錒(一种放射性金屬)

一种放射性金屬。元素符號Ac，原子序數89，元素的相對原子質量227.0278，屬錒系元素。

已發現錒有質量數從209到233的25種同位素。除227Ac和228Ac是天然放射性元素外，其餘都是通過人工核反應合成的。227Ac是最重要的錒同位素。

基本介紹

• 中文名：錒（a一聲）
• 外文名：Actinium
• 熔點：1050℃
• 沸點：3200℃
• 密度：10.07克/厘米3
• 原子半徑：187.8pm
• 周期：7
• 序號：89
• 原子質量：227.0278原子量單位
• 族：IIIB
• 元素分區：f

簡介

錒為銀白色金屬，熔點1320K±50K，沸點3470K±300K，密度(293K)10062kg/m。金屬錒具有面心立方晶格。錒原子的外電子層構型為(Rn)6d7s。錒的氧化態為+3。它的化學性質與鑭和釔十分相似。錒的氟化物、氫氧化物、碳酸鹽、磷酸鹽和草酸鹽不溶於水。示蹤量的錒常用氟化鑭或草酸鑭共沉澱載帶。用離子交換色層分離(見稀土元素色層分離)或溶劑萃取法可使鑭系元素與錒分離。

由於鈾礦石中含有稀土元素，因此，從鈾礦石提取只能得到錒的濃縮物。在反應堆中用熱中子輻照鐳-226靶，由核反應可製得高純度的227Ac。用稀硝酸將輻照過的鐳靶溶解，加入濃硝酸使鐳沉澱。過濾，濾液通過陰離子交換樹脂柱，使Ac與釷-228分離。再用草酸鹽沉澱法提純錒，於973K溫度下灼燒得到Ac₂O3。比利時於20世紀70年代用這種方法，生產了約20g錒-227。

歷史

錒 227的半衰期為21.77 年。它於1899年首先被法國科學家安德烈-德拜耳尼（André -Debierne）發現，隨後在1902年德國化學家弗雷德里奇-奧托-吉賽爾（Friedrich-Otto-Giesel）也獨立地發現了該元素。存在於瀝青鈾礦及其它含鈾礦物中。人工製備錒的數量極少，其在商業和科學研究方面極為有限。其名字來自於希臘文“aktinos”，意為“射線”或“光束”。

1789年克拉普羅特(M.H.Klaproth)從瀝青鈾礦中發現鈾，是錒系中第一個被發現的元素。1828年貝采利烏斯(J.J.Berzelius)發現釷。鈾和釷的發現為大部分其他錒系元素的製取開闢了道路。1899年在居里實驗室工作的德比爾納（A.L.Debierne）發現錒,1902年蓋瑟爾(F.Geisel)也獨立發現了錒。1913年法揚斯 (K.Fajans)和格林（O.G?hring）發現了鏷的同位素234Pa,1917年哈恩(O.Hahn)和梅特勒(L.Meitner)發現了231Pa。1940年麥克米倫(E.M.McMillan)和艾貝爾森(P.H.Abelson)用中子輻照天然鈾得到鎿。同年,西博格(G.T.Seaborg)等用氘核轟擊鈾得到鈽。1944年他又利用鈽同位素的中子俘獲反應獲得鎇,用氦離子轟擊鈽同位素獲得鋦,1949年湯普森(S.G.Thompson)等人用氦離子轟擊241Am獲得錇,1950年用氦離子轟擊242Cm獲得鐦。吉奧索(A.Ghiorso)等人又於1952年、1953年、1955年、1958年、1961年分別獲得鑀、鐨、鍆、鍩和鐒。

當前世界錒系各種元素的生產規模相差很大；鈾的年產量以萬噸計，釷以千噸計，鈽以噸計，鎿、鏷、鎇以公斤計，錒、鏷、鋦、鐦以克計，鐦外錒系元素以毫克甚至以原子數計。中國已製得所有的錒系元素。

錒系元素主要用作核反應堆的原料，攜帶型的γ或X射線源；鈾和鈽等是製造核武器的主要原料。

化學性質

錒在空氣中放置緩慢變成Ac2O3（三氧化二錒）；錒具有較強的鹼性。錒的常見氧化態為+Ⅱ和+Ⅲ。

Ac的化學方程式

錒系元素：周期系ⅢB族中原子序數為89 ～103 的 15種化學元素的統稱。包括錒(Ac)、釷(Th)、鏷(Pa)、鈾(U)、鎿(Np)、鈽(Pu)、鎇(Am)、鋦(Cm)、錇(Bk)、鐦(Cf)、鑀(Es)、鐨(Fm)、鍆(Md)、鍩(No)、鐒(Lr)，它們都是放射性元素 。鈾以後的原子序數為93～109的17 種元素稱為超鈾元素 。前四種元素錒、釷 、鏷、鈾存在於自然界中 ，其餘11種全部用人工核反應合成 。錒系元素原子結構的特點是：錒以後的元素電子依次填充5f內電子層，它們的最外層的電子構型基本相同，使錒系元素之間的性質非常相似，與鑭系元素一樣，錒系元素中也存在著離子半徑收縮現象。

錒系元素都是金屬，與鑭系元素一樣，化學性質比較活潑。它們的氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、高氯酸鹽可溶於水 ，氫氧化物、氟化物、硫酸鹽、草酸鹽不溶於水。大多數錒系元素能形成配位化合物 。α 衰變和自發裂變是錒系元素的重要核特性，隨著原子序數的增大 ，半衰期依次縮短 ，鈾238的半衰期為4.468×109年；鐒260的半衰期只有3分鐘。錒系元素的毒性和輻射（ 特別是吸入人體內的α輻射體 ）的危害較大，必須在有防護措施的密閉工作箱中操作這些物質。

在人工合成的錒系元素中，只有鈽、鎿、鎇、鋦的年產量達千克級以上，鐦僅為克量級，鑀以後的元素量極少，半衰期很短，僅用於研究。用途比較多的只限於鈾和釷，鈽在某些情況下用作核燃料。

已知的錒化合物十分少，主要有三氟化錒（Ac F3）、三氯化錒（Ac Cl3）、三溴化錒（Ac Br3）、氟氧化錒（Ac OF）、氯氧化錒（Ac OCl）、溴氧化錒（Ac OBr）、三硫化二錒（Ac2S3）、氧化錒（Ac2O3）和磷酸錒（Ac PO4）等。除Ac PO4以外，這些化合物中Ac都以+3氧化態存在，且都有相對應的鑭化合物。對應的鑭和錒化合物在晶格常數上的差異不超過百分之十。

物理性質

錒為銀白色金屬，能在暗處發光；熔點1050℃沸點3200℃密度10.07克/厘米3，面心立方晶格。錒化學性質活潑，與鑭和釔十分相似，可直接與多種非金屬元素直接反應；錒有較強的鹼性。錒的剪下模量估計與鉛的相近。錒的放射性很強，它放射出的高能粒子足以將周圍的空氣電解，從而發出暗藍色的光錒主要用做太空飛行器中的熱源。錒系元素都有放射性。

原子屬性

原子量 227.0278 原子量單位

原子半徑（計算值） 195（無數據）pm

共價半徑 無數據

范德華半徑 無數據

價電子排布 [氡]6d17s2

電子在每能級的排布 2，8，18，32，18，9，2

氧化價（氧化物） 3（兩性的）

晶體結構 面心立方

物理屬性

物質狀態 固態、放射性

熔點 1323 K（1050 °C）

沸點 3473 K （3200 °C）

摩爾體積 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

其他性質

電負性 1.1（鮑林標度）

比熱 無數據

電導率 無數據

熱導率 12 W/(m·K)

第一電離能 499 kJ/mol

第二電離能 1170 kJ/mol

錒元素的天然存在

在自然界，錒存在於鈾礦石中，由鈾衰變而來，三個天然放射系中有錒的兩個同位素227Ac及228Ac，分別存在於錒系及釷系中，是錒所有同位素中唯一的兩個天然放射性核素，如下圖所示。

在提取高放射純度227Ac的過程中，如果所用鈾礦石含有釷也即含有228Ac，由於228Ac的半衰期僅為6.15h，極易轉變成228Th（Th228T−=1.9131a），在除去Th的時候，一定程度上可以認為228Ac也被除去，即使還有少量228Ac存在，經過不長的時間後，也會衰變完，並不會對227Ac的放射性純度造成太大的影響，也不會造成228Ac的濃集，因而造成220Rn對219Rn射氣純度的影響。

用途

錒系元素的用途越來越廣，鈾-233、鈾-235和鈽-239是核反應堆和核電站用的燃料，錒—227、鋦—244和鈽—238等則用作宇航飛行器的熱源。雖然錒天然存在於鈾礦里，但含量極低。當人們真正需要一些錒的時候，可以用以下方法來生產：在核反應堆中用中子轟擊鐳-225，將它轉化為鐳-227，後者會以42分鐘的半衰期衰變為錒的長壽命同位素錒-227。