锕系元素

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原子序数 名称 符号
89 Ac
90 Th
91 Pa
92 U
93 Np
94 Pu
95 Am
96 Cm
97 Bk
98 Cf
99 Es
100 Fm
101 Md
102 No
103 Lr

锕系元素是第89号元素到103号元素共15种放射性元素的统称。錒系元素也属于过渡元素,只是錒系元素的外层和次外层的电子构型基本相同,新增加的电子則大都填入了从外侧数第三个电子层(即5f电子层)中,所以錒系元素又可以称为5f系。为了区别于元素周期表中的d区过渡元素,故又将锕系元素及镧系元素合称为内过渡元素。由于锕系元素都是金属,所以又可以和镧系元素统称为f区金属。锕系元素用符号An表示。

1789年德国馬丁·克拉普羅特沥青铀矿中发现了,它是被人们认识的第一个锕系元素。其后陆续发现了以后的元素(即超鈾元素)都是在1940年后用人工核反应合成的,屬於人工合成元素,不過也有部分超鈾元素最初是通過人工合成的方式發現,但是後來在自然界中,也發現有痕跡量的存在,例如等。

和镧系元素相比,較輕的锕系元素彼此之間的化合價有較多的變化,因此相似度沒有鑭系元素來的高,而較重的錒系元素則因為錒系收縮現象的減緩而使得彼此之間的相似性較高,因而造成分離上的困難。

锕系元素原子基態電子構型是5f0~146d0~17s2,这些元素的核外电子分为7层,最外层都是2个电子,次外层多数为8个电子(个别为9或10个电子),从镤到锘电子填入第5层,使第5层电子数从18个增加到32个。

性質[编辑]

元素名稱
原子序 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
圖片 Actinium.jpg Thorium sample 0.1g.jpg HD.6D.102 (10730945866).jpg HEUraniumC.jpg Neptunium2.jpg Plutonium3.jpg Americium microscope.jpg Berkelium metal.jpg Californium.jpg Einsteinium.jpg
原子量 [227] 232.0377(4) 231.03588(2) 238.02891(3) [237] [244] [243] [247] [247] [251] [252] [257] [258] [259] [266]
天然同位素數量 3 7 3 8 3 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0
最長壽同位素 227 232 231 238 237 244 243 247 247 251 252 257 258 259 266
最長壽同位素之半衰期 21.8年 140億年 32500年 44.7億年 214萬年 8080萬年 7370年 1560萬年 1380年 900年 1.29年 100.5天 52天 58分鐘 11小時
密度(g/cm3 6.162 6.770 6.77 7.01 7.26 7.52 5.244 7.90 8.23 8.540 8.79 9.066 9.32 6.90 9.841
熔點(°C) 1050 1842 1568 1132.2 639 639.4 1176 1340 986 900 860 1530 830 830 1630
沸點(°C) 3198 4788 4027? 4131 4174? 3228 2607? 3110 2627 1470? 996?
電子組態
氣相
6d17s2 6d27s2 5f26d17s2
5f16d27s2
5f36d17s2 5f46d17s2
5f57s2
5f67s2 5f77s2 5f76d17s2 5f97s2
5f86d17s2
5f107s2 5f117s2 5f127s2 5f137s2 5f147s2 5f147s27p1
電子組態
固相
6d17s2 5f0.56d1.57s2 5f1.76d1.37s2 5f2.96d1.17s2 5f46d17s2 5f56d17s2 5f66d17s2 5f76d17s2 5f86d17s2 5f96d17s2 5f117s2 5f127s2 5f137s2 5f147s2 5f146d17s2
金屬半徑(pm) 203 180 162 153 150 162 173 174 170 186 186 ? 198 ? 194 ? 197 ? 171

錒系元素皆為银灰色有光泽的放射性金屬[1][2][3][4]半衰期隨著原子序的擴大而依次縮短。錒系元素的性质较软,具有較高的密度及可塑性,在空氣中會失去光澤。[5]與鑭系元素一樣,錒系元素的化學性質比較活潑,能形成錯合物及可溶於水的氯化物硫酸鹽硝酸鹽高氯酸鹽等,至於它們的氫氧化物氟化物硫酸鹽草酸鹽等則不溶於水。

争论[编辑]

(Lr)是否属于锕系元素有争论。最近的色谱分析显示,铹应属于IIIB族,而非锕系。但为了方便叙述,现今仍习惯将其与锕系合称。参见镧系元素中关于的地位的争论。

原子半径和离子半径(锕系收缩)[编辑]

与同原子半径逐渐增大的规律恰恰相反,从则是逐渐减小。这种锕系元素的原子半径和离子半径随原子序数的增加而逐渐减小的现象称为锕系收缩

錒系元素中,充填最初幾個元素的5f電子時,離子半徑收縮地比較明顯,但此現象後來趨於平緩,使得這些較重的錒系元素的離子半徑十分接近。因此錒系元素在化學性質上的差別隨著原子序數的增大而逐漸變小,以致逐個地分離錒系元素(尤其是重錒系元素)越來越困難。

原子序数 元素名称 +3离子半径(pm) +4离子半径(pm)
90 釷(Th) 108 99
91 鏷(Pa) 105 93
92 鈾(U) 103 93
93 錼(Np) 101 92
94 鈽(Pu) 100 90
95 鋂(Am) 99 89
96 鋦(Cm) 98 88
97 鉳(Bk) —— ——
98 鉲(Cf) —— ——
99 鑀(Es) —— ——
100 鐨(Fm) —— ——
101 鍆(Md) —— ——
102 鍩(No) —— ——
103 鐒(Lr) —— ——

离子的颜色[编辑]

水溶液中錒系元素離子的近似顏色(最後四個元素的離子顏色未知,因為尚未合成出足夠的量進行觀察)[6]
氧化態
+2 Fm2+ Md2+ No2+
+3 Ac3+ Th3+ Pa3+ U3+ Np3+ Pu3+ Am3+ Cm3+ Bk3+ Cf3+ Es3+ Fm3+ Md3+ No3+ Lr3+
+4 Th4+ Pa4+ U4+ Np4+ Pu4+ Am4+ Cm4+ Bk4+ Cf4+
+5 PaO+
2
UO+
2
NpO+
2
PuO+
2
AmO+
2
+6 UO2+
2
NpO2+
2
PuO2+
2
AmO2+
2
+7 NpO3+
2
PuO3+
2
AmO3−
5

分布[编辑]

地殼中含量最豐富的錒系元素為釷和鈾,它們兩者具有很長的半衰期,放射性較微弱,因此能在地殼中以穩定的量存在。主要的含鈾礦物有釩酸鉀鈾礦鈣鈾雲母等,而釷主要分布在獨居石方釷石英语Thorianite釷石英语Thorite等礦物中。大多數含釷礦物中皆含有鈾,反之亦然,且這些礦物中也都含有大量的鑭系元素。而鏷和錒主要分布在各種鈾礦中,含量甚低。至於超鈾元素大多不存在於自然界中,必須透過粒子加速器人工合成,只有部分較輕的元素如錼和鈽等以痕量存在於鈾礦中。

用途[编辑]

儘管部分錒系元素已在日常生活中得到了應用,例如煙霧偵測器中的[7][8]煤氣網罩英语Gas mantle中的[9],但錒系元素主要用於核武器,或當作核反應堆的燃料,例如等。而原子序較大的重錒系元素由於製備的難度較高,且較不穩定,因此只用於學術研究,而沒有實際用途。在核反应堆最重要的同位素铀-235。它被用于如核反应堆,且在天然里有0.72%的铀-235。它强烈吸收热中子,然后放出能量。铀235核子吸收中子后,会裂变成2个较轻的核子和2至3颗中子, 如

235
92
U
+ 1
0
n
115
45
Rh
+ 118
47
Ag
+ 31
0
n

釷除了用作煤氣網罩的材料之外[9],也常和等金屬做成合金,因為鎂釷合金不但堅固,還具有高熔點及高延展性,因此被廣泛用於航空工業和導彈的生產中。釷還有著良好的電子發射性能,可用作電子器件中的高效電子發射極。此外釷的半衰期很長[10],和鈾同位素的相對含量被廣泛用於估算包括恆星在內的各種物體的年齡(參見放射性定年法)。[14]钚元素的主要用途是制造核武器,尤其是可以裂变的钚-239。它的临界质量是铀-235的1/3。[15]

對生物的影響[编辑]

由於錒系元素皆具有放射性,對生物而言具有極高的毒性,過度暴露在它們散發出的輻射中會損害人體健康。因此含有錒系元素的核廢料的處置是一個至關重要的課題。[21]

参见[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ Theodore Gray. The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe. New York: Black Dog & Leventhal Publishers. 2009: 240. ISBN 978-1-57912-814-2. 
  2. ^ Actinide element, Encyclopædia Britannica on-line
  3. ^ Although "actinoid"(rather than "actinide")means "actinium-like" and therefore should exclude actinium, that element is usually included in the series.
  4. ^ Neil G. Connelly; 等. Elements. Nomenclature of Inorganic Chemistry. London: Royal Society of Chemistry. 2005: 52. ISBN 0-85404-438-8. 
  5. ^ Greenwood, p. 1264
  6. ^ Greenwood, p. 1265
  7. ^ Smoke Detectors and Americium, Nuclear Issues Briefing Paper 35, May 2002
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 Greenwood, p. 1262
  9. ^ 9.0 9.1 Greenwood, p. 1255
  10. ^ 10.0 10.1 Golub, pp. 220–221
  11. ^ 11.0 11.1 Yu.D. Tretyakov (编). Non-organic chemistry in three volumes. Chemistry of transition elements 3. Moscow: Academy. 2007. ISBN 978-5-7695-2533-9. 
  12. ^ G. G. Bartolomei; V. D. Baybakov; M. S. Alkhutov; G. A. Bach. Basic theories and methods of calculation of nuclear reactors. Moscow: Energoatomizdat. 1982. 
  13. ^ Greenwood, pp. 1256–1261
  14. ^ Sergey Popov; Alexander Sergeev. Universal Alchemy. Vokrug Sveta. 2008, 2811 (4) (俄语). 
  15. ^ David L. Heiserman. Element 94: Plutonium. Exploring Chemical Elements and their Compounds. New York: TAB Books. 1992: 338. ISBN 978-0-8306-3018-9. 
  16. ^ John Malik. The Yields of the Hiroshima and Nagasaki Explosions (PDF). Los Alamos. September 1985: Table VI [15 February 2009]. LA-8819. (原始内容 (PDF)存档于24 February 2009).  已忽略未知参数|url-status= (帮助)
  17. ^ FAS contributors. Nuclear Weapon Design. Federation of American Scientists. 1998 [7 December 2008]. (原始内容存档于26 December 2008).  已忽略未知参数|url-status= (帮助)
  18. ^ John Holdren and Matthew Bunn Nuclear Weapons Design & Materials. Project on Managing the Atom (MTA) for NTI. 25 November 2002
  19. ^ Apollo 14 Press Kit – 01/11/71, NASA, pp. 38–39
  20. ^ 引用错误:没有为名为Himiya aktiniya的参考文献提供内容
  21. ^ 21.0 21.1 B.E. Burakov; M.I Ojovan; W.E. Lee. Crystalline Materials for Actinide Immobilisation. World Scientific. 2010. ISBN 978-1848164185.