元素周期表中最遠元素被誘導成化合物

在被發現近80年后，元素周期表中最稀有、最神秘的元素之一，終于“公開”了一些關鍵的化學秘密。

化學家合成了一種以钷元素(粉紅色)為中心的“配位復合物”。圖片來源：D. M. Driscoll et al./Nature

據《自然》報道，美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員首次使用放射性钷制造出一種化學“復合物”，這種化合物與周圍的一些分子結合在一起。這一合成壯舉使該研究團隊能夠研究這種元素是如何在水溶液中與其他原子結合的。5月22日發表于《自然》的這一研究填補了化學教科書中一個長期存在的空白，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。

“這是一項杰作。”未參與這項研究的美國勞倫斯伯克利國家實驗室化學家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年被發現。研究人員估計，目前地殼中天然存在的這種物質不到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上的應用——比如激光和強力磁鐵而受到珍視。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性質，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挑戰。

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合，形成配位復合物。然后，化學家可以利用這些復合物之間的細微差別來分離它們。例如，通過使用有機溶劑選擇性地將復合物從水中洗出。“但你需要進行很多次分離，才能得到純凈的物質。”這項研究的共同負責人、橡樹嶺國家實驗室化學家Ilja Popovs說。

對于致力于改進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合的復合物。

橡樹嶺國家實驗室的研究人員利用钷-147填補了這一空白。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過程中產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合，這種配體含有3個富電子的氧原子。其中3個配體與每個钷離子結合，生成了含有9個钷-氧鍵的復合物。

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。他們還發現，氧通過提供電子對來形成鍵，這些電子對整齊地填滿了钷周圍的空能級。

“這是一項非常困難、技巧高超的工作，他們能夠做到這一點真的令人印象深刻。”Arnold說。

最后，為了觀察钷復合物是如何與其他鑭系元素復合物相結合的，研究人員將相同的配體與所有其他鑭系元素結合在一起。這產生了溶液中類似鑭系化合物的第一個完整集合，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的結果。