钷

钷原子有61个电子，以[Xe]4f⁵6s²的电子组态排列。[4]在形成化合物时，钷原子会失去两个最外层的电子和一个属于开放亚壳层的4f电子。[4]钷的金屬半徑雖然仅略大于其邻近元素釹和釤，卻是所有镧系元素中金屬半徑第二大的。[4]钷是镧系收缩現象[註 1]中最显著的例外[5]。

钷在元素週期表中位於钕和钐之间，其许多性质也介于钕和钐之间。例如，钷的熔点、第一至第三电离能和水合能均大于钕，而低于钐；[4]同样的，钷變為单原子气体的沸点、Pm³⁺离子的半径和标准形成热的估计值都大于钐，而小于钕。[4]

钷具有α相与β相两种同素異形體。鉕在常溫下為α相，为双六方最密堆积（DHCP）结构，硬度为63kg/mm²。[6]α相鉕在加热到890℃时会转换成体心立方（bcc）結構的β相鉕。[7]

钷属于镧系元素中的铈组，与邻近元素的化学性质非常相似。[8]由于其不稳定性，对钷的化学研究还不完全，即使已经合成了一些化合物，也没有得到充分的研究。一般來說，钷化合物往往呈粉红色或红色。[9][10]

如同大多數鑭系元素，钷只會形成一种稳定的氧化态，即+3。根据其在元素周期表中的位置，钷應無法形成稳定的+4或+2氧化态。Pm³⁺离子的颜色为粉红色，电子组态为[Xe]4f⁴。基态符号为⁵I₄。[11]用强氧化剂或还原剂与含有Pm³⁺离子的化合物，发现钷离子不易被氧化或还原。[8]

用氨水处理含有Pm³⁺离子的酸性溶液，可得到不溶于水的浅褐色胶状氢氧化钷（Pm(OH)₃）沉淀。[12]当钷溶于盐酸时，将产生水溶性的黄色氯化钷（PmCl₃）。[12]同样地，将钷溶解在硝酸中时，即生成硝酸钷（Pm(NO₃)₃）。[12]硝酸钷易溶于水，乾燥后形成粉红色晶体，与硝酸钕（Nd(NO₃)₃）类似。钷硫酸盐与其它铈族稀土的硫酸盐一样微溶于水，科学家在计算出八水合硫酸钷（Pm₂(SO₄)₃·8 H₂O）的晶格常数后，导出其密度是2.86 g/cm³。[13]十水合草酸钷（Pm₂(C₂O₄)₃·10 H₂O）在所有镧系草酸盐中溶解度最低。[14]

氯化钷(III)漆钮，其表面的硫化锌塗層因钷放射出的β粒子而发光

与硝酸盐不同，钷的氧化物类似于相应的钐盐，而不是钕盐。以钷草酸盐为例，在初始合成态下的样品是一种白色或淡紫色的粉末，结构紊乱。[12]这种粉末在加热到600℃时會结晶为立方晶格。如果继续加热至800℃或1750℃時再进一步退火，会分别将其不可逆地转变为单斜晶系和六方晶系結構；最后两相可以通过调整退火时间和温度相互转换[15]。

钷沒有穩定的同位素，即所有同位素都具有放射性。钷是镧系元素及稀土元素中唯一一個沒有穩定同位素的元素，也是前83种元素中仅有的两個没有稳定或长寿命同位素的元素之一（另一個為鎝），更是前84种元素中（钋以前）最不稳定的元素。[17]鉕和鎝是液滴模型的特例，而相邻元素（釹和釤）的稳定性也连带影响钷的稳定性。

壽命最長的钷同位素是钷-145，放射性强度为每克940居里（35TBq），主要衰變方式為电子俘获，半衰期为17.7年。[17][18]因为它有84个中子（比82多2个中子，而82是其中一个对应于稳定中子构型的幻数），能够藉由放出一个α粒子（有2个中子）形成穩定的、具有82个中子的镨-141，因此它也是唯一具有实验观察到會發生α衰变的钷同位素[19]，但發生的相对概率極低，为2.8×10^-7 %，其α衰变的部分半衰期约为6.3×10⁹年。其他几种钷同位素如¹⁴⁴Pm、¹⁴⁶Pm和¹⁴⁷Pm也有足够能量进行α衰变，但目前尚未被观测到。钷主要的衰变产物是钕和钐的同位素（钷-146会衰变为这两种同位素，其余较轻的同位素一般通过正电子发射和电子俘获转变成钕，较重的同位素通过β衰变成钐）。而其同核异构体可衰变为其他钷同位素。目前共发现了从¹²⁶Pm到¹⁶⁶Pm这41种钷的同位素。[17][20]

钷有18种同核异构体，质量数分别为133至142、144、148、149、152和154（有些质量数的核异构体不止一种）。其中最稳定的是钷-148m，半衰期为43.1天；这比除钷-143～147以外的所有钷同位素基态的半衰期都长。事实上，钷-148m的半衰期甚至比其基态钷-148的半衰期更长。[17]

1902年，捷克化學家博胡斯拉夫·布勞納發現所有相鄰的鑭系元素中，釹和釤之間的差異是最大的，因此他推測有一個未知元素的性質介於兩者之間。[21]這一預測在1914年由亨利·莫斯利所證實，因為他測出所有當時已知元素的原子序後，發現有幾個原子序並沒有相對應的元素，分別為43、61、72、75、85和87，其中61號的空缺便位於稀土元素釹和釤之間。[22]之後許多科學家團隊開始在稀土礦物中尋找未知的61號元素。[23][24][25]

第一個發表其發現的是來自意大利佛羅倫斯的路易吉·羅拉（Luigi Rolla）和洛倫佐·費爾南德斯（Lorenzo Fernandes）。他們使用分段結晶法從巴西產的獨居石中分離出了少量稀土硝酸鹽濃縮物的混合物後，得到了一種主要含有釤的溶液。他們將該溶液發出的X射線光譜歸因於釤和61號元素。為了紀念他們所在的城市，他們將61號元素命名為「florentium」。該研究結果發表於1926年，但他們聲稱實驗是在1924年完成的。[26][27][28][29][30][31]同時，在1926年，來自伊利諾大學厄巴納-香檳分校的一組科學家史密斯·霍普金斯（Smith Hopkins）和萊昂·英特馬（Len Yntema）也發表了61號元素的發現，他們以伊利諾大學之名將其命名為「illinium」。[32][33][34]兩組科學家的發現報告都被證明是錯誤的，因為在其結果中與61號元素“對應”的譜線和didymium的譜線基本相同；被認為屬於61號元素的幾條譜線是由樣本中所含的少數雜質（鋇、鉻和鉑）發出的。[23]

1934年，約瑟夫·馬陶赫提出了馬陶赫同量異位素規則，從該規則推導出的其中一個結果就是61號元素無法形成穩定的同位素。[23][35]1938年，HB Law等人在俄亥俄州立大學開啟了一次核實驗，實驗於1941年時產生的一些核素被確認不是釹或釤的放射性同位素，他們將其命名為「cyclonium」，但沒有化學證據證明其中含有61号元素，故这一发现没有得到普遍认可。[36][37]

1945年，雅各布·A·馬林斯基、勞倫斯·E·格蘭丹寧和查爾斯·D·科耶爾在美國橡樹嶺國家實驗室（當時稱為柯林頓實驗室）將鈾燃料置於石墨反應爐中輻照後分離並分析其裂變產物時首次發現了61號元素。然而，由於當時學界在二戰期間忙於與軍事相關的研究，他們直到1947年才宣布61號元素的發現。[38][39]他們原本考慮以柯林頓實驗室之名將該元素命名為「Clintonium」，不過最終採用了發現者之一科耶爾的妻子葛蕾絲·瑪麗·科耶爾（Grace Mary Coryell）提出的名字「Prometheum」。[36]該名稱出自希臘神話中從奧林匹斯山盜火給人類使用的泰坦普羅米修斯[36]，象徵「人類智慧的大膽和可能的被濫用」。[40]「Prometheum」之後被改為和大多數元素名稱格式一致的「Promethium」（鉕） 。[36]

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  雅各布·A·馬林斯基
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  勞倫斯·E·格蘭丹寧
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  查爾斯·D·科耶爾

1963年，科學家首次利用氟化鉕（III）製造出鉕金屬。將氟化鉕暫時提純、去除其中的釤、釹和鋂等雜質後，將樣本置於一鉭製坩堝中，再將盛有氟化鉕的坩堝置於另一裝有相對於氟化鉕十倍量的鋰金屬的鉭製坩堝內。[9][14]將實驗環境抽真空後，兩坩堝內的化學品混合、反應並置換出鉕金屬：

PmF₃ + 3 Li → Pm + 3 LiF

反應生成的鉕樣品被用於測量鉕金屬的一些性質，例如其熔點等。[14]

1963年，橡樹嶺國家實驗室使用離子交換法從核反應爐的核燃料加工廢料中分離出了大約10克的鉕。直至今日，鉕的主要來源依然是作為鈾裂變生成的副產品之一被提取出。[18][41][42]

也可以透過用中子轟擊¹⁴⁶Nd使之轉變為¹⁴⁷Nd，接著¹⁴⁷Nd發生β衰變（半衰期11天）生成¹⁴⁷Pm。[43]