Prometij

Češki hemičar Bohuslav Brauner je 1902. otkrio da su razlike u osobinama između neodija i samarija najveće među bilo koja dva uzastopna lantanoida u tada poznatom nizu. Kao zaključak on je predložio da između njih postoji još jedan element sa osobinama koje se negdje između ta dva elementa.^[4] Ovu procjenu podržao je Henry Moseley 1914. godine koji je otkrio da je atomski broj zapravo osobina nekog elementa koju je moguće eksperimentalno izmjeriti, te je pronašao nekoliko atomskih brojeva koji ne odgovaraju niti jednom poznatom elementu u to vrijeme. Prema njegovim izračunima, postojale su praznine kod atomskih brojeva 43, 61, 72, 75, 85 i 87.^[5] Saznavši za ove praznine u periodnom sistemu, brojne grupe naučnika počele su potragu za pretpostavljenim elementima u sastavu drugih rijetkih zemalja iz prirodnog okruženja.^[6]

Prvi izvještaj o otkriću objavili su italijanski hemičari Luigi Rolla i Lorenzo Fernandes u Firenci. Nakon što su frakcijskom kristalizacijom izdvajali mješavinu koncentriranih nitrata nekoliko rijetkih zemnih elementata iz uzorka minerala monacita iz Brazila, dobili su rastvor koji je pretežno sadržavao samarij. Taj rastvor dao je spektar x-zraka koji su pripisani samariju i elementu 61. U čast svog grada, elementu 61 dali su naziv "firencij" (florentium). Rezultate su objavili 1926. mada su naučnici tvrdili da su eksperimente obavili dvije godine ranije.^{[7][8][9][10][11][12]} Također 1926. godine, grupa naučnika sa Univerziteta Illinios iz Urbana-Champaign, Smith Hopkins i Len Yntema su objavili otkriće elementa 61. Dali su mu naziv "ilinij" (illinium) prema imenu univerziteta.^[13][14][15] Međutim, za oba ova navodna otkrića kasnije se ispostavilo da su netačna jer su spektralne linije za koje se mislilo da su u korespodenciji sa elementom 61 bile identične onima didimija (smjese prazeodija i neodija), a za linije koje se mislilo da pripadaju elementu 61 ispostavilo se da pripadaju sadržanim primjesama (barij, hrom i platina).^[6]

Napokon 1934. Josef Mattauch je formulirao izobarno pravilo. Jedna od indirektnih posljedica ovog pravila bila je ta da element 61 ne može imati stabilnih izotopa.^[6][16] Godine 1938. H. B. Law sa saradnicima na Državnom univerzitetu Ohio izveli su nuklearni eksperiment. Dobijeni nuklidi 1941. godine nisu bili radioizotopi neodija ili samarija, te je za novi element predložen naziv "ciklonij", ali zbog nedostataka hemijskih dokaza da je dobijen element 61, priznanje ovog otkrića u svjetskoj nauci je izostalo.^[17]

Tek 1945. u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridge (u to vrijeme "Clinton Laboratories") grupa naučnika Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin i Charles D. Coryell izdvojili su i analizirali proizvode fisije uranijevog goriva kojeg su izložili radijaciji u grafitnom reaktoru. Međutim, pošto su bili isuviše zauzeti zbog vojnih istraživanja tokom Drugog svjetskog rata, svoje otkriće nisu objavili sve do 1947.^[18][19] Prvobitno predloženo ime za element 61 bilo je "klintonij", prema laboratoriji gdje su istraživanja obavljena. Međutim, naziv "prometeum" (prometheum) predložila je Grace Mary Coryell, supruga jednog od naučnika.^[17] To ime je izvedeno iz imena Prometeja, jednog od Titana iz grčke mitologije koji je ukrao vatru sa planine Olimp i donio je ljudima^[17] što simbolizira "istovremeno i smjelu i moguću zloupotrebu ljudskog znanja".^[20] Pisanje imena se kasnije neznatno promijenilo u današnje "prometij" (promethium), radi usklađivanja sa imenima većine drugih metala.^[17]

Fizičke

Prometij ima 61 elektron u atomu, koji imaju konfiguraciju [Xe]4f⁵6s².^[2] Pri građenju spojeva, njegov atom gubi dva vanjska, najudaljenija elektrona te jedan od 4f-elektrona, koji pripadaju otvorenoj podljusci. Atomski radijus elementa je treći najveći među svim lantanoidima ali je samo neznatno veći od radijusa susjednih elemenata.^[2] On je jedini izuzetak od općeg trenda kontrakcije atoma uz povećanje atomskog radijusa (uzrokovanog kontrakcijom lantanoida^[21]) što nije uzrokovano popunjenom (ili polovično popunjenom) 4f-podljuskom.

Mnoge osobine prometija zasnivaju se na njegovom mjestu među lantanoidima te su pretežno između osobina neodija i samarija. Naprimjer, tačka topljenja, prve tri energije ionizacije i energija hidracije su veće nego one kod neodija ali niže nego kod samarija;^[2] slično tome, pretpostavljena tačka ključanja, ionski (Pm³⁺) radijus i standardna toplota formiranja jednoatomnog gasa su više nego kod samarija, ali niže nego kod neodija.^[2]

Prometij ima dvostruku heksagonalnu gusto pakovanu (dhcp) strukturu te tvrdoću od 63 kg/mm².^[22] Ova niskotemperaturna alfa forma prelazi u beta, prostorno-centriranu kubičnu (bcc) fazu pri zagrijavanju na 890 °C.^[23]

Hemijske

Prometij pripada lantanoidnoj grupi cerija te je hemijski vrlo sličan susjednim elementima iz periodnog sistema.^[24] Zbog njegove nestabilnosti, hemijske studije o prometiju nisu potpune. Čak iako je dobijeno nekoliko njegovih spojeva, oni nisu sveobuhvatno proučeni, mada općenito uglavnom su ružičaste i crvene boje.^[25][26] Tretiranjem amonijakom kiselih rastvora u kojem su sadržani ioni Pm³⁺ dobija se želatinozna svijetlo smeđa naslaga hidroksida, Pm(OH)₃, koji nije rastvorljiv u vodi.^[27] Kada se rastvori u hlorovodičnoj kiselini, nastaje rastvorljiva žuta so PmCl₃.^[27] Slično tome, pri otapanju u dušičnoj kiselini dobija se nitrat Pm(NO₃)₃. Nitrat je također dobro rastvorljiv, a nakon sušenja i uklanjanja vode formiraju se ružičasti kristali, slični Nd(NO₃)₃.^[27] Elektronska konfiguracija iona Pm³⁺ je [Xe] 4f⁴, a oni su ružičaste boje. Simbol spektralnog terma stabilnog stanja je ⁵I₄.^[28] Sulfat je slabo rastvorljiv, kao i sulfati drugih elemenata grupe cerija. Parametri ćelije su izračunati za njegov oktahidrat. Oni navode na zaključak da je gustoća Pm₂(SO₄)₃·8 H₂O oko 2,86 g/cm³.^[29] Oksalat prometija, Pm₂(C₂O₄)₃·10 H₂O, ima najnižu rastvorljivost među svim oksalatima lantanoida.^[30]

Za razliku od nitrata, prometij-oksid je dosta sličan odgovarajućim solima samarija ali ne i solima neodija. Neposredno nakon sintetiziranje, npr. zagrijavanjem oksalata, oksid je bijeli ili ljubičasti prah nepravilne strukture.^[27] Taj prah se kristalizira u kubičnu rešetku nakon zagrijavanja do 600 °C. Dalje žarenje na temperaturu od 800 °C a zatim i do 1750 °C nepovratno mijenja faze, najprije u monoklinsku a zatim u heksagonalnu, respektivno, a one faze se mogu međusobno mijenjati jednostavnim podešavanjem vremena i temperature žarenja.^[31]

Prometij gradi samo jedno stabilno oksidacijsko stanje, +3 u obliku iona, što odgovara drugim lantanoidima. Prema njegovom mjestu u periodnom sistemu, za ovaj element se ne može očekivati da gradi stabilna +4 ili +2 oksidacijska stanja. Tretiranje hemijskih spojeva koji sadrže ione Pm³⁺ sa snažnim oksidirajućim ili reducirajućim sredstvima pokazalo je da se ovi ione ne mogu lahko oksidirati niti reducirati.^[24]

Godine 1934. Willard Libby je objavio da je pronašao slabu beta aktivnost u čistom neodiju, zbog čega mu je pripisao vrijeme poluraspada od preko 10¹² godina.^[33] Gotovo 20 godina kasnije, naučnici su tvrdili da je element koji se nalazi u prirodnom neodiju u ravnoteži u količinama ispod 10⁻²⁰ prometija po jednom gramu neodija.^[33] Međutim, ova opažanja su opovrgnuta novijim ispitivanjima, jer za svih sedam prirodnih izotopa neodija, svaki pojedini beta raspad (kojeg mogu proizvesti izotopi prometija) je zabranjen prema zakonu o očuvanju energije.^[34] Konkretno, pažljiva mjerenja atomskih masa pokazala su da je razlika u masama ¹⁵⁰Nd-¹⁵⁰Pm negativna (-87 keV), što u potpunosti onemogućava jedan beta raspad ¹⁵⁰Nd u ¹⁵⁰Pm.^[35] Godine 1965. finski hemičar O. Erämetsä izdvojio je tragove ¹⁴⁵Pm iz pročišćenog koncentrata rijetkih zemalja i apatita, što je dalo podatak o gornjoj granici rasprostranjenosti prometija u prirodi od 10⁻²¹. Smatra se da je ovaj prometij nastao prirodnom nuklearnom fisijom uranija ili djelovanjem kosmičkih zraka na ¹⁴⁶Nd.^[36]

Oba izotopa prirodnog europija imaju veći višak masa nego suma njihovih potencijalnih alfa "kćerki" i alfa čestica, prema tome oni (u praksi se smatraju stabilnim) možda se mogu raspadati alfa raspadom na prometij.^[37] Naučnici u Nacionalnoj laboratoriji Gran Sasso pokazali su da se europij-151 eksperimentalno raspada do prometija-147 uz vrijeme poluraspada od 5×10¹⁸ godina.^[37] Također je dokazano da je europij "odgovoran" za oko 12 grama prometija u Zemljinoj kori.^[37] Alfa raspadi europija-153 još uvijek nisu dokazani, a teoretski se smatra da bi njihovo vrijeme poluraspada bilo toliko dugo (zbog niske energije raspada) da bi se cijeli proces vjerovatno ne bi mogao zapaziti u bliskoj budućnosti.

Najzad, prometij može nastati u prirodi kao proizvod spontane fisije uranija-238.^[33] Međutim, moguće je pronaći samo tragove u prirodnim rudama. Naprimjer, uzorak uraninita može sadržavati prometij u koncentraciji od oko četiri dijela na trilion (10¹⁸) računato po masi.^[38] Prema toj procjeni, uranij je "odgovoran" za oko 560 grama prometija u Zemljinoj kori.^[37]

Prometij je detektovan u spektru zvijezde HR 465 u sazviježđu Andromede, a također je nađen i u spektrima zvijezda HD 101065 (zvijezda Przybylskog) i HD 965.^[39] Zbog vrlo kratkog vremena poluraspada izotopa prometija, smatra se da se oni formiraju u blizini površine tih zvijezda.^[40]

Prometij se većinom koristi samo u istraživačke svrhe, izuzev prometija-147 koji se može pronaći i izvan laboratorija.^[17] Dobija se kao oksid ili hlorid,^[41] u miligramskim količinama.^[17] Ovaj izotop ne emitira gama zrake, a njegovo zračenje ima relativno slabu prodornu moć kroz materiju i ima prilično dugo vrijeme poluraspada.^[41]

Neki signalni uređaji koriste svjetleće boje koje u sebi sadrže fosfor, čime apsorbiraju beta zračenje koje emitira prometij-147 te na taj način emitiraju svjetlost.^[40][17] Ovaj izotop ne uzrokuje "starenje" fosfora, kao što se to dešava od alfa emitera,^[41] pa su takvi svjetlosni izvori stabilni nekoliko godina.^[41] Ranije se u iste svrhe koristio izotop radija-226, a kasnije je zamijenjen prometijem-147 i tricijem (vodik-3).^[42] Zbog nuklearne sigurnosti prometij ima prednost nad tricijem za takvu vrstu aplikacija.^[43]

U atomskim baterijama, beta čestice koje emitira prometij-147 se pretvaraju u električnu struju tako što se mali izvor prometija postavlja u "sendvič" između dvije poluprovodničke ploče. Takve baterije imaju korisni rok trajanja od oko pet godina.^[26][40][17] Prve baterije zasnovane na prometiju napravljene su 1964. te su generirale "nekoliko milivati snage iz uređaja zapremine od oko 33 cm³, uključujući i zaštitni omotač".^[44][45]

• Emsley, John (2011). Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford University Press. str. 428–430. ISBN 978-0-19-960563-7.CS1 održavanje: ref=harv (link)
• Lavrukhina, A. K.; Pozdnyakov, A. A. (1966). Аналитическая химия технеция, прометия, астатина и франция (Analytical Chemistry of Technetium, Promethium, Astatine, and Francium) (jezik: ruski). Nauka.CS1 održavanje: ref=harv (link)

• It's Elemental – Promethium
• Prometij na sajtu Periodic Videos, Univerzitet u Nottinghamu