Promécio

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Promécio  , 18h
Promécio
Pronúncia/ p r m θ i ə m / ​( proh- MEE -thee-əm )
Aparênciametálico
Número de massa[145]
Promécio na tabela periódica
Hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro Argônio
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio Cromo Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo Krypton
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio Tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio índio Lata Antimônio Telúrio Iodo Xenon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio Neodímio Promécio Samário Európio Gadolínio Térbio Disprósio Hólmio Érbio Túlio Itérbio Lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio Rênio Ósmio Irídio Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Liderar Bismuto Polônio Astatine Radônio
Frâncio Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio Amerício Curium Berquélio Californium Einsteinium Férmio Mendelévio Nobélio Lourenço Rutherfordium Dúbnio Seaborgium Bohrium Hássio Meitnério Darmstádio Roentgenium Copérnico Nihonium Fleróvio Moscovium Livermório Tennessee Oganesson


Pm

Np
neodímioproméciosamário
Número atômico ( Z )61
Grupogrupo s/d
Períodoperíodo 6
Quadra  f-bloco
Configuração eletrônica[ Xe ] 4f 5 6s 2
Elétrons por camada2, 8, 18, 23, 8, 2
Propriedades físicas
Fase em  STPsólido
Ponto de fusão1315  K (1042 °C, 1908 °F)
Ponto de ebulição3273 K (3000 °C, 5432 °F)
Densidade (perto  da rt )7,26 g/ cm3
Calor de fusão7,13  kJ/mol
Calor da vaporização289 kJ/mol
Propriedades atômicas
Estados de oxidação+2, +3 (um óxido levemente básico )
Eletro-negatividadeEscala de Pauling: 1,13 (?)
Energias de ionização
  • 1º: 540 kJ/mol
  • 2º: 1050 kJ/mol
  • 3º: 2150 kJ/mol
Raio atômicoempírico:  183h
Raio covalente199 horas
Linhas de cor em uma faixa espectral
Linhas espectrais de promécio
Outras propriedades
Ocorrência naturalda decadência
Estrutura de cristalduplo hexagonal compacto (dhcp)
Estrutura de cristal compacta hexagonal dupla para promécio
Expansão térmica9,0 µm/(m⋅K) [1] (à  temperatura ambiente )
Condutividade térmica17,9 W/(m⋅K)
Resistividade elétricaest. 0,75 µΩ⋅m (à  temperatura ambiente )
Pedido magnéticoparamagnético [2]
Módulo de Youngforma α: est. 46 GPa
Módulo de cisalhamentoforma α: est. 18 GPa
Módulo em massaforma α: est. 33 GPa
Razão de Poissonforma α: est. 0,28
Número CAS7440-12-2
História
DescobertaCharles D. Coryell , Jacob A. Marinsky , Lawrence E. Glendenin (1945)
Nomeado porGrace Mary Coryell (1945)
Principais isótopos de promécio
Isótopo Abundância Meia-vida ( t 1/2 ) Modo de decaimento produtos
145h _ vestígio 17,7 anos ε 145 Nd
146h _ sin 5,53 anos ε 146 Nd
β- _ 146 Sm
147h _ vestígio 2,6234 anos β- _ 147 Sm
 Categoria: Promécio
| referências

O promécio é um elemento químico de símbolo Pm e número atômico 61. Todos os seus isótopos são radioativos ; é extremamente raro, com apenas cerca de 500-600 gramas ocorrendo naturalmente na crosta da Terra a qualquer momento. O promécio é um dos dois únicos elementos radioativos que são seguidos na tabela periódica por elementos com formas estáveis, sendo o outro o tecnécio . Quimicamente, o promécio é um lantanídeo . O promécio mostra apenas um estado de oxidação estável de +3.

Em 1902 Bohuslav Brauner sugeriu que havia um elemento então desconhecido com propriedades intermediárias entre as dos elementos conhecidos neodímio (60) e samário (62); isso foi confirmado em 1914 por Henry Moseley , que, tendo medido os números atômicos de todos os elementos então conhecidos, descobriu que faltava o número atômico 61. Em 1926, dois grupos (um italiano e um americano) alegaram ter isolado uma amostra do elemento 61; ambas as "descobertas" logo provaram ser falsas. Em 1938, durante um experimento nuclear realizado na Ohio State University, alguns nuclídeos radioativos foram produzidos que certamente não eram radioisótopos de neodímio ou samário, mas havia uma falta de prova química de que o elemento 61 foi produzido, e a descoberta não foi geralmente reconhecida. O promécio foi produzido e caracterizado pela primeira vez no Oak Ridge National Laboratory em 1945 pela separação e análise dos produtos de fissão do combustível de urânio irradiado em um reator de grafite. Os descobridores propuseram o nome "prometeu" (a grafia foi posteriormente alterada), derivado de Prometeu , o Titã da mitologia grega que roubou o fogo do Monte Olimpo e o trouxe para os humanos, para simbolizar "tanto a ousadia quanto o possível uso indevido da humanidade intelecto". No entanto, uma amostra do metal foi feita apenas em 1963.

Existem duas fontes possíveis de promécio natural: decaimentos raros de európio natural -151 (produzindo promécio-147) e urânio (vários isótopos). Aplicações práticas existem apenas para compostos químicos de promécio-147, que são usados ​​em tintas luminosas , baterias atômicas e dispositivos de medição de espessura, embora o promécio-145 seja o isótopo de promécio mais estável. Como o promécio natural é extremamente escasso, é tipicamente sintetizado bombardeando urânio-235 ( urânio enriquecido ) com nêutrons térmicos para produzir promécio-147 como produto de fissão .

Propriedades

Propriedades físicas

Um átomo de promécio possui 61 elétrons, dispostos na configuração [ Xe ] 4f 5  6s 2 . [3] Ao formar compostos, o átomo perde seus dois elétrons mais externos e um dos elétrons 4f, que pertence a uma subcamada aberta. O raio atômico do elemento é o segundo maior entre todos os lantanídeos, mas é apenas ligeiramente maior do que os dos elementos vizinhos. [3] É a exceção mais notável à tendência geral da contração de átomos de lantanídeos com o aumento de seus números atômicos (ver contração de lantanídeos [4]). Muitas propriedades do promécio dependem de sua posição entre os lantanídeos e são intermediárias entre as do neodímio e do samário. Por exemplo, o ponto de fusão, as três primeiras energias de ionização e a energia de hidratação são maiores que as do neodímio e menores que as do samário; [3] da mesma forma, as estimativas para o ponto de ebulição, raio iônico (Pm 3+ ) e calor padrão de formação do gás monoatômico são maiores que as do samário e menores que as do neodímio. [3]

O promécio tem uma estrutura hexagonal duplamente compactada (dhcp) e uma dureza de 63 kg/mm 2 . [5] Esta forma alfa de baixa temperatura converte-se em uma fase beta cúbica de corpo centrado (bcc) após aquecimento a 890°C. [6]

Propriedades químicas e compostos

O promécio pertence ao grupo cério dos lantanídeos e é quimicamente muito semelhante aos elementos vizinhos. [7] Devido à sua instabilidade, os estudos químicos do promécio estão incompletos. Embora alguns compostos tenham sido sintetizados, eles não são totalmente estudados; em geral, eles tendem a ser de cor rosa ou vermelha. [8] [9] O tratamento de soluções ácidas contendo íons Pm 3+ com amônia resulta em um sedimento gelatinoso marrom-claro de hidróxido, Pm(OH) 3 , que é insolúvel em água. [10] Quando dissolvido em ácido clorídrico, é produzido um sal amarelo solúvel em água, PmCl 3 ; [10]da mesma forma, quando dissolvido em ácido nítrico, resulta um nitrato, Pm(NO 3 ) 3 . Este último também é bem solúvel; quando seco, forma cristais rosa, semelhantes ao Nd(NO 3 ) 3 . [10] A configuração eletrônica para Pm 3+ é [Xe] 4f 4 , e a cor do íon é rosa. O símbolo do termo do estado fundamental é 5 I 4 . [11] O sulfato é ligeiramente solúvel, como os outros sulfatos do grupo cério. Os parâmetros celulares foram calculados para seu octahidrato; levam a concluir que a densidade de Pm 2 (SO 4 ) 3 ·8 H 2O é 2,86 g/ cm3 . [12] O oxalato, Pm 2 (C 2 O 4 ) 3 ·10 H 2 O, tem a menor solubilidade de todos os oxalatos de lantanídeos. [13]

Ao contrário do nitrato, o óxido é semelhante ao sal de samário correspondente e não ao sal de neodímio. Conforme sintetizado, por exemplo, aquecendo o oxalato, é um pó branco ou cor de lavanda com estrutura desordenada. [10] Este pó cristaliza em uma rede cúbica após aquecimento a 600 °C. O recozimento adicional a 800°C e depois a 1750°C transforma-o irreversivelmente em fases monoclínica e hexagonal , respectivamente, e as duas últimas fases podem ser interconvertidas ajustando o tempo e a temperatura de recozimento. [14]

Fórmula simetria grupo espacial Não Símbolo Pearson um (tarde) b (pm) c (pm) Z densidade,
g/cm 3
α-Pm dhcp [5] [6] P6 3 /mmc 194 HP4 365 365 1165 4 7,26
β-Pm Cco [6] Fm 3 m 225 cF4 410 410 410 4 6,99
PM 2 O 3 cúbico [14] Ia 3 206 cI80 1099 1099 1099 16 6,77
PM 2 O 3 monoclínica [14] C2/m 12 ms30 1422 365 891 6 7,40
PM 2 O 3 hexagonal [14] P 3 m1 164 HP5 380,2 380,2 595,4 1 7,53

O promécio forma apenas um estado de oxidação estável, +3, na forma de íons; isto está de acordo com outros lantanídeos. De acordo com sua posição na tabela periódica , não se pode esperar que o elemento forme estados de oxidação estáveis ​​+4 ou +2; o tratamento de compostos químicos contendo íons Pm 3+ com agentes oxidantes ou redutores fortes mostrou que o íon não é facilmente oxidado ou reduzido. [7]

Haletos de promécio [15]
Fórmula cor
número de coordenação
simetria grupo espacial Não Símbolo Pearson p.f. (°C)
PmF 3 Roxo Rosa 11 hexagonal P 3 c1 165 HP24 1338
PmCl3 _ Lavanda 9 hexagonal P6 3 /mc 176 HP8 655
PMBr 3 vermelho 8 ortorrômbico Cmcm 63 oS16 624
α-PMI 3 vermelho 8 ortorrômbico Cmcm 63 oS16 α→β
β -PmI3 vermelho 6 romboédrico R 3 148 hR24 695

Isótopos

O promécio é o único lantanídeo e um dos dois únicos elementos entre os primeiros 83 que não possui isótopos estáveis ​​ou de longa duração ( primordiais ). Isso é resultado de um efeito raramente ocorrido do modelo de gota de líquido e das estabilidades dos isótopos dos elementos vizinhos; é também o elemento menos estável dos primeiros 84. [16] Os produtos primários de decaimento são isótopos de neodímio e samário (promécio-146 decai para ambos, os isótopos mais leves geralmente para neodímio via decaimento de pósitrons e captura de elétrons , e os isótopos mais pesados ​​para samário via decaimento beta). Isômeros nucleares de proméciopode decair para outros isótopos de promécio e um isótopo ( 145 Pm) tem um modo de decaimento alfa muito raro para o praseodímio -141 estável. [16]

O isótopo mais estável do elemento é o promécio-145, que possui atividade específica de 940  Ci / g (35  TBq /g) e meia-vida de 17,7 anos via captura eletrônica . [16] [17] Por ter 84 nêutrons (dois a mais que 82, que é um número mágico que corresponde a uma configuração de nêutrons estável), pode emitir uma partícula alfa (que tem 2 nêutrons) para formar praseodímio-141 com 82 nêutrons. Assim, é o único isótopo de promécio com um decaimento alfa observado experimentalmente . [18] Sua meia-vida parcial para decaimento alfa é de cerca de 6,3 × 109  anos, e a probabilidade relativa de um núcleo de 145 Pm decair dessa maneira é de 2,8 × 10-7  %. Vários outros isótopos de promécio, como 144 Pm, 146 Pm e 147 Pm, também têm uma liberação de energia positiva para o decaimento alfa; seus decaimentos alfa estão previstos para ocorrer, mas não foram observados.

O elemento também tem 18 isômeros nucleares, com números de massa de 133 a 142, 144, 148, 149, 152 e 154 (alguns números de massa têm mais de um isômero). O mais estável deles é o promécio-148m, com meia-vida de 43,1 dias; isso é mais longo do que as meias-vidas dos estados fundamentais de todos os isótopos de promécio, exceto promécio-143 a 147. Na verdade, o promécio-148m tem uma meia-vida mais longa do que seu estado fundamental, promécio-148. [16]

Ocorrência

Uraninite , um minério de urânio e o hospedeiro para a maior parte do promécio da Terra

Em 1934, Willard Libby relatou que havia encontrado atividade beta fraca no neodímio puro, que foi atribuída a uma meia-vida superior a 10 12  anos. [19] Quase 20 anos depois, foi alegado que o elemento ocorre em neodímio natural em equilíbrio em quantidades abaixo de 10-20 gramas de promécio por um grama de neodímio. [19] No entanto, essas observações foram refutadas por investigações mais recentes, porque para todos os sete isótopos de neodímio que ocorrem naturalmente, qualquer decaimento beta único (que pode produzir isótopos de promécio) é proibido pela conservação de energia. [20] Em particular, medições cuidadosas de massas atômicas mostram que a diferença de massa 150 Nd - 150Pm é negativo (-87 keV), o que evita absolutamente o decaimento beta único de 150 Nd a 150 Pm. [21]

Em 1965, Olavi Erämetsä separou traços de 145 Pm de um concentrado de terras raras purificado de apatita , resultando em um limite superior de 10-21 para a abundância de promécio na natureza; isso pode ter sido produzido pela fissão nuclear natural do urânio, ou por espalação de raios cósmicos de 146 Nd. [22]

Ambos os isótopos do európio natural têm excessos de massa maiores do que as somas dos seus potenciais filhos alfa mais o de uma partícula alfa; portanto, eles (estáveis ​​na prática) podem decair alfa para promécio. [23] Pesquisa no Laboratori Nazionali del Gran Sasso mostrou que o európio-151 decai para promécio-147 com a meia-vida de 5 × 1018  anos. [23] Foi demonstrado que o európio é "responsável" por cerca de 12 gramas de promécio na crosta terrestre. [23] Decaimentos alfa para o európio-153 ainda não foram encontrados, e sua meia-vida teoricamente calculada é tão alta (devido à baixa energia de decaimento) que esse processo provavelmente não será observado em um futuro próximo.

O promécio também pode ser formado na natureza como um produto da fissão espontânea do urânio-238 . [19] Apenas quantidades vestigiais podem ser encontradas em minérios naturais: uma amostra de pechblenda foi encontrada para conter promécio em uma concentração de quatro partes por quintilhão (4 × 10−18 ) em massa. [24] O urânio é assim "responsável" por 560 g de promécio na crosta terrestre . [23]

O promécio também foi identificado no espectro da estrela HR 465 em Andrômeda ; também foi encontrado em HD 101065 ( estrela de Przybylski ) e HD 965. [25] Devido à curta meia-vida dos isótopos de promécio, eles devem ser formados perto da superfície dessas estrelas. [17]

História

Pesquisa o elemento 61

Em 1902, o químico tcheco Bohuslav Brauner descobriu que as diferenças nas propriedades entre neodímio e samário eram as maiores entre quaisquer dois lantanídeos consecutivos na sequência então conhecida; como conclusão, ele sugeriu que havia um elemento com propriedades intermediárias entre eles. [26] Esta previsão foi apoiada em 1914 por Henry Moseley que, tendo descoberto que o número atômico era uma propriedade experimentalmente mensurável dos elementos, descobriu que alguns números atômicos não tinham elementos correspondentes conhecidos: as lacunas eram 43, 61, 72, 75, 85 e 87. [27]Com o conhecimento de uma lacuna na tabela periódica vários grupos começaram a procurar o elemento previsto entre outras terras raras no ambiente natural. [28] [29] [30]

A primeira alegação de uma descoberta foi publicada por Luigi Rolla e Lorenzo Fernandes de Florença , Itália. Depois de separar uma mistura de alguns poucos elementos de terras raras concentrado de nitrato do mineral brasileiro monazita por cristalização fracionada, eles produziram uma solução contendo principalmente samário. Esta solução deu espectros de raios X atribuídos ao samário e ao elemento 61. Em homenagem à sua cidade, eles chamaram o elemento 61 de "florentium". Os resultados foram publicados em 1926, mas os cientistas afirmaram que os experimentos foram feitos em 1924. [31] [32] [33] [34] [35] [36] Também em 1926, um grupo de cientistas da Universidade de Illinois em Urbana–Champaign, Smith Hopkins e Len Yntema publicaram a descoberta do elemento 61. Eles o chamaram de "illinium", em homenagem à universidade. [37] [38] [39] Ambas as descobertas relatadas mostraram-se errôneas porque a linha do espectro que "correspondia" ao elemento 61 era idêntica à do didímio ; as linhas que se pensava pertencerem ao elemento 61 acabaram por pertencer a algumas impurezas (bário, cromo e platina). [28]

Em 1934, Josef Mattauch finalmente formulou a regra isobar . Uma das consequências indiretas dessa regra foi que o elemento 61 foi incapaz de formar isótopos estáveis. [28] [40] A partir de 1938, um experimento nuclear foi conduzido por HB Law et al. na Universidade Estadual de Ohio . Nuclídeos foram produzidos em 1941 que não eram radioisótopos de neodímio ou samário, e o nome "ciclônio" foi proposto, mas havia uma falta de prova química de que o elemento 61 foi produzido e a descoberta não foi amplamente reconhecida. [41] [42]

Descoberta e síntese do metal promécio

O promécio foi produzido e caracterizado pela primeira vez no Oak Ridge National Laboratory (Clinton Laboratories na época) em 1945 por Jacob A. Marinsky , Lawrence E. Glendenin e Charles D. Coryell por separação e análise dos produtos de fissão do combustível de urânio irradiado no grafite reator ; no entanto, estando muito ocupados com pesquisas relacionadas a militares durante a Segunda Guerra Mundial , eles não anunciaram sua descoberta até 1947. [43] [44]O nome original proposto era "clintonium", em homenagem ao laboratório onde o trabalho foi realizado; no entanto, o nome "prometheus" foi sugerido por Grace Mary Coryell, a esposa de um dos descobridores. [41] É derivado de Prometeu , o Titã da mitologia grega que roubou o fogo do Monte Olimpo e o trouxe para os humanos [41] e simboliza "tanto a ousadia quanto o possível uso indevido do intelecto da humanidade". [45] A grafia foi então alterada para "promécio", pois estava de acordo com a maioria dos outros metais. [41]

Em 1963, o fluoreto de promécio (III) foi usado para fazer o metal promécio. Provisoriamente purificada das impurezas de samário, neodímio e amerício, foi colocada em um cadinho de tântalo que estava localizado em outro cadinho de tântalo; o cadinho externo continha lítio metálico (10 vezes em excesso comparado ao promécio). [8] [13] Depois de criar um vácuo, os produtos químicos foram misturados para produzir o metal promécio:

PmF 3 + 3 Li → Pm + 3 LiF

A amostra de promécio produzida foi usada para medir algumas das propriedades do metal, como seu ponto de fusão . [13]

Em 1963, métodos de troca iônica foram usados ​​no ORNL para preparar cerca de dez gramas de promécio a partir de resíduos de processamento de combustível de reator nuclear. [17] [46] [47]

Hoje, o promécio ainda é recuperado dos subprodutos da fissão do urânio; também pode ser produzido bombardeando 146 Nd com nêutrons , transformando-o em 147 Nd que decai em 147 Pm através do decaimento beta com meia-vida de 11 dias. [48]

Produção

Os métodos de produção para diferentes isótopos variam, e apenas os do promécio-147 são fornecidos porque é o único isótopo com aplicações industriais. Promécio-147 é produzido em grandes quantidades (em comparação com outros isótopos) bombardeando urânio-235 com nêutrons térmicos. A produção é relativamente alta, em 2,6% do produto total. [49] Outra maneira de produzir promécio-147 é através do neodímio-147, que decai para promécio-147 com uma meia-vida curta. O neodímio-147 pode ser obtido bombardeando neodímio-146 enriquecido com nêutrons térmicos [50] ou bombardeando um alvo de carboneto de urânio com prótons energéticos em um acelerador de partículas. [51] Outro método é bombardear urânio-238 com nêutrons rápidospara causar fissão rápida , que, entre vários produtos de reação, cria promécio-147. [52]

Já na década de 1960, o Oak Ridge National Laboratory podia produzir 650 gramas de promécio por ano [53] e era a única instalação de síntese de grande volume do mundo. [54] A produção de promécio em escala gramatical foi descontinuada nos EUA no início dos anos 80, mas possivelmente será retomada após 2010 no Reator Isótopo de Alto Fluxo . [ precisa de atualização ] Em 2010, a Rússia era o único país que produzia promécio-147 em uma escala relativamente grande. [50]

Aplicativos

Cloreto de promécio (III) sendo usado como fonte de luz para sinais em um botão de aquecimento

A maior parte do promécio é usada apenas para fins de pesquisa, exceto o promécio-147, que pode ser encontrado fora dos laboratórios. [41] É obtido como óxido ou cloreto, [55] em quantidades de miligramas. [41] Este isótopo não emite raios gama , e sua radiação tem uma profundidade de penetração relativamente pequena na matéria e uma meia-vida relativamente longa. [55]

Algumas luzes de sinalização usam uma tinta luminosa , contendo um fósforo que absorve a radiação beta emitida pelo promécio-147 e emite luz. [17] [41] Este isótopo não causa envelhecimento do fósforo, como os emissores alfa, [55] e, portanto, a emissão de luz é estável por alguns anos. [55] Originalmente, o rádio -226 foi usado para esse fim, mas mais tarde foi substituído por promécio-147 e trítio (hidrogênio-3). [56] O promécio pode ser preferido ao trítio por razões de segurança nuclear . [57]

Em baterias atômicas , as partículas beta emitidas pelo promécio-147 são convertidas em corrente elétrica ao intercalar uma pequena fonte de promécio entre duas placas semicondutoras. Estas baterias têm uma vida útil de cerca de cinco anos. [9] [17] [41] A primeira bateria à base de promécio foi montada em 1964 e gerou "alguns miliwatts de energia a partir de um volume de cerca de 2 polegadas cúbicas, incluindo blindagem". [58]

O promécio também é usado para medir a espessura dos materiais avaliando a quantidade de radiação de uma fonte de promécio que passa pela amostra. [17] [8] [59] Tem possíveis usos futuros em fontes portáteis de raios-X, e como fontes auxiliares de calor ou energia para sondas espaciais e satélites [60] (embora o emissor alfa plutônio-238 tenha se tornado padrão para a maioria dos espaços -utilizações relacionadas com a exploração). [61]

Precauções

O elemento não tem função biológica. Promécio-147 pode emitir raios gama durante seu decaimento beta , [62] que são perigosos para todas as formas de vida. As interações com pequenas quantidades de promécio-147 não são perigosas se forem observadas certas precauções. [63] Em geral, luvas, protetores de calçados, óculos de segurança e uma camada externa de roupas de proteção facilmente removíveis devem ser usadas. [64]

Não se sabe quais órgãos humanos são afetados pela interação com o promécio; um possível candidato são os tecidos ósseos . [64] O promécio-147 selado não é perigoso. No entanto, se a embalagem estiver danificada, o promécio se torna perigoso para o meio ambiente e para os seres humanos. Se for encontrada contaminação radioativa , a área contaminada deve ser lavada com água e sabão, mas, embora o promécio afete principalmente a pele, a pele não deve ser escoriada. Se for encontrado um vazamento de promécio, a área deve ser identificada como perigosa e evacuada, e os serviços de emergência devem ser contatados. Nenhum perigo do promécio além da radioatividade é conhecido. [64]

Referências

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