錒(Actinium),一(yi)種天然放射(she)性(xing)元素(su),化學符號Ac,原(yuan)(yuan)子序(xu)數89,原(yuan)(yuan)子相對質(zhi)量227.0278,屬錒系元素(su),為銀白色金屬。其英文(wen)名來源于希(xi)臘文(wen)aktis(射(she)線)。1899年(nian)法國的A.一(yi)L.德比埃(ai)爾內從鈾(you)礦渣(zha)中(zhong)分離出錒。
已發現質量數209-232的(de)全部錒(a)(a)同位(wei)素(su)(su),除錒(a)(a)227和錒(a)(a)228是天然放射(she)性同位(wei)素(su)(su)外,其(qi)余都是通過人工核(he)反應合成的(de)。錒(a)(a)-227是錒(a)(a)-鈾放射(she)性衰(shuai)變系(xi)的(de)衰(shuai)變產物(wu),在(zai)鈾礦中賦存量為每噸鈾約0.2毫克。
錒(a)為(wei)銀白色金(jin)屬(shu),熔(rong)點1320K±50K,沸點3470K±300K,密度(du)(293K)10062kg/m3。金(jin)屬(shu)錒(a)具(ju)有面心立(li)方晶(jing)格。錒(a)原子的(de)外電(dian)子層構型為(wei)(Rn)6d7s。錒(a)的(de)氧(yang)化(hua)態為(wei)+3。它的(de)化(hua)學(xue)性質與鑭(lan)和(he)釔(yi)十(shi)分(fen)相似。錒(a)的(de)氟化(hua)物、氫氧(yang)化(hua)物、碳酸鹽(yan)(yan)、磷(lin)酸鹽(yan)(yan)和(he)草酸鹽(yan)(yan)不溶(rong)于(yu)水。示蹤量的(de)錒(a)常(chang)用(yong)氟化(hua)鑭(lan)或草酸鑭(lan)共沉淀載帶。用(yong)離子交換(huan)色層分(fen)離(見稀土元(yuan)素色層分(fen)離)或溶(rong)劑(ji)萃取法可使鑭(lan)系元(yuan)素與錒(a)分(fen)離。
由(you)于(yu)(yu)鈾(you)礦(kuang)石中(zhong)含有稀土元(yuan)素,因此,從鈾(you)礦(kuang)石提取只能得到錒(a)的(de)濃(nong)縮物。在反應堆中(zhong)用(yong)熱中(zhong)子(zi)輻照鐳-226靶,由(you)核(he)反應可制得高(gao)純度(du)的(de)227Ac。用(yong)稀硝酸將(jiang)輻照過的(de)鐳靶溶解,加入濃(nong)硝酸使鐳沉(chen)淀。過濾,濾液通過陰離子(zi)交換樹(shu)脂柱(zhu),使Ac與釷-228分離。再用(yong)草酸鹽沉(chen)淀法(fa)提純錒(a),于(yu)(yu)973K溫度(du)下灼(zhuo)燒得到Ac2O3。比利時于(yu)(yu)20世紀70年(nian)代用(yong)這種(zhong)方法(fa),生(sheng)產了約20g錒(a)-227。
錒(a)(a)227的(de)半衰期為(wei)21.77年。它于1899年首先(xian)被(bei)法(fa)國(guo)(guo)科學家安德烈(lie)-德拜耳尼(André-Debierne)發(fa)現,隨(sui)后在(zai)1902年德國(guo)(guo)化學家弗雷德里奇(qi)-奧托-吉賽爾(er)(Friedrich-Otto-Giesel)也獨(du)立地發(fa)現了該元(yuan)素(su)。存在(zai)于瀝青鈾礦(kuang)及其它含鈾礦(kuang)物(wu)中(zhong)。人工制備錒(a)(a)的(de)數量極(ji)少,其在(zai)商業和科學研究方面極(ji)為(wei)有限。其名字來自(zi)于希臘(la)文(wen)“aktinos”,意為(wei)“射線(xian)”或“光束”。
1789年(nian)(nian)(nian)克(ke)拉普羅特(M.H.Klaproth)從瀝青鈾(you)礦中發(fa)(fa)(fa)現(xian)鈾(you),是錒(a)(a)系中第(di)一(yi)個被(bei)發(fa)(fa)(fa)現(xian)的(de)(de)元(yuan)素(su)。1828年(nian)(nian)(nian)貝(bei)采利烏(wu)斯(J.J.Berzelius)發(fa)(fa)(fa)現(xian)釷。鈾(you)和(he)(he)釷的(de)(de)發(fa)(fa)(fa)現(xian)為大部分其他錒(a)(a)系元(yuan)素(su)的(de)(de)制取開辟了(le)道路。1899年(nian)(nian)(nian)在居里實驗室工作的(de)(de)德比爾納(na)(A.L.Debierne)發(fa)(fa)(fa)現(xian)錒(a)(a),1902年(nian)(nian)(nian)蓋瑟爾(F.Geisel)也獨(du)立發(fa)(fa)(fa)現(xian)了(le)錒(a)(a)。1913年(nian)(nian)(nian)法揚(yang)斯(K.Fajans)和(he)(he)格林(O.G?hring)發(fa)(fa)(fa)現(xian)了(le)鏷的(de)(de)同位素(su)234Pa,1917年(nian)(nian)(nian)哈恩(en)(O.Hahn)和(he)(he)梅特勒(L.Meitner)發(fa)(fa)(fa)現(xian)了(le)231Pa。1940年(nian)(nian)(nian)麥克(ke)米倫(E.M.McMillan)和(he)(he)艾貝(bei)爾森(P.H.Abelson)用中子(zi)(zi)輻照天然(ran)鈾(you)得(de)到(dao)镎。同年(nian)(nian)(nian),西博格(G.T.Seaborg)等(deng)(deng)用氘核轟擊(ji)(ji)鈾(you)得(de)到(dao)钚(bu)。1944年(nian)(nian)(nian)他又利用钚(bu)同位素(su)的(de)(de)中子(zi)(zi)俘獲(huo)反應獲(huo)得(de)镅(mei),用氦(hai)離(li)子(zi)(zi)轟擊(ji)(ji)钚(bu)同位素(su)獲(huo)得(de)鋦,1949年(nian)(nian)(nian)湯普森(S.G.Thompson)等(deng)(deng)人(ren)用氦(hai)離(li)子(zi)(zi)轟擊(ji)(ji)241Am獲(huo)得(de)锫,1950年(nian)(nian)(nian)用氦(hai)離(li)子(zi)(zi)轟擊(ji)(ji)242Cm獲(huo)得(de)锎。吉奧(ao)索(A.Ghiorso)等(deng)(deng)人(ren)又于1952年(nian)(nian)(nian)、1953年(nian)(nian)(nian)、1955年(nian)(nian)(nian)、1958年(nian)(nian)(nian)、1961年(nian)(nian)(nian)分別獲(huo)得(de)锿、鐨、鍆、锘(nuo)和(he)(he)鐒(lao)。
當前世界錒(a)系(xi)(xi)各種元素的生產規模相(xiang)差很大;鈾的年(nian)產量以萬(wan)噸計(ji)(ji),釷(tu)以千噸計(ji)(ji),钚(bu)以噸計(ji)(ji),镎、鏷、镅以公斤(jin)計(ji)(ji),錒(a)、鏷、鋦、锎(kai)以克(ke)計(ji)(ji),锎(kai)外錒(a)系(xi)(xi)元素以毫克(ke)甚至以原子數計(ji)(ji)。中國(guo)已(yi)制得所有的錒(a)系(xi)(xi)元素。
錒系元素主要(yao)用(yong)作核反應(ying)堆的(de)原(yuan)料(liao),便攜式的(de)γ或X射(she)線(xian)源;鈾和钚等是制造(zao)核武器(qi)的(de)主要(yao)原(yuan)料(liao)。
錒(a)在空(kong)氣中放置緩慢變成Ac2O3(三氧(yang)化(hua)二錒(a));錒(a)具有較強(qiang)的堿性。錒(a)的常見氧(yang)化(hua)態為+Ⅱ和(he)+Ⅲ。
錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su):周期系(xi)ⅢB族中原(yuan)子(zi)(zi)序數為89~103的(de)15種化學(xue)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)統(tong)稱。包括錒(a)(Ac)、釷(tu)(Th)、鏷(Pa)、鈾(you)(U)、镎(Np)、钚(Pu)、镅(mei)(Am)、鋦(ju)(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、鐨(Fm)、鍆(Md)、锘(nuo)(No)、鐒(Lr),它們(men)都是(shi)放(fang)射性元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)。鈾(you)以后(hou)的(de)原(yuan)子(zi)(zi)序數為93~109的(de)17種元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)稱為超鈾(you)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)。前(qian)四種元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)錒(a)、釷(tu)、鏷、鈾(you)存(cun)在(zai)于自然(ran)界中,其(qi)余11種全部用人工核反應(ying)合(he)成。錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)原(yuan)子(zi)(zi)結構(gou)的(de)特點是(shi):錒(a)以后(hou)的(de)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)電(dian)子(zi)(zi)依次填充5f內電(dian)子(zi)(zi)層,它們(men)的(de)最外層的(de)電(dian)子(zi)(zi)構(gou)型基(ji)本相同(tong),使錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)之間的(de)性質非常相似,與鑭系(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)一樣,錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)中也存(cun)在(zai)著離子(zi)(zi)半徑收縮(suo)現象(xiang)。
錒系元素都(dou)是(shi)金屬,與鑭(lan)系元素一樣,化(hua)學性質比較活潑。它們的(de)氯化(hua)物(wu)(wu)、硫(liu)酸(suan)(suan)鹽(yan)(yan)、硝酸(suan)(suan)鹽(yan)(yan)、高氯酸(suan)(suan)鹽(yan)(yan)可溶(rong)于水,氫氧化(hua)物(wu)(wu)、氟化(hua)物(wu)(wu)、硫(liu)酸(suan)(suan)鹽(yan)(yan)、草(cao)酸(suan)(suan)鹽(yan)(yan)不溶(rong)于水。大多數(shu)錒系元素能形成配(pei)位(wei)化(hua)合物(wu)(wu)。α衰(shuai)變和自(zi)發裂變是(shi)錒系元素的(de)重要(yao)核特性,隨著原(yuan)子序(xu)數(shu)的(de)增大,半(ban)衰(shuai)期(qi)依次縮(suo)短,鈾238的(de)半(ban)衰(shuai)期(qi)為4.468×10?年;鐒260的(de)半(ban)衰(shuai)期(qi)只有3分鐘。錒系元素的(de)毒性和輻(fu)射(特別是(shi)吸入人體(ti)內的(de)α輻(fu)射體(ti))的(de)危害較大,必須(xu)在(zai)有防護(hu)措施的(de)密閉工作箱(xiang)中操作這(zhe)些物(wu)(wu)質。
在人工(gong)合成(cheng)的(de)(de)錒系元(yuan)素(su)(su)中,只有钚(bu)、镎、镅、鋦(ju)的(de)(de)年產量(liang)達千克(ke)級(ji)以(yi)上,锎(kai)僅(jin)(jin)為克(ke)量(liang)級(ji),锿以(yi)后的(de)(de)元(yuan)素(su)(su)量(liang)極(ji)少,半衰期(qi)很(hen)短(duan),僅(jin)(jin)用于研究。用途比較(jiao)多的(de)(de)只限于鈾和釷,钚(bu)在某些情況下用作(zuo)核燃料。
已知的(de)(de)(de)(de)錒(a)(a)(a)(a)化(hua)(hua)(hua)合物(wu)(wu)十(shi)分少(shao),主要有三(san)氟(fu)化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(a)(Ac F3)、三(san)氯化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(a)(Ac Cl3)、三(san)溴化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(a)(Ac Br3)、氟(fu)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(a)(Ac OF)、氯氧(yang)化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(a)(Ac OCl)、溴氧(yang)化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(a)(Ac OBr)、三(san)硫化(hua)(hua)(hua)二錒(a)(a)(a)(a)(Ac2S3)、氧(yang)化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(a)(Ac2O3)和磷酸錒(a)(a)(a)(a)(Ac PO4)等(deng)。除Ac PO4以外(wai),這些化(hua)(hua)(hua)合物(wu)(wu)中(zhong)Ac都以+3氧(yang)化(hua)(hua)(hua)態存在,且都有相(xiang)對應的(de)(de)(de)(de)鑭(lan)化(hua)(hua)(hua)合物(wu)(wu)。對應的(de)(de)(de)(de)鑭(lan)和錒(a)(a)(a)(a)化(hua)(hua)(hua)合物(wu)(wu)在晶格常(chang)數(shu)上的(de)(de)(de)(de)差異不(bu)超過百分之十(shi)。
錒(a)(a)(a)(a)為銀白(bai)色金(jin)屬,能在暗(an)處(chu)發(fa)光;熔(rong)點1050℃沸(fei)點3200℃密(mi)度10.07克/厘米3,面心(xin)立方晶(jing)格。錒(a)(a)(a)(a)化學(xue)性(xing)質活潑,與(yu)(yu)鑭和釔十分相似,可(ke)直(zhi)(zhi)接(jie)與(yu)(yu)多種非金(jin)屬元素直(zhi)(zhi)接(jie)反應;錒(a)(a)(a)(a)有(you)(you)較(jiao)強的(de)堿性(xing)。錒(a)(a)(a)(a)的(de)剪切模量估計與(yu)(yu)鉛的(de)相近。錒(a)(a)(a)(a)的(de)放射(she)性(xing)很強,它放射(she)出的(de)高能粒子足以將周圍的(de)空氣電解,從(cong)而發(fa)出暗(an)藍(lan)色的(de)光錒(a)(a)(a)(a)主要用(yong)做航天器中的(de)熱源。錒(a)(a)(a)(a)系元素都(dou)有(you)(you)放射(she)性(xing)。
原子(zi)量 227.0278 原子(zi)量單位(wei)
原子半徑(計算(suan)值) 195(無數據)pm
共價(jia)半徑 無數據(ju)
范德華半(ban)徑 無(wu)數據
價電子排布 [氡(dong)]6d17s2
電子在每能級的排布 2,8,18,32,18,9,2
氧化價(氧化物) 3(兩性的)
晶體結構(gou) 面心(xin)立方
物質狀態 固態、放射(she)性(xing)
熔點 1323 K(1050 °C)
沸點 3473 K (3200 °C)
摩爾(er)體(ti)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(鮑林(lin)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(dian)離(li)能 1170 kJ/mol
在(zai)(zai)自然(ran)界,錒(a)(a)存在(zai)(zai)于(yu)鈾礦石中,由鈾衰(shuai)變(bian)(bian)而來,三個天(tian)然(ran)放射系(xi)中有(you)錒(a)(a)的(de)兩(liang)個同位素227Ac及228Ac,分別(bie)存在(zai)(zai)于(yu)錒(a)(a)系(xi)及釷系(xi)中,是錒(a)(a)所(suo)有(you)同位素中唯一的(de)兩(liang)個天(tian)然(ran)放射性核素,如圖(tu)《錒(a)(a)系(xi)衰(shuai)變(bian)(bian)鏈》所(suo)示。
在(zai)提取高放(fang)射(she)純度(du)227Ac的(de)(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)中,如果所用鈾礦石(shi)含(han)有(you)釷也(ye)即(ji)含(han)有(you)228Ac,由于228Ac的(de)(de)(de)(de)半(ban)衰期(qi)僅為(wei)6.15h,極易(yi)轉變成(cheng)228Th(Th228T?=1.9131a),在(zai)除去Th的(de)(de)(de)(de)時候,一定程(cheng)度(du)上(shang)可(ke)以認為(wei)228Ac也(ye)被除去,即(ji)使還有(you)少量228Ac存在(zai),經過(guo)不(bu)長的(de)(de)(de)(de)時間后,也(ye)會衰變完,并不(bu)會對227Ac的(de)(de)(de)(de)放(fang)射(she)性純度(du)造成(cheng)太大的(de)(de)(de)(de)影響(xiang),也(ye)不(bu)會造成(cheng)228Ac的(de)(de)(de)(de)濃集,因(yin)而造成(cheng)220Rn對219Rn射(she)氣純度(du)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)。
錒(a)系元素的(de)用(yong)(yong)(yong)途越來越廣,鈾(you)-233、鈾(you)-235和钚-239是核反(fan)應(ying)(ying)堆和核電站用(yong)(yong)(yong)的(de)燃料(liao),錒(a)—227、鋦—244和钚—238等則用(yong)(yong)(yong)作宇航飛行器的(de)熱源。雖然(ran)錒(a)天(tian)然(ran)存在于鈾(you)礦里(li),但含量極低。當(dang)人們真正(zheng)需要一些錒(a)的(de)時候,可以(yi)用(yong)(yong)(yong)以(yi)下方(fang)法來生產:在核反(fan)應(ying)(ying)堆中(zhong)用(yong)(yong)(yong)中(zhong)子轟擊鐳(lei)-225,將(jiang)它轉(zhuan)化(hua)為鐳(lei)-227,后者會以(yi)42分鐘的(de)半衰(shuai)期衰(shuai)變為錒(a)的(de)長壽命同位(wei)素錒(a)-227。