Прометий (Pm) — это неорганический химический элемент, простое вещество, которое относится к лантаноидам.

Он является единственным радиоактивным элементом среди лантаноидов и считается редкоземельным металлом.

Из-за своей радиоактивности и относительно короткого периода полураспада, прометий практически не встречается в земной коре в значимых количествах.

Благодаря своей радиоактивности, прометий используется в ядерных батарейках для устройств, которым требуется длительный срок службы и низкое энергопотребление (например, в космических аппаратах), а также в других нишевых применениях.

Что такое прометий

[Promethium; по имени древнегреческого мифологического титана Прометея], Рm — радиоактивный доделать хим. элемент.

Атомный номер 61; массовое число наиболее изученного изотопа — 147 (период полураспада 2,7 года); относится к редкоземельным элементам.

Металл светло-желтого цвета. В соединениях проявляет степень окисления + 3.

Прометий выделили (1947) амер. физики Дж. Маринский, Л. Гленденин и Ч. Кориэлл из смеси радиоактивных изотопов элементов.

Которые образовались в ядерном реакторе при делении ядер урана.

Физические свойства

Кристаллическая решетка прометия двойная гексагональная плотноупакованная типа лантана, c периодами а = 3,65 ± 0,01 . А и с = 11,65 ± 0,09 А.  Плотность 7,26 г/см³. 

Агрегатное состояние: Твёрдое (при нормальных условиях).

Цвет: Серебристо-белый металл с металлическим блеском. На воздухе довольно быстро тускнеет, покрываясь оксидной пленкой.

Температура плавления: Приблизительно 1167,85 °C (1441 К).

Температура кипения: Около 2999,85 °C (3273 К).

Теплопроводность: Около 17.9 Вт/(м·К) (при 300 K).

Электропроводность: Является проводником электричества, как и большинство металлов. Удельная электропроводность оценивается около 1.33 × 10⁶ См/м.

Радиоактивность: Все изотопы прометия радиоактивны. Этот фактор влияет на его свойства: он постоянно выделяет энергию в виде излучения (в основном бета-частиц), что приводит к саморазогреву образцов прометия и его соединений.

Это также означает, что с течением времени его количество уменьшается из-за распада.

Магнетизм: Является парамагнетиком.

Интересный факт: единственный из всех 15 лантаноидов (редкоземельных элементов), который не имеет ни одного стабильного изотопа.

Это означает, что весь прометий на Земле радиоактивен и постепенно распадается.

Химические свойства

По химическим свойствам прометий — типичный редкоземельный элемент.

Взаимодействуя с кислородом, образует окисел Pm₂О₃.

➡️ Основная степень окисления (валентность):

Прометий почти исключительно проявляет степень окисления +3 в своих соединениях. Ионы прометия в растворе имеют форму Pm³⁺.

➡️ Взаимодействие с неметаллами:

С кислородом (O₂): Прометий, подобно другим лантаноидам, тускнеет на воздухе и медленно реагирует с кислородом при комнатной температуре, образуя оксид прометия(III).

При нагревании реакция идет энергичнее.

4Pm (s) + 3O₂ (g) нагревание → 2Pm₂O₃ (s) (Оксид прометия(III))

➡️ С галогенами (например, хлором Cl₂): Реагирует с галогенами при нагревании, образуя соответствующие тригалогениды.

2Pm (s) + 3Cl₂ (g) нагревание → 2PmCl₃ (s) (Хлорид прометия(III))

➡️ С водородом (H₂): При нагревании образует гидрид.

2Pm (s) + 3H₂ (g) нагревание → 2PmH₃ (s) (Гидрид прометия(III))

➡️ Взаимодействие с водой (H₂O):

Прометий медленно реагирует с холодной водой и гораздо быстрее с горячей водой или паром, образуя гидроксид прометия(III) и выделяя водород.

2Pm(s) + 6H₂O (l) → 2Pm(OH)₃ (aq) + 3H₂ (g) (Гидроксид прометия(III))

➡️ Взаимодействие с кислотами:

Легко растворяется в разбавленных сильных неорганических кислотах, вытесняя водород и образуя соли прометия(III).

2Pm(s) + 6HCl(aq) → 2PmCl₃(aq) + 3H₂ (g) (Хлорид прометия(III))

2Pm(s) + 3H₂SO₄ (aq) → Pm₂(SO₄)₃(aq) + 3H₂ (g) (Сульфат прометия(III))

Изотопы

Стабильные изотопы прометия в природе не обнаружены. Получены 14 радиоактивных изотопов прометий с массовыми числами от ¹⁴¹Рm до ¹⁵⁴Рm.

Наиболее долгоживущий — изотоп ¹⁴⁵Рm (период полураспада 18 лет).

Получение

Выделяют прометий из осколочного металла, получаемого при работе ядерных реакторов.

Выход изотопов   ¹⁴⁷Рm и ¹⁴⁹Рm при делении составляет соответственно 2,6 и 1,3%.

Основной способ получения прометия — это выделение его из продуктов деления урана (или других тяжелых ядер) в ядерных реакторах.

Процесс получения включает следующие этапы:

Ядерное деление: Внутри ядерного реактора, при делении атомов урана-235 (или плутония-239) под действием нейтронов.

Образуется широкий спектр более легких атомных ядер, которые называются продуктами деления.

Среди этих продуктов и находится прометий.

Накопление: В отработанном ядерном топливе после длительной работы реактора накапливаются различные изотопы прометия.

Химическое выделение и очистка: Это наиболее сложный этап.

Отработанное топливо подвергается химической переработке.

Прометий отделяется от других продуктов деления, а также от урана и плутония.

Это очень трудоемкий процесс, так как прометий химически очень похож на другие лантаноиды (например, самарий и неодим), которые также присутствуют в продуктах деления.

Для их разделения обычно используются методы ионного обмена или экстракции растворителями.

Эти методы позволяют эффективно разделить элементы с очень близкими химическими свойствами, используя небольшие различия в их размерах и склонности к образованию комплексов.

Выделение чистого прометия: После многократных циклов разделения получают чистые соединения прометия, которые затем могут быть восстановлены до металлического прометия.

Применение

На основе изотопа ¹⁴⁷Рm созданы миниатюрные атомные батареи с мягким излучением, к-рые используются без спец. защиты.

Батареи не чувствительны к изменению т-ры, давления и др. внешних условий.

Перспективно их применение в часах, радиоэлектронных и авиационных приборах, слуховых аппаратах, космических кораблях и др.

Ядерные батарейки (радиоизотопные термоэлектрические генераторы, РИТЭГи):

Принцип: Прометий-147 испускает бета-частицы (электроны) при радиоактивном распаде.

Энергия этих частиц может быть преобразована в электрическую с помощью полупроводниковых преобразователей (термоэлектрические элементы).

Преимущества: Отсутствие жесткого гамма-излучения у
¹⁴⁷Pm делает его относительно безопасным для использования в небольших устройствах по сравнению с другими радиоизотопами.

Период полураспада (около 2.6 лет для ¹⁴⁷Pm) достаточно долог для длительной работы, но достаточно короток, чтобы генерировать заметную мощность.

Применение: Использовались в компактных источниках питания для космических аппаратов, некоторых видов кардиостимуляторов (исторически, сейчас реже).

Удаленных метеостанций, океанских буев и других устройств, требующих надежного и долгосрочного источника энергии без обслуживания.

Светящиеся краски и люминесцентные источники света:

Принцип: Бета-частицы, испускаемые прометием-147, возбуждают люминофор (например, сульфид цинка), заставляя его светиться.

Применение: Ранее использовался в светящихся циферблатах часов, шкалах приборов, различных индикаторах и знаках, не требующих внешнего источника энергии.

Современное состояние: Использование прометия в люминесцентных красках значительно сократилось из-за соображений безопасности (потенциального контакта с радиоактивным материалом).

И появления более безопасных альтернатив (например, тритий или фотолюминесцентные материалы).

Измерительные приборы (источники бета-излучения):

Принцип: Стабильное бета-излучение прометия может использоваться для измерения толщины материалов.

Чем толще материал, тем меньше бета-частиц проходит через него.

Применение: В промышленных толщиномерах для контроля толщины тонких листов бумаги, пластика, металлической фольги и покрытий.

Также применяется в некоторых научных приборах как калибровочный источник бета-излучения.

Научные исследования:

Используется в химических и физических исследованиях как меченый атом (радиоактивный индикатор) для изучения механизмов реакций и процессов.

Применяется для исследования свойств редких земель и актинидов.

Литература

Филянд М. А., Семенова Е. И. Свойства редких элементов (Справочник).

 Часто задаваемые вопросы