錒(Actinium),一(yi)種(zhong)天然放射性元素,化學符號(hao)Ac,原子(zi)序數89,原子(zi)相對(dui)質量227.0278,屬錒系(xi)元素,為銀白色(se)金屬。其英文名來源于希(xi)臘文aktis(射線)。1899年法國的A.一(yi)L.德(de)比(bi)埃爾內(nei)從鈾礦渣中分離出錒。
已發現質量數209-232的(de)(de)全(quan)部錒(a)同位素,除錒(a)227和錒(a)228是(shi)(shi)天然放(fang)射(she)性同位素外(wai),其(qi)余都是(shi)(shi)通過(guo)人工核反(fan)應合成的(de)(de)。錒(a)-227是(shi)(shi)錒(a)-鈾放(fang)射(she)性衰變系(xi)的(de)(de)衰變產物,在鈾礦(kuang)中(zhong)賦存量為每噸鈾約0.2毫克。
錒為銀(yin)白(bai)色(se)金屬,熔點1320K±50K,沸(fei)點3470K±300K,密度(293K)10062kg/m3。金屬錒具有面心立方晶格。錒原子的(de)外電子層(ceng)構(gou)型為(Rn)6d7s。錒的(de)氧化(hua)(hua)態(tai)為+3。它的(de)化(hua)(hua)學(xue)性質(zhi)與(yu)鑭(lan)和釔十分相似(si)。錒的(de)氟化(hua)(hua)物(wu)、氫氧化(hua)(hua)物(wu)、碳酸鹽(yan)、磷(lin)酸鹽(yan)和草酸鹽(yan)不(bu)溶于水。示蹤量的(de)錒常用(yong)氟化(hua)(hua)鑭(lan)或草酸鑭(lan)共沉淀載(zai)帶(dai)。用(yong)離(li)子交(jiao)換(huan)色(se)層(ceng)分離(li)(見稀(xi)土元素色(se)層(ceng)分離(li))或溶劑萃取法可使鑭(lan)系元素與(yu)錒分離(li)。
由于(yu)鈾(you)(you)礦石中含有稀土元素,因此,從鈾(you)(you)礦石提取(qu)只能得到錒的濃縮物。在反應堆中用(yong)熱中子(zi)(zi)輻(fu)照鐳(lei)-226靶,由核反應可制得高純度的227Ac。用(yong)稀硝酸將輻(fu)照過(guo)的鐳(lei)靶溶解,加入濃硝酸使(shi)(shi)鐳(lei)沉淀(dian)。過(guo)濾,濾液通過(guo)陰離(li)子(zi)(zi)交(jiao)換樹(shu)脂(zhi)柱(zhu),使(shi)(shi)Ac與(yu)釷-228分離(li)。再用(yong)草酸鹽(yan)沉淀(dian)法提純錒,于(yu)973K溫度下(xia)灼燒得到Ac2O3。比(bi)利時于(yu)20世紀70年(nian)代用(yong)這種方法,生產了約20g錒-227。
錒227的半衰期為21.77年。它于(yu)1899年首(shou)先(xian)被(bei)法國科(ke)學家安(an)德(de)烈-德(de)拜(bai)耳(er)尼(André-Debierne)發(fa)現,隨后在(zai)1902年德(de)國化學家弗雷德(de)里奇-奧托-吉賽(sai)爾(Friedrich-Otto-Giesel)也(ye)獨(du)立地發(fa)現了該元(yuan)素。存在(zai)于(yu)瀝青鈾礦及其它含鈾礦物中。人工制備錒的數量極(ji)(ji)少(shao),其在(zai)商業和科(ke)學研究(jiu)方面極(ji)(ji)為有限。其名字(zi)來自于(yu)希臘文“aktinos”,意為“射線”或“光(guang)束”。
1789年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)克拉普羅特(te)(M.H.Klaproth)從瀝(li)青鈾(you)(you)礦中(zhong)發(fa)(fa)現(xian)鈾(you)(you),是錒(a)系中(zhong)第一個(ge)被(bei)發(fa)(fa)現(xian)的元素(su)。1828年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)貝采利烏(wu)斯(J.J.Berzelius)發(fa)(fa)現(xian)釷。鈾(you)(you)和(he)(he)釷的發(fa)(fa)現(xian)為大部(bu)分其(qi)他錒(a)系元素(su)的制取(qu)開辟了(le)道路。1899年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)在居(ju)里實驗室工作的德比爾納(A.L.Debierne)發(fa)(fa)現(xian)錒(a),1902年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)蓋瑟爾(F.Geisel)也獨立發(fa)(fa)現(xian)了(le)錒(a)。1913年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)法揚斯(K.Fajans)和(he)(he)格林(O.G?hring)發(fa)(fa)現(xian)了(le)鏷(pu)的同位素(su)234Pa,1917年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)哈恩(en)(O.Hahn)和(he)(he)梅特(te)勒(L.Meitner)發(fa)(fa)現(xian)了(le)231Pa。1940年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)麥克米倫(lun)(E.M.McMillan)和(he)(he)艾(ai)貝爾森(P.H.Abelson)用(yong)中(zhong)子(zi)(zi)輻照(zhao)天然(ran)鈾(you)(you)得(de)(de)(de)到(dao)镎(na)。同年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)(nian),西博格(G.T.Seaborg)等(deng)用(yong)氘核轟擊鈾(you)(you)得(de)(de)(de)到(dao)钚(bu)。1944年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)他又利用(yong)钚(bu)同位素(su)的中(zhong)子(zi)(zi)俘獲反應(ying)獲得(de)(de)(de)镅,用(yong)氦離子(zi)(zi)轟擊钚(bu)同位素(su)獲得(de)(de)(de)鋦(ju),1949年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)湯(tang)普森(S.G.Thompson)等(deng)人(ren)用(yong)氦離子(zi)(zi)轟擊241Am獲得(de)(de)(de)锫,1950年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)用(yong)氦離子(zi)(zi)轟擊242Cm獲得(de)(de)(de)锎(kai)。吉奧索(A.Ghiorso)等(deng)人(ren)又于1952年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)、1953年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)、1955年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)、1958年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)、1961年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)分別(bie)獲得(de)(de)(de)锿、鐨、鍆、锘和(he)(he)鐒。
當前世界錒系各種元(yuan)素的(de)生產規模(mo)相差很大;鈾的(de)年產量以(yi)(yi)萬噸(dun)計,釷以(yi)(yi)千噸(dun)計,钚(bu)以(yi)(yi)噸(dun)計,镎、鏷、镅(mei)以(yi)(yi)公斤計,錒、鏷、鋦、锎(kai)以(yi)(yi)克(ke)計,锎(kai)外錒系元(yuan)素以(yi)(yi)毫克(ke)甚至以(yi)(yi)原子數計。中國已(yi)制得所(suo)有的(de)錒系元(yuan)素。
錒系元(yuan)素主要用作核(he)反應(ying)堆的(de)原料,便攜式的(de)γ或X射線(xian)源;鈾和(he)钚等是(shi)制(zhi)造核(he)武器的(de)主要原料。
錒(a)(a)在空氣中放置緩慢變成Ac2O3(三氧化二錒(a)(a));錒(a)(a)具有較強的(de)堿性。錒(a)(a)的(de)常見(jian)氧化態為+Ⅱ和+Ⅲ。
錒(a)系(xi)(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su):周期系(xi)(xi)ⅢB族中原子(zi)(zi)序數為(wei)89~103的(de)(de)15種(zhong)化學(xue)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)統稱。包括錒(a)(Ac)、釷(tu)(Th)、鏷(pu)(Pa)、鈾(you)(U)、镎(na)(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、鋦(ju)(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、鐨(Fm)、鍆(Md)、锘(nuo)(No)、鐒(Lr),它(ta)們都是放(fang)射(she)性元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)。鈾(you)以后(hou)的(de)(de)原子(zi)(zi)序數為(wei)93~109的(de)(de)17種(zhong)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)稱為(wei)超(chao)鈾(you)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)。前四種(zhong)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)錒(a)、釷(tu)、鏷(pu)、鈾(you)存在于自(zi)然界中,其余(yu)11種(zhong)全(quan)部用(yong)人工核反應(ying)合成。錒(a)系(xi)(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)原子(zi)(zi)結構(gou)的(de)(de)特點(dian)是:錒(a)以后(hou)的(de)(de)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)電(dian)子(zi)(zi)依次(ci)填充(chong)5f內電(dian)子(zi)(zi)層(ceng),它(ta)們的(de)(de)最外層(ceng)的(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)構(gou)型基本相同,使錒(a)系(xi)(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)之間的(de)(de)性質(zhi)非常(chang)相似,與鑭系(xi)(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)一樣(yang),錒(a)系(xi)(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)中也(ye)存在著(zhu)離子(zi)(zi)半徑收縮現象。
錒(a)(a)系(xi)元素(su)(su)都是金屬,與鑭系(xi)元素(su)(su)一樣,化學性(xing)質(zhi)(zhi)比較活潑。它們的(de)(de)(de)(de)氯化物(wu)、硫(liu)酸(suan)鹽(yan)(yan)、硝酸(suan)鹽(yan)(yan)、高氯酸(suan)鹽(yan)(yan)可溶(rong)于(yu)水,氫氧化物(wu)、氟化物(wu)、硫(liu)酸(suan)鹽(yan)(yan)、草酸(suan)鹽(yan)(yan)不(bu)溶(rong)于(yu)水。大多(duo)數(shu)錒(a)(a)系(xi)元素(su)(su)能形成配位化合物(wu)。α衰(shuai)變和自發裂變是錒(a)(a)系(xi)元素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)重要核特(te)(te)性(xing),隨著原子序數(shu)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大,半(ban)衰(shuai)期(qi)(qi)依(yi)次縮短,鈾238的(de)(de)(de)(de)半(ban)衰(shuai)期(qi)(qi)為(wei)4.468×10?年;鐒260的(de)(de)(de)(de)半(ban)衰(shuai)期(qi)(qi)只(zhi)有(you)3分鐘(zhong)。錒(a)(a)系(xi)元素(su)(su)的(de)(de)(de)(de)毒(du)性(xing)和輻(fu)射(特(te)(te)別是吸(xi)入人(ren)體內的(de)(de)(de)(de)α輻(fu)射體)的(de)(de)(de)(de)危害較大,必須在有(you)防護措施的(de)(de)(de)(de)密閉工作(zuo)箱中操作(zuo)這(zhe)些(xie)物(wu)質(zhi)(zhi)。
在(zai)(zai)人工合成的(de)(de)(de)錒系(xi)元素中,只(zhi)有钚(bu)、镎、镅、鋦(ju)的(de)(de)(de)年(nian)產量達千克(ke)級以(yi)上,锎僅為(wei)克(ke)量級,锿以(yi)后(hou)的(de)(de)(de)元素量極少,半衰期(qi)很短,僅用于(yu)研究(jiu)。用途比較多(duo)的(de)(de)(de)只(zhi)限于(yu)鈾和釷,钚(bu)在(zai)(zai)某些情況下用作核(he)燃料。
已(yi)知的錒(a)(a)(a)化(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)十分(fen)少,主要有三(san)氟(fu)化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(Ac F3)、三(san)氯(lv)化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(Ac Cl3)、三(san)溴(xiu)(xiu)化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(Ac Br3)、氟(fu)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(Ac OF)、氯(lv)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(Ac OCl)、溴(xiu)(xiu)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(Ac OBr)、三(san)硫化(hua)(hua)(hua)二錒(a)(a)(a)(Ac2S3)、氧(yang)化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(Ac2O3)和(he)磷酸錒(a)(a)(a)(Ac PO4)等。除Ac PO4以外,這些化(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)中Ac都以+3氧(yang)化(hua)(hua)(hua)態存在,且(qie)都有相對應的鑭(lan)化(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)。對應的鑭(lan)和(he)錒(a)(a)(a)化(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)在晶(jing)格常數上的差異(yi)不超(chao)過百分(fen)之(zhi)十。
錒(a)為銀白色金屬,能(neng)在暗處發光;熔點1050℃沸點3200℃密(mi)度10.07克(ke)/厘米3,面心立方晶格(ge)。錒(a)化學性(xing)質(zhi)活潑,與(yu)鑭和釔十分相似,可(ke)直接與(yu)多種非金屬元素(su)直接反應;錒(a)有(you)(you)較強的堿(jian)性(xing)。錒(a)的剪(jian)切模量估計與(yu)鉛的相近。錒(a)的放(fang)射(she)(she)性(xing)很(hen)強,它放(fang)射(she)(she)出的高(gao)能(neng)粒子足以將周圍的空氣電解,從而發出暗藍色的光錒(a)主要用做(zuo)航天器中的熱源。錒(a)系(xi)元素(su)都有(you)(you)放(fang)射(she)(she)性(xing)。
原子量 227.0278 原子量單位
原子半徑(計算(suan)值) 195(無數(shu)據)pm
共價(jia)半徑 無數據
范德華半徑 無數據(ju)
價電子排布 [氡]6d17s2
電子在每能級的排布 2,8,18,32,18,9,2
氧(yang)化價(氧(yang)化物(wu)) 3(兩性(xing)的(de))
晶(jing)體結構(gou) 面心立方
物質狀態 固態、放射性
熔點(dian) 1323 K(1050 °C)
沸點 3473 K (3200 °C)
摩(mo)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(fu)性(xing) 1.1(鮑(bao)林標度)
比熱 無數據
電導率 無數據
熱導率 12 W/(m·K)
第一電(dian)離能 499 kJ/mol
第二電離能 1170 kJ/mol
在(zai)自然(ran)界,錒(a)(a)存在(zai)于鈾礦石(shi)中(zhong),由(you)鈾衰(shuai)變而來,三個天然(ran)放(fang)射系(xi)中(zhong)有錒(a)(a)的兩個同(tong)位(wei)素227Ac及(ji)(ji)228Ac,分別存在(zai)于錒(a)(a)系(xi)及(ji)(ji)釷系(xi)中(zhong),是(shi)錒(a)(a)所(suo)有同(tong)位(wei)素中(zhong)唯一的兩個天然(ran)放(fang)射性(xing)核(he)素,如(ru)圖《錒(a)(a)系(xi)衰(shuai)變鏈(lian)》所(suo)示(shi)。
在提取(qu)高放射純度227Ac的過程中,如果(guo)所用鈾礦石(shi)含有釷也即含有228Ac,由于228Ac的半衰期僅(jin)為(wei)6.15h,極易轉變(bian)成(cheng)228Th(Th228T?=1.9131a),在除去Th的時候,一定程度上可以認(ren)為(wei)228Ac也被(bei)除去,即使(shi)還有少(shao)量228Ac存在,經過不長(chang)的時間后,也會衰變(bian)完,并(bing)不會對227Ac的放射性純度造(zao)成(cheng)太大的影響,也不會造(zao)成(cheng)228Ac的濃集,因而造(zao)成(cheng)220Rn對219Rn射氣純度的影響。
錒(a)(a)系元素的(de)用途越來(lai)越廣(guang),鈾(you)-233、鈾(you)-235和(he)钚-239是核反應堆和(he)核電站用的(de)燃料,錒(a)(a)—227、鋦(ju)—244和(he)钚—238等則用作宇航飛行器的(de)熱源。雖然(ran)錒(a)(a)天然(ran)存在于(yu)鈾(you)礦(kuang)里,但含量(liang)極低(di)。當人們真(zhen)正(zheng)需要一些錒(a)(a)的(de)時候,可以用以下方法來(lai)生產(chan):在核反應堆中用中子轟擊(ji)鐳(lei)(lei)-225,將它轉化為鐳(lei)(lei)-227,后者會(hui)以42分鐘的(de)半衰期(qi)衰變為錒(a)(a)的(de)長(chang)壽(shou)命同位素錒(a)(a)-227。