錒(Actinium),一種天(tian)然放射性元素,化學(xue)符號Ac,原子序數89,原子相對質量227.0278,屬錒系元素,為(wei)銀白色(se)金屬。其英文名(ming)來源于(yu)希(xi)臘文aktis(射線)。1899年法(fa)國(guo)的A.一L.德(de)比埃爾內從鈾(you)礦渣(zha)中分離出(chu)錒。
已發現質量數209-232的(de)全(quan)部(bu)錒(a)同位素,除錒(a)227和錒(a)228是(shi)天(tian)然放(fang)射性同位素外,其余都(dou)是(shi)通過人工核反應合成的(de)。錒(a)-227是(shi)錒(a)-鈾(you)(you)(you)放(fang)射性衰(shuai)(shuai)變(bian)系的(de)衰(shuai)(shuai)變(bian)產物(wu),在鈾(you)(you)(you)礦中賦存(cun)量為(wei)每噸鈾(you)(you)(you)約0.2毫克(ke)。
錒(a)為銀白(bai)色(se)金(jin)屬,熔(rong)點1320K±50K,沸點3470K±300K,密度(293K)10062kg/m3。金(jin)屬錒(a)具有(you)面心立(li)方晶格。錒(a)原子的(de)外電(dian)子層構型(xing)為(Rn)6d7s。錒(a)的(de)氧化態(tai)為+3。它的(de)化學性質與(yu)鑭(lan)和釔十分相似。錒(a)的(de)氟化物、氫氧化物、碳酸鹽、磷(lin)酸鹽和草(cao)酸鹽不溶(rong)于水。示蹤量的(de)錒(a)常用氟化鑭(lan)或(huo)(huo)草(cao)酸鑭(lan)共沉淀載帶。用離(li)(li)子交換色(se)層分離(li)(li)(見稀土元素(su)色(se)層分離(li)(li))或(huo)(huo)溶(rong)劑萃取法可(ke)使鑭(lan)系元素(su)與(yu)錒(a)分離(li)(li)。
由于(yu)鈾(you)礦(kuang)石(shi)中(zhong)(zhong)含有稀(xi)土(tu)元素,因此,從鈾(you)礦(kuang)石(shi)提取只能得(de)到(dao)錒的濃(nong)縮(suo)物。在反(fan)應堆中(zhong)(zhong)用(yong)(yong)熱中(zhong)(zhong)子輻照(zhao)鐳(lei)-226靶,由核反(fan)應可制得(de)高純度的227Ac。用(yong)(yong)稀(xi)硝酸將(jiang)輻照(zhao)過(guo)(guo)的鐳(lei)靶溶(rong)解(jie),加入濃(nong)硝酸使鐳(lei)沉淀。過(guo)(guo)濾,濾液通(tong)過(guo)(guo)陰離子交(jiao)換樹脂柱,使Ac與釷-228分離。再用(yong)(yong)草酸鹽沉淀法提純錒,于(yu)973K溫度下(xia)灼(zhuo)燒得(de)到(dao)Ac2O3。比利(li)時于(yu)20世紀70年代用(yong)(yong)這種方法,生產(chan)了約20g錒-227。
錒(a)(a)227的半衰(shuai)期為(wei)(wei)21.77年。它于(yu)1899年首先被法國科(ke)學家安德(de)烈-德(de)拜耳(er)尼(André-Debierne)發現,隨后在1902年德(de)國化學家弗雷德(de)里奇-奧托-吉賽(sai)爾(Friedrich-Otto-Giesel)也獨立地發現了(le)該(gai)元素(su)。存在于(yu)瀝(li)青鈾礦(kuang)及(ji)其它含鈾礦(kuang)物(wu)中。人(ren)工制(zhi)備錒(a)(a)的數量極少(shao),其在商業和科(ke)學研究方面極為(wei)(wei)有限(xian)。其名字來自于(yu)希臘文(wen)“aktinos”,意為(wei)(wei)“射線”或“光束”。
1789年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)克拉(la)普(pu)羅特(M.H.Klaproth)從瀝(li)青鈾(you)礦中(zhong)發(fa)現(xian)(xian)鈾(you),是錒系(xi)中(zhong)第一個被發(fa)現(xian)(xian)的(de)(de)元(yuan)素(su)。1828年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)貝(bei)采利烏斯(J.J.Berzelius)發(fa)現(xian)(xian)釷。鈾(you)和釷的(de)(de)發(fa)現(xian)(xian)為(wei)大部分(fen)其他(ta)錒系(xi)元(yuan)素(su)的(de)(de)制取開辟(pi)了道路。1899年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)在居里實驗室工作的(de)(de)德比爾納(A.L.Debierne)發(fa)現(xian)(xian)錒,1902年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)蓋瑟爾(F.Geisel)也獨立(li)發(fa)現(xian)(xian)了錒。1913年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)法揚斯(K.Fajans)和格(ge)林(O.G?hring)發(fa)現(xian)(xian)了鏷(pu)的(de)(de)同(tong)位素(su)234Pa,1917年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)哈恩(O.Hahn)和梅特勒(L.Meitner)發(fa)現(xian)(xian)了231Pa。1940年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)麥克米倫(E.M.McMillan)和艾貝(bei)爾森(sen)(P.H.Abelson)用(yong)(yong)中(zhong)子(zi)輻照天然(ran)鈾(you)得(de)(de)到(dao)镎。同(tong)年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian),西博格(ge)(G.T.Seaborg)等(deng)用(yong)(yong)氘核轟擊鈾(you)得(de)(de)到(dao)钚。1944年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)他(ta)又(you)(you)利用(yong)(yong)钚同(tong)位素(su)的(de)(de)中(zhong)子(zi)俘獲(huo)(huo)反應獲(huo)(huo)得(de)(de)镅,用(yong)(yong)氦(hai)離子(zi)轟擊钚同(tong)位素(su)獲(huo)(huo)得(de)(de)鋦,1949年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)湯普(pu)森(sen)(S.G.Thompson)等(deng)人(ren)(ren)用(yong)(yong)氦(hai)離子(zi)轟擊241Am獲(huo)(huo)得(de)(de)锫(pei),1950年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)用(yong)(yong)氦(hai)離子(zi)轟擊242Cm獲(huo)(huo)得(de)(de)锎。吉奧索(A.Ghiorso)等(deng)人(ren)(ren)又(you)(you)于1952年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)、1953年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)、1955年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)、1958年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)、1961年(nian)(nian)(nian)(nian)(nian)分(fen)別獲(huo)(huo)得(de)(de)锿、鐨、鍆、锘(nuo)和鐒。
當前世界錒(a)(a)系各種元(yuan)(yuan)素的生產規模相(xiang)差(cha)很大;鈾的年產量(liang)以(yi)(yi)(yi)萬(wan)噸計,釷以(yi)(yi)(yi)千(qian)噸計,钚(bu)以(yi)(yi)(yi)噸計,镎、鏷(pu)(pu)、镅以(yi)(yi)(yi)公斤計,錒(a)(a)、鏷(pu)(pu)、鋦(ju)、锎(kai)以(yi)(yi)(yi)克(ke)計,锎(kai)外錒(a)(a)系元(yuan)(yuan)素以(yi)(yi)(yi)毫克(ke)甚至以(yi)(yi)(yi)原(yuan)子數計。中國已制得所有的錒(a)(a)系元(yuan)(yuan)素。
錒系元素主要(yao)用(yong)作核(he)反應(ying)堆的原(yuan)料(liao),便攜式的γ或X射(she)線源(yuan);鈾(you)和钚等是(shi)制造核(he)武器的主要(yao)原(yuan)料(liao)。
錒(a)(a)在空(kong)氣(qi)中放置緩慢變成Ac2O3(三(san)氧(yang)(yang)化二錒(a)(a));錒(a)(a)具有較強的堿性(xing)。錒(a)(a)的常見氧(yang)(yang)化態為+Ⅱ和+Ⅲ。
錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su):周(zhou)期系(xi)ⅢB族中(zhong)原(yuan)子(zi)(zi)序(xu)數(shu)為89~103的(de)(de)(de)15種(zhong)化學元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)的(de)(de)(de)統稱。包括(kuo)錒(a)(Ac)、釷(Th)、鏷(Pa)、鈾(you)(U)、镎(Np)、钚(bu)(Pu)、镅(Am)、鋦(Cm)、锫(pei)(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、鐨(Fm)、鍆(Md)、锘(No)、鐒(Lr),它們都是放射性元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)。鈾(you)以后的(de)(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)序(xu)數(shu)為93~109的(de)(de)(de)17種(zhong)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)稱為超(chao)鈾(you)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)。前四種(zhong)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)錒(a)、釷、鏷、鈾(you)存在于自(zi)然界中(zhong),其余11種(zhong)全部(bu)用人工核反應合成。錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)原(yuan)子(zi)(zi)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)特(te)點是:錒(a)以后的(de)(de)(de)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)電(dian)子(zi)(zi)依次填充5f內電(dian)子(zi)(zi)層,它們的(de)(de)(de)最外層的(de)(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)構(gou)型基本相(xiang)同,使錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)之間(jian)的(de)(de)(de)性質非常(chang)相(xiang)似(si),與鑭系(xi)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)一(yi)樣,錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)素(su)(su)(su)中(zhong)也存在著離子(zi)(zi)半(ban)徑(jing)收縮現象。
錒系(xi)(xi)元素(su)(su)都是(shi)金屬,與鑭系(xi)(xi)元素(su)(su)一樣(yang),化(hua)學性(xing)質(zhi)比較活潑。它們(men)的(de)(de)氯(lv)化(hua)物(wu)、硫酸(suan)鹽(yan)、硝酸(suan)鹽(yan)、高氯(lv)酸(suan)鹽(yan)可溶于水,氫氧化(hua)物(wu)、氟化(hua)物(wu)、硫酸(suan)鹽(yan)、草酸(suan)鹽(yan)不溶于水。大(da)(da)多(duo)數(shu)錒系(xi)(xi)元素(su)(su)能形成配位化(hua)合(he)物(wu)。α衰變和自(zi)發裂變是(shi)錒系(xi)(xi)元素(su)(su)的(de)(de)重要核特(te)性(xing),隨(sui)著原子(zi)序(xu)數(shu)的(de)(de)增大(da)(da),半衰期(qi)依次縮短,鈾238的(de)(de)半衰期(qi)為4.468×10?年(nian);鐒260的(de)(de)半衰期(qi)只有(you)3分鐘。錒系(xi)(xi)元素(su)(su)的(de)(de)毒性(xing)和輻(fu)(fu)射(特(te)別(bie)是(shi)吸(xi)入人體內的(de)(de)α輻(fu)(fu)射體)的(de)(de)危害(hai)較大(da)(da),必須在有(you)防護措施的(de)(de)密(mi)閉工(gong)作(zuo)箱中操作(zuo)這些(xie)物(wu)質(zhi)。
在人(ren)工合(he)成的(de)錒(a)系元素中,只有钚、镎(na)、镅、鋦的(de)年產量(liang)達千克級以上,锎僅(jin)為克量(liang)級,锿(ai)以后(hou)的(de)元素量(liang)極少,半(ban)衰期很短,僅(jin)用于研究。用途比較多的(de)只限于鈾和釷,钚在某些情況(kuang)下用作核燃料(liao)。
已知的錒(a)(a)化(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)(wu)十分少(shao),主要有三(san)氟化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac F3)、三(san)氯化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac Cl3)、三(san)溴(xiu)化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac Br3)、氟氧化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac OF)、氯氧化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac OCl)、溴(xiu)氧化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac OBr)、三(san)硫化(hua)(hua)(hua)二(er)錒(a)(a)(Ac2S3)、氧化(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(Ac2O3)和磷(lin)酸錒(a)(a)(Ac PO4)等。除(chu)Ac PO4以外,這些化(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)(wu)中Ac都(dou)以+3氧化(hua)(hua)(hua)態(tai)存在,且都(dou)有相對(dui)應的鑭化(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)(wu)。對(dui)應的鑭和錒(a)(a)化(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)(wu)在晶格常數上的差異不超過百分之(zhi)十。
錒為銀白色(se)金(jin)屬(shu),能在暗(an)處(chu)發(fa)光;熔點1050℃沸點3200℃密度10.07克/厘米3,面(mian)心立方晶格。錒化學性質活(huo)潑(po),與(yu)鑭和釔(yi)十分相似(si),可直接與(yu)多種非(fei)金(jin)屬(shu)元素直接反應(ying);錒有較強的堿性。錒的剪切模量估計與(yu)鉛的相近。錒的放射(she)性很強,它放射(she)出(chu)的高能粒子足(zu)以將周(zhou)圍的空氣電(dian)解,從而發(fa)出(chu)暗(an)藍(lan)色(se)的光錒主要用(yong)做航天(tian)器中的熱(re)源(yuan)。錒系元素都(dou)有放射(she)性。
原子量(liang) 227.0278 原子量(liang)單位
原子半徑(計算值) 195(無數據)pm
共價(jia)半(ban)徑 無數據
范德華(hua)半徑 無數據
價電(dian)子(zi)排布 [氡(dong)]6d17s2
電(dian)子在(zai)每能級的排布 2,8,18,32,18,9,2
氧化(hua)價(氧化(hua)物) 3(兩性的)
晶體結(jie)構 面心立方
物(wu)質狀(zhuang)態 固態、放射性
熔點 1323 K(1050 °C)
沸點(dian) 3473 K (3200 °C)
摩爾體積(ji) 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(dian)負性 1.1(鮑林標度(du))
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
第二電離能 1170 kJ/mol
在自然(ran)界(jie),錒存在于鈾礦石(shi)中(zhong),由鈾衰變而(er)來,三個天然(ran)放射系(xi)(xi)(xi)中(zhong)有(you)(you)錒的兩(liang)個同位素227Ac及228Ac,分別存在于錒系(xi)(xi)(xi)及釷(tu)系(xi)(xi)(xi)中(zhong),是錒所有(you)(you)同位素中(zhong)唯(wei)一的兩(liang)個天然(ran)放射性核素,如圖《錒系(xi)(xi)(xi)衰變鏈(lian)》所示。
在提取高放射(she)純度(du)227Ac的(de)過程中,如果所用鈾(you)礦石含有(you)釷也(ye)即含有(you)228Ac,由于228Ac的(de)半(ban)衰期僅(jin)為6.15h,極易(yi)轉變成(cheng)228Th(Th228T?=1.9131a),在除去(qu)(qu)Th的(de)時候,一定程度(du)上可以認(ren)為228Ac也(ye)被(bei)除去(qu)(qu),即使還有(you)少量228Ac存(cun)在,經過不(bu)長(chang)的(de)時間后,也(ye)會(hui)衰變完(wan),并不(bu)會(hui)對227Ac的(de)放射(she)性純度(du)造成(cheng)太大(da)的(de)影(ying)響,也(ye)不(bu)會(hui)造成(cheng)228Ac的(de)濃(nong)集,因而造成(cheng)220Rn對219Rn射(she)氣(qi)純度(du)的(de)影(ying)響。
錒系(xi)元素的(de)(de)用途(tu)越(yue)來越(yue)廣,鈾-233、鈾-235和(he)钚-239是核(he)反應堆和(he)核(he)電站用的(de)(de)燃(ran)料,錒—227、鋦—244和(he)钚—238等(deng)則用作(zuo)宇航飛(fei)行(xing)器的(de)(de)熱源。雖然錒天然存在于鈾礦里,但含量極低。當人們(men)真正(zheng)需要(yao)一些錒的(de)(de)時候(hou),可以(yi)用以(yi)下方法來生產:在核(he)反應堆中用中子(zi)轟(hong)擊鐳(lei)-225,將它轉化(hua)為鐳(lei)-227,后者會(hui)以(yi)42分鐘的(de)(de)半衰(shuai)期衰(shuai)變為錒的(de)(de)長壽命同位(wei)素錒-227。