Los químicos finalmente crearon un compuesto que contiene el misterioso elemento prometio
El prometio, uno de los elementos más raros y misteriosos de la tabla periódica, finalmente ha revelado algunos secretos químicos cruciales.
El prometio es un elemento de tierras raras, que se muestra aquí en este arte conceptual en un vial rodeado por un ligando orgánico.
Jacquelyn DeMink (arte); Thomas Dyke, (fotografía); ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.
Uno de los elementos más raros y misteriosos de la tabla periodica finalmente ha revelado algunos secretos químicos cruciales, ocho décadas después de su descubrimiento. Los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee se han convertido en los primeros en utilizar prometio radiactivo para crear un “complejo” químico, un compuesto en el que está unido a unas pocas moléculas circundantes. Esta hazaña de síntesis permitió al equipo estudiar cómo el elemento se une a otros átomos en una solución con agua. Publicado el 22 de mayo en Naturaleza Los hallazgos llenan un vacío de larga data en los libros de texto de química y eventualmente podrían conducir a mejores métodos para separar el prometio de elementos similares en los desechos nucleares, por ejemplo.
“Es una hazaña”, dice Polly Arnold, química del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Berkeley, California, que no participó en la investigación.
El prometio es el miembro más esquivo de la familia de los lantánidos, una fila de 15 metales abandonados en los territorios del sur de la tabla periódica. Descubierto en 1945, el elemento fue nombrado en honor al titán que robó el fuego a los dioses en la mitología griega. Los investigadores estiman que actualmente existe menos de 1 kilogramo de ella de forma natural en la corteza terrestre, y su radiación se ha aprovechado anteriormente para alimentar marcapasos y naves espaciales.
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Junto con un par de otros metales, los lantánidos se conocen colectivamente como elementos de tierras raras, y muchos son apreciados por sus usos en tecnología, incluidos láseres e imanes potentes. Aunque muchos elementos de tierras raras son, contrariamente a la intuición, abundantes en la corteza terrestre, están muy dispersos y pueden ser difíciles de aislar. Esto se debe en parte a que comparten una química notablemente similar, lo que dificulta extraer solo un elemento lantánido y aislarlo del resto.
Los métodos de separación actuales suelen utilizar moléculas conocidas como ligandos para unirse a iones de lantánidos cargados positivamente en solución, formando complejos de coordinación. Luego, los químicos pueden aprovechar las diferencias sutiles entre estos complejos para separarlos: por ejemplo, lavando selectivamente los complejos del agua utilizando disolventes orgánicos. “Pero se necesitan muchísimas separaciones repetidas para llegar al material puro”, dice el químico de Oak Ridge Ilja Popovs, quien codirigió la investigación.
El prometio ha sido una especie de libro cerrado para los investigadores que trabajan en métodos de separación mejorados. Los químicos han logrado producir sólo un puñado de compuestos de prometio, todos ellos sólidos simples como el óxido.3 – pero nunca un complejo que muestre cómo el prometio podría unirse a los ligandos de separación en solución.
Prometio rodeado
Los investigadores de Oak Ridge han llenado ese vacío utilizando prometio-147, un isótopo radiactivo con una vida media de aproximadamente 2,5 años, que recolectaron de los desechos generados durante la producción de plutonio radiactivo. Como todos los demás lantánidos, el prometio tiende a formar iones con una carga triple positiva.
El equipo combinó estos iones con un ligando llamado bispirrolidina diglicolamida, que contiene tres átomos de oxígeno ricos en electrones. Tres de estos ligandos abrazaron cada ion prometio, generando complejos con nueve enlaces prometio-oxígeno.
Utilizando espectroscopia de absorción de rayos X y simulaciones teóricas, los investigadores midieron la longitud promedio de estos enlaces. También descubrieron que el oxígeno forma los enlaces proporcionando pares de electrones que llenan cuidadosamente los niveles de energía vacíos, conocidos como orbitales, alrededor del prometio.
“Es un trabajo increíblemente difícil y hábil, y es realmente impresionante que hayan podido hacerlo”, dice Arnold, que estudia los lantánidos y sus primos más pesados, los elementos actínidos.
Completando el conjunto
Finalmente, para ver cómo su complejo de prometio se comparaba con otros complejos de lantánidos, los investigadores de Oak Ridge combinaron el mismo ligando con todos los demás lantánidos. Esto produjo la primera colección completa de complejos de lantánidos comparables en solución y reveló cómo la longitud del enlace lantánido-oxígeno disminuye, de izquierda a derecha, a lo largo de la serie de lantánidos en la tabla periódica, una consecuencia de un efecto bien conocido llamado contracción de lantánidos.
Con cada paso a lo largo de la serie de los lantánidos, desde el lantano hasta el lutecio, cada elemento gana un protón y un electrón. Los protones se suman al núcleo de un átomo, mientras que los electrones se suman a sus orbitales. Con los lantánidos, los electrones llenan gradualmente un conjunto particular de orbitales electrónicos conocido como 4F que son bastante difusos y por lo tanto no “protegen” a los otros electrones cargados negativamente en un átomo de la creciente carga positiva de su núcleo. Esto permite que el núcleo ejerza una atracción más fuerte sobre algunos orbitales y contraiga el átomo más de lo esperado. Debido a que los ligandos en sus complejos de lantánidos donan electrones a los orbitales de los iones centrales, los investigadores de Oak Ridge pudieron ver esta contracción de los lantánidos. en las longitudes de los enlaces en su colección recién sintetizada. También observaron que la disminución en la longitud del enlace en la primera parte de la serie, del lantano al prometio, fue más pronunciada que en la última parte de la serie. Aunque estos resultados no son especialmente sorprendentes, dice Alexander Ivanov, químico de Oak Ridge que codirigió el trabajo, “fue emocionante confirmar que esta contracción de lantánidos también existe en solución”.
Este artículo se reproduce con permiso y fue publicado por primera vez el 22 de mayo de 2024.