錒(a)(Actinium),一種天然放射性元素,化(hua)學符號(hao)Ac,原(yuan)子序數(shu)89,原(yuan)子相對質量227.0278,屬錒(a)系元素,為(wei)銀白色金屬。其(qi)英(ying)文名來(lai)源于希臘(la)文aktis(射線)。1899年法(fa)國的A.一L.德比埃爾內從(cong)鈾礦渣(zha)中分離出錒(a)。
已發現質量(liang)數209-232的(de)全部(bu)錒同(tong)(tong)位素(su),除錒227和錒228是天然放(fang)射(she)性(xing)同(tong)(tong)位素(su)外,其余都(dou)是通(tong)過人工核反應(ying)合成的(de)。錒-227是錒-鈾放(fang)射(she)性(xing)衰變系的(de)衰變產物,在鈾礦中(zhong)賦(fu)存量(liang)為(wei)每噸鈾約(yue)0.2毫(hao)克(ke)。
錒(a)(a)為(wei)銀白(bai)色金屬,熔點1320K±50K,沸點3470K±300K,密(mi)度(293K)10062kg/m3。金屬錒(a)(a)具有面(mian)心立方晶格。錒(a)(a)原(yuan)子的(de)外電子層(ceng)(ceng)(ceng)構型為(wei)(Rn)6d7s。錒(a)(a)的(de)氧化(hua)(hua)(hua)態(tai)為(wei)+3。它的(de)化(hua)(hua)(hua)學性質與鑭(lan)(lan)和釔十分相似。錒(a)(a)的(de)氟化(hua)(hua)(hua)物(wu)、氫(qing)氧化(hua)(hua)(hua)物(wu)、碳酸鹽(yan)(yan)、磷(lin)酸鹽(yan)(yan)和草酸鹽(yan)(yan)不溶(rong)于水(shui)。示蹤量的(de)錒(a)(a)常用氟化(hua)(hua)(hua)鑭(lan)(lan)或草酸鑭(lan)(lan)共(gong)沉(chen)淀載帶。用離(li)(li)子交換色層(ceng)(ceng)(ceng)分離(li)(li)(見稀土元素色層(ceng)(ceng)(ceng)分離(li)(li))或溶(rong)劑萃(cui)取(qu)法可使鑭(lan)(lan)系(xi)元素與錒(a)(a)分離(li)(li)。
由于(yu)(yu)鈾礦石中(zhong)(zhong)含有稀土元素,因(yin)此,從(cong)鈾礦石提取只能得(de)到錒的濃縮(suo)物(wu)。在(zai)反(fan)(fan)應堆中(zhong)(zhong)用(yong)熱中(zhong)(zhong)子輻照(zhao)鐳-226靶,由核反(fan)(fan)應可制(zhi)得(de)高純度(du)的227Ac。用(yong)稀硝酸(suan)將輻照(zhao)過的鐳靶溶解,加入濃硝酸(suan)使鐳沉淀。過濾(lv),濾(lv)液通(tong)過陰離(li)子交換樹脂柱(zhu),使Ac與釷-228分離(li)。再用(yong)草酸(suan)鹽沉淀法提純錒,于(yu)(yu)973K溫度(du)下灼燒得(de)到Ac2O3。比利時于(yu)(yu)20世紀70年代用(yong)這種方(fang)法,生(sheng)產了約20g錒-227。
錒227的半衰期(qi)為(wei)21.77年。它(ta)于1899年首先被法國(guo)科學家安德烈-德拜耳(er)尼(André-Debierne)發現(xian),隨后在1902年德國(guo)化(hua)學家弗雷德里(li)奇-奧托-吉賽爾(er)(Friedrich-Otto-Giesel)也獨立地發現(xian)了(le)該(gai)元(yuan)素。存在于瀝青鈾礦及(ji)其它(ta)含鈾礦物中。人工制備錒的數(shu)量極少,其在商業和科學研究方(fang)面極為(wei)有限。其名字(zi)來自于希(xi)臘文“aktinos”,意為(wei)“射線”或(huo)“光(guang)束”。
1789年(nian)(nian)克拉普(pu)羅(luo)特(M.H.Klaproth)從瀝青鈾(you)(you)礦中(zhong)發(fa)現(xian)鈾(you)(you),是錒(a)(a)系(xi)中(zhong)第(di)一個被(bei)發(fa)現(xian)的(de)(de)元(yuan)素(su)(su)。1828年(nian)(nian)貝采(cai)利烏斯(J.J.Berzelius)發(fa)現(xian)釷。鈾(you)(you)和(he)釷的(de)(de)發(fa)現(xian)為大(da)部分(fen)其他錒(a)(a)系(xi)元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)制取開辟了道路(lu)。1899年(nian)(nian)在居里實驗室工作的(de)(de)德比爾納(A.L.Debierne)發(fa)現(xian)錒(a)(a),1902年(nian)(nian)蓋(gai)瑟爾(F.Geisel)也(ye)獨立發(fa)現(xian)了錒(a)(a)。1913年(nian)(nian)法揚斯(K.Fajans)和(he)格(ge)林(lin)(O.G?hring)發(fa)現(xian)了鏷的(de)(de)同位(wei)素(su)(su)234Pa,1917年(nian)(nian)哈恩(O.Hahn)和(he)梅特勒(L.Meitner)發(fa)現(xian)了231Pa。1940年(nian)(nian)麥克米倫(E.M.McMillan)和(he)艾(ai)貝爾森(sen)(P.H.Abelson)用中(zhong)子(zi)輻照天(tian)然鈾(you)(you)得(de)到(dao)镎。同年(nian)(nian),西博格(ge)(G.T.Seaborg)等(deng)用氘核轟擊(ji)鈾(you)(you)得(de)到(dao)钚。1944年(nian)(nian)他又利用钚同位(wei)素(su)(su)的(de)(de)中(zhong)子(zi)俘(fu)獲反(fan)應獲得(de)镅,用氦(hai)離(li)子(zi)轟擊(ji)钚同位(wei)素(su)(su)獲得(de)鋦(ju),1949年(nian)(nian)湯普(pu)森(sen)(S.G.Thompson)等(deng)人用氦(hai)離(li)子(zi)轟擊(ji)241Am獲得(de)锫,1950年(nian)(nian)用氦(hai)離(li)子(zi)轟擊(ji)242Cm獲得(de)锎。吉奧索(A.Ghiorso)等(deng)人又于1952年(nian)(nian)、1953年(nian)(nian)、1955年(nian)(nian)、1958年(nian)(nian)、1961年(nian)(nian)分(fen)別獲得(de)锿、鐨、鍆、锘和(he)鐒。
當前世界錒系(xi)各種元(yuan)素的生產規模相差很大;鈾的年產量以(yi)萬噸計(ji)(ji)(ji),釷以(yi)千(qian)噸計(ji)(ji)(ji),钚以(yi)噸計(ji)(ji)(ji),镎、鏷(pu)、镅以(yi)公斤計(ji)(ji)(ji),錒、鏷(pu)、鋦、锎以(yi)克計(ji)(ji)(ji),锎外(wai)錒系(xi)元(yuan)素以(yi)毫克甚至以(yi)原子數計(ji)(ji)(ji)。中國(guo)已制得所有的錒系(xi)元(yuan)素。
錒系元素(su)主要用(yong)作核反應堆的原(yuan)料(liao),便(bian)攜式的γ或X射線源(yuan);鈾和钚等(deng)是制造核武器的主要原(yuan)料(liao)。
錒(a)在(zai)空(kong)氣中放置(zhi)緩慢(man)變成Ac2O3(三氧化二錒(a));錒(a)具有較強的堿性。錒(a)的常見氧化態為+Ⅱ和(he)+Ⅲ。
錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)素(su):周期系(xi)ⅢB族中(zhong)原(yuan)子(zi)序數(shu)為(wei)(wei)89~103的(de)(de)(de)15種(zhong)(zhong)化學(xue)元(yuan)(yuan)素(su)的(de)(de)(de)統(tong)稱(cheng)。包括錒(a)(Ac)、釷(tu)(Th)、鏷(Pa)、鈾(U)、镎(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、鋦(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、鐨(Fm)、鍆(Md)、锘(nuo)(No)、鐒(lao)(Lr),它們都是放射(she)性(xing)元(yuan)(yuan)素(su)。鈾以后(hou)的(de)(de)(de)原(yuan)子(zi)序數(shu)為(wei)(wei)93~109的(de)(de)(de)17種(zhong)(zhong)元(yuan)(yuan)素(su)稱(cheng)為(wei)(wei)超鈾元(yuan)(yuan)素(su)。前四種(zhong)(zhong)元(yuan)(yuan)素(su)錒(a)、釷(tu)、鏷、鈾存在于自然界中(zhong),其余11種(zhong)(zhong)全部用(yong)人工核反(fan)應(ying)合成(cheng)。錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)素(su)原(yuan)子(zi)結構的(de)(de)(de)特點是:錒(a)以后(hou)的(de)(de)(de)元(yuan)(yuan)素(su)電子(zi)依次填(tian)充(chong)5f內(nei)電子(zi)層,它們的(de)(de)(de)最外層的(de)(de)(de)電子(zi)構型基(ji)本相同,使錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)素(su)之間的(de)(de)(de)性(xing)質非常相似,與(yu)鑭系(xi)元(yuan)(yuan)素(su)一樣,錒(a)系(xi)元(yuan)(yuan)素(su)中(zhong)也存在著離子(zi)半徑(jing)收縮現象。
錒(a)系元(yuan)(yuan)素都是(shi)金屬(shu),與(yu)鑭(lan)系元(yuan)(yuan)素一樣,化(hua)(hua)學性(xing)質(zhi)(zhi)比(bi)較活潑。它們的(de)(de)(de)氯化(hua)(hua)物(wu)、硫酸鹽(yan)、硝酸鹽(yan)、高氯酸鹽(yan)可溶于水(shui),氫氧化(hua)(hua)物(wu)、氟化(hua)(hua)物(wu)、硫酸鹽(yan)、草酸鹽(yan)不溶于水(shui)。大多數(shu)錒(a)系元(yuan)(yuan)素能形成配(pei)位化(hua)(hua)合物(wu)。α衰變(bian)和自(zi)發裂變(bian)是(shi)錒(a)系元(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)重要(yao)核特性(xing),隨著(zhu)原(yuan)子序數(shu)的(de)(de)(de)增大,半(ban)衰期(qi)依次(ci)縮短,鈾238的(de)(de)(de)半(ban)衰期(qi)為4.468×10?年;鐒260的(de)(de)(de)半(ban)衰期(qi)只有3分鐘。錒(a)系元(yuan)(yuan)素的(de)(de)(de)毒性(xing)和輻(fu)(fu)射(特別是(shi)吸(xi)入人體內的(de)(de)(de)α輻(fu)(fu)射體)的(de)(de)(de)危(wei)害較大,必須在有防護措施的(de)(de)(de)密閉工作箱中(zhong)操作這些物(wu)質(zhi)(zhi)。
在人工合(he)成(cheng)的(de)(de)錒系元素中,只有钚、镎(na)、镅(mei)、鋦的(de)(de)年產量(liang)達千克級以上,锎僅為(wei)克量(liang)級,锿以后的(de)(de)元素量(liang)極(ji)少,半衰期(qi)很短,僅用(yong)(yong)于(yu)研究。用(yong)(yong)途比較多的(de)(de)只限于(yu)鈾(you)和釷(tu),钚在某些情況下(xia)用(yong)(yong)作核燃(ran)料。
已知的(de)錒(a)化(hua)合(he)物十(shi)分(fen)少,主要有(you)三氟化(hua)錒(a)(Ac F3)、三氯(lv)化(hua)錒(a)(Ac Cl3)、三溴(xiu)化(hua)錒(a)(Ac Br3)、氟氧(yang)化(hua)錒(a)(Ac OF)、氯(lv)氧(yang)化(hua)錒(a)(Ac OCl)、溴(xiu)氧(yang)化(hua)錒(a)(Ac OBr)、三硫(liu)化(hua)二錒(a)(Ac2S3)、氧(yang)化(hua)錒(a)(Ac2O3)和磷酸錒(a)(Ac PO4)等。除Ac PO4以外,這(zhe)些(xie)化(hua)合(he)物中Ac都以+3氧(yang)化(hua)態存在(zai),且都有(you)相對應的(de)鑭化(hua)合(he)物。對應的(de)鑭和錒(a)化(hua)合(he)物在(zai)晶格(ge)常(chang)數(shu)上的(de)差異(yi)不超過百分(fen)之十(shi)。
錒(a)(a)(a)為銀白色金(jin)屬,能(neng)在暗(an)處發光;熔點1050℃沸點3200℃密度10.07克(ke)/厘米3,面心立方晶格。錒(a)(a)(a)化學性質活潑,與鑭和釔(yi)十(shi)分相似,可直(zhi)接與多種(zhong)非金(jin)屬元(yuan)素直(zhi)接反(fan)應(ying);錒(a)(a)(a)有較強(qiang)的(de)(de)堿性。錒(a)(a)(a)的(de)(de)剪切模量估(gu)計與鉛的(de)(de)相近。錒(a)(a)(a)的(de)(de)放(fang)射(she)(she)性很強(qiang),它放(fang)射(she)(she)出的(de)(de)高能(neng)粒子足以將周圍的(de)(de)空氣電解,從(cong)而(er)發出暗(an)藍(lan)色的(de)(de)光錒(a)(a)(a)主要用做航天器中的(de)(de)熱源。錒(a)(a)(a)系元(yuan)素都(dou)有放(fang)射(she)(she)性。
原(yuan)(yuan)子量(liang) 227.0278 原(yuan)(yuan)子量(liang)單位
原子半徑(jing)(計算值(zhi)) 195(無數據)pm
共價半徑 無數據
范德華半(ban)徑 無數據
價電子排(pai)布 [氡]6d17s2
電子在(zai)每能(neng)級的排布 2,8,18,32,18,9,2
氧化價(氧化物) 3(兩(liang)性的)
晶體結(jie)構 面心立方(fang)
物質狀態 固態、放射(she)性
熔(rong)點 1323 K(1050 °C)
沸(fei)點 3473 K (3200 °C)
摩爾體積(ji) 22.55×10-6m3/mol
汽化熱 無數據
熔(rong)化(hua)熱(re) 62 kJ/mol
蒸氣壓 無數據
聲速 無數據
電(dian)負(fu)性(xing) 1.1(鮑林標度)
比熱 無數據
電導率 無數據
熱導(dao)率 12 W/(m·K)
第一電離能 499 kJ/mol
第二電(dian)離能 1170 kJ/mol
在(zai)自(zi)然界(jie),錒(a)(a)存(cun)在(zai)于(yu)鈾礦石(shi)中,由鈾衰(shuai)變而來(lai),三(san)個(ge)天(tian)然放射系中有(you)錒(a)(a)的(de)兩個(ge)同位素227Ac及(ji)228Ac,分(fen)別存(cun)在(zai)于(yu)錒(a)(a)系及(ji)釷系中,是錒(a)(a)所(suo)有(you)同位素中唯一(yi)的(de)兩個(ge)天(tian)然放射性核素,如(ru)圖《錒(a)(a)系衰(shuai)變鏈》所(suo)示(shi)。
在(zai)提取(qu)高(gao)放射(she)純度(du)227Ac的(de)(de)過(guo)程(cheng)中(zhong),如果所(suo)用鈾礦(kuang)石含有釷也(ye)(ye)即含有228Ac,由于228Ac的(de)(de)半(ban)衰(shuai)期僅為6.15h,極易轉變成(cheng)(cheng)228Th(Th228T?=1.9131a),在(zai)除去Th的(de)(de)時候,一定程(cheng)度(du)上(shang)可以認(ren)為228Ac也(ye)(ye)被除去,即使(shi)還有少量228Ac存在(zai),經(jing)過(guo)不長的(de)(de)時間后,也(ye)(ye)會(hui)衰(shuai)變完,并(bing)不會(hui)對(dui)227Ac的(de)(de)放射(she)性純度(du)造(zao)成(cheng)(cheng)太大的(de)(de)影響,也(ye)(ye)不會(hui)造(zao)成(cheng)(cheng)228Ac的(de)(de)濃集,因而造(zao)成(cheng)(cheng)220Rn對(dui)219Rn射(she)氣純度(du)的(de)(de)影響。
錒系元(yuan)素的(de)用(yong)途越來(lai)越廣(guang),鈾-233、鈾-235和(he)钚-239是核(he)反應堆(dui)和(he)核(he)電站用(yong)的(de)燃料,錒—227、鋦—244和(he)钚—238等(deng)則用(yong)作宇航飛行器的(de)熱源。雖然(ran)錒天然(ran)存在(zai)于(yu)鈾礦里,但含量極(ji)低。當人們真正(zheng)需要一些(xie)錒的(de)時(shi)候(hou),可(ke)以用(yong)以下方法(fa)來(lai)生(sheng)產:在(zai)核(he)反應堆(dui)中用(yong)中子轟擊(ji)鐳-225,將它轉化為(wei)鐳-227,后(hou)者會以42分鐘(zhong)的(de)半(ban)衰(shuai)期衰(shuai)變(bian)為(wei)錒的(de)長(chang)壽命同位素錒-227。