錒(Actinium),一種天(tian)然放(fang)射性元素,化學符號Ac,原子序數(shu)89,原子相對質量227.0278,屬錒系(xi)元素,為銀白色(se)金(jin)屬。其英文(wen)名來源于希(xi)臘文(wen)aktis(射線)。1899年(nian)法(fa)國(guo)的A.一L.德比埃爾內(nei)從(cong)鈾礦渣(zha)中分離(li)出錒。
已發現質量數(shu)209-232的全(quan)部錒同位(wei)素,除錒227和錒228是(shi)天然放(fang)射性同位(wei)素外(wai),其(qi)余(yu)都是(shi)通過(guo)人工核反(fan)應(ying)合成的。錒-227是(shi)錒-鈾(you)放(fang)射性衰變(bian)系的衰變(bian)產物(wu),在鈾(you)礦中賦存量為(wei)每噸鈾(you)約0.2毫(hao)克。
錒(a)(a)為(wei)銀白色(se)金(jin)屬,熔點(dian)1320K±50K,沸點(dian)3470K±300K,密度(293K)10062kg/m3。金(jin)屬錒(a)(a)具有面心立方(fang)晶格。錒(a)(a)原子的外電子層構型為(wei)(Rn)6d7s。錒(a)(a)的氧化(hua)態為(wei)+3。它的化(hua)學性質與(yu)鑭(lan)和釔(yi)十分(fen)相似。錒(a)(a)的氟化(hua)物(wu)、氫氧化(hua)物(wu)、碳酸鹽(yan)、磷(lin)酸鹽(yan)和草酸鹽(yan)不溶于(yu)水。示蹤量(liang)的錒(a)(a)常用氟化(hua)鑭(lan)或(huo)草酸鑭(lan)共沉淀載帶。用離子交換色(se)層分(fen)離(見稀土元素色(se)層分(fen)離)或(huo)溶劑萃取(qu)法可(ke)使(shi)鑭(lan)系元素與(yu)錒(a)(a)分(fen)離。
由于(yu)鈾(you)礦石中含有(you)稀土元素,因此(ci),從鈾(you)礦石提取只能得(de)到錒的(de)濃縮(suo)物。在反應堆中用熱中子輻照鐳(lei)-226靶,由核反應可制得(de)高純(chun)度的(de)227Ac。用稀硝酸將輻照過的(de)鐳(lei)靶溶解(jie),加入(ru)濃硝酸使(shi)鐳(lei)沉淀(dian)(dian)。過濾(lv),濾(lv)液通過陰離(li)子交換樹(shu)脂柱,使(shi)Ac與(yu)釷-228分(fen)離(li)。再用草(cao)酸鹽(yan)沉淀(dian)(dian)法提純(chun)錒,于(yu)973K溫度下灼燒(shao)得(de)到Ac2O3。比利時于(yu)20世(shi)紀(ji)70年代(dai)用這種(zhong)方法,生產了(le)約20g錒-227。
錒(a)227的半衰期為(wei)21.77年。它于1899年首先被法國科學家(jia)安德烈(lie)-德拜耳(er)尼(André-Debierne)發(fa)(fa)現,隨后在(zai)(zai)1902年德國化學家(jia)弗雷德里奇-奧托(tuo)-吉(ji)賽爾(Friedrich-Otto-Giesel)也獨立地發(fa)(fa)現了該元素。存在(zai)(zai)于瀝(li)青鈾(you)礦及其它含鈾(you)礦物中。人(ren)工制備錒(a)的數量極少,其在(zai)(zai)商業和科學研究方面(mian)極為(wei)有限。其名(ming)字來(lai)自于希臘文“aktinos”,意為(wei)“射(she)線”或“光束”。
1789年(nian)(nian)克拉普(pu)羅特(te)(M.H.Klaproth)從瀝青鈾(you)礦中(zhong)發現(xian)(xian)(xian)鈾(you),是(shi)錒(a)(a)系(xi)(xi)中(zhong)第一個被發現(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)元(yuan)素(su)。1828年(nian)(nian)貝采利烏斯(J.J.Berzelius)發現(xian)(xian)(xian)釷(tu)。鈾(you)和(he)釷(tu)的(de)(de)(de)發現(xian)(xian)(xian)為大部分其他錒(a)(a)系(xi)(xi)元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)制取開辟了道路。1899年(nian)(nian)在居(ju)里(li)實(shi)驗室工(gong)作的(de)(de)(de)德比(bi)爾納(A.L.Debierne)發現(xian)(xian)(xian)錒(a)(a),1902年(nian)(nian)蓋瑟(se)爾(F.Geisel)也獨立發現(xian)(xian)(xian)了錒(a)(a)。1913年(nian)(nian)法揚斯(K.Fajans)和(he)格(ge)林(O.G?hring)發現(xian)(xian)(xian)了鏷的(de)(de)(de)同位素(su)234Pa,1917年(nian)(nian)哈恩(O.Hahn)和(he)梅特(te)勒(le)(L.Meitner)發現(xian)(xian)(xian)了231Pa。1940年(nian)(nian)麥(mai)克米倫(lun)(E.M.McMillan)和(he)艾貝爾森(P.H.Abelson)用(yong)(yong)中(zhong)子(zi)(zi)輻(fu)照天然鈾(you)得(de)到镎。同年(nian)(nian),西博格(ge)(G.T.Seaborg)等用(yong)(yong)氘核轟擊鈾(you)得(de)到钚(bu)。1944年(nian)(nian)他又利用(yong)(yong)钚(bu)同位素(su)的(de)(de)(de)中(zhong)子(zi)(zi)俘獲(huo)反應獲(huo)得(de)镅,用(yong)(yong)氦離子(zi)(zi)轟擊钚(bu)同位素(su)獲(huo)得(de)鋦,1949年(nian)(nian)湯普(pu)森(S.G.Thompson)等人用(yong)(yong)氦離子(zi)(zi)轟擊241Am獲(huo)得(de)锫(pei),1950年(nian)(nian)用(yong)(yong)氦離子(zi)(zi)轟擊242Cm獲(huo)得(de)锎(kai)。吉奧(ao)索(A.Ghiorso)等人又于1952年(nian)(nian)、1953年(nian)(nian)、1955年(nian)(nian)、1958年(nian)(nian)、1961年(nian)(nian)分別獲(huo)得(de)锿、鐨、鍆、锘(nuo)和(he)鐒。
當前世界錒(a)系(xi)各種(zhong)元(yuan)(yuan)素(su)的生(sheng)產(chan)規模相差很大;鈾的年產(chan)量以萬噸計(ji),釷以千噸計(ji),钚(bu)以噸計(ji),镎、鏷、镅以公斤計(ji),錒(a)、鏷、鋦、锎(kai)以克(ke)計(ji),锎(kai)外錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)素(su)以毫克(ke)甚至以原子(zi)數計(ji)。中(zhong)國已制得所有的錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)素(su)。
錒(a)系元素(su)主(zhu)要(yao)用作(zuo)核反應堆的原料(liao),便攜式的γ或X射線(xian)源;鈾和钚等是制造核武器(qi)的主(zhu)要(yao)原料(liao)。
錒(a)在空氣中放置緩慢變成Ac2O3(三氧(yang)化(hua)二錒(a));錒(a)具有較(jiao)強的(de)堿性。錒(a)的(de)常見氧(yang)化(hua)態為+Ⅱ和+Ⅲ。
錒系(xi)(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su):周期系(xi)(xi)ⅢB族中(zhong)(zhong)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)序數為(wei)89~103的(de)(de)15種(zhong)化學元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)統(tong)稱。包括(kuo)錒(Ac)、釷(tu)(Th)、鏷(pu)(pu)(Pa)、鈾(you)(U)、镎(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、鋦(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、鐨(Fm)、鍆(Md)、锘(No)、鐒(lao)(Lr),它們都(dou)是放射性元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)。鈾(you)以后(hou)的(de)(de)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)序數為(wei)93~109的(de)(de)17種(zhong)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)稱為(wei)超鈾(you)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)。前四種(zhong)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)錒、釷(tu)、鏷(pu)(pu)、鈾(you)存(cun)(cun)在于自然界中(zhong)(zhong),其余11種(zhong)全部(bu)用人工核反應合成(cheng)。錒系(xi)(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)結構的(de)(de)特點是:錒以后(hou)的(de)(de)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)依次填充5f內電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)層,它們的(de)(de)最外層的(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)構型基(ji)本相同,使錒系(xi)(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)之間的(de)(de)性質非常相似,與鑭系(xi)(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)一樣,錒系(xi)(xi)元(yuan)(yuan)(yuan)素(su)中(zhong)(zhong)也存(cun)(cun)在著離子(zi)(zi)(zi)(zi)半(ban)徑收縮現象。
錒(a)系(xi)(xi)元素都是金屬,與鑭系(xi)(xi)元素一樣,化(hua)學性質比較(jiao)活潑。它(ta)們的(de)氯化(hua)物(wu)、硫酸鹽(yan)(yan)、硝酸鹽(yan)(yan)、高氯酸鹽(yan)(yan)可溶于(yu)水,氫氧化(hua)物(wu)、氟(fu)化(hua)物(wu)、硫酸鹽(yan)(yan)、草酸鹽(yan)(yan)不(bu)溶于(yu)水。大多數(shu)錒(a)系(xi)(xi)元素能形(xing)成配位化(hua)合物(wu)。α衰(shuai)(shuai)變(bian)和自發裂變(bian)是錒(a)系(xi)(xi)元素的(de)重要核特性,隨著原子序數(shu)的(de)增(zeng)大,半(ban)衰(shuai)(shuai)期(qi)依次縮短,鈾238的(de)半(ban)衰(shuai)(shuai)期(qi)為4.468×10?年;鐒(lao)260的(de)半(ban)衰(shuai)(shuai)期(qi)只有3分鐘。錒(a)系(xi)(xi)元素的(de)毒性和輻射(特別(bie)是吸入人體內的(de)α輻射體)的(de)危害較(jiao)大,必須(xu)在有防護措(cuo)施的(de)密閉工作(zuo)箱中操(cao)作(zuo)這些物(wu)質。
在人工合成的(de)錒系元(yuan)素中,只(zhi)有钚、镎、镅、鋦的(de)年產量(liang)(liang)達千克級(ji)以上,锎僅為克量(liang)(liang)級(ji),锿以后的(de)元(yuan)素量(liang)(liang)極少,半衰(shuai)期很(hen)短,僅用于研究。用途比較多的(de)只(zhi)限于鈾和釷,钚在某些情況下用作核燃料(liao)。
已(yi)知的(de)(de)錒(a)(a)(a)(a)(a)化(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物十分少,主要有三(san)氟化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(a)(a)(Ac F3)、三(san)氯化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(a)(a)(Ac Cl3)、三(san)溴化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(a)(a)(Ac Br3)、氟氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(a)(a)(Ac OF)、氯氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(a)(a)(Ac OCl)、溴氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(a)(a)(Ac OBr)、三(san)硫化(hua)(hua)(hua)(hua)二錒(a)(a)(a)(a)(a)(Ac2S3)、氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)錒(a)(a)(a)(a)(a)(Ac2O3)和磷酸錒(a)(a)(a)(a)(a)(Ac PO4)等。除Ac PO4以外,這些化(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物中Ac都以+3氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)態(tai)存在(zai),且都有相對應的(de)(de)鑭化(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物。對應的(de)(de)鑭和錒(a)(a)(a)(a)(a)化(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)物在(zai)晶(jing)格常數上的(de)(de)差異不(bu)超過百分之十。
錒(a)為銀(yin)白色金屬(shu),能(neng)在暗(an)處(chu)發(fa)光;熔(rong)點1050℃沸(fei)點3200℃密度(du)10.07克/厘(li)米3,面心立方晶格。錒(a)化學性(xing)(xing)質活潑,與鑭和釔十分(fen)相(xiang)似,可(ke)直接(jie)與多(duo)種非金屬(shu)元素直接(jie)反應;錒(a)有(you)較強的(de)堿性(xing)(xing)。錒(a)的(de)剪切模量(liang)估計與鉛的(de)相(xiang)近。錒(a)的(de)放(fang)(fang)射(she)性(xing)(xing)很強,它放(fang)(fang)射(she)出(chu)的(de)高(gao)能(neng)粒子足以(yi)將周圍的(de)空氣(qi)電解,從(cong)而發(fa)出(chu)暗(an)藍色的(de)光錒(a)主要用(yong)做航天(tian)器中的(de)熱源。錒(a)系元素都有(you)放(fang)(fang)射(she)性(xing)(xing)。
原子量 227.0278 原子量單(dan)位
原(yuan)子半徑(計(ji)算(suan)值) 195(無數據)pm
共價半徑 無數據
范(fan)德華半徑 無數據
價電子排布 [氡(dong)]6d17s2
電子(zi)在每能級的排(pai)布 2,8,18,32,18,9,2
氧(yang)化價(氧(yang)化物(wu)) 3(兩性的)
晶體(ti)結構 面心立方
物質狀態 固(gu)態、放射性
熔(rong)點 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 12 W/(m·K)
第一電離(li)能(neng) 499 kJ/mol
第二(er)電(dian)離能(neng) 1170 kJ/mol
在自然(ran)界,錒存(cun)(cun)在于(yu)鈾(you)礦石中,由鈾(you)衰變而來(lai),三個天然(ran)放射系(xi)中有(you)錒的(de)兩個同(tong)位素(su)227Ac及228Ac,分(fen)別存(cun)(cun)在于(yu)錒系(xi)及釷(tu)系(xi)中,是錒所(suo)有(you)同(tong)位素(su)中唯一的(de)兩個天然(ran)放射性核素(su),如圖《錒系(xi)衰變鏈》所(suo)示。
在提取(qu)高(gao)放(fang)射純度227Ac的(de)過程(cheng)(cheng)中,如果所用鈾礦石含有釷也即含有228Ac,由(you)于228Ac的(de)半衰(shuai)期僅為6.15h,極易轉變成(cheng)228Th(Th228T?=1.9131a),在除(chu)去Th的(de)時(shi)候,一定程(cheng)(cheng)度上可以認為228Ac也被(bei)除(chu)去,即使還有少量228Ac存在,經過不長(chang)的(de)時(shi)間后,也會衰(shuai)變完,并不會對(dui)227Ac的(de)放(fang)射性純度造(zao)成(cheng)太大的(de)影響(xiang),也不會造(zao)成(cheng)228Ac的(de)濃集,因(yin)而造(zao)成(cheng)220Rn對(dui)219Rn射氣純度的(de)影響(xiang)。
錒(a)(a)系(xi)元素的(de)(de)用途(tu)越來越廣,鈾(you)(you)-233、鈾(you)(you)-235和钚(bu)-239是(shi)核(he)反(fan)應(ying)堆和核(he)電(dian)站用的(de)(de)燃料,錒(a)(a)—227、鋦—244和钚(bu)—238等則用作宇(yu)航飛行器的(de)(de)熱(re)源。雖然錒(a)(a)天然存在于鈾(you)(you)礦里,但(dan)含量極低。當人(ren)們真正需要一些錒(a)(a)的(de)(de)時候,可以(yi)用以(yi)下方法來生(sheng)產:在核(he)反(fan)應(ying)堆中(zhong)用中(zhong)子轟擊(ji)鐳-225,將它(ta)轉化為鐳-227,后者會以(yi)42分(fen)鐘的(de)(de)半衰期衰變為錒(a)(a)的(de)(de)長壽(shou)命同位(wei)素錒(a)(a)-227。