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镤 (Pa) 研究面临诸多难题，如稀缺、分离困难等。为深入了解镤配合物结构，研究人员合成并分析 (PaO)2(SO4)3(H2O)2。结果明确其结构特征，为相关研究提供基础。该成果意义重大，助力深入探究镤化学。
在神秘的化学元素世界里，镤 (Protactinium，Pa) 宛如一颗隐藏在迷雾中的明珠，充满了未知与挑战。镤是一种天然存在的元素，然而，它的发现之旅却颇为曲折，直到 1913 年才被识别。尽管在铀矿石和辐照钍燃料中能找到它的身影，但镤的研究进展却异常缓慢。这主要是因为镤在全球的储量极为稀少，分离出少量的镤都需要耗费巨大的精力，曾经在 1962 年成功回收 100 克镤，这才使得有限的研究得以开展，可如今其供应却主要依赖于少量的遗留资源。
同时，镤的许多同位素半衰期极短，大多不足一个月，这使得那些需要较长实验周期的分离和表征技术难以施展。例如重结晶技术，在处理镤配合物时效率大打折扣。虽然镤 - 231 的半衰期相对适合进行研究，但它的子产物会释放出高能量的伽马射线，这就要求研究必须在专业的设施中进行，以降低对健康和环境的危害。而且，与其他锕系元素如铀 (U)、钚 (Pu) 相比，镤的应用领域相对狭窄，这很大程度上归因于其稀缺性以及对其性质研究的匮乏。
不过，镤也有着独特的魅力。在锕系元素序列中，镤处于一个特殊的位置，由于相对论效应，其 6d 和 5f 轨道的能量发生交叉。这种特殊的电子结构使得镤配合物展现出既类似过渡金属配合物又类似锕系元素配合物的双重特性，为化学研究开辟了一片充满潜力的新领域。遗憾的是，由于研究难度大、资源需求高，目前仅有少数研究机构有能力对其深入探索。
为了揭开镤配合物的神秘面纱，美国萨凡纳河国家实验室（Savannah River National Laboratory，SRNL）的研究团队勇挑重担，开展了一项极具意义的研究。他们聚焦于镤的一种新型硫酸盐配合物，旨在明确其结构和性质，这一研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为镤化学领域带来了新的曙光。
研究人员采用了多种关键技术方法。在合成方面，利用水热合成法，将含有镤 - 231 的遗留材料与硼酸、硫酸混合，在高温高压的条件下反应。在结构分析上，运用了单晶 X 射线衍射（Single - Crystal XRD）技术，精确测定晶体结构；结合聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB - SEM）和能量色散 X 射线光谱（EDS），对样品的微观形貌和元素组成进行观察和分析；还通过密度泛函理论（DFT）计算，从理论层面深入探究材料的电子结构和化学键特性。
1. 镤的分离：研究人员从 SRNL 的一个铅制容器中发现了含有镤 - 231 的遗留材料，该材料受到多种杂质的污染。他们先将样品溶解在氢氟酸中，再用氢氧化铵中和，使含镤的固体沉淀出来。随后，将沉淀与硼酸溶解在硫酸中，在 200°C 的压力容器中进行热解反应，经过缓慢冷却，得到了几种不同的固体，包括适合进行单晶 XRD 分析的大单晶和由小晶体组成的球形簇。
2. FIB - SEM 和粉末 XRD 分析：通过 FIB - SEM 和 EDS 对样品进行分析，结果显示样品中镤、氧、硫分布均匀。不同样品中 S:Pa 的比例有所差异，表明硫酸盐与镤存在配位作用。粉末 XRD 分析发现，样品 4 的衍射图案与已知的镤结构不匹配，且未检测到硼元素，说明目标的镤硼酸盐配合物并未形成，硼酸可能在反应过程中分解。此外，还检测到氮、铁、铝、硅等杂质元素。
3. 单晶 XRD 分析：单晶 XRD 分析表明，该配合物属于单斜晶系，空间群为 C2/c，密度为 4.6640 g/cm3，经验式为 Pa2S3H4O16。镤中心呈八配位，采用扭曲的双帽三角棱柱几何构型。镤 - 氧键将镤中心连接成链状结构，其键长与理论计算值相符。与其他五价锕系元素的线性二氧配合物不同，该镤配合物的结构和键角具有独特性。通过计算晶体轨道键指数（COBI）和 L?wdin 电荷，发现镤 - 氧键和硫 - 氧键具有不同程度的共价性和离子性。而且，该配合物中存在两种不同类型的硫酸根阴离子，且水分子位于晶体结构的空隙中，可能存在氢键相互作用。与以往假设的镤硫酸盐结构不同，此结构为八配位且硫酸根为单齿配位，为镤配合物的结构研究提供了新的认知。
4. 态密度分析：态密度计算表明，该配合物存在镤 (V) 中心，是一种电荷转移绝缘体，带隙为 3.5 eV。其价带和导带的组成与预期相符，进一步支持了所提出的经验式。
在研究结论和讨论部分，此次对 (PaO)2(SO4)3(H2O)2配合物的结晶和分析，为镤 (V) 硫酸盐物种的单晶 XRD 分析提供了新的契机。尽管最初旨在合成镤硼酸盐配合物，但意外得到的 (PaO)2(SO4)3(H2O)2却为未来的结晶研究指明了新方向。该配合物独特的结构特征，如通过额外的桥接镤 (V) - 氧键平衡电荷，与以往观察到的镤 (V) 化合物不同，证实了自 20 世纪 60 年代以来一直存在争议的关键结构特征，为准确的计算分析奠定了基础，也为深入理解镤的配位、键合性质等提供了重要依据，极大地推动了镤化学领域的发展，让我们对这一神秘元素有了更深入的认识。
