Erittäin radioaktiivinen metalli prometium on yksi harvinaisimmista alkuaineista maailmassa. Sen määräksi maankuoressa on arvioitu vain noin 500–600 grammaa. Nyt kemistit Yhdysvalloista ovat valmistaneet ensi kertaa ikinä prometiumista kompleksiyhdisteen vesiliuoksessa.
Saavutus on sikäli huomattava, että liuoskemia ja kompleksiyhdisteet ovat kumpikin kemisteille tärkeitä ja yleisiä tutkimusaiheita. Asiasta uutisoivan Chemical & Engineering News -lehden haastattelemat riippumattomat asiantuntijat kiittelevätkin työtä.
Tieteellinen artikkeli mittauksista on julkaistu erittäin arvostetussa Nature-lehdessä, mistä se on vapaasti luettavissa.
LUE MYÖS:
USA:n Oak Ridgen kansallislaboratorion Ilja Popovsin ja Alexander Ivanovin johtama ryhmä kertoo, että he ryhtyivät tutkimaan prometiumia paikatakseen sitä puutetta, miten huonosti prometiumin kemiaa tunnetaan. Tutkijoiden mukaan muutamia erikseen mainittuja esimerkkejä lukuun ottamatta ”prometiumin kemia on oleellisesti ottaen tuntematonta”.
Amerikkalaisryhmän erityisenä tarkoituksena oli määrittää prometiumin ja sen naapuriatomin väliset sidosmitat sekä verrata niitä muihin harvinaisiin maametalleihin. Kemiallisesti prometium kuuluu juuri harvinaisiin maametalleihin.
Tutkijat saivat käyttöönsä 10 milligrammaa prometiumin isotooppia 147, mistä he valmistivat vesiliuoksessa kompleksin bispyrrolidiinidiglykolamidin (lyh. pydga) kanssa.
Kompleksi oli väriltään kirkkaan vaaleanpunainen, kertoo New Scientist uutisessaan. Myös lähtöaine, prometiumnitraatti, oli saman värinen.
Yhdessä kompleksissa Pm³⁺-ionia eli varausluvultaan kolmen arvoista prometiumionia ympäröi kolme pydga-molekyyliä. Koska yksi pydga sisältää kolme kompleksisidoksia muodostavaa happiatomia, oli prometiumin koordinaatioluku 9.
Popovsin ja Ivanovin ryhmä mittasi kompleksin ominaisuuksia erilaisilla röntgenmenetelmillä. Prometiumin ja hapen väliseksi sidosmitaksi paljastui 248 pikometriä.
Luku on noin pikometrin tarkkuudella täsmälleen sitä mitä pitikin. Harvinaisten maametallien atomikoko ja sitä myötä sidosmitta lyhenee järjestysluvun kasvaessa, ja prometiumin mitta osui tarkasti yhtä järjestyslukua kevyemmän neodyymin sekä yhtä lukua raskaamman samariumin väliin.
”Tähän asti tieteentekijöiden on täytynyt olettaa suurin osa prometiumin ominaisuuksista. Nyt me kykenimme oikeasti mittaamaan niistä joitakin”, kommentoi tutkimukseen osallistunut Santa Jansone-Popova tiedotteessa.
Lisää radioaktiivisten alkuaineiden kemiasta:
Naturessa julkaistun artikkelin ensimmäisenä kirjoittajana mainitaan Darren Driscoll. Tämä maininta tarkoittaa yleensä suurinta vastuuta käytännön työstä.
Valmistetaan ydinjätteestä
Prometium on luonnossa ilmiömäisen harvinaista, koska sen kaikki isotoopit ovat äärimmäisen radioaktiivisia – toisin sanoen ne hajoavat nopeasti. Oak Ridgen tutkijoiden käyttämä isotooppi Pm-147 hajoaa beetahajoamisen kautta 2,6 vuoden puoliintumisajalla. Aika on todella lyhyt verrattuna esimerkiksi uraanin miljardien vuosien puoliintumisaikoihin.
Isotoopit 145 ja 146 ovat hieman pitkäikäisempiä (18 ja 5,5 vuotta), mutta kaikki muut hajoavat käsiin tunneissa, minuuteissa tai sekunneissa.
Prometiumia valmistetaan uuttamalla sitä ydinjätteestä. Uraani-235:n fissiossa muodostuu Pm-147:ää melko paljon, noin 2,6 prosentin saannolla.
LUE MYÖS:
Isotooppia on käytetty säteilyhoidoissa ja radioisotooppiparistoissa.
Kylmän sodan aikaan prometium-147:ää valmistettiin Yhdysvalloissa satoja grammoja vuodessa, mutta sittemmin tuotanto on keskittynyt enemmän Venäjälle. Popovsin ja Ivanovin ryhmä Yhdysvalloista uutti oman prometiuminsa itse.
Koska prometium-147 säteilee vain beetahiukkasia eli elektroneja – eikä lainkaan gammasäteitä – sen tutkiminen on äärimmäisestä radioaktiivisuudesta huolimatta siedettävän turvallista. Beetasäteily läpäisee ainetta selvästi gammasäteitä heikommin.
Tästä helpotuksesta huolimatta Popovsin ja Ivanovin ryhmä käsitteli prometiumnäytteitä suodattimin varustetuissa vetokaapeissa aina kun mahdollista. Kun näyte piti siirtää röntgenanalyysiä varten toiseen laboratoriotilaan, se suljettiin kaksinkertaiseen kapseliin.
Kaikki kokeet tehtiin 2,5 kuukauden sisällä, koska pidempi odottelu olisi vain johtanut prometiumnäytteen hajoamiseen.
Tunnettu 79 vuotta, vaikka vähän on mitattu
Prometiumin olemassaolon ennusti vuonna 1902 tšekkiläinen kemisti Bohuslav Brauner täsmälleen siltä pohjalta, että ominaisuuksien puolesta neodyymin ja samariumin välistä jaksollisesta järjestelmästä näyttäisi puuttuvan jotain.
79 vuotta sitten vuonna 1945 Yhdysvaltain Manhattan-projektissa eli ydinpommihankkeessa työskennelleet kemistit löysivät uuden alkuaineen ydinjätteen joukosta. Löytö julkistettiin 1947.
Alkuaineen saama prometium-nimi annettiin antiikin Kreikan mytologian Prometeus-hahmon mukaan. Tarinan mukaan Prometeus varasti kreikkalaisilta jumalilta tulen ja toi sen ihmisille. Tätä kertomusta Manhattan-projektin tutkijat pitivät hyvänä symboliikkana ydinpommin keksimisen jälkeen.
Prometiumia syntyy luonnossa lähinnä uraani-235-isotoopin spontaaneista fissioista. Lisäksi marginaalisen pieni määrä muodostuu, kun europium-151 hajoaa alfahajoamisessa äärimmäisen pitkällä 4,6 triljoonan eli 4,6 × 10¹⁸ vuoden puoliintumisajalla.