鎝

鎝，是一種化學元素，其化學符號為，原子序數為43，原子量為。鎝的所有同位素都不穩定，是原子序最小的放射性元素。其壽命最長的同位素是鎝-98，半衰期420萬年，遠短於地球的年齡，因此所有原始的鎝元素，也就是在地球形成時可能存在的鎝，至今都已全部衰變殆盡。地球上現存的大部分鎝都是人工合成的，自然界中僅有極少量存在。在鈾礦中，鎝是一種自發裂變產物；在鉬礦石中，鉬經中子俘獲後可以生成鎝。鎝是一種銀灰色的金屬晶體，其化學性質介於同族的錳和錸之間。在鎝發現以前，德米特里·門捷列夫就已經預測了它的許多性質。在他的週期表中，門捷列夫把這種尚未發現的元素叫做“類錳”，符號為Em。1937年，鎝成為第一個由人工合成而發現的元素。它的英文名來自希臘語--，意為“人造”。鎝的短壽命同位素鎝-99m具有γ放射性，廣泛用於核醫學。鎝-99僅具有β放射性。商業上，鎝的長壽命同位素是反應堆中鈾-235裂變的副產物，可以從乏燃料中提取得到。鎝最長壽命的同位素是鎝-98。1952年，有人在壽命超過十億年的紅巨星中發現了鎝-98，讓人們認識到恆星可以製造重元素。歷史.搜尋43號元素.根據早期的元素週期律，許多研究者急於找到和命名第43號元素，其較低的原子序數似乎顯示它應當比其他未知元素更容易發現。1828年，德國化學家哥特弗雷德·威爾海姆·奧桑相信他在鉑礦裡發現了43號元素，並命名為Polinium。但後來證明那鎷作為該元素Masurium的中文譯名。至今，1925年諾達克等人是否真正發現了鎝還存在爭議。鎝的正式發現.1936年12月，義大利巴勒莫大學的卡羅·佩裡爾終於證實了43號元素的存在。1936年中，塞格雷在美國先後訪問了哥倫比亞大學和勞倫斯伯克利國家實驗室。他向迴旋加速器的發明者歐內斯特·勞倫斯要一些迴旋加速器上帶有放射性的廢棄部件。於是勞倫斯寄給他了一些曾用做迴旋加速器偏向板的鉬箔。塞格雷在同事佩裡爾的協助下，用化學方法證明鉬箔的放射性一種原子序數為43的新元素。他們成功的分離出了鎝的同位素鎝-95m和鎝-97。巴勒莫大學當局希望他們把新元素以巴勒莫的拉丁文名稱Panormus命名為“Panormium”。 1947年，43號元素根據希臘語--命名為鎝，意為“人造”。塞格雷再度訪問美國。他和格倫·西奧多·西博格一起分離了鎝的介穩態同位素鎝-99m。現在這種同位素被廣泛用於許多核醫學診斷中。1952年，美國天文學者保羅·麥裡爾在S-型紅巨星的光譜中觀察到了鎝的發射譜綫。這些星體的年齡是鎝最長壽同位素半衰期的幾千倍。這意味著它們還在透過核反應產生鎝。當時，恆星透過核合成產生重元素只是一個假說。此觀測無疑給這一假說提供了證據。近來，有觀測表明重元素是在s-過程中透過中子俘獲生成的。自發現以來，人們一直在搜尋自然界中的鎝。1962年，有人從比屬剛果的瀝青鈾礦中分離出了鎝-99。其含量極低，每公斤鈾礦僅含有0.2納克鎝，是鈾-238自發裂變的產物。有證據表明，加彭奧克洛天然核反應堆曾產生大量的鎝-99，但在過去億萬年中已經幾乎全部衰變為釕-99。性質.物理性質.鎝是一種銀灰色放射性金屬，外觀與鉑相似。粉狀時呈灰色。純金屬鎝的晶型為六方最密堆積。在原子發射光譜中，鎝的特徵譜綫位於363.3、403.1、426.2、429.7和485.3奈米。金屬鎝具有順磁性。在溫度降到7.46 K時，純金屬鎝的單晶成為二型超導體。在這個溫度以下，鎝具有很高的倫敦穿透深度，在所有金屬中僅次於鈮。化學性質.在元素週期表中，鎝處在第五週期和第七族，位於錳和錸之間。根據元素週期律，其化學性質應介於這兩種元素之間。但鎝比較不活潑，容易形成共價鍵，不易生成陽離子。這些性質上鎝與錳不同，而更接近於錸。鎝常見的氧化數有+4、+5和+7。金屬鎝能溶於王水、硝酸和濃硫酸，但不溶於鹽酸。同位素.鎝沒有穩定的同位素，即所有同位素都具有放射性。在元素週期表中，鎝是沒有穩定同位素的元素中原子序最小的；下一個沒有穩定同位素的元素是鉕，其原子序數為61。鎝和鉕是液滴模型的特例，而相鄰元素的穩定性也連帶影響了鎝的穩定性。根據馬陶赫同量異位素規則，若兩個在週期表上相鄰的元素各有一個質量數彼此相等的同位素的話，其中一個必然會有放射性，而和鎝相鄰的鉬與釕都有對β衰變穩定、且質量數位於照理來說鎝的同位素會對β衰變穩定的質量範圍內的同位素，因而造成鎝沒有穩定的同位素。即使中子數為偶數，原子核中質子數為奇數的核素仍要比質子數為偶數的更不穩定。因此對於原子序數的元素中唯二沒有穩定同位素的元素。鎝最穩定的同位素分別是鎝-98。質量數小於鎝-98的鎝同位素衰變時以電子俘獲為主，產物是鉬。唯一的例外是鎝-100：它既可以俘獲電子生成鉬，也可以發生β衰變生成釕。鎝還有很多亞穩態同位素，也稱為核同質異能素。以鎝-97m。鎝-99m半衰期為6.01小時。它會釋放出γ射線，轉變成鎝-99。鎝-99是核反應堆中鈾-235和鈽-239裂變的主要產物之一，因此是最常見、最易得的鎝同位素。一克鎝-99每秒鐘衰變6.2×108次。化合物.氫化物和氧化物.鎝和氫氣反應生成鎝氫化物陰離子TcH92-，其晶體結構跟錸氫化物ReH92-類似。六個氫原子組成一個三稜柱，鎝位於三稜柱的體心位置。另外三個氫原子位於透過中心鎝原子並與上、下底面平行的平面上，和上、下底面的氫原子呈交錯構象。九個氫原子不等同，但是在電子結構上非常相似。鎝在這個離子中的配位數是九。這是鎝化合物的最高配位數。金屬鎝在潮濕空氣中會漸漸失去光澤。粉狀鎝在氧氣中可以燃燒。現已製得兩種鎝的氧化物：TcO2和Tc2O7。鎝可以被氧化成高鎝酸離子TcO4-。在400–450 °C，鎝可以被氧化成淺黃色的七氧化二鎝：4 Tc + 7 O2 → 2 Tc2O7此化合物的結構中心對稱，共有兩種不同的鎝-氧鍵，鍵長分別為167 pm和184 pm。以七氧化二鎝為原料，可以製得高鎝酸鈉：Tc2O7 + 2 NaOH → 2 NaTcO4 + H2O黑色的二氧化鎝可以用鎝或氫氣還原七氧化二鎝來製備。高鎝酸可以透過Tc2O7和水或氧化性酸反應來製備。可用的酸包括硝酸、濃硫酸、王水和硝酸與鹽酸的混酸。深紅色的高鎝酸是強酸，易吸水。和高錳酸不同，高鎝酸是一種弱氧化劑。因為水溶性好，高鎝酸鹽是臨床上常用的鎝試劑和催化劑。高鎝酸陰離子是正四面體結構：四個氧原子在四面體的四角，鎝原子位於四面體的中心。在濃硫酸中，高鎝酸會轉化成八面體結構的異高鎝酸TcO3(OH)(H2O)2。硫化物、硒化物和碲化物.鎝有多種硫化物。鎝可以和硫直接起反應生成TcS2。Tc2S7則是透過高鎝酸與硫化氫的反應製備：2 HTcO4 + 7 H2S → Tc2S7 + 8 H2O在這個反應中鎝(VII)被還原成四價，過量的硫生成雙硫鍵。七硫化二鎝是聚合物，結構為(Tc3(µ3–S)(S2)3S6)n，類似於鉬的硫化物 Mo3(µ3–S)(S2)62–.七硫化二鎝受熱後會分解為二硫化鎝和硫單質：Tc2S7 → 2 TcS2 + 3 S硒和碲與鎝的反應和硫相似。鹵化物.鎝能形成包括四氯化鎝、六氟化鎝在內的多種鹵化物，有關綜述獻。碳化鎝和鎝的正交晶相.金屬鎝中如果有少量碳雜質，會使由部分鎝由六方密堆積轉變成為正交晶系結構。當含碳量超過15-17%時，轉變趨於完全，生成立方晶系的碳化鎝，化學式近似為Tc6C。其結構不會再隨碳含量增加而變化。簇合物和有機配合物.鎝有幾種已知的簇合物，包括Tc4、Tc6、Tc8和Tc13。較穩定的Tc6和Tc8簇合物擁有稜柱型結構。垂直方向上的鎝原子以三鍵相連線，水平方向的則以單鍵連線。每個鎝原子有六個鍵，剩餘價電子透過直立鍵同一個鹵素原子，或者透過橋鍵與兩個鹵素原子相連線，比如氯和溴。鎝可以形成眾多的有機配合物。因為它們在核醫學方面的重要性，對鎝配合物的研究較為充分。羰基鎝Tc2(CO)10為白色固體。此化合物中，兩個鎝原子之間的化學鍵很弱，每個鎝原子與五個羰基以八面體結構鍵合。鎝-鎝鍵鍵長為303 pm，比金屬鎝中原子間距長得多。和鎝同族的錳和錸也可形成類似的羰基化合物。右圖中所示的有機鎝配合物在核醫學中應用廣泛。其鎝-氧雙鍵垂直於環平面。這個氧原子也可以被氮原子替換。存象和生產.地殼中僅含有極微量天然鎝，是鈾礦自發裂變的產物。據估計，一公斤鈾礦含有一納克鎝。某些S型、M型和N型紅巨星的吸收光譜中有鎝的特徵吸收。這種紅巨星被戲稱為“鎝星”。裂變核廢料.每年大量的鎝被人類從乏燃料中分離提取出來。反應堆中1克鈾-235裂變可以產生27毫克鎝-99，產額為6.1%。如果以鈾-233為燃料，鎝-99產額為4.9%；如果以鈽-239為燃料，鎝-99產額為6.21%。據估計，從1983年到1994年，人類反應堆中一共產生了78噸鎝，是地球上鎝最主要的其中只有一小部分用於商業用途。鈾-235和鈽-239的裂變都可以產生鎝-99。因此，鎝-99不但存在於核廢料中，也存在於裂變核武器爆炸後產生的放射性落下灰中。在乏燃料貯存過程中，鎝-99的放射性在104到106年之間將居主導地位。據估算，1945年到1994年間大氣層核試驗一共向環境釋放了250公斤鎝。截至1986年，人類核反應堆一共排放了1600公斤鎝，主要是在乏燃料再處理過程中排放的；大部分進入海洋。隨著再處理技術的發展，反應堆鎝的排放逐漸減少。到2005年，最主要的排放源是英國謝拉斐爾德再處理厰。據估計，1995年到1999年，該廠一共向愛爾蘭海排放了900公斤鎝。2000年後，法律規定該廠每年只能排放140公斤鎝。該廠的排放導致某些海產品含有微量的鎝。比如，英國坎布里亞郡西部捕獲的歐洲龍蝦和魚含有1 Bq/公斤的鎝。鎝的商業用途.以鈾或鈽為燃料的核反應堆一直不停地產生介穩態核素鎝-99m。但乏燃料都要經過數年冷卻，到再處理的時候鉬-99和鎝-99m已經完全衰變了。經過鈽鈾提取，基本上全部是鎝-99，鎝-99m已經消失殆盡。絕大部分醫用鎝-99m是在反應堆裡輻照高濃縮鈾做淋洗劑，便可將含有鎝-99m的高鎝酸鹽淋洗下來。和從裂變產物中提取鉬-99相比，透過輻照高濃縮鈾的方法大大減化了化學分離的步驟。此法的缺點是需要高濃縮鈾-235，會引起諸多的安全問題，比如核材料走私、核擴散等。世界上近三分之二的鎝由兩座反應堆提供：加拿大曹爾克河實驗室的國家研究通用反應堆和荷蘭核研究和諮詢集團的帕滕反應堆。這兩座反應堆建於1960年代，都已經接近退役期限。加拿大擬建的兩座“多功能應用物理晶格實驗”反應堆本來計劃生產超過全世界總需求一倍的鎝，但在2008年在試車成功後被封堆，整個計劃取消。這給鎝將來的供應前景帶來了巨大的不確定性。2009年8月，曹爾克河實驗室反應堆開始封堆維修，計劃於2010年4月再次執行。2010年2月19日，帕滕反應堆開始了為期六個月的封堆維修。每年千百萬人需要鎝-99m，供應缺口迫使一些醫生重新啟用20年前的老技術。令人稍感寬慰的是，波蘭瑪利亞研究反應堆宣佈開發了一種製備鎝-99m的新技術。曹爾克河實驗室反應堆於2010年8月重新啟動.一個月後帕滕反應堆也再次運轉。鎝-99m的供應危機暫時得以緩解。廢物處理.鎝-99的半衰期長，容易形成易溶於水的高鎝酸鹽溶解性好，不易被土壤、岩石和礦物吸附，很有可能隨水遷移。比較而言，鈽、鈾和銫更容易被土壤吸附。透過某些微生物活動，鎝可以在一些環境富集，比如在湖底沉積物中。因此，鎝的環境化學是相當活躍的研究領域。還有一種處理方式是核嬗變。歐洲核子研究組織。它的存在會延長分離釕-100之前所需要的冷卻時間。從乏燃料中分離鎝-99是個漫長過程。在再處理工藝中，它出現在鈾和鈽回收後的高放射性廢液中。經過幾年的冷卻後，該廢液的放射性下降到一定程度之後，鎝-99可以用幾種化學萃取方法回收，產生高純度的金屬鎝。中子活化.鉬-98經中子活化後可生成鉬-99，然後衰變成鎝-99m。其它鎝同位素在裂變中產額較低，一般透過中子輻照前體同位素製備。比如，鎝-97是用中子轟擊釕-96生產。粒子加速器.1971年，有人在醫用迴旋加速器用22兆電子伏特質子轟擊鉬-100靶子，透過反應100Mo(p,2n)99mTc製備鎝-99m。2010年代鎝的短缺讓人們重新審視此法。使用加速器，還可以透過(n,2n)或(γ,n)反應從鉬-100製備鉬-99，進而得到鎝-99m。應用.核醫學和生物學.鎝-99m半衰期較短，因此在核醫學上用於人體示蹤劑。截止2000年，含有鎝-99m的常見放射性藥物有31種，用於大腦、心肌、甲狀腺、肺、肝、膽囊、腎、骨骼、血液等器官和腫瘤的造影和功能性研究。鎝-95m半衰期稍長，為61天。它也可以用做植物和牲畜等的示蹤劑，以及研究鎝在環境中的遷移。工業及化學應用.鎝-99是一種純β輻射源，釋放出低能量β粒子。它的半衰期很長，所以輻射變化很緩慢。從放射性廢物中提取的鎝可以達到很高的化學純度和同位素純度。因此，鎝-99是美國國家標準技術研究所認證的標準β輻射源，用於儀器校準。有人提議將鎝-99用於光電器件和奈米級的核電池。同錸和鈀類似，鎝也可以作為催化劑。對某些反應，比如異丙醇脫氫反應，鎝的催化活性比錸和鈀高得多。但是，其放射性限制了它在催化上的應用。高鎝酸鉀在很低的濃度就可以防止鋼鐵的銹蝕，甚至在250 °C仍有抗銹的能力。因此，高鎝酸鹽可能可以用作鋼鐵的防銹劑。但是鎝的放射性決定了鎝防銹劑只能用於封閉體系。鉻酸鹽CrO42-也能防銹，但其有效濃度是高鎝酸鉀的10倍。在一個實驗中，一塊碳鋼被浸泡在高鎝酸鹽水溶液中20年仍沒有銹蝕。高鎝酸鹽防銹的機理尚不明確，但似乎是在鋼鐵表面形成了一層保護層。一種理論認為，高鎝酸鹽和鋼鐵的表面發生反應，生成了一薄層緻密的二氧化鎝，保護鋼鐵不受氧化。這個理論可以解釋為什麼鐵粉能從水中吸附高鎝酸離子。但當高鎝酸離子濃度下降到某一最小濃度時，鐵粉對該離子的吸附停止。高濃度幹擾離子的存在也會抑制鐵粉對高鎝酸離子的吸附。如上所述，鎝的放射性限制了它作為防銹劑的實際應用。有人提議把高鎝酸鹽用於沸水堆鋼鐵構件的腐蝕防護，但是此建議未獲採用。鎝的安全使用.在生物體內鎝沒有任何已知的功能。鎝的化學毒性似乎比較小。連續幾個星期給小白鼠喂飼含有15微克/克鎝的食物，其血液、體重、器官重量和進食量未觀察到顯著的變化。鎝的放射毒性取決於鎝化合物組成、輻射型別和鎝同位素的半衰期。使用所有鎝同位素都必須謹慎。最大的健康風險是吸入帶有鎝同位素的灰塵，可以致肺癌。最常見的同位素鎝-99釋放出低能量β粒子，甚至無法貫穿實驗室的玻璃器皿。因此和鎝化合物接觸時，手套箱基本沒有必要，通風櫥便可以很好的消除其危害。