錒(Actinium),一種(zhong)天然放射(she)性元素,化(hua)學(xue)符號Ac,原子序(xu)數89,原子相對質量227.0278,屬(shu)錒系元素,為銀(yin)白色金屬(shu)。其英文名來源于希臘文aktis(射(she)線)。1899年法國的A.一L.德比埃(ai)爾內從(cong)鈾礦渣中分離出錒。
已發現質量(liang)數209-232的(de)全(quan)部(bu)錒同位(wei)素(su),除錒227和錒228是天然放射(she)性(xing)同位(wei)素(su)外,其余都是通過人工核(he)反應合成(cheng)的(de)。錒-227是錒-鈾放射(she)性(xing)衰變(bian)系的(de)衰變(bian)產物,在鈾礦中賦存量(liang)為每噸鈾約0.2毫克。
錒(a)(a)為(wei)銀白色金屬,熔點1320K±50K,沸點3470K±300K,密度(du)(293K)10062kg/m3。金屬錒(a)(a)具有(you)面(mian)心立(li)方(fang)晶(jing)格。錒(a)(a)原子的(de)(de)外電子層(ceng)構(gou)型為(wei)(Rn)6d7s。錒(a)(a)的(de)(de)氧化(hua)態為(wei)+3。它的(de)(de)化(hua)學性(xing)質與鑭(lan)和釔十分相(xiang)似。錒(a)(a)的(de)(de)氟化(hua)物(wu)、氫氧化(hua)物(wu)、碳酸(suan)鹽、磷(lin)酸(suan)鹽和草(cao)酸(suan)鹽不溶于(yu)水(shui)。示(shi)蹤量(liang)的(de)(de)錒(a)(a)常用(yong)氟化(hua)鑭(lan)或(huo)草(cao)酸(suan)鑭(lan)共沉(chen)淀載帶(dai)。用(yong)離(li)子交換(huan)色層(ceng)分離(li)(見稀土(tu)元素色層(ceng)分離(li))或(huo)溶劑萃取法(fa)可使(shi)鑭(lan)系元素與錒(a)(a)分離(li)。
由于鈾(you)礦(kuang)石(shi)中(zhong)含(han)有稀(xi)土元素,因此,從鈾(you)礦(kuang)石(shi)提取只能得到(dao)錒的(de)(de)(de)濃縮(suo)物(wu)。在反應堆中(zhong)用熱中(zhong)子輻照(zhao)鐳-226靶,由核反應可制得高純度的(de)(de)(de)227Ac。用稀(xi)硝酸(suan)(suan)(suan)將輻照(zhao)過的(de)(de)(de)鐳靶溶(rong)解,加入濃硝酸(suan)(suan)(suan)使鐳沉淀。過濾,濾液通過陰離子交換樹(shu)脂柱,使Ac與釷-228分離。再用草酸(suan)(suan)(suan)鹽沉淀法提純錒,于973K溫度下灼燒得到(dao)Ac2O3。比(bi)利時于20世紀70年代用這種方法,生產了約20g錒-227。
錒227的半(ban)衰(shuai)期為21.77年(nian)。它于1899年(nian)首先被(bei)法國(guo)科學(xue)家安德(de)烈-德(de)拜耳尼(André-Debierne)發現,隨后在(zai)1902年(nian)德(de)國(guo)化學(xue)家弗(fu)雷德(de)里奇(qi)-奧(ao)托-吉(ji)賽爾(Friedrich-Otto-Giesel)也(ye)獨立地發現了(le)該元素。存在(zai)于瀝(li)青鈾礦及其它含鈾礦物中(zhong)。人工制備錒的數量(liang)極少,其在(zai)商業和科學(xue)研(yan)究方面極為有(you)限。其名字來自于希臘(la)文“aktinos”,意為“射線”或(huo)“光束(shu)”。
1789年克拉普羅特(M.H.Klaproth)從瀝青鈾礦中發(fa)(fa)現(xian)(xian)鈾,是錒(a)系中第一個被發(fa)(fa)現(xian)(xian)的元素(su)。1828年貝(bei)(bei)采利烏斯(J.J.Berzelius)發(fa)(fa)現(xian)(xian)釷(tu)。鈾和(he)釷(tu)的發(fa)(fa)現(xian)(xian)為大(da)部分其他(ta)錒(a)系元素(su)的制取開辟了(le)道路。1899年在(zai)居里實驗(yan)室工(gong)作的德比爾納(na)(A.L.Debierne)發(fa)(fa)現(xian)(xian)錒(a),1902年蓋瑟(se)爾(F.Geisel)也獨立發(fa)(fa)現(xian)(xian)了(le)錒(a)。1913年法揚斯(K.Fajans)和(he)格(ge)林(O.G?hring)發(fa)(fa)現(xian)(xian)了(le)鏷的同位(wei)素(su)234Pa,1917年哈恩(en)(O.Hahn)和(he)梅特勒(L.Meitner)發(fa)(fa)現(xian)(xian)了(le)231Pa。1940年麥克米倫(E.M.McMillan)和(he)艾貝(bei)(bei)爾森(P.H.Abelson)用(yong)中子(zi)(zi)輻照天然(ran)鈾得(de)(de)到(dao)(dao)镎。同年,西博(bo)格(ge)(G.T.Seaborg)等用(yong)氘核轟(hong)擊(ji)(ji)鈾得(de)(de)到(dao)(dao)钚(bu)(bu)。1944年他(ta)又利用(yong)钚(bu)(bu)同位(wei)素(su)的中子(zi)(zi)俘獲反應獲得(de)(de)镅,用(yong)氦(hai)離(li)子(zi)(zi)轟(hong)擊(ji)(ji)钚(bu)(bu)同位(wei)素(su)獲得(de)(de)鋦(ju),1949年湯普森(S.G.Thompson)等人用(yong)氦(hai)離(li)子(zi)(zi)轟(hong)擊(ji)(ji)241Am獲得(de)(de)锫(pei),1950年用(yong)氦(hai)離(li)子(zi)(zi)轟(hong)擊(ji)(ji)242Cm獲得(de)(de)锎。吉奧索(A.Ghiorso)等人又于1952年、1953年、1955年、1958年、1961年分別(bie)獲得(de)(de)锿、鐨、鍆、锘和(he)鐒(lao)。
當前(qian)世界錒(a)系各種元素的(de)生產(chan)規(gui)模相差很大(da);鈾的(de)年(nian)產(chan)量(liang)以(yi)(yi)萬噸(dun)計,釷以(yi)(yi)千(qian)噸(dun)計,钚以(yi)(yi)噸(dun)計,镎、鏷、镅以(yi)(yi)公斤(jin)計,錒(a)、鏷、鋦(ju)、锎(kai)以(yi)(yi)克計,锎(kai)外錒(a)系元素以(yi)(yi)毫克甚至(zhi)以(yi)(yi)原子數計。中國已(yi)制得所有的(de)錒(a)系元素。
錒系元素主要用(yong)作核(he)反應堆(dui)的原料,便攜式的γ或X射線源(yuan);鈾(you)和钚等是制造核(he)武器的主要原料。
錒在空氣(qi)中放置緩(huan)慢變成(cheng)Ac2O3(三氧化(hua)二錒);錒具(ju)有較(jiao)強的堿性。錒的常見(jian)氧化(hua)態為(wei)+Ⅱ和+Ⅲ。
錒(a)(a)(a)系(xi)元(yuan)素(su)(su):周期系(xi)ⅢB族中原(yuan)子序數為(wei)89~103的(de)(de)15種化學元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)統稱。包括(kuo)錒(a)(a)(a)(Ac)、釷(Th)、鏷(Pa)、鈾(you)(U)、镎(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、鋦(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)、锿(ai)(Es)、鐨(Fm)、鍆(Md)、锘(No)、鐒(Lr),它們都是放射(she)性元(yuan)素(su)(su)。鈾(you)以(yi)后的(de)(de)原(yuan)子序數為(wei)93~109的(de)(de)17種元(yuan)素(su)(su)稱為(wei)超鈾(you)元(yuan)素(su)(su)。前四種元(yuan)素(su)(su)錒(a)(a)(a)、釷、鏷、鈾(you)存(cun)在(zai)于自然界中,其余11種全部用人工核反應(ying)合成。錒(a)(a)(a)系(xi)元(yuan)素(su)(su)原(yuan)子結構的(de)(de)特點是:錒(a)(a)(a)以(yi)后的(de)(de)元(yuan)素(su)(su)電子依次填充5f內(nei)電子層(ceng),它們的(de)(de)最外層(ceng)的(de)(de)電子構型基(ji)本相同,使錒(a)(a)(a)系(xi)元(yuan)素(su)(su)之間的(de)(de)性質非常相似,與鑭系(xi)元(yuan)素(su)(su)一樣,錒(a)(a)(a)系(xi)元(yuan)素(su)(su)中也存(cun)在(zai)著離子半徑收(shou)縮現(xian)象。
錒(a)系元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)都是金屬,與(yu)鑭系元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)一樣(yang),化學性(xing)(xing)質比較(jiao)活潑(po)。它(ta)們(men)的(de)氯(lv)化物、硫酸(suan)(suan)(suan)(suan)鹽(yan)、硝酸(suan)(suan)(suan)(suan)鹽(yan)、高氯(lv)酸(suan)(suan)(suan)(suan)鹽(yan)可溶于(yu)水,氫氧化物、氟化物、硫酸(suan)(suan)(suan)(suan)鹽(yan)、草酸(suan)(suan)(suan)(suan)鹽(yan)不溶于(yu)水。大多(duo)數錒(a)系元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)能形成配位化合物。α衰變和自發裂(lie)變是錒(a)系元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)重(zhong)要核特性(xing)(xing),隨著(zhu)原子序數的(de)增大,半衰期依次縮短,鈾238的(de)半衰期為4.468×10?年;鐒260的(de)半衰期只有3分鐘。錒(a)系元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)毒性(xing)(xing)和輻射(特別(bie)是吸入(ru)人體內的(de)α輻射體)的(de)危害(hai)較(jiao)大,必(bi)須在有防護措施的(de)密閉(bi)工(gong)作(zuo)箱中操作(zuo)這些物質。
在人工合成(cheng)的錒系元素中,只(zhi)(zhi)有钚(bu)、镎(na)、镅、鋦的年產量達千克(ke)級以(yi)上,锎僅(jin)為克(ke)量級,锿以(yi)后的元素量極少,半(ban)衰期很短,僅(jin)用(yong)于(yu)研(yan)究。用(yong)途比較多的只(zhi)(zhi)限于(yu)鈾和(he)釷,钚(bu)在某些情況下用(yong)作(zuo)核燃料。
已知的錒(a)(a)化(hua)(hua)合(he)物(wu)十(shi)分少,主要有三(san)氟化(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac F3)、三(san)氯化(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac Cl3)、三(san)溴(xiu)化(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac Br3)、氟氧(yang)化(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac OF)、氯氧(yang)化(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac OCl)、溴(xiu)氧(yang)化(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac OBr)、三(san)硫化(hua)(hua)二錒(a)(a)(Ac2S3)、氧(yang)化(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac2O3)和磷酸(suan)錒(a)(a)(Ac PO4)等。除Ac PO4以外,這些(xie)化(hua)(hua)合(he)物(wu)中Ac都以+3氧(yang)化(hua)(hua)態存在(zai),且都有相對應(ying)的鑭(lan)化(hua)(hua)合(he)物(wu)。對應(ying)的鑭(lan)和錒(a)(a)化(hua)(hua)合(he)物(wu)在(zai)晶(jing)格常數上的差異不超過百分之(zhi)十(shi)。
錒(a)(a)(a)(a)為銀白色金屬,能(neng)在暗處發(fa)光;熔點1050℃沸點3200℃密(mi)度10.07克/厘(li)米3,面(mian)心立方晶格。錒(a)(a)(a)(a)化學性質活(huo)潑(po),與(yu)鑭和(he)釔十分相(xiang)似,可直接與(yu)多種非金屬元素直接反應;錒(a)(a)(a)(a)有較強的堿性。錒(a)(a)(a)(a)的剪(jian)切模量估計(ji)與(yu)鉛的相(xiang)近(jin)。錒(a)(a)(a)(a)的放(fang)射(she)性很(hen)強,它放(fang)射(she)出的高能(neng)粒(li)子(zi)足以將(jiang)周圍(wei)的空氣電解,從(cong)而發(fa)出暗藍(lan)色的光錒(a)(a)(a)(a)主要用做(zuo)航天(tian)器中(zhong)的熱源。錒(a)(a)(a)(a)系元素都有放(fang)射(she)性。
原子(zi)量 227.0278 原子(zi)量單(dan)位
原子半徑(計算值) 195(無數據(ju))pm
共價(jia)半徑 無數據(ju)
范德華半徑 無數(shu)據
價電子排布(bu) [氡(dong)]6d17s2
電子(zi)在每能級的排布 2,8,18,32,18,9,2
氧化價(jia)(氧化物(wu)) 3(兩性的)
晶(jing)體結(jie)構 面(mian)心立方
物質狀(zhuang)態(tai) 固態(tai)、放射(she)性
熔點 1323 K(1050 °C)
沸點 3473 K (3200 °C)
摩爾體(ti)積(ji) 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(鮑林標度)
比熱 無數據
電導率 無數據
熱導率 12 W/(m·K)
第一電(dian)離能 499 kJ/mol
第二電離能 1170 kJ/mol
在(zai)自(zi)然(ran)(ran)界(jie),錒存在(zai)于鈾(you)礦石中(zhong),由(you)鈾(you)衰變而來,三(san)個(ge)天然(ran)(ran)放(fang)射系(xi)中(zhong)有錒的(de)兩個(ge)同(tong)位素227Ac及228Ac,分別存在(zai)于錒系(xi)及釷(tu)系(xi)中(zhong),是錒所(suo)有同(tong)位素中(zhong)唯一的(de)兩個(ge)天然(ran)(ran)放(fang)射性(xing)核素,如圖《錒系(xi)衰變鏈》所(suo)示。
在(zai)(zai)提取(qu)高放射(she)純度227Ac的(de)過程(cheng)中,如果所用鈾礦石含有釷也(ye)(ye)即含有228Ac,由(you)于228Ac的(de)半(ban)衰(shuai)期僅為6.15h,極易轉(zhuan)變(bian)成(cheng)228Th(Th228T?=1.9131a),在(zai)(zai)除(chu)去Th的(de)時候,一定(ding)程(cheng)度上(shang)可以認(ren)為228Ac也(ye)(ye)被除(chu)去,即使(shi)還(huan)有少量228Ac存在(zai)(zai),經過不(bu)長的(de)時間后,也(ye)(ye)會衰(shuai)變(bian)完(wan),并不(bu)會對227Ac的(de)放射(she)性純度造(zao)成(cheng)太大(da)的(de)影(ying)響(xiang),也(ye)(ye)不(bu)會造(zao)成(cheng)228Ac的(de)濃集(ji),因而造(zao)成(cheng)220Rn對219Rn射(she)氣純度的(de)影(ying)響(xiang)。
錒系元素的(de)(de)(de)用途越來(lai)越廣,鈾(you)(you)-233、鈾(you)(you)-235和钚(bu)-239是核(he)反(fan)應(ying)堆和核(he)電站用的(de)(de)(de)燃料,錒—227、鋦—244和钚(bu)—238等則用作宇航飛行器的(de)(de)(de)熱源。雖然錒天然存(cun)在于(yu)鈾(you)(you)礦里,但含量極低。當(dang)人們真正(zheng)需要一些錒的(de)(de)(de)時候,可(ke)以用以下(xia)方法來(lai)生(sheng)產:在核(he)反(fan)應(ying)堆中用中子轟擊鐳-225,將它轉化為(wei)鐳-227,后者會以42分鐘的(de)(de)(de)半(ban)衰期(qi)衰變為(wei)錒的(de)(de)(de)長壽(shou)命同位(wei)素錒-227。