錒(Actinium),一(yi)種天(tian)然放射(she)性元素(su)(su),化學符號Ac,原子序數89,原子相對質量227.0278,屬錒系元素(su)(su),為銀(yin)白色金屬。其英(ying)文名來源于(yu)希臘文aktis(射(she)線)。1899年法國的A.一(yi)L.德比埃爾內從鈾礦渣中分(fen)離出錒。
已(yi)發現質量數209-232的全(quan)部(bu)錒(a)同位(wei)素,除錒(a)227和錒(a)228是天(tian)然(ran)放(fang)(fang)射(she)(she)性同位(wei)素外(wai),其余都是通過人工(gong)核(he)反應合成的。錒(a)-227是錒(a)-鈾(you)放(fang)(fang)射(she)(she)性衰變系的衰變產(chan)物,在鈾(you)礦中賦(fu)存量為每(mei)噸鈾(you)約0.2毫克。
錒(a)(a)為(wei)(wei)銀白色金屬(shu),熔點1320K±50K,沸點3470K±300K,密度(293K)10062kg/m3。金屬(shu)錒(a)(a)具(ju)有面心立方晶格。錒(a)(a)原子(zi)(zi)的外電子(zi)(zi)層構(gou)型(xing)為(wei)(wei)(Rn)6d7s。錒(a)(a)的氧化(hua)態為(wei)(wei)+3。它的化(hua)學性質與鑭(lan)和釔十分(fen)相(xiang)似。錒(a)(a)的氟化(hua)物、氫氧化(hua)物、碳酸(suan)(suan)鹽、磷酸(suan)(suan)鹽和草(cao)酸(suan)(suan)鹽不(bu)溶于水(shui)。示蹤量的錒(a)(a)常(chang)用氟化(hua)鑭(lan)或(huo)草(cao)酸(suan)(suan)鑭(lan)共(gong)沉(chen)淀(dian)載(zai)帶。用離(li)子(zi)(zi)交換色層分(fen)離(li)(見(jian)稀土(tu)元素色層分(fen)離(li))或(huo)溶劑萃取法可使鑭(lan)系元素與錒(a)(a)分(fen)離(li)。
由于鈾礦(kuang)石(shi)中含有(you)稀土元素,因此,從鈾礦(kuang)石(shi)提取只(zhi)能得到錒的(de)濃縮物。在反應堆(dui)中用(yong)(yong)熱中子(zi)輻照(zhao)鐳-226靶,由核(he)反應可(ke)制得高純度的(de)227Ac。用(yong)(yong)稀硝(xiao)酸將輻照(zhao)過(guo)的(de)鐳靶溶解,加入濃硝(xiao)酸使(shi)鐳沉淀(dian)。過(guo)濾(lv),濾(lv)液通(tong)過(guo)陰離子(zi)交(jiao)換樹脂柱,使(shi)Ac與釷-228分離。再(zai)用(yong)(yong)草酸鹽沉淀(dian)法(fa)提純錒,于973K溫度下灼燒得到Ac2O3。比利時于20世紀(ji)70年(nian)代(dai)用(yong)(yong)這種(zhong)方法(fa),生產了約20g錒-227。
錒227的(de)半衰期(qi)為(wei)21.77年(nian)(nian)。它于(yu)1899年(nian)(nian)首先被法國科(ke)學(xue)(xue)家安德烈-德拜(bai)耳尼(André-Debierne)發(fa)現,隨后在(zai)1902年(nian)(nian)德國化學(xue)(xue)家弗(fu)雷德里奇(qi)-奧托-吉賽爾(Friedrich-Otto-Giesel)也(ye)獨立地(di)發(fa)現了該(gai)元(yuan)素。存(cun)在(zai)于(yu)瀝(li)青鈾(you)礦及其它含鈾(you)礦物中。人工(gong)制(zhi)備錒的(de)數量極少,其在(zai)商業(ye)和(he)科(ke)學(xue)(xue)研究方面(mian)極為(wei)有限。其名字(zi)來自于(yu)希臘(la)文“aktinos”,意為(wei)“射線”或(huo)“光束”。
1789年克(ke)拉普羅特(M.H.Klaproth)從瀝青(qing)鈾(you)礦中(zhong)發現鈾(you),是錒系(xi)中(zhong)第一個被發現的(de)元(yuan)素。1828年貝采利烏斯(si)(J.J.Berzelius)發現釷。鈾(you)和(he)釷的(de)發現為大部(bu)分其他(ta)錒系(xi)元(yuan)素的(de)制取開辟了道路。1899年在(zai)居里實驗(yan)室工作的(de)德比爾納(A.L.Debierne)發現錒,1902年蓋瑟(se)爾(F.Geisel)也獨立(li)發現了錒。1913年法揚斯(si)(K.Fajans)和(he)格林(O.G?hring)發現了鏷的(de)同(tong)位(wei)素234Pa,1917年哈恩(O.Hahn)和(he)梅特勒(L.Meitner)發現了231Pa。1940年麥克(ke)米倫(E.M.McMillan)和(he)艾貝爾森(sen)(P.H.Abelson)用(yong)中(zhong)子輻照天然鈾(you)得(de)(de)到(dao)镎(na)。同(tong)年,西博格(G.T.Seaborg)等(deng)用(yong)氘核(he)轟(hong)(hong)(hong)(hong)擊(ji)鈾(you)得(de)(de)到(dao)钚。1944年他(ta)又利用(yong)钚同(tong)位(wei)素的(de)中(zhong)子俘(fu)獲反應獲得(de)(de)镅,用(yong)氦離子轟(hong)(hong)(hong)(hong)擊(ji)钚同(tong)位(wei)素獲得(de)(de)鋦,1949年湯普森(sen)(S.G.Thompson)等(deng)人(ren)用(yong)氦離子轟(hong)(hong)(hong)(hong)擊(ji)241Am獲得(de)(de)锫,1950年用(yong)氦離子轟(hong)(hong)(hong)(hong)擊(ji)242Cm獲得(de)(de)锎。吉奧索(A.Ghiorso)等(deng)人(ren)又于(yu)1952年、1953年、1955年、1958年、1961年分別獲得(de)(de)锿(ai)、鐨、鍆(men)、锘和(he)鐒。
當前(qian)世界錒(a)(a)系(xi)各種元(yuan)素的(de)(de)生產規模(mo)相差(cha)很大(da);鈾的(de)(de)年產量以(yi)萬噸計(ji)(ji)(ji),釷(tu)以(yi)千噸計(ji)(ji)(ji),钚(bu)以(yi)噸計(ji)(ji)(ji),镎、鏷、镅以(yi)公斤計(ji)(ji)(ji),錒(a)(a)、鏷、鋦(ju)、锎(kai)以(yi)克計(ji)(ji)(ji),锎(kai)外(wai)錒(a)(a)系(xi)元(yuan)素以(yi)毫克甚至以(yi)原子數計(ji)(ji)(ji)。中(zhong)國已制(zhi)得所有(you)的(de)(de)錒(a)(a)系(xi)元(yuan)素。
錒系(xi)元素主要用作核反應堆的原料,便攜式的γ或(huo)X射線源;鈾和钚等是(shi)制(zhi)造(zao)核武器的主要原料。
錒(a)在空氣中放置緩慢(man)變成(cheng)Ac2O3(三氧(yang)化二(er)錒(a));錒(a)具有(you)較(jiao)強的堿性。錒(a)的常見氧(yang)化態(tai)為(wei)+Ⅱ和+Ⅲ。
錒(a)(a)系(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su):周期系(xi)ⅢB族(zu)中原子(zi)序數為(wei)89~103的15種(zhong)化學元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的統(tong)稱(cheng)(cheng)。包括錒(a)(a)(Ac)、釷(tu)(Th)、鏷(Pa)、鈾(you)(you)(U)、镎(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、鋦(ju)(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、鐨(Fm)、鍆(men)(Md)、锘(No)、鐒(Lr),它們都是放(fang)射性元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)。鈾(you)(you)以后的原子(zi)序數為(wei)93~109的17種(zhong)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)稱(cheng)(cheng)為(wei)超鈾(you)(you)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)。前四種(zhong)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)錒(a)(a)、釷(tu)、鏷、鈾(you)(you)存在于(yu)自然(ran)界中,其余11種(zhong)全部(bu)用人工(gong)核反應合成。錒(a)(a)系(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)原子(zi)結(jie)構的特點是:錒(a)(a)以后的元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)電子(zi)依次填充5f內電子(zi)層,它們的最外層的電子(zi)構型基本相同(tong),使錒(a)(a)系(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)之間的性質非常相似(si),與(yu)鑭系(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)一樣,錒(a)(a)系(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)中也存在著(zhu)離(li)子(zi)半徑(jing)收縮(suo)現象。
錒(a)系(xi)元(yuan)素(su)(su)都是金屬(shu),與鑭系(xi)元(yuan)素(su)(su)一(yi)樣,化(hua)學性質(zhi)比較活潑(po)。它們的(de)氯化(hua)物(wu)、硫酸(suan)鹽、硝(xiao)酸(suan)鹽、高氯酸(suan)鹽可(ke)溶(rong)于(yu)水,氫氧化(hua)物(wu)、氟化(hua)物(wu)、硫酸(suan)鹽、草酸(suan)鹽不溶(rong)于(yu)水。大多數錒(a)系(xi)元(yuan)素(su)(su)能形成(cheng)配位化(hua)合物(wu)。α衰變(bian)和自(zi)發(fa)裂變(bian)是錒(a)系(xi)元(yuan)素(su)(su)的(de)重要(yao)核特(te)性,隨(sui)著原(yuan)子序數的(de)增大,半衰期依次(ci)縮短,鈾238的(de)半衰期為(wei)4.468×10?年;鐒(lao)260的(de)半衰期只(zhi)有3分鐘。錒(a)系(xi)元(yuan)素(su)(su)的(de)毒性和輻射(she)(特(te)別是吸入人體內(nei)的(de)α輻射(she)體)的(de)危害(hai)較大,必(bi)須(xu)在有防(fang)護(hu)措施的(de)密閉工作(zuo)箱(xiang)中操作(zuo)這(zhe)些物(wu)質(zhi)。
在人工合(he)成的錒系元素中,只有钚(bu)、镎、镅、鋦的年產量(liang)達(da)千克級(ji)以上,锎僅(jin)為克量(liang)級(ji),锿以后(hou)的元素量(liang)極少,半(ban)衰期(qi)很(hen)短,僅(jin)用(yong)于(yu)研究。用(yong)途比較(jiao)多的只限(xian)于(yu)鈾和(he)釷,钚(bu)在某些情況(kuang)下用(yong)作核燃料(liao)。
已知的錒(a)(a)化(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)十分少,主(zhu)要有三氟化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac F3)、三氯化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac Cl3)、三溴化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac Br3)、氟氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac OF)、氯氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac OCl)、溴氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac OBr)、三硫(liu)化(hua)(hua)(hua)(hua)二錒(a)(a)(Ac2S3)、氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac2O3)和(he)磷酸錒(a)(a)(Ac PO4)等。除Ac PO4以(yi)外,這些化(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)中Ac都(dou)以(yi)+3氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)態(tai)存在,且都(dou)有相(xiang)對(dui)應(ying)的鑭(lan)化(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)。對(dui)應(ying)的鑭(lan)和(he)錒(a)(a)化(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)在晶格常(chang)數上的差(cha)異(yi)不超過百分之十。
錒(a)(a)為銀白色(se)金屬(shu),能(neng)在暗(an)處發光(guang);熔(rong)點(dian)1050℃沸點(dian)3200℃密度10.07克/厘米3,面心立方晶(jing)格。錒(a)(a)化學性(xing)質(zhi)活(huo)潑(po),與鑭(lan)和釔十分相(xiang)似(si),可直接與多種非金屬(shu)元素直接反應(ying);錒(a)(a)有較強(qiang)的堿性(xing)。錒(a)(a)的剪(jian)切(qie)模量估計與鉛的相(xiang)近(jin)。錒(a)(a)的放射(she)(she)性(xing)很強(qiang),它放射(she)(she)出的高(gao)能(neng)粒(li)子足以將周圍(wei)的空氣電解,從(cong)而(er)發出暗(an)藍色(se)的光(guang)錒(a)(a)主要用(yong)做航天器中的熱源。錒(a)(a)系元素都有放射(she)(she)性(xing)。
原(yuan)子量(liang)(liang) 227.0278 原(yuan)子量(liang)(liang)單(dan)位
原子半徑(計算值) 195(無(wu)數據)pm
共價(jia)半徑 無數據(ju)
范德華半徑(jing) 無數(shu)據
價電子排布 [氡(dong)]6d17s2
電子在每(mei)能級的排布(bu) 2,8,18,32,18,9,2
氧化(hua)價(jia)(氧化(hua)物) 3(兩性(xing)的)
晶體結構 面心(xin)立方
物質狀態 固態、放(fang)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(hua)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)
第一電離(li)能 499 kJ/mol
第二電離能 1170 kJ/mol
在自然(ran)界,錒存在于鈾礦(kuang)石中(zhong)(zhong),由鈾衰變而來,三個天然(ran)放(fang)射系(xi)(xi)中(zhong)(zhong)有錒的(de)兩(liang)個同(tong)位(wei)素(su)227Ac及228Ac,分別存在于錒系(xi)(xi)及釷系(xi)(xi)中(zhong)(zhong),是錒所(suo)有同(tong)位(wei)素(su)中(zhong)(zhong)唯(wei)一的(de)兩(liang)個天然(ran)放(fang)射性(xing)核(he)素(su),如(ru)圖《錒系(xi)(xi)衰變鏈(lian)》所(suo)示(shi)。
在提取高放射(she)純度227Ac的(de)(de)過程中,如果所用鈾礦(kuang)石含(han)有(you)釷(tu)也(ye)即(ji)含(han)有(you)228Ac,由于228Ac的(de)(de)半衰(shuai)期僅(jin)為6.15h,極易轉(zhuan)變(bian)成(cheng)228Th(Th228T?=1.9131a),在除去Th的(de)(de)時候,一定程度上可以(yi)認(ren)為228Ac也(ye)被(bei)除去,即(ji)使還有(you)少量228Ac存在,經過不(bu)長(chang)的(de)(de)時間后(hou),也(ye)會(hui)衰(shuai)變(bian)完,并不(bu)會(hui)對(dui)227Ac的(de)(de)放射(she)性純度造(zao)成(cheng)太大(da)的(de)(de)影(ying)響,也(ye)不(bu)會(hui)造(zao)成(cheng)228Ac的(de)(de)濃(nong)集(ji),因而造(zao)成(cheng)220Rn對(dui)219Rn射(she)氣純度的(de)(de)影(ying)響。
錒(a)(a)系(xi)元素的(de)(de)用(yong)(yong)途(tu)越(yue)來越(yue)廣,鈾(you)-233、鈾(you)-235和(he)钚-239是核反應(ying)堆和(he)核電站用(yong)(yong)的(de)(de)燃料,錒(a)(a)—227、鋦(ju)—244和(he)钚—238等則用(yong)(yong)作(zuo)宇航飛行器(qi)的(de)(de)熱源(yuan)。雖然錒(a)(a)天然存在于鈾(you)礦里,但(dan)含(han)量極低(di)。當人們真(zhen)正需要一些錒(a)(a)的(de)(de)時(shi)候,可以(yi)(yi)用(yong)(yong)以(yi)(yi)下方法來生產:在核反應(ying)堆中(zhong)(zhong)用(yong)(yong)中(zhong)(zhong)子轟(hong)擊鐳(lei)-225,將它轉化為鐳(lei)-227,后者(zhe)會以(yi)(yi)42分鐘的(de)(de)半衰(shuai)期(qi)衰(shuai)變為錒(a)(a)的(de)(de)長壽(shou)命同(tong)位素錒(a)(a)-227。