科學(xué)家首次用钷實(shí)現(xiàn)合成壯舉

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(shí)驗(yàn)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(bǔ)了化學(xué)教科書中的一個(gè)長(zhǎng)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(xiàng)杰作?！蔽磪⑴c該研究的美國勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)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(jì)，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(dòng)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(qiáng)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(xiàng)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(xì)微差別將它們分離。例如，使用有機(jī)溶劑有選擇性地將復(fù)合物從水中洗出來?！暗M(jìn)行很多次分離才能得到純凈的提取物。”該研究共同負(fù)責(zé)人、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家Ilja Popovs說。

對(duì)于致力于改進(jìn)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(jiǎn)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(xiàng)研究中，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家利用钷-147填補(bǔ)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(gè)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(gè)富電子氧原子。3個(gè)配體與每個(gè)钷離子相結(jié)合，生成了含有9個(gè)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(cè)量了這些鍵的平均長(zhǎng)度。他們發(fā)現(xiàn)，氧通過提供電子對(duì)來形成化學(xué)鍵，這些電子對(duì)整齊地填充在钷周圍的空能級(jí)，即所謂軌道上。

“這是一項(xiàng)非常困難、技巧高超的工作?！盇rnold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(gè)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(zhǎng)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。

異丁醛（也稱為2-丁醛，化學(xué)式：C4H8O）是一種有機(jī)化合物，屬于醛類化合物。以下是異丁醛的一些化學(xué)性質(zhì)：

1. 功能團(tuán)：異丁醛分子中含有一個(gè)醛基（─CHO功能團(tuán)），即碳氧雙鍵和一個(gè)氫原子。

2. 溶解性：異丁醛具有一定的溶解性。它可以在水和許多有機(jī)溶劑中溶解，如乙醇、醚等。

3. 氧化性：異丁醛易被氧氣氧化成相應(yīng)的酸。

4. 反應(yīng)活性：異丁醛是一種活潑的化合物，可以與多種化學(xué)物質(zhì)發(fā)生以下反應(yīng)：

   - 還原反應(yīng)：可以被還原劑還原為相應(yīng)的醇。

   - 加成反應(yīng)：與親核試劑（如氨、氫氯化物）加成反應(yīng)，形成相應(yīng)的加成產(chǎn)物。

   - 導(dǎo)入反應(yīng)：與親電試劑（如酸性條件下的醇或酰氯）反應(yīng)，發(fā)生導(dǎo)入反應(yīng)，形成醇或酯。

5. 異構(gòu)性：異丁醛和正丁醛（1-丁醛）是同分異構(gòu)體，它們的分子結(jié)構(gòu)不同。

需要注意的是，異丁醛是一種具有刺激性氣味的液體，在處理和使用時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。同時(shí)，由于異丁醛易燃，應(yīng)避免與火源接觸和存放在易燃物質(zhì)附近。