4–6, 10–14.
  • [4] Clark, David L.; Hecker, Siegfried S.; Jarvinen, Gordon D.; Neu, Mary P. (2006). “Neptunium”. In Morss, Lester R.; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean (eds.). The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements (PDF). 3 (3rd ed.). Dordrecht, the Netherlands: Springer. p. 814. doi:10.1007/1-4020-3598-5_7. ISBN 978-1-4020-3555-5.
  • [5] Glenn T. Seaborg (September 1981). “The plutonium story”. Lawrence Berkeley Laboratory, University of California. LBL-13492, DE82 004551.
  • [6] “Periodic Table Of Elements: LANL – Neptunium”. Los Alamos National Laboratory. Retrieved 2013-10-13.
  • [7]Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. p. 1265. ISBN 978-0-08-037941-8.
  • [8] Yoshida, Zenko; Johnson, Stephen G.; Kimura, Takaumi; Krsul, John R. (2006). “Neptunium”. In Morss, Lester R.; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean (eds.). The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements (PDF). 3 (3rd ed.). Dordrecht, the Netherlands: Springer. pp. 699–812. doi:10.1007/1-4020-3598-5_6. ISBN 978-1-4020-3555-5. Archived from the original (PDF) on Jan 17, 2018.

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