Prometium

Prometium adalah sebuah unsur kimia dengan lambang Pm dan nomor atom 61. Semua isotopnya bersifat radioaktif; ia sangatlah langka, dengan hanya sekitar 500–600 gram yang terjadi secara alami di kerak bumi pada setiap waktu tertentu. Prometium adalah salah satu dari dua unsur radioaktif yang dalam tabel periodik diikuti oleh unsur-unsur stabil, yang lainnya adalah teknesium. Secara kimiawi, prometium adalah lantanida. Prometium hanya menunjukkan satu keadaan oksidasi stabil, yaitu +3.

Pada tahun 1902, Bohuslav Brauner memperkirakan bahwa ada unsur yang tidak dikenal pada waktu itu dengan sifat-sifat perantara antara unsur-unsur yang telah diketahui, neodimium (60) dan samarium (62); hal ini dikonfirmasi oleh Henry Moseley pada tahun 1914, yang, setelah mengukur nomor atom semua unsur yang diketahui saat itu, menemukan bahwa nomor atom 61 hilang. Pada tahun 1926, dua kelompok (satu Italia dan satu Amerika) mengklaim telah mengisolasi sampel unsur 61; kedua "penemuan" itu segera terbukti salah. Pada tahun 1938, selama percobaan nuklir yang dilakukan di Universitas Negeri Ohio, beberapa nuklida radioaktif dihasilkan yang pastinya bukan radioisotop neodimium atau samarium, tetapi tidak ada bukti kimia bahwa unsur 61 dihasilkan, dan penemuan itu tidak diakui secara umum. Prometium pertama kali diproduksi dan dicirikan di Laboratorium Nasional Oak Ridge pada tahun 1945 melalui pemisahan dan analisis produk fisi bahan bakar uranium yang diiradiasi dalam reaktor grafit. Para penemu mengusulkan nama "prometheum" (ejaannya kemudian diubah), yang berasal dari Prometheus, Titan dalam mitologi Yunani yang mencuri api dari Gunung Olympus dan membawanya ke manusia, untuk melambangkan "keberanian dan kemungkinan penyalahgunaan kecerdasan umat manusia". Namun, sampel logam tersebut baru dibuat pada tahun 1963.

Dua sumber prometium alami adalah peluruhan alfa yang langka dari europium-151 alami (menghasilkan prometium-147) dan fisi spontan uranium (berbagai isotop). Prometium-145 adalah isotop prometium yang paling stabil, tetapi satu-satunya isotop dengan aplikasi praktis adalah prometium-147, senyawa kimia yang digunakan dalam cat bercahaya, baterai atom, dan alat pengukur ketebalan. Karena prometium alami sangat langka, prometium biasanya disintesis dengan membombardir uranium-235 (uranium yang diperkaya) dengan neutron termal untuk menghasilkan prometium-147 sebagai produk fisi.

Sifat

Sifat fisik
Sebuah atom prometium memiliki 61 elektron, tersusun dalam konfigurasi [Xe] 4f5 6s2. Tujuh elektron 4f dan 6s adalah valensi. Dalam membentuk senyawa, atom prometium kehilangan dua elektron terluarnya dan salah satu elektron 4f, yang termasuk dalam subkulit terbuka. Jari-jari atom unsur tersebut adalah yang terbesar kedua di antara semua lantanida tetapi hanya sedikit lebih besar dari unsur-unsur tetangganya. Ini adalah pengecualian yang paling menonjol untuk tren umum kontraksi atom lantanida dengan peningkatan nomor atomnya (lihat kontraksi lantanida). Banyak sifat prometium bergantung pada posisinya di antara lantanida dan merupakan perantara antara neodimium dan samarium. Misalnya, titik lebur, tiga energi ionisasi pertama, dan energi hidrasinya lebih besar dari neodimium dan lebih rendah dari samarium; sama halnya, perkiraan titik didih, jari-jari ionik (Pm3+), dan panas pembentukan standar gas monoatomik lebih besar daripada samarium dan lebih kecil daripada neodimium.

Prometium memiliki struktur padat heksagon ganda (double hexagonal close packed, dhcp) dan kekerasan 63 kg/mm2. Bentuk alfa bersuhu rendah ini berubah menjadi fase beta, kubus berpusat badan (body-centered cubic, bcc) saat dipanaskan hingga 890 °C.

Sifat kimia dan senyawa
Prometium berada dalam lantanida golongan serium dan secara kimiawi sangat mirip dengan unsur-unsur tetangganya. Karena ketidakstabilannya, studi kimia prometium masih belum lengkap. Meskipun beberapa senyawanya telah disintesis, mereka tidak sepenuhnya dipelajari; umumnya warnanya cenderung pink atau merah. Perlakuan larutan asam yang mengandung ion  dengan amonia menghasilkan endapan hidroksida berwarna coklat muda seperti agar-agar, , yang tidak larut dalam air. Ketika dilarutkan dalam asam klorida, maka akan dihasilkan garam kuning yang larut dalam air, ; demikian pula, ketika dilarutkan dalam asam nitrat, maka akan dihasilkan nitrat, . Yang terakhir juga larut dengan baik; saat dikeringkan, ia akan membentuk kristal berwarna merah muda, mirip dengan . Konfigurasi elektron untuk  adalah [Xe] 4f4, dan warna ionnya merah muda. Lambang istilah keadaan dasarnya adalah 5I4. Prometium sulfat sedikit larut, seperti sulfat kelompok serium lainnya. Parameter sel telah dihitung untuk oktahidratnya; mereka menyimpulkan bahwa massa jenis  adalah 2,86 g/cm3. Prometium oksalat, , memiliki kelarutan terendah dari semua oksalat lantanida.

Berbeda dengan nitratnya oksidanya mirip dengan garam samarium yang sesuai dan bukan garam neodimium. Saat disintesis, misalnya dengan memanaskan oksalat, ia adalah bubuk berwarna putih atau lavender dengan struktur yang tidak teratur. Serbuk ini mengkristal dalam kisi kubik saat dipanaskan hingga 600 °C. Penganilan lebih lanjut pada 800 °C dan kemudian pada 1750 °C mengubahnya secara ireversibel menjadi fase monoklinik dan heksagonal, dan dua fase terakhir dapat saling dipertukarkan dengan menyesuaikan waktu dan suhu penganilan.

Prometium hanya membentuk satu keadaan oksidasi stabil, +3, dalam bentuk ion; ini sejalan dengan lantanida lainnya. Menurut posisinya dalam tabel periodik, unsur ini tidak dapat diharapkan untuk membentuk keadaan oksidasi +4 atau +2 yang stabil; memperlakukan senyawa kimia yang mengandung ion Pm3+ dengan zat pengoksidasi atau pereduksi kuat menunjukkan bahwa ion tersebut tidak mudah teroksidasi atau tereduksi.

Isotop

Prometium adalah satu-satunya lantanida dan salah satu dari dua unsur di antara 82 unsur pertama yang tidak memiliki isotop stabil atau berumur panjang (primordial). Ini adalah hasil dari efek yang jarang terjadi dari model tetesan cair dan stabilitas isotop unsur tetangga; ia juga merupakan unsur yang paling tidak stabil di antara 84 unsur pertama. Produk peluruhan utamanya adalah isotop neodimium dan samarium (prometium-146 meluruh menjadi keduanya, isotop yang lebih ringan umumnya menjadi neodimium melalui peluruhan positron dan tangkapan elektron, dan isotop yang lebih berat menjadi samarium melalui peluruhan beta). Isomer nuklir prometium dapat meluruh menjadi isotop prometium lain dan satu isotop (145Pm) memiliki mode peluruhan alfa yang sangat jarang menjadi praseodimium-141 yang stabil.

Isotop prometium yang paling stabil adalah prometium-145, yang memiliki aktivitas spesifik  dan waktu paruh 17,7 tahun melalui tangkapan elektron. Karena isotop ini memiliki 84 neutron (dua lebih dari 82, yang merupakan bilangan ajaib yang sesuai dengan konfigurasi neutron yang stabil), ia dapat memancarkan partikel alfa (yang memiliki 2 neutron) untuk membentuk praseodimium-141 dengan 82 neutron. Jadi, ia adalah satu-satunya isotop prometium dengan peluruhan alfa yang teramati secara eksperimental. Waktu paruh parsialnya untuk peluruhan alfa adalah sekitar 6,3 tahun, dan probabilitas relatif inti 145Pm untuk meluruh dengan cara ini adalah 2,8 %. Beberapa isotop prometium lainnya seperti 144Pm, 146Pm, dan 147Pm juga memiliki pelepasan energi positif untuk peluruhan alfa; peluruhan alfa mereka diperkirakan terjadi tetapi belum teramati. Secara total, 41 isotop prometium telah diketahui, mulai dari 126Pm hingga 166Pm.

Unsur ini juga memiliki 18 isomer nuklir, dengan nomor massa 133 sampai 142, 144, 148, 149, 152, dan 154 (beberapa nomor massa memiliki lebih dari satu isomer). Yang paling stabil adalah prometium-148m, dengan waktu paruh 43,1 hari; ini lebih panjang dari waktu paruh keadaan dasar dari semua isotop prometium, kecuali untuk prometium-143 hingga 147. Faktanya, prometium-148m memiliki waktu paruh yang lebih lama daripada keadaan dasarnya, prometium-148.

Keterjadian

Pada tahun 1934, Willard Libby melaporkan bahwa ia telah menemukan aktivitas beta yang lemah dalam neodimium murni, yang dikaitkan dengan waktu paruh selama 1012 years. Hampir 20 tahun kemudian, diklaim bahwa unsur tersebut terdapat dalam neodimium alami dalam kesetimbangan dalam jumlah di bawah 10−20 gram prometium per satu gram neodimium. Namun, pengamatan ini dibantah oleh penyelidikan yang lebih baru, karena untuk ketujuh isotop neodimium alami, setiap peluruhan beta tunggal (yang dapat menghasilkan isotop prometium) dilarang oleh kekekalan energi. Secara khusus, pengukuran massa atom yang cermat menunjukkan bahwa perbedaan massa 150Nd−150Pm adalah negatif (−87 keV), yang benar-benar mencegah peluruhan beta tunggal dari 150Nd menjadi 150Pm.

Pada tahun 1965, Olavi Erämetsä memisahkan jejak 145Pm dari konsentrat tanah jarang yang dimurnikan dari apatit, menghasilkan batas atas 10−21 untuk kelimpahan prometium di alam; ini mungkin dihasilkan oleh fisi nuklir alami uranium, atau oleh spalasi sinar kosmik 146Nd.

Kedua isotop europium alami memiliki surplus massa yang lebih besar daripada jumlah surplus potensial produk peluruhan alfa ditambah surplus partikel alfa; oleh karena itu, mereka (dalam praktiknya stabil) dapat mengalami peluruhan alfa menjadi prometium. Penelitian di Laboratori Nazionali del Gran Sasso menunjukkan bahwa europium-151 meluruh menjadi prometium-147 dengan waktu paruh 5 years. Telah ditunjukkan bahwa europium "bertanggung jawab" atas sekitar 12 gram prometium di kerak Bumi. Peluruhan alfa untuk europium-153 belum ditemukan, dan waktu paruhnya yang dihitung secara teoretis sangatlah tinggi (karena energi peluruhan yang rendah) sehingga proses ini mungkin tidak akan diamati dalam waktu dekat.

Prometium juga dapat terbentuk di alam sebagai produk fisi spontan uranium-238. Hanya sejumlah kecil yang dapat ditemukan dalam bijih alami: sampel uraninit telah ditemukan mengandung prometium pada konsentrasi empat bagian per kuintiliun (4) massa. Uranium dengan demikian "bertanggung jawab" atas 560 gram prometium di kerak Bumi.

Prometium juga telah teridentifikasi dalam spektrum bintang HR 465 di rasi Andromeda; ia juga telah ditemukan dalam HD 101065 (bintang Przybylski) dan HD 965. Karena waktu paruh isotop prometium yang pendek, mereka seharusnya terbentuk di dekat permukaan bintang tersebut.

Sejarah

Pencarian unsur 61
Pada tahun 1902, ahli kimia Ceko Bohuslav Brauner menemukan bahwa perbedaan sifat antara neodimium dan samarium adalah yang terbesar di antara dua lantanida berturut-turut dalam urutan yang diketahui; sebagai kesimpulan, dia memperkirakan bahwa ada sebuah unsur dengan sifat perantara di antara mereka. Prediksi ini didukung pada tahun 1914 oleh Henry Moseley yang, setelah menemukan bahwa nomor atom adalah sifat unsur-unsur yang dapat diukur secara eksperimental, menemukan bahwa beberapa nomor atom tidak memiliki unsur-unsur yang sesuai: celahnya adalah 43, 61, 72, 75, 85, dan 87. Dengan mengetahui celah dalam tabel periodik, beberapa kelompok mulai mencari unsur yang diprediksi di antara tanah jarang lainnya di lingkungan alam.

Klaim pertama dari sebuah penemuan diterbitkan oleh Luigi Rolla dan Lorenzo Fernandes dari Florence, Italia. Setelah memisahkan campuran beberapa konsentrat nitrat unsur tanah jarang dari monasit mineral Brasil dengan kristalisasi fraksionasi, mereka menghasilkan larutan yang sebagian besar mengandung samarium. Solusi ini memberikan spektrum sinar-X yang dikaitkan dengan samarium dan unsur 61. Untuk menghormati kota mereka, mereka menamai unsur 61 dengan "florentium". Hasilnya dipublikasikan pada tahun 1926, tetapi para ilmuwan mengklaim bahwa percobaan itu dilakukan pada tahun 1924. Juga pada tahun 1926, sekelompok ilmuwan dari Universitas Illinois Urbana–Champaign, Smith Hopkins dan Len Yntema menerbitkan penemuan unsur 61. Mereka menamainya "illinium", dari nama universitasnya. Kedua penemuan yang dilaporkan ini terbukti keliru karena garis spektrum yang "sesuai" dengan unsur 61 identik dengan didimium; garis-garis yang dianggap milik unsur 61 ternyata milik beberapa pengotor (barium, kromium, dan platina).

Pada tahun 1934, Josef Mattauch akhirnya merumuskan aturan isobar. Salah satu akibat tidak langsung dari aturan ini adalah unsur 61 tidak dapat membentuk isotop stabil. Sejak tahun 1938, percobaan nuklir dilakukan oleh H. B. Law dkk. di Universitas Negeri Ohio. Nuklida diproduksi pada tahun 1941 yang bukan merupakan radioisotop neodimium atau samarium, dan nama "cyclonium" diusulkan, tetapi tidak ada bukti kimia bahwa unsur 61 diproduksi dan penemuannya tidak banyak diketahui.

Penemuan dan sintesis logam prometium
Prometium pertama kali diproduksi dan dikarakterisasi di Laboratorium Nasional Oak Ridge (Laboratorium Clinton pada waktu itu) pada tahun 1945 oleh Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin, dan Charles D. Coryell melalui pemisahan dan analisis produk fisi bahan bakar uranium yang diiradiasi dalam reaktor grafit; namun, karena terlalu sibuk dengan penelitian terkait militer selama Perang Dunia II, mereka baru mengumumkan penemuan mereka pada tahun 1947. Nama asli yang diusulkan adalah "clintonium", sesuai nama laboratorium tempat pekerjaan itu dilakukan; namun, nama "prometheum" disarankan oleh Grace Mary Coryell, istri salah satu penemunya. Nama itu berasal dari Prometheus, Titan dalam mitologi Yunani yang mencuri api dari Gunung Olympus dan membawanya ke manusia dan melambangkan "keberanian dan kemungkinan penyalahgunaan kecerdasan umat manusia". Ejaannya kemudian diubah menjadi "promethium" (prometium dalam bahasa Indonesia), karena hal ini sesuai dengan kebanyakan logam lainnya.

Pada tahun 1963, prometium(III) fluorida digunakan untuk membuat logam prometium. Untuk sementara dimurnikan dari pengotor samarium, neodimium, dan amerisium, ia dimasukkan ke dalam wadah tantalum yang terletak di wadah tantalum lain; wadah luar mengandung logam litium (10 kali lebih banyak dibandingkan dengan prometium). Setelah membuat ruang hampa, bahan kimia dicampur untuk menghasilkan logam prometium:

PmF3 + 3 Li → Pm + 3 LiF

Sampel prometium yang dihasilkan digunakan untuk mengukur beberapa sifat logam, seperti titik leburnya.

Pada tahun 1963, metode pertukaran ion digunakan di ORNL untuk menyiapkan sekitar sepuluh gram prometium dari limbah pemrosesan bahan bakar reaktor nuklir.

Prometium dapat diperoleh kembali dari produk sampingan fisi uranium atau diproduksi dengan membombardir 146Nd dengan neutron, mengubahnya menjadi 147Nd yang meluruh menjadi 147Pm melalui peluruhan beta dengan waktu paruh 11 hari.

Produksi
Metode produksi untuk isotop yang berbeda bervariasi, dan hanya prometium-147 yang diberikan karena merupakan satu-satunya isotop dengan aplikasi industri. Prometium-147 diproduksi dalam jumlah besar (dibandingkan dengan isotop lain) dengan membombardir uranium-235 dengan neutron termal. Outputnya relatif tinggi, yaitu 2,6% dari total produk. Cara lain untuk menghasilkan prometium-147 adalah melalui neodimium-147, yang meluruh menjadi prometium-147 dengan waktu paruh yang singkat. Neodimium-147 dapat diperoleh baik dengan membombardir neodimium-146 yang diperkaya dengan neutron termal atau dengan membombardir target uranium karbida dengan proton energik dalam akselerator partikel. Metode lain adalah membombardir uranium-238 dengan neutron cepat untuk menyebabkan fisi cepat, yang, di antara beberapa produk reaksi, menghasilkan prometium-147.

Sejak tahun 1960-an, Laboratorium Nasional Oak Ridge dapat memproduksi 650 gram prometium per tahun dan merupakan satu-satunya fasilitas sintesis volume besar di dunia. Produksi prometium skala gram telah dihentikan di AS pada awal 1980-an, tetapi kemungkinan akan dilanjutkan setelah 2010 di Reaktor Isotop Fluks Tinggi.  Pada tahun 2010, Rusia adalah satu-satunya negara yang memproduksi prometium-147 dalam skala yang relatif besar.

Aplikasi

Sebagian besar prometium hanya digunakan untuk tujuan penelitian, kecuali prometium-147, yang dapat ditemukan di luar laboratorium. Ia diperoleh sebagai oksida atau klorida, dalam jumlah miligram. Isotop ini tidak memancarkan sinar gama, dan radiasinya memiliki kedalaman penetrasi materi yang relatif kecil dan waktu paruh yang relatif lama.

Beberapa lampu sinyal menggunakan cat bercahaya, mengandung fosfor yang menyerap radiasi beta yang dipancarkan oleh promethium-147 dan memancarkan cahaya. Isotop ini tidak menyebabkan penuaan fosfor, seperti yang dilakukan oleh pemancar alfa, dan karena itu emisi cahayanya stabil selama beberapa tahun. Awalnya, radium-226 digunakan untuk tujuan tersebut, tetapi kemudian digantikan oleh prometium-147 dan tritium (hidrogen-3). Prometium mungkin lebih disukai daripada tritium karena alasan keamanan nuklir.

Dalam baterai atom, partikel beta yang dipancarkan oleh prometium-147 diubah menjadi arus listrik dengan mengapit sumber prometium kecil di antara dua pelat semikonduktor. Baterai ini memiliki masa manfaat sekitar lima tahun. Baterai berbasis prometium pertama dirakit pada tahun 1964 dan menghasilkan "daya beberapa miliwatt dari volume sekitar 2 inci kubik, termasuk pelindung".

Prometium juga digunakan untuk mengukur ketebalan bahan dengan mengevaluasi jumlah radiasi dari sumber prometium yang melewati sampel. Ia memiliki kemungkinan penggunaan masa depan dalam sumber sinar-X portabel, dan sebagai panas tambahan atau sumber daya untuk wahana antariksa dan satelit (walaupun pemancar alfa plutonium-238 telah menjadi standar untuk sebagian besar penggunaan terkait eksplorasi ruang angkasa).

Prometium-147 juga digunakan, meskipun dalam jumlah yang sangat kecil (kurang dari 330nCi), pada beberapa sakelar pijar CFL (Compact Fluorescent Lamp) Philips dalam rentang CFL 22W/28W 15mm PLC.

Pencegahan
Prometium tidak memiliki peran biologis. Prometium-147 dapat memancarkan sinar gama selama peluruhan beta, yang berbahaya bagi semua bentuk kehidupan. Interaksi dengan prometium-147 dalam jumlah kecil tidak berbahaya jika tindakan pencegahan tertentu diperhatikan. Secara umum, sarung tangan, penutup alas kaki, kacamata pengaman, dan lapisan luar pakaian pelindung yang mudah dilepas harus digunakan.

Tidak diketahui organ manusia mana yang dipengaruhi oleh interaksi dengan prometium; kandidat yang mungkin adalah jaringan tulang. Prometium-147 yang disegel tidak berbahaya. Namun jika kemasannya rusak, maka prometium menjadi berbahaya bagi lingkungan dan manusia. Jika ditemukan kontaminasi radioaktif, area yang terkontaminasi harus dicuci dengan air dan sabun, tetapi meskipun prometium terutama menyerang kulit, kulit seharusnya tidak terkelupas. Jika ditemukan kebocoran prometium, area tersebut harus diidentifikasi sebagai berbahaya dan dievakuasi, dan layanan darurat harus dihubungi. Tidak ada bahaya dari prometium selain dari radioaktivitas yang diketahui.

Referensi

Bibliografi

2013, E.R. Scerri, A tale of seven elements, Oxford University Press, Oxford,

Pranala luar

  It's Elemental – Promethium

 
Unsur kimia
Lantanida
Unsur kimia sintetis
Prometheus
Unsur kimia dengan struktur padat heksagon ganda