錒(a)(Actinium),一種天然放射性元素,化學符號Ac,原子序(xu)數89,原子相對質量227.0278,屬錒(a)系(xi)元素,為銀白色(se)金屬。其英(ying)文名來(lai)源于(yu)希臘文aktis(射線)。1899年法國(guo)的A.一L.德(de)比埃爾(er)內(nei)從鈾礦渣中分離出錒(a)。
已發現質量(liang)數209-232的全部(bu)錒(a)同位素(su),除(chu)錒(a)227和錒(a)228是天然放(fang)射性同位素(su)外,其余都是通過人工(gong)核反(fan)應合成的。錒(a)-227是錒(a)-鈾放(fang)射性衰變系的衰變產物(wu),在(zai)鈾礦(kuang)中(zhong)賦存量(liang)為(wei)每噸鈾約0.2毫克。
錒(a)為(wei)銀白色(se)金(jin)屬(shu),熔(rong)點1320K±50K,沸點3470K±300K,密度(293K)10062kg/m3。金(jin)屬(shu)錒(a)具有面心立方晶格。錒(a)原子的(de)外(wai)電子層(ceng)構型為(wei)(Rn)6d7s。錒(a)的(de)氧化(hua)態為(wei)+3。它的(de)化(hua)學性質(zhi)與鑭和(he)釔十分相似。錒(a)的(de)氟化(hua)物、氫氧化(hua)物、碳酸(suan)鹽(yan)、磷(lin)酸(suan)鹽(yan)和(he)草酸(suan)鹽(yan)不溶于水。示(shi)蹤量的(de)錒(a)常(chang)用(yong)(yong)氟化(hua)鑭或草酸(suan)鑭共沉淀(dian)載帶(dai)。用(yong)(yong)離(li)(li)子交(jiao)換(huan)色(se)層(ceng)分離(li)(li)(見稀土(tu)元素色(se)層(ceng)分離(li)(li))或溶劑萃取(qu)法可(ke)使鑭系元素與錒(a)分離(li)(li)。
由于(yu)(yu)鈾礦(kuang)石(shi)中(zhong)含(han)有稀(xi)土(tu)元(yuan)素,因(yin)此,從鈾礦(kuang)石(shi)提取只能得(de)到錒的濃縮物。在(zai)反應堆中(zhong)用熱(re)中(zhong)子(zi)輻(fu)照鐳-226靶,由核(he)反應可制(zhi)得(de)高純度的227Ac。用稀(xi)硝酸將輻(fu)照過(guo)的鐳靶溶解(jie),加(jia)入濃硝酸使鐳沉(chen)淀(dian)。過(guo)濾(lv),濾(lv)液通過(guo)陰(yin)離子(zi)交(jiao)換(huan)樹脂柱,使Ac與釷-228分離。再用草酸鹽沉(chen)淀(dian)法提純錒,于(yu)(yu)973K溫度下(xia)灼燒(shao)得(de)到Ac2O3。比利時于(yu)(yu)20世紀70年代用這(zhe)種方法,生(sheng)產了約20g錒-227。
錒(a)(a)227的半衰期為21.77年(nian)。它(ta)于(yu)(yu)1899年(nian)首(shou)先被法國科學(xue)(xue)(xue)家安(an)德(de)烈(lie)-德(de)拜耳尼(André-Debierne)發現,隨后在(zai)1902年(nian)德(de)國化學(xue)(xue)(xue)家弗雷德(de)里(li)奇(qi)-奧(ao)托-吉賽爾(Friedrich-Otto-Giesel)也獨立地發現了該(gai)元素。存在(zai)于(yu)(yu)瀝青鈾礦(kuang)及其(qi)它(ta)含鈾礦(kuang)物中。人工制備錒(a)(a)的數量極少,其(qi)在(zai)商(shang)業和科學(xue)(xue)(xue)研(yan)究方(fang)面(mian)極為有限。其(qi)名字來自(zi)于(yu)(yu)希臘文“aktinos”,意為“射線”或“光束”。
1789年(nian)(nian)(nian)克拉普羅(luo)特(M.H.Klaproth)從瀝青鈾礦中發(fa)現鈾,是錒系中第(di)一個被(bei)發(fa)現的元素(su)。1828年(nian)(nian)(nian)貝采利烏斯(J.J.Berzelius)發(fa)現釷。鈾和(he)釷的發(fa)現為大部分其他錒系元素(su)的制取開辟了道路。1899年(nian)(nian)(nian)在居(ju)里實(shi)驗室工(gong)作的德比(bi)爾納(na)(A.L.Debierne)發(fa)現錒,1902年(nian)(nian)(nian)蓋(gai)瑟爾(F.Geisel)也獨立發(fa)現了錒。1913年(nian)(nian)(nian)法揚斯(K.Fajans)和(he)格林(O.G?hring)發(fa)現了鏷的同(tong)(tong)位(wei)(wei)素(su)234Pa,1917年(nian)(nian)(nian)哈(ha)恩(O.Hahn)和(he)梅特勒(le)(L.Meitner)發(fa)現了231Pa。1940年(nian)(nian)(nian)麥克米(mi)倫(E.M.McMillan)和(he)艾貝爾森(P.H.Abelson)用(yong)中子(zi)輻照天然鈾得(de)(de)(de)到(dao)(dao)镎。同(tong)(tong)年(nian)(nian)(nian),西博格(G.T.Seaborg)等用(yong)氘(dao)核轟(hong)(hong)擊(ji)鈾得(de)(de)(de)到(dao)(dao)钚(bu)。1944年(nian)(nian)(nian)他又利用(yong)钚(bu)同(tong)(tong)位(wei)(wei)素(su)的中子(zi)俘獲(huo)反應(ying)獲(huo)得(de)(de)(de)镅(mei),用(yong)氦(hai)離子(zi)轟(hong)(hong)擊(ji)钚(bu)同(tong)(tong)位(wei)(wei)素(su)獲(huo)得(de)(de)(de)鋦,1949年(nian)(nian)(nian)湯(tang)普森(S.G.Thompson)等人用(yong)氦(hai)離子(zi)轟(hong)(hong)擊(ji)241Am獲(huo)得(de)(de)(de)锫,1950年(nian)(nian)(nian)用(yong)氦(hai)離子(zi)轟(hong)(hong)擊(ji)242Cm獲(huo)得(de)(de)(de)锎。吉奧索(suo)(A.Ghiorso)等人又于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)(de)(de)锿、鐨、鍆、锘和(he)鐒。
當前(qian)世界(jie)錒系各種(zhong)元素的生(sheng)產規模相差很大;鈾的年產量以(yi)萬噸(dun)(dun)計(ji),釷以(yi)千噸(dun)(dun)計(ji),钚以(yi)噸(dun)(dun)計(ji),镎、鏷、镅以(yi)公斤計(ji),錒、鏷、鋦、锎以(yi)克計(ji),锎外錒系元素以(yi)毫克甚至以(yi)原子數計(ji)。中國已(yi)制得(de)所有的錒系元素。
錒系元素主要(yao)用作核反應堆的原(yuan)料(liao),便攜式的γ或X射線源;鈾和钚等(deng)是制造核武器的主要(yao)原(yuan)料(liao)。
錒(a)(a)在空氣中(zhong)放置緩慢變(bian)成Ac2O3(三氧化(hua)二錒(a)(a));錒(a)(a)具有較(jiao)強(qiang)的堿性。錒(a)(a)的常見(jian)氧化(hua)態(tai)為+Ⅱ和+Ⅲ。
錒(a)(a)系(xi)(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su):周(zhou)期系(xi)(xi)ⅢB族中原子(zi)(zi)序數(shu)為89~103的(de)15種(zhong)化學元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)的(de)統(tong)稱。包括錒(a)(a)(Ac)、釷(tu)(Th)、鏷(pu)(Pa)、鈾(you)(you)(U)、镎(na)(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、鋦(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、鐨(Fm)、鍆(Md)、锘(nuo)(No)、鐒(Lr),它們(men)都是放射性元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)。鈾(you)(you)以(yi)后(hou)的(de)原子(zi)(zi)序數(shu)為93~109的(de)17種(zhong)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)稱為超鈾(you)(you)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)。前四(si)種(zhong)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)錒(a)(a)、釷(tu)、鏷(pu)、鈾(you)(you)存在于自然界中,其余11種(zhong)全部用(yong)人工核反應合成。錒(a)(a)系(xi)(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)原子(zi)(zi)結構的(de)特點是:錒(a)(a)以(yi)后(hou)的(de)元(yuan)(yuan)(yuan)素(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(zui)外(wai)層的(de)電(dian)子(zi)(zi)構型基(ji)本相同,使錒(a)(a)系(xi)(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)之間(jian)的(de)性質(zhi)非常(chang)相似,與鑭系(xi)(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)一樣,錒(a)(a)系(xi)(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)(su)中也存在著離子(zi)(zi)半(ban)徑收縮(suo)現象。
錒系(xi)元素(su)(su)(su)都是(shi)(shi)金屬,與鑭系(xi)元素(su)(su)(su)一樣,化(hua)學性質(zhi)比較活潑。它們(men)的(de)(de)(de)(de)氯(lv)化(hua)物(wu)(wu)、硫(liu)酸(suan)鹽(yan)、硝酸(suan)鹽(yan)、高氯(lv)酸(suan)鹽(yan)可溶(rong)于水(shui),氫氧化(hua)物(wu)(wu)、氟化(hua)物(wu)(wu)、硫(liu)酸(suan)鹽(yan)、草酸(suan)鹽(yan)不溶(rong)于水(shui)。大多數錒系(xi)元素(su)(su)(su)能形成配位化(hua)合物(wu)(wu)。α衰變和自發(fa)裂變是(shi)(shi)錒系(xi)元素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)重(zhong)要核特性,隨著原子序數的(de)(de)(de)(de)增大,半(ban)衰期(qi)依次縮短,鈾(you)238的(de)(de)(de)(de)半(ban)衰期(qi)為4.468×10?年;鐒260的(de)(de)(de)(de)半(ban)衰期(qi)只有(you)3分鐘。錒系(xi)元素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)(de)毒性和輻射(特別是(shi)(shi)吸入人體(ti)內的(de)(de)(de)(de)α輻射體(ti))的(de)(de)(de)(de)危害較大,必須在有(you)防護措施的(de)(de)(de)(de)密(mi)閉工(gong)作箱(xiang)中(zhong)操作這些物(wu)(wu)質(zhi)。
在人(ren)工(gong)合成的錒系元(yuan)素中,只有钚、镎、镅(mei)、鋦(ju)的年產量(liang)達千克(ke)級以上,锎僅為克(ke)量(liang)級,锿以后(hou)的元(yuan)素量(liang)極少,半衰期(qi)很短,僅用(yong)于研究。用(yong)途比較多的只限于鈾(you)和釷,钚在某些(xie)情況下用(yong)作核燃料。
已知的錒(a)(a)(a)化(hua)(hua)(hua)(hua)合物(wu)十(shi)分(fen)少(shao),主要有(you)三(san)氟化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(Ac F3)、三(san)氯化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(Ac Cl3)、三(san)溴化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(Ac Br3)、氟氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(Ac OF)、氯氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(Ac OCl)、溴氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(Ac OBr)、三(san)硫化(hua)(hua)(hua)(hua)二錒(a)(a)(a)(Ac2S3)、氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(Ac2O3)和磷酸(suan)錒(a)(a)(a)(Ac PO4)等(deng)。除(chu)Ac PO4以外,這些化(hua)(hua)(hua)(hua)合物(wu)中Ac都以+3氧(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)態存在(zai),且(qie)都有(you)相(xiang)對應(ying)的鑭化(hua)(hua)(hua)(hua)合物(wu)。對應(ying)的鑭和錒(a)(a)(a)化(hua)(hua)(hua)(hua)合物(wu)在(zai)晶格常(chang)數上的差異不超過百分(fen)之十(shi)。
錒(a)(a)為銀白(bai)色(se)金屬,能(neng)在暗(an)處發光(guang);熔點(dian)1050℃沸(fei)點(dian)3200℃密(mi)度10.07克/厘米(mi)3,面心立方晶(jing)格。錒(a)(a)化學性質(zhi)活(huo)潑,與(yu)鑭和釔(yi)十分相似,可直(zhi)(zhi)接(jie)與(yu)多種非金屬元素直(zhi)(zhi)接(jie)反應;錒(a)(a)有較強(qiang)的(de)(de)堿(jian)性。錒(a)(a)的(de)(de)剪切模量(liang)估計(ji)與(yu)鉛的(de)(de)相近。錒(a)(a)的(de)(de)放射性很強(qiang),它放射出(chu)的(de)(de)高能(neng)粒子足以將周圍的(de)(de)空氣(qi)電解,從(cong)而發出(chu)暗(an)藍色(se)的(de)(de)光(guang)錒(a)(a)主要用做航天器中的(de)(de)熱源(yuan)。錒(a)(a)系元素都有放射性。
原(yuan)子(zi)量 227.0278 原(yuan)子(zi)量單位(wei)
原子(zi)半徑(計算值) 195(無數據)pm
共價半徑(jing) 無(wu)數(shu)據(ju)
范(fan)德華半徑(jing) 無數據
價電子(zi)排布(bu) [氡]6d17s2
電(dian)子在每能級(ji)的排布 2,8,18,32,18,9,2
氧化價(氧化物) 3(兩性(xing)的)
晶體(ti)結(jie)構 面心立(li)方
物質狀態 固態、放射性(xing)
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(rong)化熱 62 kJ/mol
蒸氣壓 無數據
聲速 無數據
電負性(xing) 1.1(鮑林標度(du))
比熱 無數據
電導率 無數據
熱導率(lv) 12 W/(m·K)
第一電(dian)離能 499 kJ/mol
第二(er)電(dian)離能 1170 kJ/mol
在自然界,錒(a)存在于鈾礦石中,由鈾衰(shuai)變(bian)而來,三個天然放射(she)(she)系(xi)中有錒(a)的(de)兩(liang)個同位素(su)227Ac及228Ac,分別存在于錒(a)系(xi)及釷系(xi)中,是錒(a)所有同位素(su)中唯(wei)一的(de)兩(liang)個天然放射(she)(she)性核素(su),如圖《錒(a)系(xi)衰(shuai)變(bian)鏈》所示。
在(zai)提取高放射(she)純(chun)度227Ac的(de)(de)過程中,如(ru)果所用鈾礦石含(han)有釷也(ye)即含(han)有228Ac,由于228Ac的(de)(de)半衰期僅為6.15h,極易(yi)轉變(bian)成228Th(Th228T?=1.9131a),在(zai)除去Th的(de)(de)時候(hou),一定程度上可以認為228Ac也(ye)被(bei)除去,即使還有少(shao)量228Ac存在(zai),經過不長的(de)(de)時間后,也(ye)會(hui)(hui)衰變(bian)完,并不會(hui)(hui)對(dui)227Ac的(de)(de)放射(she)性純(chun)度造(zao)(zao)成太大的(de)(de)影響,也(ye)不會(hui)(hui)造(zao)(zao)成228Ac的(de)(de)濃(nong)集,因而(er)造(zao)(zao)成220Rn對(dui)219Rn射(she)氣純(chun)度的(de)(de)影響。
錒(a)(a)系(xi)元素的(de)用(yong)(yong)(yong)途(tu)越來越廣,鈾(you)(you)-233、鈾(you)(you)-235和钚(bu)-239是核反應(ying)堆和核電站用(yong)(yong)(yong)的(de)燃料(liao),錒(a)(a)—227、鋦—244和钚(bu)—238等(deng)則用(yong)(yong)(yong)作(zuo)宇(yu)航(hang)飛行器(qi)的(de)熱源(yuan)。雖(sui)然錒(a)(a)天然存(cun)在于(yu)鈾(you)(you)礦里,但含量極低。當人們(men)真正需要一些錒(a)(a)的(de)時(shi)候,可以(yi)用(yong)(yong)(yong)以(yi)下方法來生產:在核反應(ying)堆中用(yong)(yong)(yong)中子(zi)轟擊鐳(lei)-225,將(jiang)它轉化為鐳(lei)-227,后者會以(yi)42分(fen)鐘的(de)半衰期衰變為錒(a)(a)的(de)長(chang)壽命(ming)同位(wei)素錒(a)(a)-227。