锿

原子序为99的人工合成元素

锿

锿（英文名称Einsteinium）是一种人工合成的放射性元素，符号为Es，原子序为99，位于第七周期第ⅢB族。锿是第7个超铀元素，属于锕系元素。[1]锿已知共有19种同位素及3种同核异构体，[9]其中最稳定的同位素为252Es，半衰期为471.7天。[10]锿是一种柔软的银白色金属，具顺磁性，其化学属性符合典型的重锕系元素，容易形成+2和+3氧化态。锿具有高挥发性，[11]强放射性，[12]并且会因强烈辐射而发光。[13]1952年11月美国进行第一次氢弹爆炸实验，同年12月物理学家阿伯特·吉奥索（Albert Ghiorso）等人于美国伯克利加州大学、阿贡国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室对爆炸残余物进行处理分析，首次发现锿元素253Es和255Es，因此他们拥有对该元素的命名权。1955年8月8日至20日于第一届日内瓦原子会议（Geneva Atomic Conference）上，阿伯特·吉奥索宣布将第99号元素命名为Einsteinium，以纪念逝世不久的阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1955年4月18日逝）。[14][15]锿的最初符号为“E”，后改为“Es”。[16]1957年，中国科学院编译出版委员会正式通知99号元素中文译名“锿”（音同哀āi，台湾称鑀ài，旧译作䥺[17]）。[0]

锿āi（英文名称Einsteinium）是一种人工合成的放射性元素，符号为Es，原子序为99，位于第七周期第ⅢB族。锿是第7个超铀yóu元素，属于锕ā系元素。[2]锿已知共有19种同位素及3种同核异构体，[10]其中最稳定的同位素为252Es，半衰期为471.7天。[11]锿是一种柔软的银白色金属，具顺磁性，其化学属性符合典型的重锕系元素，容易形成+2和+3氧化态。锿具有高挥发性，[12]强放射性，[13]并且会因强烈辐射而发光。[14]

1952年11月美国进行第一次氢弹爆炸实验，同年12月物理学家阿伯特·吉奥索（Albert Ghiorso）等人于美国伯克利加州大学、阿贡国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室对爆炸残余物进行处理分析，首次发现锿元素253Es和255Es，因此他们拥有对该元素的命名权。1955年8月8日至20日于第一届日内瓦原子会议（Geneva Atomic Conference）上，阿伯特·吉奥索宣布将第99号元素命名为Einsteinium，以纪念逝世不久的阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1955年4月18日逝）。[15][16]锿的最初符号为“E”，后改为“Es”。[17]1957年，中国科学院编译出版委员会正式通知99号元素中文译名“锿”（音同哀āi，台湾称鑀àiài，旧译作䥺[18]）。[1]

锿一般只用于科学研究，比如被用于制造超重元素等。[19]有关锿毒性的数据主要来自对动物的研究，如果动物进食了会对健康造成损害。[20]

发现

1952年11月1日，美国在太平洋中的安尼维托克岛（Eniwetok）上空首次试验引爆了一颗氢弹，该实验被称为“常春藤麦克”。[16]

“常春藤麦克”氢弹试验
“常春藤麦克”氢弹试验

1952年12月，阿伯特·吉奥索（Albert Ghiorso）等科学家所在团队在“常春藤麦克”核试验进行地点埃内韦塔克环礁处受污染的珊瑚礁送到美国伯克利加州大学辐射实验室（UCRL）、阿贡国家实验室（ANL）和洛斯阿拉莫斯国家实验室（LASL）进行处理及分析，最后得出了只有不到200个锿原子。[16][21]他们在阿贡国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室初步调查发现新同位素244Pu、246Pu和246Am，表明中子过剩同位素的丰度比预期高。[15]

阿伯特·吉奥索团队发现铀（238U）原子核捕获了15颗中子，再经过7次β衰变后形成253Es，半衰期为20.5天。之所以能够有这样多次的中子捕获，是因为核爆时所产生的高中子通量，使新产生的同位素能够在衰变为较轻的元素之前吸收大量的中子。中子捕获最初只会提高该核素的质量数（中子数加质子数），而不会提高其原子序数（质子数），之后的β衰变再依序增加原子序数：[16][15][22]

某些238U更能够另外再吸收中子，形成255Es，以及255Fm。镄fèi（Fm）是在本次核试验中发现的另一种新元素。[16][15]

1953年1月，阿伯特·吉奥索团队在伯克利及阿贡的实验室利用14N和238U之间的核反应以及对钚bù和锎kāi（Cf）进行强烈的中子辐射，也产生了锿（和镄）的一些同位素：[23]

阿伯特·吉奥索团队的研究结果在1954年发布，也同时发布了有关锿和镄化学属性的研究结果。由于正值冷战时期，因此这些新元素的发现被美国军方列为机密，直到1955年才被公布。[16][15][23]

命名

人们一般承认阿伯特·吉奥索团队最先发现锿元素，因此该团队拥有对该元素的命名权。1955年8月8日至20日于第一届日内瓦原子会议（Geneva Atomic Conference）上，阿伯特·吉奥索首次宣布发现这些新元素，将第99号元素命名为Einsteinium，以纪念逝世不久的阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1955年4月18日逝）。[15][16]锿的最初符号为“E”，后改为“Es”。[17]

1957年，中国科学院编译出版委员会正式通知99号元素中文译名“锿”（音同哀āi）[1]

爱因斯坦1921年获得诺贝尔物理学奖官方肖像
爱因斯坦1921年获得诺贝尔物理学奖官方肖像

原子结构

锿原子序数为99，相对原子质量为252，原子半径在0.925Å左右，电子排布是[Rn]5f117s2，电子层是2、8、18、32、29、8、2。[2][6]

锿的电子壳型
锿的电子壳型

晶体结构

锿呈面心立方结构，而和它同为锕系元素的更轻的锎、锫péi、锔及镅méi则是呈双六方晶体结构。但是有研究称，锿能够在室温下形成六方晶体，但在加热到300°C之后便转变为面心立方结构。[7]

六方晶体结构 参考示意图
六方晶体结构 参考示意图
面心立方结构 参考示意图
面心立方结构 参考示意图

物理性质

锿是一种银白色的放射性金属，在元素周期表中，锿位于锎之右，镄之左，钬huǒ之下。锿的密度为8.84g/cm3，这比锎的密度（15.1g/cm3）低，但与钬的密度（8.79g/cm3）相近。锿的熔点为860°C，比锎（900°C）、镄（1527°C）及钬（1461°C）的熔点低。[5]锿是一种柔软金属。锿的体积模量只有15GPa。[26]

锿具有高挥发性，[12]强放射性，[13]并且会因强烈辐射而发光。[14]锿的放射性非常强，使其自身的晶体结构迅速受辐射破坏，每克Es会通过辐射释放1000瓦的能量，足以产生肉眼可见的亮光。[14]为了减少辐射对锿自身的破坏，大部分对固体锿及其化合物的测量都在热退火之后马上进行。[27]

氧化态

锿和所有锕系元素一样，在化学性质上非常活泼。其+3氧化态在固体及水溶液中最为稳定，在固体且强还原条件下，锿还可以形成许多别的锕系元素中是不存在的+2态。[28]气态化学研究推测可能存在+4态，但这仍待证实。[14]

迅速衰变

锿除了辐射导致的自我破坏以外，合成稀少和迅速衰变使得大部分被研究的锿样本都受到了其他物质的污染，也对研究造成了困难。为了避过污染问题，可以应用可调谐激光选择性地只激发锿离子，这种方法也被用于研究锿的发光属性。锿最常见的同位素253Es每年只生产一到两次，每次份量不超过1毫克。每1天有3.3%的锿转变为锫，再转变为锎：[29]

其他性质

2021年美国加州大学劳伦斯·伯克利国家实验室研究人员造出了233纳克纯锿样品，并进行了自上世纪70年代以来的首次实验，由此发现了该元素的一些基本化学性质。[30]研究人员测量出了锿的化学键长度（两个键原子之间的平均距离）等一些基本的化学性质，可以帮助科学家预测其将如何与其他元素相互作用。他们还发现，锿的键长与锕系元素的总体趋势背道而驰。与其他锕系元素相比，锿暴露于光线时的发光能力也大不相同，研究人员将其描述为“前所未有的物理现象”，需要进一步实验以确定原因。[30][31]

同位素

锿已知共有19种同位素及3种同核异构体，[10]它们全都具有放射性。其中最稳定的同位素为252Es，半衰期为471.7天。[11]三种同核异构体中，最稳定的为254mEs，其半衰期为39.3小时。[32]

符号[10]半衰期[10]衰变方式[10]240Es1#秒α，β+241Es10秒α，β+242Es13.5秒α，β-，β+SF243Es21秒α，β+244Es37秒α，β+，β+SF245Es1.1分钟α，β+246Es7.7分钟α，β+247Es4.6分钟α，β+，SF248Es27分钟α，β+，β+SF249Es102.2分钟α，β+250Es8.6小时α，β+250mEs2.22小时α，β+251Es33小时α，ε252Es471.7天α，ε253Es20.47天α，SF254Es275.7天α，ε254mEs39.3小时α，β-，IT255Es39.8天α，β-，SF256Es25.4分钟β-256mEs7.6小时β-，β-SF257Es7.7天α，β-258Es3#分钟α，β-

氧化物

三氧化二锿（Es2O3）可通过燃烧硝酸锿燃烧制成，其首次被研究时的量只有数微克，晶体大小约为30纳米，呈无色立方晶体。[33][34]该氧化物还有其他两种晶体结构，分别属于单斜晶系及六方晶系。Es2O3形成时的晶体结构取决于其制备方式，在锿的自我辐射及加热下，三种相态会自发互相转变。[34]锿的氧化物Es2O3从在液态氢中到室温中均显示出居里外斯顺磁性，推导出Es2O3的有效磁矩为10.4±0.3µB。[8][9]

卤化物

三氯化锿（EsCl3）的制备方式是在约500°C的干氯化氢气体中对三氧化二锿进行退火20分钟。在温度降到大约425°C时，它就会开始结晶成一种橙色的固体，其晶体结构属于六方晶系。[35][34][36]将氟离子注入三氯化锿溶液，可以沉淀出三氟fú化锿（EsF3），另一种制备方法是在1至2个大气压及300至400 °C温度下，让三氧化二锿与三氟化氯（ClF3）或与氟气（F2）进行反应。EsF3的晶体结构属于六方晶系。[37][34][38]三溴化锿（EsBr3）是一种浅黄色固体，晶体结构属于单斜晶系。[35][34][39]

锿的+2价卤化物可以通过用氢对其三价卤化物进行还原而取得：[40]

锿的卤氧化物包括EsOCl、EsOBr及EsOI，[34]其制成方式是将三卤化物置于水和相应卤化氢的混合气体中进行反应制取。[39]锿的氟化物EsF3从在液态氢中到室温中均显示出居里外斯顺磁性，推导出EsF3有效磁矩为11.4±0.3µB。[8][9]

有机化合物

科学家曾合成锿的有机络合物，从而将锿原子带到身体中指定的器官里，曾经有实验把柠檬酸锿（以及镄化合物）注射到狗的体内。锿的高放射性有用于放射性疗法的潜力。[14]

Es3+也被加入到β-二酮tóng螯áo合物中，因为在紫外线照射下，镧lán系元素的β-二酮螯合物在所有金属有机化合物中拥有最强的冷发光效应。当制备锿络合物时，要用Gd3+把Es3+稀释1000倍，这样可以降低化合物被自身辐射破坏的程度，使化合物能够在实验所需的20分钟内不至于瓦解。结果因为络合物中各部分的相对能量不理想，使得螯合物框架不能有效地把能量传递到Es3+离子中，导致Es3+发光的强度太弱，因此未能被探测到。[41]但Es3+离子的发光效应在无机氢氯酸溶液及含有二(2-乙基己基)正磷酸的无机溶液中被观测到，发光持续数微秒。Es3+的非辐射衰变率比镧系元素的高，而这是由于Es3+的f轨道电子与内层电子间具有较强的相互作用。[42]

实验室合成

以下介绍部分同位素的实验室合成方法：[43][44][45]

对钚进行强烈的中子辐射能够产生4种锿同位素：253Es、254mEs、254Es及255Es。[46]以碳离子撞击镅-241，或以氮离子撞击铀-238，可以产生247Es。[43]

较重的同位素249Es、250Es、251Es和252Es能够通过对249Bk照射α粒子而产生。这种过程会释放1到4颗中子，所以可以用来同时合成4种不同的同位素。[44]

253Es是通过对0.1至0.2mg的252Cf目标进行热中子照射产生的，中子通量为每秒每平方厘米2至5×1014颗中子，照射时长为500至900个小时：[45]

核爆炸合成

1952年“常春藤麦克”爆炸中发现了253Es和255Es，核爆产生高能量，238U大量捕获高密度中子，并经一系列β衰变后生产235Cf，再经β衰变后生成253Es，或者238U通过吸收中子形成255Es。[3]

美国在1954年和1956年也进行了百万吨级热核爆炸实验，每次飞机穿过爆炸云都会立刻在滤纸上收集颗粒样本，也检测到了255Es和255Fm，但是重核原子的产量比“麦克”爆炸低的多，也没有检测到其他更重的元素。1962至1969年间美国又进行了一系列地底核试验，其中的Cyclamen和Hutch实验都产生比“麦克”爆炸更多的重核原子。[47]

Cyclamen和Hutch爆炸重核原子产量和质量数曲线图
Cyclamen和Hutch爆炸重核原子产量和质量数曲线图

化合物提取

从锿的化合物中提取纯锿金属，需要使用强还原剂。[48]其中一种方法是使用锂来还原三氟化锿：[49]

也可以使用镧金属来还原三氧化二锿：[49]

分离纯化

锿根据不同的生产合成方式，进行分离和纯化需要采用不同的方法。如果使用回旋加速器使轻离子对重离子进行撞击，那么重离子目标体是固定在金属薄片上的，因此产生的锿在辐射完毕后只需要从薄片上冲洗下来。不过这种方法分离出来的锿产量相对较低。使用反应器辐射法能够大大提高产量，但产物将会混有各种锕系元素的同位素，以及核裂变产生的镧系元素。从这种混合物中分离锿元素是个非常繁复的过程，须在高温高压下重复进行正离子交换，再进行色谱法。锿与锫（Bk）的分离是非常重要的，因为在核反应器中产生的最稳定的锿同位素Es会衰变为Bk，半衰期只有20天。这对于多数实验来说都是个很短的时间段。要分离它们就需要用到锫的化学特性：锫能够轻易地氧化成为+4价态的固体，并从溶液中沉淀出来，而其他的锕系元素包括锿，则会在溶液中保持其+3价氧化态。[50]

把三价的锕系元素从镧系元素中分离出来，可以使用正离子交换树脂柱，并注入含有90%水及10%乙醇的氢氯酸饱和溶液，作为洗提剂。其后一般使用负离子交换层析法，所用的洗提剂是浓度为6M的氢氯酸。最后再以经铵盐处理过的正离子交换树脂柱来分离含有99、100及101号元素的分析层。根据洗提位置随时间的变化，就可以辨认这几个元素，可用的洗提剂包括α-羟基异丁酸溶液（α-HIB）。对三价锕系元素的分离也可以通过溶剂萃取层析法进行，使用二(2-乙基己基)磷酸酯（简称HDEHP）作为静止的有机相态，并使用硝酸作为流动的水溶相态。锕系元素的洗提顺序与使用正离子交换树脂柱时的顺序相反。以这种方法分离出来的锿不含有机络化剂，而使用树脂柱分离的锿则会含有机络化剂。[51]

应用

锿除了在基础科学研究中用于制造更高的超铀元素及超锕系元素之外，暂无其他应用。据《自然》网站2021年的报道，美国研究人员首次揭示了元素周期表中最神秘且最重的元素之——锿的基本化学性质。这一成就使化学家们离发现所谓的“稳定岛”更近了一步。“稳定岛”意味着元素的维持时间足以进行研究和使用。[30]

1955年，劳伦斯伯克利国家实验室用回旋加速器对约109个253Es原子进行辐射，从而制造出钔mén。所用的反应253Es(α,n)256Md产生了17个钔原子（原子序为101）。[19]

锿的同位素254Es曾用于校准勘测者5号月球登陆器上的化学分析光谱仪。由于该同位素的质量很高，因此月表上轻元素与254Es在分析仪上的信号重叠会大大减少。[52]254Es也常被用于制造超重元素，因为它质量高，半衰期较长（270天），每次可取得的量也很高（数微克），因此在1985年，美国加州伯克利的科学家使用254Es想要合成Uue（119号元素），他们以48Ca离子撞击254Es目标体，但没有探测到任何Uue原子。[53]

安全

有关锿毒性的数据主要来自对动物的研究。当老鼠进食了锿以后，有大约0.01%的锿进入了血液。进入血液的锿中有65%进入了骨骼，并存留大约50年，25%进入了肺部，生物半衰期约为20年，另外0.035%进入了睾丸或0.01%进入卵巢，并永久存留。进食的量中大约10%被排放出来，并在骨骼表面均匀分布。[20]

若摄入了放射性核素（比如锿），要减少放射性核素经呼吸道的吸收，首先用棉签拭去鼻孔内污染物，剪去鼻毛，鼻咽喷洒血管收缩剂，然后用大量生理盐水反复冲洗鼻咽腔。必要时给予祛痰处理。减少放射性核素经胃肠道的吸收，首先进行口腔含漱，机械或药物催吐，必要时用温水或生理盐水洗胃，放射性核素进入人体3h~4h后可服用沉淀剂或缓泻剂。对某些放射性核素可选用特异性阻吸收剂，比如吸附剂，抗酸剂。减少放射性核素经体表（特别是伤口）的吸收。首先应对污染放射性核素的体表进行及时、正确的洗消，对伤口要用大量生理盐水冲洗，必要时尽早清创。如果摄入了锿元素，也可使用促排药物加速排出放射性核素，促排药物首选Ca-DTPA(二乙烯三胺五乙酸三钠钙)，如无Ca-DTPA，可用Zn-DTPA。[54]

参考资料 54

  1. 参考 1
  2. Pubchem-Einsteinium — National Library of Medicine
  3. PERIODIC TABLE OF ELEMENTS: LANL — Los Alamos National Security
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  6. Periodic Table of Elements Element Einsteinium - Es — EnvironmentalChemistry.com
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  18. 元素的发现 — 南京大学化学实验教学中心
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  24. The Nobel Prize in Physics 1921 — The Nobel Prize
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  30. 第九十九号元素锿基本化学性质首次揭示--经济·科技·生态 — 人民网
  31. Mysterious einsteinium spills its secrets — Nature
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