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錒系元素

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元素週期表中的錒系元素
氫（非金屬） 氦（惰性氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體）
鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體）

錒系元素是第89號元素錒到103號元素鐒共15種放射性元素的統稱。錒系元素位於元素週期表第7週期的鐳與鑪之間，位於鑭系元素下方，但通常為了避免週期表形狀過寬影響觀看，而將鑭系和錒系元素移至週期表下方獨立列出。錒系元素可用符號An來表示。[1][2][3]

除了屬於d區的鐒之外，所有錒系元素都是f區元素，錒系元素原子基態的電子組態是5f0~146d0~27s2，其新增加的電子大多填入從外側數進來的第三個電子層（即5f電子層）中，所以錒系元素又可以稱為5f系，不過也有許多較輕的錒系元素將電子填入6d亞殼層。由於錒系元素都是金屬，故可和鑭系元素統稱為f區金屬。為了區別於週期表中的d區過渡元素，故又將錒系元素及鑭系元素合稱為內過渡元素。

由於較輕的錒系元素有許多電子填充不規則的情形，故它們的化合價有較多的變化，彼此之間的相似度從而沒有鑭系元素間來的高，其中釷、鏷和鈾的化學性質更類似於過渡金屬，錼和鈽則介於過渡金屬和鑭系元素之間。而較重的錒系元素則表現出和鑭系元素相似的性質，以+3價為最穩定的氧化態（鍩除外）。

1789年德國馬丁·克拉普羅特從瀝青鈾礦中發現鈾，它是被人們認識的第一個錒系元素。其後陸續發現釷、錒和鏷。鈾以後的元素（即超鈾元素）都是在1940年後用人工核反應合成的，屬於人造元素。[1][4]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，包括錼和鈽[5]。

所有錒系元素都具有放射性，並在衰變時以游離輻射的形式釋放能量。天然存在的鈾和釷以及人工合成產生的鈽是目前地球上存量最豐富的錒系元素。鈾和鈽被廣泛用於核能發電及核武器，鈾和釷在當前及歷史上也有許多和放射性無關的用途，鋂則被用作大多數現代煙霧探測器的游離輻射源。

由於鐒在週期表中屬於d區，而其他錒系元素位於f區，因此有人認為鐒應該是過渡金屬而非錒系元素。[6][7]但為了方便敘述，現今仍習慣將其與錒系合稱。參見鑭系元素中關於鎦的地位的爭議，以及有關3族元素定義的爭論。

性質

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元素名稱 錒 釷 鏷 鈾 錼 鈽 鋂 鋦 鉳 鉲 鑀 鐨 鍆 鍩 鐒
原子序 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
符號 Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
圖片 無 無 無 無
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 — — — — — — — — —
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
最常見同位素 227 232 231 238 237 239 241 244 249 252 253 255 256 255 260
最常見同位素之半衰期 21.8年 140億年 32500年 44.7億年 214萬年 24100年 433年 18.1年 320天 2.64年 20.47天 20.07小時 78分鐘 3.1分鐘 2.7分鐘
密度（g/cm3）[8] 10.07 11.724 15.37 19.05 20.45 19.816 13.67 13.51 14.78 15.1 8.84 ? 9.7 ? 10.3 ? 9.9 ? 14.4
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 或
5f16d27s2		 5f36d17s2 5f46d17s2 或
5f57s2		 5f67s2 5f77s2 5f76d17s2 5f97s2 或
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

錒系元素皆為銀灰色有光澤的典型金屬[1][9][10][11]，密度大，大多數質地較軟，可塑性相對較高，其中一些可以用刀切割。[12]錒系元素皆具有順磁性及放射性。除錒之外，錒系元素都有多種晶相：鈽有七種，鈾、錼和鉲有三種。鏷、鈾、錼和鈽的晶體結構在鑭系元素中沒有明確的類似物，反而更類似於3d系過渡金屬。[13]

與鑭系元素一樣，錒系元素的原子半徑隨著原子序增加而逐漸縮小，稱作錒系收縮現象。

與鑭系元素相比，輕錒系元素（錒除外）之間的化合價非常多樣化，分別可以形成穩定的+4、+5或+6等價態，不像鑭系元素大多只有一個最穩定氧化態：+3，因此輕錒系元素彼此間的相似度沒有鑭系元素間來的高，從而較易分離。除錒之外的輕錒系元素中，釷、鏷和鈾的性質更類似於過渡金屬，錼和鈽則介於過渡金屬和鑭系元素之間。至於錒和鋂之後的重錒系元素則和鑭系元素一樣以+3價為最尋常、最穩定的氧化態（鍩除外），性質也和鑭系元素較為相似。

錒系元素的化學性質比較活潑，在空氣中表面會氧化失去光澤。能形成錯合物及可溶於水的氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽及過氯酸鹽等，至於它們的氫氧化物、氟化物、硫酸鹽及草酸鹽等則不溶於水。

原子半徑和離子半徑（錒系收縮）

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如同鑭系元素，錒系元素的原子半徑和離子半徑亦有隨原子序數的增加而逐漸減小的現象，稱為錒系收縮。

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。

原子序數 元素名稱 +3離子半徑（pm） +4離子半徑（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） —— ——

離子的顏色

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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）[14]
氧化態 錒 釷 鏷 鈾 錼 鈽 鋂 鋦 鉳 鉲 鑀 鐨 鍆 鍩 鐒
+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
  • 鈾的3、4、5、6價鹽的水溶液
    鈾的3、4、5、6價鹽的水溶液
  • 錼的3、4、5、6、7價鹽的水溶液
    錼的3、4、5、6、7價鹽的水溶液
  • 鈽的3、4、5、6、7價鹽的水溶液
    鈽的3、4、5、6、7價鹽的水溶液

存在及合成

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地殼中含量最豐富的錒系元素為釷和鈾，豐度分別為16ppm和4ppm。[15]它們兩者具有長半衰期的同位素，因此能在地殼中以穩定的量存在。主要的含鈾礦物有瀝青鈾礦、釩酸鉀鈾礦和鈣鈾雲母等，而釷主要分布在獨居石、方釷石（英語：Thorianite）和釷石（英語：Thorite）等礦物中，大多數含釷礦物中皆含有鈾和大量的稀土元素。

鏷和錒主要在各種放射性礦物中作為釷和鈾的衰變產物生成，含量甚微，且錒的化學性質與礦石中的鑭系元素（尤其是鑭）甚為相似而難以提取、分離，因此兩者通常是從用過核燃料中提煉，或在核反應爐中人工合成。[16]

超鈾元素大多不存在於自然界中，必須透過核反應爐或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，是鈾的核嬗變產物。[17][18]自二戰以來的多次核武器試驗已將至少六種比鈽重的人造超鈾元素釋放到環境中，包括鋂、鋦、鉳、鉲、鑀和鐨。[19]

用途

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錒系元素的主要用途是核能發電及核武器，例如鈾和鈽等。不過也有部分錒系元素在日常生活中得到了應用，例如游離煙霧探測器中的鋂[20][21]和煤氣燈網罩（英語：Gas mantle）中的釷等[22]。至於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。

核能應用中最重要的同位素是鈾-235，用於熱中子反應爐。天然鈾里鈾-235的占比僅為0.72%。它會強烈吸收熱中子，然後放出大量能量。鈾-235核子吸收中子後，會裂變成2個較輕的核子和2至3顆中子，如：

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

1克235U的一次裂變行為轉換為大約1MW/天。重要的是,235
92U
發射的中子多於吸收的中子;[23] 達到臨界質量時，235
92U
進入自動鏈鎖反應。[13]

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Other promising actinide isotopes for nuclear power are thorium-232 and its product from the thorium fuel cycle, uranium-233.
Nuclear reactor[13][24][25]
The core of most Generation II nuclear reactors contains a set of hollow metal rods, usually made of zirconium alloys, filled with solid nuclear fuel pellets – mostly oxide, carbide, nitride or monosulfide of uranium, plutonium or thorium, or their mixture (the so-called MOX fuel). The most common fuel is oxide of uranium-235.
Nuclear reactor scheme
Nuclear reactor scheme

Fast neutrons are slowed by moderators, which contain water, carbon, deuterium, or beryllium, as thermal neutrons to increase the efficiency of their interaction with uranium-235. The rate of nuclear reaction is controlled by introducing additional rods made of boron or cadmium or a liquid absorbent, usually boric acid. Reactors for plutonium production are called breeder reactor or breeders; they have a different design and use fast neutrons.

Emission of neutrons during the fission of uranium is important not only for maintaining the nuclear chain reaction, but also for the synthesis of the heavier actinides. Uranium-239 converts via β-decay into plutonium-239, which, like uranium-235, is capable of spontaneous fission. The world's first nuclear reactors were built not for energy, but for producing plutonium-239 for nuclear weapons.

釷除了用作煤氣網罩的材料之外[22]，也常和鎂、鋁等金屬做成合金，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[23]，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）。[26]

鈽元素的主要用途是製造核武器，尤其是可以裂變的鈽-239。它的臨界質量是鈾-235的1/3。[27]

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The "胖子原子彈"-type plutonium bombs produced during the 曼哈頓計劃 used explosive compression of plutonium to obtain significantly higher densities than normal, combined with a central neutron source to begin the reaction and increase efficiency. Thus only 6.2 kg of plutonium was needed for an explosive yield equivalent to 20 kilotons of TNT.[28] (See also Nuclear weapon design.) Hypothetically, as little as 4 kg of plutonium—and maybe even less—could be used to make a single atomic bomb using very sophisticated assembly designs.[29]

Plutonium-238 is potentially more efficient isotope for nuclear reactors, since it has smaller critical mass than uranium-235, but it continues to release much thermal energy (0.56 W/g)[21][30] by decay even when the fission chain reaction is stopped by control rods. Its application is limited by the high price (about US$1000/g). This isotope has been used in thermopiles and water distillation systems of some space satellites and stations. So Galileo and Apollo spacecraft (e.g. Apollo 14[31]) had heaters powered by kilogram quantities of plutonium-238 oxide; this heat is also transformed into electricity with thermopiles. The decay of plutonium-238 produces relatively harmless alpha particles and is not accompanied by gamma-irradiation. Therefore, this isotope (~160 mg) is used as the energy source in heart pacemakers where it lasts about 5 times longer than conventional batteries.[21]

錒-227被用作中子源。 Its high specific energy (14.5 W/g) and the possibility of obtaining significant quantities of thermally stable compounds are attractive for use in long-lasting thermoelectric generators for remote use. 228Ac is used as an indicator of radioactivity in chemical research, as it emits high-energy electrons (2.18 MeV) that can be easily detected. 228Ac-228Ra mixtures are widely used as an intense gamma-source in industry and medicine.[16]

具有耐用晶體基質的自發光錒系元素摻雜材料的開發是錒系元素利用的一個新領域，因為向某些玻璃和晶體中添加α發射放射性核種可能會賦予發光性。[32]

對生物的影響

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目前沒有發現錒系元素在生物體中發揮任何生物學作用。由於錒系元素皆具有放射性，其衰變時釋放的游離輻射會破壞生物組織，過度暴露在輻射中會導致輻射中毒，故對生物而言具有極高的毒性。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。[32]

參見

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參考文獻

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