Mysterieuze lanthanoïden: het eerste promethiumcomplex onthult geheime insecten
De mysterieuze lanthanide: Het eerste promethiumcomplex onthult geheimen
Het radioactieve element promethium is tot nu toe grotendeels aan onderzoek onttrokken. Nu hebben experts het opgenomen in een complexe, decennia-oude bewezen theorie: lanthanidecontractie.
© Jacqueline Demink, kunst; Thomas Dyke, fotografie; ORNL, Amerikaanse divisie. Energie (details)
Voor het eerst was het mogelijk om een complex te produceren met het zeldzame aardelement promethium (hier is de artistieke impressie).
Promethium (Pm) is een van de meest mysterieuze elementen van allemaal: alle 38 radioactieve isotopen ervan vervallen in de loop van de tijd. Daarom wordt geschat dat er op elk moment nooit meer dan ongeveer één kilogram ervan op aarde aanwezig is. Tot nu toe zijn er slechts enkele van deze verbindingen geproduceerd, en de meeste daarvan zijn onoplosbare oxiden die moeilijk te bestuderen zijn. Dit is verrassend weinig kennis voor een stof die een cruciaal onderdeel is Het komt voor in een aantal technische toepassingen: Promethium wordt bijvoorbeeld gebruikt in nucleaire batterijen voor satellieten of ruimtesondes, als lichtgevende verf of bij bestralingstherapie.
Voor het eerst zijn onderzoekers er nu in geslaagd het radioactieve element in een oplosbare organische verbinding te vangen. Een onderzoeksgroep van het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, VS, zal naar verwachting in mei 2024 de resultaten verkrijgen. In het tijdschrift “Natuur” gepubliceerd. Tachtig jaar na de ontdekking zijn ze er eindelijk in geslaagd de ongrijpbare substantie radicaal te onderzoeken. Daarmee vulden ze een leemte in de kennis over de lanthaniden op die al tientallen jaren bestond – een groep van vijftien zeer vergelijkbare elementen, waartoe promethium behoort. De nieuwe bevindingen kunnen helpen de gewenste lanthaniden efficiënter te scheiden en voor te bereiden op technische toepassingen.
Lanthaniden zijn nodig in lasers, krachtige magneten in windturbines, smartphones, kernreactoren en nog veel meer. Samen met andere elementen worden ze beschouwd als ‘zeldzame aardmetalen’. In tegenstelling tot wat hun naam doet vermoeden, zijn de meeste van hen heel gebruikelijk, maar ze zijn goed verspreid. Ook het zuiver houden van de zeldzame aardelementen en vooral de individuele lanthaniden is een lastige opgave. De elementen in deze groep zijn chemisch zeer vergelijkbaar en worden daarom vaak samen aangetroffen in ertsafzettingen en zijn zeer moeilijk van elkaar te scheiden. Pas onlangs hebben experts een synthetisch eiwit gemaakt dat dysprosium- en neodymiumlanthaniden scheidt.
Het team rond Ilja Popovs en Alexander S. Ivanov isoleerde de isotoop voor hun doeleinden 147Promethium uit kernafval dat wordt gebruikt om radioactief plutonium te produceren (238Bu) ontstaat. 147PM heeft een halfwaardetijd van ongeveer twee en een half jaar.
Net als andere lanthaniden geeft promethium er de voorkeur aan positief geladen tripletionen te vormen. De onderzoekers combineerden ze met speciale organische chemische bindingen, dat wil zeggen met moleculen die zichzelf rond het ion rangschikken en het in het midden omringen. Drie ligandmoleculen hebben zichzelf zo rond het promethiumion gerangschikt dat elk zich met drie zuurstofatomen aan het radioactieve ion bindt, waardoor een verbinding ontstaat waarin Pm3+ Het is gebonden aan negen zuurstofatomen.
Het laatste ontbrekende bewijs van contractie van lanthaniden
De experts maten vervolgens de afstanden tussen zuurstof en promethium met behulp van structurele röntgenanalyse. Hiermee bepaalden ze de ionenstraal, oftewel de grootte van het positief geladen promethium(III)-ion. Maar dat is nog niet alles, ze creëerden ook met elke extra lanthanide dezelfde complexen en maten daar ook de afstanden. Dit gaf de onderzoekers een complete set bindingsafstanden voor alle lanthaniden. We zagen dat de bindingsafstanden – en dus de ionenstralen – voortdurend afnemen met het atoomnummer.
Dit is wat theoretische modellen al tientallen jaren voorspellen. Promethiumwaarden ontbraken echter altijd in de experimentele gegevens. Met de nieuwe metingen heeft het Oak Ridge-team nu voor het eerst een complete reeks metingen geleverd die het effect alleen op basis van experimenten laten zien. Ze toonden ook aan dat de ionenstraal sneller afneemt van lanthaan (het eerste element in de lanthanidereeks) naar promethium, en langzamer van promethium naar lutetium (het laatste lanthanide). De resultaten kunnen ook de ontwikkeling mogelijk maken van nieuwe scheidingstechnieken om zeldzame aardelementen te behouden die nodig zijn voor toekomstige toepassingen.
Interactief periodiek systeem der elementen op Spektrum.de
Sta Javascript toe om de volledige functionaliteit van Spektrum.de te behouden.