在發(fā)現(xiàn)近80年后，元素周期表中最稀有、最神秘的一種元素，終于公開了一些關(guān)鍵的化學(xué)秘密。

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(xué)“復(fù)合物”——與周圍的一些分子結(jié)合在一起的化合物。這一合成壯舉使科學(xué)家能夠研究該元素如何在水溶液中與其他原子結(jié)合。5月22日發(fā)表于《自然》的這一成果填補了化學(xué)教科書中的一個長期空白，并有望找到從核廢料中分離钷和類似元素的更好方法。

“這是一項杰作?！蔽磪⑴c該研究的美國勞倫斯·伯克利國家實驗室化學(xué)家Polly Arnold說。

1945年發(fā)現(xiàn)的钷是由15種金屬組成的鑭系元素家族中最難以捉摸的成員。研究人員估計，目前地殼中天然存在的钷不到1公斤，它此前已被用于為心臟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，其中許多元素因在激光和強力磁鐵等技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用而備受青睞。盡管許多稀土元素在地殼中含量豐富，但它們很難被分離出來。部分原因是它們具有非常相似的化學(xué)性質(zhì)，這使得僅提取一種鑭系元素并與其他元素分離成為一項挑戰(zhàn)。

目前的分離方法通常將被稱為配體的分子與溶液中帶正電的鑭系離子結(jié)合，形成配位絡(luò)合物，然后利用這些復(fù)合物之間的細微差別將它們分離。例如，使用有機溶劑有選擇性地將復(fù)合物從水中洗出來?！暗M行很多次分離才能得到純凈的提取物?！痹撗芯抗餐撠?zé)人、橡樹嶺國家實驗室化學(xué)家Ilja Popovs說。

對于致力于改進分離方法的研究人員來說，他們只成功制造了少量的钷化合物，并且都是簡單的固體，比如氧化物。但科學(xué)家從來沒有合成出能夠顯示钷如何在溶液中與分離配體結(jié)合的復(fù)合物。

在這項研究中，橡樹嶺國家實驗室的科學(xué)家利用钷-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，他們從生產(chǎn)放射性钚產(chǎn)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3個正電荷的離子。

研究小組將這些離子與一種叫作雙吡咯烷二醇酰胺的配體結(jié)合，這種配體含有3個富電子氧原子。3個配體與每個钷離子相結(jié)合，生成了含有9個钷-氧鍵的復(fù)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。他們發(fā)現(xiàn)，氧通過提供電子對來形成化學(xué)鍵，這些電子對整齊地填充在钷周圍的空能級，即所謂軌道上。

“這是一項非常困難、技巧高超的工作。”Arnold說。

最后，為了觀察钷復(fù)合物是如何與其他鑭系元素復(fù)合物結(jié)合的，研究人員將相同的配體與所有其他鑭系元素結(jié)合在一起。這產(chǎn)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(yīng)的結(jié)果。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07267-6