為了紀念元素周期表發現者門捷列夫而命名的元素——鍆

2020-12-12 意想不到的化學

鍆是一個人工合成元素，符號為Md（曾為Mv），原子序為101。鍆是錒系元素中具有放射性的超鈾金屬元素，通常的合成方式是以α衰變撞擊鑀元素。鍆（Mendelevium）以最先創建元素周期表的德米特裡·伊萬諾維奇·門捷列夫命名。

門捷列夫的周期表成為了分類所有化學元素的最基本的方式。名稱Mendelevium被國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）所承認，但最初提出的符號Mv則未被接受，IUPAC最終於1963年改用Md。

發現歷史過程

鍆的合成首次由阿伯特·吉奧索、格倫·西奧多·西博格、Gregory R. Choppin、Bernard G. Harvey及Stanley G. Thompson（組長）在1955年初於加州大學伯克利分校成功進行。該團隊通過以α粒子撞擊Es創造了Md（半衰期為87分鐘），反應在伯克利放射實驗室的60寸回旋加速器（Md是單個原子逐一合成的第一個同位素）。

元素101是第九個被合成的超鈾元素。鍆的首17個原子是用離子交換吸附洗脫法分離並分析的。過程當中，鍆的化學表現與銩的相似，自然產生的銩是鍆的同系物。

反衝技術

鍆的合成使用了由阿伯特·吉奧索引入的反衝技術。目標元素置於與粒子束相反的位置，反衝的原子落在捕集箔上。所用的反衝目標用了由Alfred Chetham-Strode研發的電鍍技術生產。這種方法的產量很高，而這在產物是極為罕有的鑀目標材料的情況下是必須的。

反衝目標由10個Es組成，通過電鍍鋪在一張薄金箔上（也能使用Be、Al和Pt）。在位於伯克利的回旋加速器中，能量為41 eV的α粒子撞擊該目標，粒子束強度極高，在0.05cm的

面積內每秒可以通過6-10個電子。

目標用水或液態氫冷卻。在氣態大氣層中使用氦會減慢反衝原子的速度。該氣體可以通過小孔排出反應間，並形成氣體射流。一部分非揮發產物原子經由射流，積累在箔的表面。該箔片可以定期更換。

純化及離析

從採集箔片上取下鍆原子時可使用酸浸蝕法或完全溶解薄金箔。鍆的純化和離析能夠通過幾種方式進行。從鑭系裂變產物中分離出化合價為3的錒系元素時，能夠使用陽離子樹脂交換柱，其中用鹽酸飽和的90%水10%乙醇溶液作為洗脫液。

要從採集箔片上快速採下鍆，可以使用陰離子交換色譜法，其中用6M鹽酸作為洗脫液。金則會在鍆與其他錒系元素通過時留在柱子上。最後還需要從其他化合價為3的錒系元素中分離出Md。分離元素99、100和101時，使用經過銨鹽處理的陽離子樹脂交換柱（陶瓦士50交換柱）。鍆在鐨之前一點洗脫出來，以此作出了鍆的化學識別。

在一系列重複的試驗中，實驗團隊使用的洗脫液為α-羥基異丁酸（α-HIB）。若使用「氣體射流」的方法，則首兩步可以省略。用這一方法，可以在目標的幾十米以外在一秒以內採集並轉移個別產物原子。要有效地長距離轉移原子，需要在氣體射流中有較大的粒子（如氯化鉀噴霧）。在製造和分離鑀後元素時常使用這一方法。

另一個分離3+錒系元素的方法是溶劑萃取色譜法，用二(2-乙基已基)膦酸為固定有機相，而HNO3為流動水溶相。錒系元素的洗脫順序與使用陽離子樹脂交換柱時相反。用這一方法的優勝之處是，分離出來的鍆不含有機錯化劑，用樹脂交換柱分離的則有。缺點是，鍆要在鐨之後，到整個順序的後期才會洗脫。

發現時刻

鍆並沒有被直接探測到，而是經過觀察自發裂變產物Fm探測的。這些事件都發生於1955年2月19日。第四次錄得的事件正式證實了第101號元素鍆的化學特徵。進一步的分析及實驗顯示，該同位素的質量數為256，並通過電子捕獲進行衰變，半衰期1.5小時。

鍆的特性

研究人員發現，鍆的氧化態除了有一般錒系元素的+3以外，還有中等穩定的+2。其+3氧化態在水溶液中為主導的狀態（所用方法為色譜法）。鍆甚至有時表現出+1的氧化態。使用Md能研究鍆在水溶液中的化學特性。其外鍆沒有任何已知應用，而至今也只合成了微量的鍆元素。其他的同位素也已被發現，它們都具有放射性，其中Md最為穩定，半衰期約為55日。另外的同位素的質量數從248到258不等，半衰期從幾秒鐘到51天不等。最初的Md半衰期為87分鐘。

在發現鍆之前，在水溶液中最穩定狀態的化合價為3。因此，它的化學特性預計與其他3+錒系元素及鑭系元素的相似。在陽離子樹脂交換柱中，化合價為3的錒系元素中，鍆在鐨前一點洗脫出來，證明了該預測。之後所發現到的有，不溶的鍆氫氧化物和氟化物，與化合價為3的鑭系元素共同沈澱。該方法證實了鍆的化合價為3，且半徑小於鐨。利用經驗公式所預測的Md的離子半徑為0.0192 nm，配位數為6。再利用化合價為3的稀土元素的已知離子半徑，加上配位係數的對數和離子半徑之間的線性關係，預計Md的平均離子半徑為0.089 nm；而用實驗模型及玻恩-哈伯循環所計算的水化熱為– (3654 ± 12) kJ/mol。

在具還原性的環境下，鍆表現出不尋常的化學特性。與BaSO4的共沈和使用的溶劑萃取色譜實驗在不同的還原劑中進行。結果顯示，Md在水溶液中能夠容易還原為穩定的Md。在水加乙醇溶劑中，鍆也可以還原為化合價為1的狀態。Md和化合價為2的離子的共結晶是由於混合晶體的產生。Md的離子半徑為0.117 nm。從Md+到Md3+的氧化反應至今尚未成功。

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