镎为93号元素。银白色金属,有
放射性。密度18.0~20.45g/cm3。熔点640℃,沸点3902℃。空气中缓慢地被氧化。在50℃时能与氢反应生成黑色片状氢化物,化学性质与
铀相似,溶于盐酸。在
水溶液中显示出五种
氧化态:Np3+(淡紫色)、Np4+(黄绿色)、NpO2+(绿蓝色)、NpO22+(粉红色)。镎在自然界中几乎不存在,通常由人工制成,这是因为237Np的
半衰期是2.2×106年,比地壳形成的年龄少三个数量级。只有在铀矿中存在极微量,这是由铀衰变后的游荡中子产生的。同位素239Np半衰期仅2.35天。
发现简史
名称由来:得名于海王星的名字Neptune
发现地点:美国
1940年,由麦克米伦(E.M.McMillan)和
艾贝尔森(P.H.Abelson)用
中子轰击铀获得
半衰期为2.3天的239Np。
化学家们寻找93号元素的工作在20世纪20年代里就已经开始了。当时这个元素按预定被放置在第
VIIB族元素,属于锰
副族。所以曾经有科学家企图从
软锰矿中发现这一元素,但没有成功。如今的93号元素镎被列在锕系元素中。
由于
核裂变产生许多碎片,不少自然界不存在的元素从这些碎片中陆续被发现,还有许多已知元素的同位素也从这些碎片中找到。它成了一个元素的“聚宝盆”。
镎就是从这个“聚宝盆”中发现的。1939年春,美国物理学家麦克米伦在分析铀
裂变产物时发现了痕量
半衰期为2.3天和辐射很强的放射性物质。他请化学家
艾贝尔森帮助分析,确定了它就是93号元素。它的化学性质与
铼不相似,而与铀、钍相似。他们用
海王星的名字(Neptune)来命名它为
neptunium,元素符号定为Np。
镎的发现突破了古典
元素周期表的界限,为铀后元素,或称
超铀元素中其他元素的发现闯开了道路,为奠定现代
元素周期系和建立
锕系元素奠定了基础。它是第一个被发现的人工合成的超铀元素。镎的发现是很重要的,这不仅从揭开
超铀元素领域的谜团来说是如此,而且它首次启示5f电子存在的可能性,即涉及锕后元素在
周期表中的位置问题。
它最早是在1940年合成的。而在铀矿中,铀-238会先捕获
中子成为铀-239,再透过
β衰变成为镎-239(
半衰期2.35天)。所以在天然环境中只有在
铀矿中有极微量的镎存在。
物理性质
镎(台湾、港澳译作錼,旧译作釢)是一种
放射性化学元素 。它的
化学符号是Np,它的
原子序数是93,属于
锕系元素之一。
镎的拼音名称是
海王星的意思。比对它之前的铀,是以
天王星为名。
镎-237是最稳定的同位素,它的
半衰期有2144000年。
【元素名称】 镎(拼音ná,英文名Neptunium)
【元素符号】 Np
【元素原子量】 [237]
【元素类型】 金属
【
核外电子排布】 2,8,18,32,23,8,2
【同位素及放射线】Np-235[1.08y] Np-236[155000y] Np-236m[22.5h] Np-237(放α[2140000y]) Np-238[2.11d] Np-239[2.35d] Np-240[1.03h] Np-240m[7.22m]
【电子亲合和能】0 KJ·mol-1
【第三电离能】0 KJ·mol-1
【单质密度】20.45 g/cm3
【单质熔点】640.0 ℃
【单质沸点】3902.0 ℃
a = 666.3pm
b = 472.3pm
c = 488.7pm
α = 90°
β = 90°
γ = 90°
化学性质
自然界中的镎量是很少的,因为寿命最长的237Np其半衰期也比地球的年龄短许多,即使当初有,几乎都衰变掉了;只是由于铀俘获中子的结果,连续不断地生成镎,所以它才能以极少量的形式存在于自然界中。镎的发现是很重要的,它揭开超铀元素领域的面纱,而且它首次启示5f电子存在的可能性,即涉及锕后元素在周期表中的位置问题。
镎的化学性质表明,它与锕系中相邻近的元素铀和钚有明显的差别,两者比较起来,更接近于铀,特别是水溶液中的化学行为如此。已经以公斤量生产长寿命的237Np,它的半衰期虽长达2.14×106a,但它的比活度仍为天然铀的2000倍左右。由于研究它们时需要复杂的设备,以及超铀元素的毒性作用,因而对镎化学在许多方面尚待深入研究。
已知镎有18种同位素,都具有放射性,其中最有实用价值的是239Np和237Np。前者是从238U通过中子辐照生产裂变核燃料239Pu中间核素;而后者则是
热中子反应堆乏燃料中的一个核素,它是生产238Pu的靶料。
在1200℃下用钡蒸汽作用于NpF3可制得微量金属镎。镎是银白色重金属,熔点为630±1℃(α-型)、(278±5)℃(β-型)、278~570℃(γ-型),沸点为3727℃。质量数为237的同位素密度为20.45g/cm3(α-型)、19.35g/cm3(β-型)、18.0g/cm3(γ-型)。溶于盐酸,具有较高的化学活泼性,50℃与氢反应生成黑色氢化物(NpH3.6~3.8),常温下于空气中虽不氧化,但在50℃则可生成NpO薄膜。金属镎易溶于盐酸、硫酸和含F-的硝酸中,室温时,金属镎在干燥空气中由于表面形成一种
氧化膜而显得十分稳定。
镎的还原性很强,可以与很多非金属元素起反应,鉴于篇幅原因,本文仅对镎的卤化物及镎的氧化物做简要介绍。
氧化态主要为Np+5,还有Np+2, Np+3, Np+4, Np+6, Np+7;
镎从+2到+7价有多种
化合价,+3价镎的化合物及水溶液呈蓝色或紫色,被空气氧化成+5价的镎。+4价镎的化合物及水溶液,由黄绿色变为深绿色。+5价镎在水溶液中以NpO2+形式存在。+6价镎的水溶液呈粉红色。+7价镎在碱性水溶液中也NpO53-的形式存在。
镎的氟化物
紫色的
三氟化镎NpF3和绿色的四氟化镎NpF4是分别在H2与O2存在时,将
二氧化镎于500℃时通氟化氢制成的。
其中NpO2可由镎的
氢氧化物、碳酸盐、草酸盐或硝酸盐代替。NpF4在氢气流中加热可还原成NpF3。这两种氟化物都不溶于水和稀酸,因而也能从水溶液中用沉淀法制得。
六氟化镎NpF6固态时为橙色,气态时无色。它可在300一500℃时以BrF3,BrF5或单质
氟对NpO2或NpF4进行氟化而得。NpF6同PuF6一样见光便分解。由于237Np的比活度低,它的自辐解作用也弱。NpF6遇到痕量水分便迅速分解为氟化镎酰NpO2F2,较纯的NpO2F2是由NpO3·H2O制得的。
BrF3在室温下反应,或与F2在230℃时反应,与HF在300℃时反应而得到;也能在真空条件下浓缩Np(VI)的氢氟酸溶液制得。
固体NpO2与碱金属
碳酸盐、碳酸氢盐或草酸盐在500℃的
HF-O2气流中反应,可生成三元氟化物LiNpF5或7MF·6NpF6(M=Na,K,Rb),它们与其他四价锕系元素的相应化合物都是同构的。此外尚有Na2NpF6,Na3NpF8,K2NpF6,Rb2NpF6,Rb2NpF7等含镎的氟化物,它们多呈绿色或粉红-紫色。
镎的氧化物
文献中已报道的Np-O2和Np-O2-H2O体系中的化合物有如下几种:
氧化物:一氧化镎NpO,三氧化二镎Np2O3,
二氧化镎NpO2,
五氧化二镎Np2O5和
八氧化三镎Np3O8;
水合氧化物:NpO2OH,NpO3·H2O,NpO3·2H2O和NpO2(OH)3·3H2O。
其中比较重要的是NpO2,它是镎的氧化物中最稳定的化合物,常作为反应堆辐照237Np的靶料物。一般可通过加热分解镎的氢氧化物、硝酸盐和草酸盐制得NpO2,用
CO在450℃以上还原高价镎的氧化物也能生成NpO2。这一氧化物还可在800--1000℃下在空气中氧化金属镎而得到。在氧的压力大于2个大气压时,金属镎在25℃时就氧化为NpO2。
NpO2与许多元素氧化物进行固相反应,或从LiNO3-NaNO3熔盐中沉淀,都可生成四价、五价、六价和七价镎的三元氧化物或氧化物相,这取决于反应条件和加入的
金属氧化物。
所发现的大多数三元和多元氧化物都是含Np(IV)和Np(VI)的。
制备方法
该元素通常由人工合成。金属镎是用
钡(Ba)还原
三氟化镎(NpF3)得到,为银白色有伸展性的金属。
或由NpF3或NpF4用金属钡蒸气在1200℃还原而制得。
也可以采用钢弹还原技术并用
碘作为促进剂(增压器)还原镎的氟化物NpF4来制备。每摩尔镎需要加入约0.15mol碘来促进反应,
钙金属过量约25%。最小的容器用于制备1g量的金属,产率>95%,最大的容器用于批量制备2.5kg量的金属,产率>99%。将氟化镎与粒状的钙和碘混合,倒进大小合适的还原容器中,在装上反应物以后,盖上盖子,抽空容器,再充上氩气,密封气体接口,给环形线圈接上10kHz的感应加热容器。加热后,倾出容器内的物质,打碎坩埚,机械分离金属熔渣和炉渣。
计算化学数据
数据:
1.疏水参数计算参考值(XlogP):无
2.氢键供体数量:0
3.氢键受体数量:0
4.可旋转化学键数量:0
5.互变异构体数量:无
6.拓扑分子极性表面积0
7.重原子数量:1
8.表面电荷:0
9.复杂度:0
10.同位素原子数量:0
11.确定原子立构中心数量:0
12.不确定原子立构中心数量:0
13.确定化学键立构中心数量:0
14.不确定化学键立构中心数量:0
15.共价键单元数量:1
镎的分析测定
通常分析试样中,镎的含量很小而杂质量却很大,因此,在大多数的分析测定中,需要将镎与其他元素经初步分离,再浓缩和纯化。例如通过价态的改变、
离子交换或多级溶剂萃取等分离方法来实现。对于镎的测定可有多种方法,其中以测量“镎源”辐射的能谱及溶液中镎离子的吸收光谱较为重要,即是辐射测量法和
分光光度法为主,这两种方法就灵敏度和选择性而言相差无几,而化学方法鉴定镎则较少有实际意义。
辐射测量法测定237Np是基于测量其α和β射线,它的比活度很低(1.58×103α粒子/μg·min),但由于它是最灵敏的方法,所以α测量法广泛地用于Np的测定。分光光度法是利用镎的水溶液和有机溶液均有特征的吸收光谱,根据这些光谱,不仅可以测定镎的价态,而且可以测定镎的含量。
其他还有像
中子活化分析法、
滴定法、电化学法、质谱法、X射线测定法萃取色层法与质谱测量相结合等分析测定方法。综合起来看,
活化分析法是测定镎的最灵敏的方法,但它需要很强的中子源,分析的时间也较长。其次是d能谱法和
偶氮胂111分光光度法,它们的缺点是对
钚或
铀的选择性差,因此应用这些方法时,需将镎与杂质预先分离。
二甲酚橙分光光度法和控制电位库仑法,则是分析镎的选择性较好的方法。其他安培滴定、库仑滴定和络合滴定对测定镎的精密度较好,但有时可能产生相当大的系统误差。