錒(Actinium),一種天(tian)然放射性元素,化學符號Ac,原(yuan)子序數89,原(yuan)子相對質量227.0278,屬錒系元素,為銀白色金屬。其(qi)英文名來源(yuan)于(yu)希臘文aktis(射線)。1899年法國的A.一L.德比埃爾內從(cong)鈾礦渣(zha)中分(fen)離出(chu)錒。
已發現質量數209-232的(de)全部錒(a)同位素,除(chu)錒(a)227和錒(a)228是天(tian)然放射性(xing)(xing)同位素外,其余都是通(tong)過人(ren)工核反(fan)應合成的(de)。錒(a)-227是錒(a)-鈾(you)放射性(xing)(xing)衰變系的(de)衰變產(chan)物,在(zai)鈾(you)礦中賦存量為每噸鈾(you)約(yue)0.2毫克。
錒為銀白(bai)色(se)金屬,熔點1320K±50K,沸點3470K±300K,密度(293K)10062kg/m3。金屬錒具有(you)面(mian)心立方晶格(ge)。錒原子的(de)(de)(de)(de)外電子層(ceng)構型為(Rn)6d7s。錒的(de)(de)(de)(de)氧(yang)化(hua)態為+3。它的(de)(de)(de)(de)化(hua)學性(xing)質與鑭(lan)(lan)和釔十(shi)分(fen)(fen)相似。錒的(de)(de)(de)(de)氟化(hua)物、氫氧(yang)化(hua)物、碳酸(suan)鹽、磷(lin)酸(suan)鹽和草酸(suan)鹽不溶于水。示蹤量的(de)(de)(de)(de)錒常用(yong)氟化(hua)鑭(lan)(lan)或(huo)草酸(suan)鑭(lan)(lan)共沉淀(dian)載帶。用(yong)離子交(jiao)換色(se)層(ceng)分(fen)(fen)離(見稀土元素色(se)層(ceng)分(fen)(fen)離)或(huo)溶劑萃(cui)取法可使鑭(lan)(lan)系(xi)元素與錒分(fen)(fen)離。
由于鈾礦石中(zhong)含有稀(xi)土元素,因此(ci),從鈾礦石提取只能(neng)得到錒(a)的濃縮物。在(zai)反應堆(dui)中(zhong)用熱中(zhong)子(zi)輻(fu)照(zhao)(zhao)鐳(lei)-226靶,由核反應可制得高(gao)純(chun)度(du)的227Ac。用稀(xi)硝(xiao)酸(suan)將輻(fu)照(zhao)(zhao)過(guo)的鐳(lei)靶溶(rong)解,加入濃硝(xiao)酸(suan)使(shi)(shi)鐳(lei)沉淀(dian)。過(guo)濾(lv),濾(lv)液通過(guo)陰(yin)離子(zi)交換樹脂(zhi)柱,使(shi)(shi)Ac與(yu)釷-228分離。再用草酸(suan)鹽沉淀(dian)法(fa)提純(chun)錒(a),于973K溫度(du)下灼燒(shao)得到Ac2O3。比利時于20世紀70年代用這種方法(fa),生產了約20g錒(a)-227。
錒(a)227的(de)半衰期為21.77年。它于(yu)1899年首先(xian)被法國科(ke)學(xue)家(jia)安德(de)(de)烈-德(de)(de)拜耳尼(André-Debierne)發(fa)現,隨后在1902年德(de)(de)國化學(xue)家(jia)弗雷德(de)(de)里奇-奧托-吉(ji)賽爾(er)(Friedrich-Otto-Giesel)也獨立地發(fa)現了該(gai)元素。存(cun)在于(yu)瀝青鈾礦及其(qi)(qi)它含鈾礦物中。人工制備錒(a)的(de)數量極(ji)少,其(qi)(qi)在商業和科(ke)學(xue)研究方面極(ji)為有限。其(qi)(qi)名(ming)字來(lai)自于(yu)希臘(la)文(wen)“aktinos”,意(yi)為“射線”或“光束”。
1789年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)克拉普羅特(te)(M.H.Klaproth)從瀝青(qing)鈾(you)礦中(zhong)發(fa)現鈾(you),是錒(a)系(xi)中(zhong)第(di)一個被(bei)發(fa)現的(de)(de)(de)元素(su)(su)(su)。1828年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)貝采利烏斯(J.J.Berzelius)發(fa)現釷。鈾(you)和(he)釷的(de)(de)(de)發(fa)現為大部分(fen)其他錒(a)系(xi)元素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)制(zhi)取開辟了(le)(le)道路。1899年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)在居里實驗室工(gong)作的(de)(de)(de)德比爾納(A.L.Debierne)發(fa)現錒(a),1902年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)蓋瑟爾(F.Geisel)也獨立發(fa)現了(le)(le)錒(a)。1913年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)法揚斯(K.Fajans)和(he)格林(O.G?hring)發(fa)現了(le)(le)鏷的(de)(de)(de)同(tong)(tong)位(wei)素(su)(su)(su)234Pa,1917年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)哈恩(O.Hahn)和(he)梅特(te)勒(L.Meitner)發(fa)現了(le)(le)231Pa。1940年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)麥(mai)克米(mi)倫(E.M.McMillan)和(he)艾貝爾森(sen)(P.H.Abelson)用(yong)中(zhong)子(zi)輻照天然鈾(you)得(de)(de)(de)到镎。同(tong)(tong)年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian),西博(bo)格(G.T.Seaborg)等用(yong)氘核轟擊鈾(you)得(de)(de)(de)到钚。1944年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)他又利用(yong)钚同(tong)(tong)位(wei)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)中(zhong)子(zi)俘獲(huo)反應獲(huo)得(de)(de)(de)镅,用(yong)氦離(li)子(zi)轟擊钚同(tong)(tong)位(wei)素(su)(su)(su)獲(huo)得(de)(de)(de)鋦,1949年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)湯普森(sen)(S.G.Thompson)等人用(yong)氦離(li)子(zi)轟擊241Am獲(huo)得(de)(de)(de)锫,1950年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)用(yong)氦離(li)子(zi)轟擊242Cm獲(huo)得(de)(de)(de)锎。吉奧索(A.Ghiorso)等人又于1952年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)、1953年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)、1955年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)、1958年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)、1961年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)分(fen)別(bie)獲(huo)得(de)(de)(de)锿、鐨、鍆、锘和(he)鐒。
當前世(shi)界錒(a)系各種元素(su)的(de)生產(chan)規模相(xiang)差很大(da);鈾的(de)年產(chan)量以萬噸計(ji)(ji),釷以千噸計(ji)(ji),钚以噸計(ji)(ji),镎(na)、鏷、镅(mei)以公(gong)斤計(ji)(ji),錒(a)、鏷、鋦(ju)、锎(kai)以克(ke)計(ji)(ji),锎(kai)外錒(a)系元素(su)以毫克(ke)甚至以原子(zi)數計(ji)(ji)。中國已(yi)制得(de)所有的(de)錒(a)系元素(su)。
錒系元素主要用(yong)作核(he)反應(ying)堆的原料,便(bian)攜式(shi)的γ或(huo)X射(she)線源;鈾和钚等是(shi)制造(zao)核(he)武(wu)器的主要原料。
錒(a)在(zai)空(kong)氣(qi)中(zhong)放置緩慢變成Ac2O3(三氧(yang)化(hua)二錒(a));錒(a)具有較強的(de)堿(jian)性(xing)。錒(a)的(de)常見(jian)氧(yang)化(hua)態為+Ⅱ和+Ⅲ。
錒(a)系元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su):周(zhou)期(qi)系ⅢB族中(zhong)原子序數(shu)為(wei)(wei)89~103的(de)(de)(de)(de)15種化(hua)學(xue)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)統稱。包括(kuo)錒(a)(Ac)、釷(Th)、鏷(pu)(Pa)、鈾(U)、镎(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、鋦(Cm)、锫(pei)(Bk)、锎(Cf)、锿(ai)(Es)、鐨(fei)(Fm)、鍆(Md)、锘(nuo)(No)、鐒(Lr),它們(men)都(dou)是(shi)放射(she)性元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)。鈾以后的(de)(de)(de)(de)原子序數(shu)為(wei)(wei)93~109的(de)(de)(de)(de)17種元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)稱為(wei)(wei)超鈾元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)。前四種元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)錒(a)、釷、鏷(pu)、鈾存在(zai)于自然界中(zhong),其余11種全部用人工核反應合成。錒(a)系元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)原子結(jie)構的(de)(de)(de)(de)特點是(shi):錒(a)以后的(de)(de)(de)(de)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)電子依(yi)次填充5f內電子層,它們(men)的(de)(de)(de)(de)最(zui)外(wai)層的(de)(de)(de)(de)電子構型基(ji)本相同,使錒(a)系元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)性質非常相似,與鑭系元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)一樣,錒(a)系元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)(su)中(zhong)也存在(zai)著離子半徑收縮現象。
錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)都是金屬,與(yu)鑭系(xi)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)一(yi)樣(yang),化(hua)學(xue)性(xing)質比較活潑。它們的(de)(de)氯化(hua)物(wu)(wu)、硫酸(suan)鹽(yan)、硝(xiao)酸(suan)鹽(yan)、高氯酸(suan)鹽(yan)可溶于(yu)水(shui),氫氧化(hua)物(wu)(wu)、氟(fu)化(hua)物(wu)(wu)、硫酸(suan)鹽(yan)、草酸(suan)鹽(yan)不溶于(yu)水(shui)。大多數(shu)錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)能形成配位化(hua)合物(wu)(wu)。α衰變和(he)自發裂變是錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)重要核特(te)性(xing),隨著原(yuan)子序數(shu)的(de)(de)增(zeng)大,半衰期依次(ci)縮短,鈾238的(de)(de)半衰期為4.468×10?年;鐒260的(de)(de)半衰期只有3分鐘。錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)毒性(xing)和(he)輻射(she)(特(te)別(bie)是吸(xi)入人體內(nei)的(de)(de)α輻射(she)體)的(de)(de)危害較大,必(bi)須(xu)在有防護措施的(de)(de)密閉(bi)工作箱中操(cao)作這些(xie)物(wu)(wu)質。
在(zai)人工(gong)合成的(de)錒(a)系元素中,只有钚、镎(na)、镅、鋦的(de)年產量(liang)(liang)達千克(ke)級以(yi)上(shang),锎僅(jin)為克(ke)量(liang)(liang)級,锿(ai)以(yi)后的(de)元素量(liang)(liang)極少,半衰期很短,僅(jin)用于研究。用途(tu)比(bi)較多的(de)只限于鈾和釷,钚在(zai)某(mou)些情況下用作核燃料。
已知的錒(a)化合(he)物(wu)十(shi)分少,主要有三(san)(san)氟化錒(a)(Ac F3)、三(san)(san)氯(lv)化錒(a)(Ac Cl3)、三(san)(san)溴化錒(a)(Ac Br3)、氟氧化錒(a)(Ac OF)、氯(lv)氧化錒(a)(Ac OCl)、溴氧化錒(a)(Ac OBr)、三(san)(san)硫(liu)化二錒(a)(Ac2S3)、氧化錒(a)(Ac2O3)和磷酸錒(a)(Ac PO4)等。除Ac PO4以外,這些化合(he)物(wu)中(zhong)Ac都以+3氧化態存在,且都有相對應的鑭(lan)化合(he)物(wu)。對應的鑭(lan)和錒(a)化合(he)物(wu)在晶格常數上的差(cha)異(yi)不超過(guo)百分之十(shi)。
錒為銀(yin)白色(se)金屬(shu),能在暗(an)處發光;熔點(dian)1050℃沸點(dian)3200℃密度10.07克/厘米(mi)3,面心立方晶格。錒化學性(xing)質活(huo)潑,與鑭和釔(yi)十分相似,可直(zhi)(zhi)接與多種非金屬(shu)元素(su)直(zhi)(zhi)接反應;錒有較強的(de)堿(jian)性(xing)。錒的(de)剪切模量估計與鉛的(de)相近(jin)。錒的(de)放射性(xing)很(hen)強,它放射出(chu)的(de)高能粒子(zi)足以將周圍的(de)空氣電解,從而發出(chu)暗(an)藍色(se)的(de)光錒主要用做(zuo)航天(tian)器(qi)中的(de)熱源。錒系(xi)元素(su)都有放射性(xing)。
原(yuan)子(zi)量 227.0278 原(yuan)子(zi)量單位(wei)
原子半徑(計算值) 195(無(wu)數據)pm
共價半徑 無數據
范德(de)華半徑 無數據(ju)
價電子(zi)排布 [氡]6d17s2
電(dian)子在每能級的排布 2,8,18,32,18,9,2
氧化價(氧化物) 3(兩性的)
晶體結(jie)構 面心立方
物(wu)質狀(zhuang)態 固態、放射性
熔點 1323 K(1050 °C)
沸點 3473 K (3200 °C)
摩爾體積 22.55×10-6m3/mol
汽化熱 無數據
熔化熱 62 kJ/mol
蒸氣壓 無數據
聲速 無數據
電負性 1.1(鮑(bao)林標度(du))
比熱 無數據
電導率 無數據
熱(re)導率 12 W/(m·K)
第一電離(li)能 499 kJ/mol
第二電離能 1170 kJ/mol
在(zai)自然界,錒(a)存(cun)在(zai)于(yu)鈾礦石中,由(you)鈾衰變(bian)而(er)來(lai),三個天(tian)然放射系(xi)(xi)中有錒(a)的兩個同位素(su)227Ac及228Ac,分(fen)別存(cun)在(zai)于(yu)錒(a)系(xi)(xi)及釷(tu)系(xi)(xi)中,是(shi)錒(a)所有同位素(su)中唯一的兩個天(tian)然放射性核素(su),如圖(tu)《錒(a)系(xi)(xi)衰變(bian)鏈》所示。
在(zai)(zai)提取高放(fang)射純(chun)(chun)度227Ac的(de)(de)(de)過程(cheng)中,如果所(suo)用鈾礦石(shi)含(han)有(you)釷也(ye)(ye)即(ji)(ji)含(han)有(you)228Ac,由(you)于228Ac的(de)(de)(de)半衰(shuai)期(qi)僅(jin)為6.15h,極易轉變(bian)成(cheng)(cheng)228Th(Th228T?=1.9131a),在(zai)(zai)除去Th的(de)(de)(de)時(shi)候,一定程(cheng)度上可以認為228Ac也(ye)(ye)被除去,即(ji)(ji)使還有(you)少量228Ac存在(zai)(zai),經過不長(chang)的(de)(de)(de)時(shi)間后(hou),也(ye)(ye)會衰(shuai)變(bian)完,并不會對227Ac的(de)(de)(de)放(fang)射性純(chun)(chun)度造成(cheng)(cheng)太大(da)的(de)(de)(de)影(ying)響,也(ye)(ye)不會造成(cheng)(cheng)228Ac的(de)(de)(de)濃集,因而造成(cheng)(cheng)220Rn對219Rn射氣純(chun)(chun)度的(de)(de)(de)影(ying)響。
錒(a)系元素(su)(su)的(de)(de)(de)用(yong)途(tu)越來(lai)越廣,鈾-233、鈾-235和钚-239是(shi)核反應堆(dui)和核電站用(yong)的(de)(de)(de)燃料,錒(a)—227、鋦(ju)—244和钚—238等則(ze)用(yong)作宇航(hang)飛行器的(de)(de)(de)熱源(yuan)。雖然錒(a)天(tian)然存在于(yu)鈾礦里(li),但(dan)含量極(ji)低。當人們真(zhen)正需(xu)要(yao)一些錒(a)的(de)(de)(de)時候,可(ke)以(yi)用(yong)以(yi)下方法來(lai)生產:在核反應堆(dui)中(zhong)用(yong)中(zhong)子轟(hong)擊(ji)鐳-225,將(jiang)它(ta)轉化為鐳-227,后者會以(yi)42分(fen)鐘(zhong)的(de)(de)(de)半衰期衰變為錒(a)的(de)(de)(de)長(chang)壽命同位素(su)(su)錒(a)-227。