Prométhium

Prométhium
61 Pm
- ↑ Pm ↓ Np Tableau périodique néodyme ← → promethium samarium
Apparence
métallique
Propriétés générales
Nom, symbole, nombre	promethium, Pm, 61
Prononciation	/ p r ɵ m Je θ Je ə m / pro- MEE -thee-əm
Élément Catégorie	lanthanides
Groupe, période, bloc	n / a, 6, fa
Poids atomique standard	[145]
Configuration électronique	[ Xe ] 4f 6s 2 5 2, 8, 18, 23, 8, 2
Histoire
Découverte	Chien Shiung Wu, Emilio Segre Hans Bethe (1942)
Premier isolement	Charles D. Coryell, Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin, Harold G. Richter (1945)
Nommé par	Grâce Mary Coryell (1945)
Propriétés physiques
Phase	solide
Densité (à proximité rt)	7,26 g · cm -3
Point de fusion	1315 K , 1042 ° C, 1908 ° F
Point d'ébullition	3273 K, 3000 ° C, 5432 ° F
La chaleur de fusion	7,13 kJ · mol -1
Chaleur de vaporisation	289 kJ · mol -1
Propriétés atomiques
États d'oxydation	3 (légèrement oxyde de base)
Électronégativité	? 1,13 (échelle de Pauling)
énergies d'ionisation	1e: 540 kJ · mol -1
	2ème: 1050 kJ · mol -1
	3ème: 2150 kJ · mol -1
Rayon atomique	183 h
Rayon covalente	199 h
Miscellanées
Crystal structure	hexagonal
Ordre magnétique	paramagnétique
Résistivité électrique	( rt) est. 0,75 μΩ · m
Conductivité thermique	17,9 W · m -1 · K -1
Dilatation thermique	( rt) (α, le poly) est. 11 pm / (m · K)
Le module d'Young	(Α formulaire) est. 46 GPa
Module de cisaillement	(Α formulaire) est. 18 GPa
Module Bulk	(Α formulaire) est. 33 GPa
Coefficient de Poisson	(Α formulaire) est. 0,28
Numéro de registre CAS	7440-12-2
La plupart des isotopes stables
Article détaillé: Isotopes de promethium
iso N / A demi-vie DM DE ( MeV) DP 145 Pm syn 17,7 y ε 0,163 145 Nd 146 Pm syn 5,53 y ε 1,472 146 Nd β - 1,542 146 Sm 147 Pm trace 2,6234 y β - 0,224 147 Sm

Promethium, à l'origine prométhéum, est un élément chimique avec le symbole Pm et de numéro atomique 61. Toutes ses isotopes sont radioactifs; il est l'un des deux seuls éléments qui sont suivies dans le tableau périodique par des éléments avec des formes stables, une distinction partagée avec le technétium . Chimiquement, le prométhium est un lanthanide , qui forme des sels en combinaison avec d'autres éléments. Promethium montre un seul état d'oxydation stable de 3; Cependant, quelques deux composés peuvent exister.

En 1902, Bohuslav Brauner a suggéré qu'il y avait un élément ayant des propriétés intermédiaires entre celles des éléments connus néodyme (60) et le samarium (62); cela a été confirmé en 1914 par Henry Moseley qui, après avoir mesuré les numéros atomiques de tous les éléments alors connus, conclu qu'il n'y avait aucun élément de numéro atomique 61. En 1926, un Italien et un groupe américain a affirmé avoir isolé un échantillon de l'élément 61; deux «découvertes» furent bientôt révélées fausses. En 1938, lors d'une expérience menée au nucléaire Ohio State University, quelques nucléides radioactifs ont été produits qui ne étaient certainement pas des radio-isotopes de néodyme ou de samarium, mais il y avait un manque de preuve chimique de cet élément 61 a été produite, et la découverte a été généralement pas reconnus. Promethium a été produite et caractérisée au Oak Ridge National Laboratory en 1945 par la séparation et l'analyse des produits de fission de l'uranium irradiés dans un réacteur à graphite. Les découvreurs ont proposé le nom "prométhéum" (l'orthographe a ensuite été changé), dérivé de Prométhée, le Titan de la mythologie grecque qui a volé le feu de l'Olympe et l'abattit à l'homme, pour symboliser «à la fois l'audace et la mauvaise utilisation possible de l'intelligence de l'humanité." Toutefois, un échantillon de métal a été faite seulement à 1963.

Il ya deux sources possibles pour promethium naturelle: rares désintégrations de naturel europium -151 (production promethium-147), et l'uranium (divers isotopes). Les applications pratiques ne existent que pour les composés chimiques de prométhium-147, qui sont utilisés dans la peinture lumineuse, piles atomiques et des dispositifs de mesure d'épaisseur, même si promethium-145 est un isotope de promethium le plus stable. Depuis promethium naturelle est extrêmement rare, l'élément est généralement synthétisé par bombardant de l'uranium-235 ( uranium enrichi) avec neutrons thermiques pour produire promethium-147.

Propriétés

Propriétés physiques

Un atome de prométhium a 61 électrons, disposés dans la configuration [ Xe ] 4f ⁵ 6s ^2. Dans les composés formant, l'atome perd ses deux électrons ultrapériphériques et l'un des électrons 4f, qui appartient à un sous-shell ouverte. Rayon atomique de l'élément est la troisième plus grande parmi tous les lanthanides, mais ne est que légèrement supérieure à celle des éléments voisins. Ce est la seule exception à la tendance générale de la contraction des atomes avec augmentation de rayon atomique (causé par la lanthanides contraction) qui ne est pas causé par le rempli (ou à moitié plein) 4f-sous-shell.

Beaucoup de propriétés de promethium comptent sur sa position parmi les lanthanides et sont intermédiaires entre celles de néodyme et le samarium. Par exemple, le point de fusion, les trois premières énergies d'ionisation, et l'énergie d'hydratation sont plus grandes que celles de néodyme et inférieurs à ceux de samarium; De même, l'estimation pour le point d'ébullition, ionique (Pm ³⁺⁾ rayon, et la chaleur de formation standard de gaz monoatomique sont supérieures à celles du samarium et moins ceux de néodyme.

Promethium a une à double hexagonal emballé (DHCP) de structure et une dureté de 63 kg / mm ^2. Cette forme alpha à basse température se transforme en une version bêta, (BCC) cubique phase centrée sur le corps lors d'un chauffage à 890 ° C.

Les composés chimiques et les propriétés

Promethium appartient à la de cérium groupe des lanthanides et est chimiquement très similaires aux éléments voisins. En raison de son instabilité, de prométhium études chimiques sont incomplètes. Bien que quelques composés ont été synthétisés, ils ne sont pas complètement étudiées; en général, ils ont tendance à être de couleur rose ou rouge en couleur. Traitement des solutions acides contenant des ions ^de Pm avec ammoniac résultats dans un sédiment brun clair gélatineux d'hydroxyde, Pm (OH) _3, qui est insoluble dans l'eau. Lorsqu'il est dissous dans de l'acide chlorhydrique, un sel jaune soluble dans l'eau, PMCL _3, est produit; De même, lorsqu'il est dissous dans l'acide nitrique, on obtient un nitrate, Pm (NO _{3) 3.} Ce dernier est également bien soluble; lorsqu'il est séché, il forme des cristaux roses, similaire à Nd (NO _{3) 3.} La configuration d'électrons pour Pm ³⁺ est [Xe] 4f ^4, et la couleur de l'ion est rose. L'état terme symbole du sol est ^{de 5} I _4. Le sulfate est légèrement soluble, comme les autres sulfates de groupe de cérium. paramètres cellulaires ont été calculés pour son octahydrate; ils conduisent à la conclusion que la densité de Pm ₂ (SO _{4) 3} · 8 H ₂ O est 2,86 g / cm ^3. L'oxalate, Pm ₂ (C ₂ O _{4) 3} · 10 H ₂ O, a la solubilité la plus faible de toutes les oxalates de lanthanides.

Contrairement au nitrate, le oxyde est similaire au sel de samarium correspondant et non le sel de néodyme. Tel que synthétisé, par exemple par chauffage de l'oxalate, ce est une poudre blanche ou de couleur lavande à structure désordonnée. Cette poudre cristallise dans un réseau cubique lors d'un chauffage à 600 ° C. En outre recuit à 800 ° C, puis à 1750 ° C, il se transforme de façon irréversible à un monoclinique et phases hexagonales, respectivement, et les deux dernières étapes peuvent être convertis entre eux en réglant la durée de recuit et la température.

Formes Promethium seule d'Etat d'oxydation stable, 3, sous la forme d'ions; ce est en ligne avec d'autres lanthanides. Selon sa position dans le tableau périodique , l'élément ne peut pas se attendre à former quatre stable ou deux états d'oxydation; agents de traitement des composés chimiques contenant des ions ^PM avec une forte oxydante ou réductrice ont montré que l'ion ne est pas facilement oxydé ou réduit.

Isotopes

Promethium est le seul lanthanides et un des deux seuls éléments parmi les 82 premières qui n'a pas stable (ou même à long terme) isotopes; ce est le résultat d'une effet de la survenant rarement modèle de goutte de liquide et de stabilités des isotopes de l'élément voisin; il est également l'élément le moins stable de la première 84. Les produits de désintégration primaires sont néodyme et samarium isotopes (promethium-146 se désintègre en deux, les isotopes généralement à néodyme légers via la désintégration de positons et capture d'électrons, et les isotopes plus lourds à samarium par désintégration bêta). Prométhium isomères nucléaires peuvent se décomposer à d'autres isotopes de Promethium et un isotope ⁽¹⁴⁵ Pm) dispose d'un mode de désintégration alpha très rare de praséodyme .

L'isotope le plus stable de l'élément est prométhium-145, qui a une activité spécifique de 940 Ci (35 TBq) / g et une demi-vie de 17,7 années par capture d'électrons. Parce qu'il a 84 neutrons (deux de plus que 82, qui est un nombre magique qui correspond à une configuration stable de neutrons), il peut émettre un particule alpha (qui a deux neutrons) pour former le praséodyme-141 avec 82 neutrons. Ainsi, il est le seul isotope de prométhium avec un observé expérimentalement désintégration alpha. Son demi-vie partielle pour la désintégration alpha est d'environ 6,3 × 10 ⁹ années, et la probabilité relative pour un noyau de ¹⁴⁵ Pm à la pourriture de cette manière est de 2,8 × 10 ^-7%. Plusieurs autres Pm isotopes ⁽¹⁴⁴ Pm, ¹⁴⁶ Pm, ¹⁴⁷ Pm etc.) ont aussi une libération d'énergie positive pour la désintégration alpha; leurs désintégrations alpha sont prévus pour se produire, mais ne ont pas été observées.

L'élément 18 comporte également des isomères nucléaires, avec les nombres de masse de 133 à 142, 144, 148, 149, 152, et 154 (certains nombres de masse ont plus d'un isomère). La plupart d'entre eux est stable prométhium-148m, avec une demi-vie de 43,1 jours; ce est plus que la demi-vie des états fondamentaux de tous les isotopes de Promethium, sauf que pour le prométhium-143-147 (à noter que le prométhium-148m a une demi-vie plus longue que l'état du sol, le prométhium-148).

Occurrence

Pechblende, un minerai d'uranium et l'hôte pour la plupart de la promethium de la Terre

En 1934, Willard Libby trouvé une faible activité bêta dans néodyme pur, qui a été attribuée à une demi-vie de plus de 10 ¹² ans. Près de 20 ans plus tard, il a été affirmé que l'élément se produit dans néodyme naturelle en équilibre dans des quantités inférieures à 10 ^-20 grammes de promethium par un gramme de néodyme. Cependant, ces observations ont été réfutées par des enquêtes récentes, parce que pour les sept isotopes naturels de néodyme, des désintégrations bêta simples (qui peut produire des nucléides Promethium) sont interdites par la conservation de l'énergie. En particulier, des mesures précises de masses atomiques montrent que la différence de masse ¹⁵⁰ Nd ¹⁵⁰ Pm est négatif (-87 keV), qui empêche absolument la désintégration bêta unique de ¹⁵⁰ Nd à ¹⁵⁰ Pm.

Les deux isotopes de l'europium naturelle ont de plus grandes excès de masse que des sommes de ceux de leurs filles alpha potentiels ainsi que d'une particule alpha; par conséquent, ils (stable dans la pratique) peuvent désintégration alpha. Recherche à Laboratoire National del Gran Sasso a montré que l'europium-151 se désintègre expérimentalement promethium-147 avec la demi-vie de 5 × 10 ¹⁸ ans. Il a été montré que l'europium est «responsable» pour environ 12 grammes de promethium dans la croûte de la Terre. Alpha se désintègre pour l'europium-153 ne ont pas encore été trouvé, et sa demi-vie calculée théoriquement est si élevé (en raison de faible énergie de décroissance) que ce processus ne sera probablement jamais observée.

Enfin, le prométhium peut être formée dans la nature en tant que produit de fission spontanée de l'uranium-238. Seules des traces peuvent être trouvés dans les minerais naturels: un échantillon de pechblende a été trouvé pour contenir promethium à une concentration de quatre parties par trillion (10 ¹⁸⁾ en masse. Uranium est donc «responsable» de 560 g promethium dans la croûte terrestre .

Prométhium a également été identifié dans le spectre de l'étoile HR 465 en Andromeda; il a également été trouvé dans HD 101065 ( L'étoile de Przybylski) et HD 965. En raison de la courte demi-vie des isotopes de Promethium, ils devraient être formés près de la surface de ces étoiles.

Histoire

Recherches pour élément 61

En 1902, le chimiste tchèque Bohuslav Brauner a découvert que la différence entre le néodyme et le samarium est le plus grand de tous les lanthanides paires voisines; en guise de conclusion, il a suggéré qu'il y avait un élément avec des propriétés intermédiaires entre eux. Cette prédiction a été soutenue en 1914 par Henry Moseley qui, après avoir découvert que le numéro atomique est un bien expérimentalement mesurables d'éléments, trouvé quelques numéros atomiques avaient aucun élément pour correspondre: les lacunes étaient 43, 61, 72, 75, 85 et 87. Avec la connaissance d'un écart dans le tableau périodique plusieurs groupes ont commencé à rechercher l'élément prédit entre autres terres rares dans le milieu naturel.

La première demande d'une découverte a été publiée par Luigi Rolla et Lorenzo Fernandes Florence, Italie. Après la séparation d'un mélange de quelques-uns des éléments de terre rare nitrate concentré du Brésil minéral monazite par cristallisation fractionnée, ils donné une solution contenant essentiellement du samarium. Cette solution a donné spectres x-ray attribué au samarium et l'élément 61. En l'honneur de leur ville, qu'ils nommèrent élément 61 "florentium." Les résultats ont été publiés en 1926, mais les scientifiques ont affirmé que les expériences ont été réalisées en 1924. Toujours en 1926, un groupe de scientifiques de la Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, Smith Hopkins et Len Yntema publié la découverte de l'élément 61. Ils l'ont appelé "illinium," après l'université. Ces deux découvertes rapportés se sont révélés être erronée parce que la ligne de spectre qui "correspond" à l'élément 61 était identique à celle de didymium; les lignes supposés appartenir à l'élément 61 se est avéré appartenir à quelques impuretés (baryum, le chrome et platine).

En 1934, Josef Mattauch enfin formulé le isobar règle. L'une des conséquences indirectes de cette règle était était cet élément 61 était incapable de former des isotopes stables. En 1938, une expérience nucléaire a été menée par HB Law et al. Au Ohio State University. Les nucléides produits étaient certainement pas des radio-isotopes de néodyme ou de samarium, et le nom "cyclonium" a été proposé, mais il y avait un manque de preuve chimique de cet élément 61 a été produit et la découverte pas largement reconnu.

Découverte et synthèse de promethium métal

Promethium a été produite et caractérisée au Oak Ridge National Laboratory (Laboratoires Clinton à l'époque) en 1945 par Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin et Charles D. Coryell par la séparation et l'analyse des produits de fission de l'uranium combustible irradié dans le réacteur de graphite; Toutefois, étant trop occupé à la recherche liée à l'armée lors de la Seconde Guerre mondiale , ils ne ont pas annoncé leur découverte jusqu'en 1947. Le nom initial proposé était "clintonium", après le laboratoire où le travail a été effectué; Toutefois, le nom "prométhéum" a été suggéré par Grace Mary Coryell, l'épouse de l'un des découvreurs. Il est dérivé de Prométhée, le Titan de la mythologie grecque qui a volé le feu de l'Olympe et l'abattit à l'homme et symbolise "à la fois l'audace et la mauvaise utilisation possible de l'intelligence de l'humanité." L'orthographe a ensuite été changé en "promethium," car ce était plus près en conformité avec d'autres métaux.

• 

  Jacob A. Marinsky

• 

  Lawrence E. Glendenin

• 

  Charles D. Coryell

En 1963, le prométhium (III) fluorure a été utilisé pour faire promethium métal. Provisoirement purifié des impuretés de samarium, le néodyme, et de l'américium, il a été mis dans un tantale creuset qui était situé dans un autre creuset de tantale; le creuset extérieur contient métal lithium (10 fois en excès par rapport à prométhium). Après avoir créé un vide, les produits chimiques ont été mélangés pour produire un métal prométhium:

CMR ₃ + 3 Li → Pm + 3 LiF

L'échantillon de promethium produit a été utilisé pour mesurer quelques-unes des propriétés du métal, telles que son point de fusion .

En 1963, des procédés d'échange d'ions ont été utilisés pour préparer ORNL à environ dix grammes de prométhium déchets de réacteurs nucléaires de traitement de combustible.

Aujourd'hui, le prométhium est toujours récupéré à partir des sous-produits de fission de l'uranium; il peut également être obtenu en bombardant ¹⁴⁶ Nd avec des neutrons , le transformant en ¹⁴⁷ Nd qui se désintègre en ¹⁴⁷ Pm par désintégration bêta avec une demi-vie de 11 jours.

Production

Les méthodes de production des différents isotopes varient, et que seulement pour le prométhium-147 est donnée car il est le seul isotope avec les applications industrielles. Prométhium-147 est produit en grandes quantités (par rapport à d'autres isotopes) en bombardant l'uranium-235 avec des neutrons thermiques. La sortie est relativement élevée, à 2,6% du produit total. Une autre façon de produire le prométhium-147 se fait via le néodyme-147, qui se désintègre à prométhium-147, avec une demi-vie courte. Néodyme-147 peut être obtenu soit en bombardant néodyme-146 avec enrichi neutrons thermiques ou en bombardant une uranium cible de carbure de protons énergétiques dans un accélérateur de particules. Une autre méthode consiste à bombarder l'uranium-238 avec neutrons rapides pour provoquer fission rapide, qui, entre plusieurs produits de réaction, crée promethium-147.

Dès les années 1960, Oak Ridge National Laboratory pourrait produire 650 grammes de promethium par an et était seule installation de synthèse de grande volume du monde. La production Gram-échelle de prométhium a été abandonnée aux États-Unis au début des années 1980, mais sera peut-être repris après 2010 à la High Flux Isotope Reactor. Actuellement, la Russie est le seul pays producteur promethium-147 sur une échelle relativement grande.

Applications

La plupart promethium est utilisé uniquement à des fins de recherche, sauf pour promethium-147, qui se trouve en dehors des laboratoires. Il est obtenu sous forme d'oxyde ou de chlorure, dans les quantités en milligrammes. Cet isotope ne émet pas les rayons gamma, et son rayonnement a une relativement faible profondeur de pénétration dans la matière et une demi-vie relativement longue.

Certains feux de signalisation utilisent un peinture lumineuse, contenant un luminophore qui absorbe le rayonnement bêta émis par le prométhium-147 et émet de la lumière. Cet isotope ne provoque pas de vieillissement de la substance luminescente, comme le font les émetteurs alpha, et par conséquent l'émission de lumière est stable pendant quelques années. À l'origine, le radium -226 a été utilisé à cette fin, mais il a ensuite été remplacé par le prométhium-147 et tritium (hydrogène-3). Promethium peut être favorisée par rapport tritium des raisons de sécurité.

En piles atomiques, les particules bêta émises par le prométhium-147 sont convertis en courant électrique en prenant en sandwich une petite source Pm entre deux plaques de semi-conducteurs. Ces batteries ont une durée de vie utile d'environ cinq ans. La batterie à base de prométhium première a été assemblé en 1964 et a généré "quelques milliwatts de puissance à partir d'un volume d'environ 2 pouces cubes, y compris blindage".

Prométhium est également utilisé pour mesurer l'épaisseur de matériaux en évaluant la quantité de rayonnement d'une source de prométhium qui passe à travers l'échantillon. Il a utilisations futures possibles de sources de rayons X portables, et comme sources de chaleur ou de puissance auxiliaires pour les sondes spatiales et les satellites (bien que l'émetteur alpha plutonium 238 est devenu un standard pour la plupart des utilisations liées à l'espace-exploration).

Précautions

L'élément, comme les autres lanthanides, ne joue aucun rôle biologique. Promethium-147 peut émettre rayons X lors de sa désintégration bêta, qui sont dangereux pour toute forme de vie. Interactions avec d'infimes quantités de promethium-147 ne sont pas dangereux si certaines précautions sont prises. En général, gants, couvertures de chaussures, des lunettes de sécurité, et une couche extérieure de vêtements de protection facilement enlevé devrait être utilisé.

On ne sait pas ce que les organes humains sont touchés par interaction avec promethium; un candidat possible est le tissus osseux. Sealed promethium-147 ne est pas dangereux. Cependant, si l'emballage est endommagé, puis promethium devient dangereux pour l'environnement et les humains. Si la contamination radioactive est trouvée, la zone contaminée doit être lavée avec de l'eau et du savon, mais, même si promethium affecte principalement la peau, la peau ne doit pas être abrasée. Si une fuite de prométhium est trouvée, la zone doit être identifié comme dangereux et évacué, et les services d'urgence doit être contacté. Aucun danger de promethium de côté de la radioactivité sont connus.