錒系元素 - Wikiwand
For faster navigation, this Iframe is preloading the Wikiwand page for 錒系元素.

錒系元素

維基百科,自由的百科全書

此條目可參照英語維基百科相應條目來擴充。若您熟悉來源語言和主題,請協助參考外語維基百科擴充條目。請勿直接提交機械翻譯,也不要翻譯不可靠、低品質內容。依版權協議,譯文需在編輯摘要註明來源,或於討論頁頂部標記((Translated page))標籤。
原子序數 名稱 符號
89 Ac
90 Th
91 Pa
92 U
93 Np
94 Pu
95 Am
96 Cm
97 Bk
98 Cf
99 Es
100 Fm
101 Md
102 No
103 Lr

錒系元素是第89號元素到103號元素共15種放射性元素的統稱。錒系元素也屬於過渡元素,只是錒系元素的外層和次外層的電子構型基本相同,新增加的電子則大都填入了從外側數第三個電子層(即5f電子層)中,所以錒系元素又可以稱為5f系。為了區別於元素周期表中的d區過渡元素,故又將錒系元素及鑭系元素合稱為內過渡元素。由於錒系元素都是金屬,所以又可以和鑭系元素統稱為f區金屬。錒系元素用符號An表示。

1789年德國馬丁·克拉普羅特瀝青鈾礦中發現了,它是被人們認識的第一個錒系元素。其後陸續發現了以後的元素(即超鈾元素)都是在1940年後用人工核反應合成的,屬於人工合成元素,不過也有部分超鈾元素最初是通過人工合成的方式發現,但是後來在自然界中,也發現有痕跡量的存在,例如等。

和鑭系元素相比,較輕的錒系元素彼此之間的化合價有較多的變化,因此相似度沒有鑭系元素來的高,而較重的錒系元素則因為錒系收縮現象的減緩而使得彼此之間的相似性較高,因而造成分離上的困難。

錒系元素原子基態電子構型是5f0~146d0~17s2,這些元素的核外電子分為7層,最外層都是2個電子,次外層多數為8個電子(個別為9或10個電子),從鏷到鍩電子填入第5層,使第5層電子數從18個增加到32個。

性質

元素名稱
原子序 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
圖片
原子量 227.03 232.04 231.04 238.03 237.05 [244] [243] [247] [247] [251] [252] [257] [258] [259] [266]
天然同位素數量 3 7 3 8 3 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0
最長壽同位素 227 232 231 238 237 244 243 247 247 251 252 257 258 259 266
最長壽同位素之半衰期 21.8年 140億年 32500年 44.7億年 214萬年 8080萬年 7370年 1560萬年 1380年 900年 1.29年 100.5天 52天 58分鐘 11小時
密度(g/cm3[1] 10.07 11.724 15.37 19.05 20.45 19.816 13.67 13.51 14.78 15.1 - - - - -
熔點(°C) 1050 1842 1568 1132.2 639 639.4 1176 1340 986 900 860 1530 830 830 1630
沸點(°C) 3198 4788 4027? 4131 4174? 3228 2607? 3110 2627 1470? 996?
電子組態
氣相
6d17s2 6d27s2 5f26d17s2
5f16d27s2
5f36d17s2 5f46d17s2
5f57s2
5f67s2 5f77s2 5f76d17s2 5f97s2
5f86d17s2
5f107s2 5f117s2 5f127s2 5f137s2 5f147s2 5f147s27p1
電子組態
固相
6d17s2 5f0.56d1.57s2 5f1.76d1.37s2 5f2.96d1.17s2 5f46d17s2 5f56d17s2 5f66d17s2 5f76d17s2 5f86d17s2 5f96d17s2 5f117s2 5f127s2 5f137s2 5f147s2 5f146d17s2
金屬半徑(pm) 203 180 162 153 150 162 173 174 170 186 186 ? 198 ? 194 ? 197 ? 171

錒系元素皆為銀灰色有光澤的放射性金屬[2][3][4][5]半衰期隨着原子序的擴大而依次縮短。錒系元素的性質較軟,具有較高的密度及可塑性,在空氣中會失去光澤。[6]與鑭系元素一樣,錒系元素的化學性質比較活潑,能形成錯合物及可溶於水的氯化物硫酸鹽硝酸鹽高氯酸鹽等,至於它們的氫氧化物氟化物硫酸鹽草酸鹽等則不溶於水。

爭論

(Lr)是否屬於錒系元素有爭論。最近的色譜分析顯示,鐒應屬於IIIB族,而非錒系。但為了方便敘述,現今仍習慣將其與錒系合稱。參見鑭系元素中關於的地位的爭論。

原子半徑和離子半徑(錒系收縮)

與同原子半徑逐漸增大的規律恰恰相反,從則是逐漸減小。這種錒系元素的原子半徑和離子半徑隨原子序數的增加而逐漸減小的現象稱為錒系收縮

錒系元素中,充填最初幾個元素的5f電子時,離子半徑收縮地比較明顯,但此現象後來趨於平緩,使得這些較重的錒系元素的離子半徑十分接近。因此錒系元素在化學性質上的差別隨着原子序數的增大而逐漸變小,以致逐個地分離錒系元素(尤其是重錒系元素)越來越困難。

原子序數 元素名稱 +3離子半徑(pm) +4離子半徑(pm)
90 釷(Th) 108 99
91 鏷(Pa) 105 93
92 鈾(U) 103 93
93 錼(Np) 101 92
94 鈽(Pu) 100 90
95 鋂(Am) 99 89
96 鋦(Cm) 98 88
97 鉳(Bk) —— ——
98 鉲(Cf) —— ——
99 鑀(Es) —— ——
100 鐨(Fm) —— ——
101 鍆(Md) —— ——
102 鍩(No) —— ——
103 鐒(Lr) —— ——

離子的顏色

水溶液中錒系元素離子的近似顏色(最後四個元素的離子顏色未知,因為尚未合成出足夠的量進行觀察)[7]
氧化態
+2 Fm2+ Md2+ No2+
+3 Ac3+ Th3+ Pa3+ U3+ Np3+ Pu3+ Am3+ Cm3+ Bk3+ Cf3+ Es3+ Fm3+ Md3+ No3+ Lr3+
+4 Th4+ Pa4+ U4+ Np4+ Pu4+ Am4+ Cm4+ Bk4+ Cf4+
+5 PaO+
2
UO+
2
NpO+
2
PuO+
2
AmO+
2
+6 UO2+
2
NpO2+
2
PuO2+
2
AmO2+
2
+7 NpO3+
2
PuO3+
2
AmO3−
5
  • 鈾的3、4、5、6價鹽的水溶液
    鈾的3、4、5、6價鹽的水溶液
  • 錼的3、4、5、6、7價鹽的水溶液
    錼的3、4、5、6、7價鹽的水溶液
  • 鈽的3、4、5、6、7價鹽的水溶液
    鈽的3、4、5、6、7價鹽的水溶液

分佈

地殼中含量最豐富的錒系元素為釷和鈾,它們兩者具有很長的半衰期,放射性較微弱,因此能在地殼中以穩定的量存在。主要的含鈾礦物有釩酸鉀鈾礦鈣鈾雲母等,而釷主要分佈在獨居石方釷石英語Thorianite釷石英語Thorite等礦物中。大多數含釷礦物中皆含有鈾,反之亦然,且這些礦物中也都含有大量的鑭系元素。而鏷和錒主要分佈在各種鈾礦中,含量甚低。至於超鈾元素大多不存在於自然界中,必須透過粒子加速器人工合成,只有部分較輕的元素如錼和鈽等以痕量存在於鈾礦中。

用途

儘管部分錒系元素已在日常生活中得到了應用,例如煙霧偵測器中的[8][9]煤氣網罩英語Gas mantle中的[10],但錒系元素主要用於核武器,或當作核反應堆的燃料,例如等。而原子序較大的重錒系元素由於製備的難度較高,且較不穩定,因此只用於學術研究,而沒有實際用途。在核反應堆最重要的同位素鈾-235。它被用於如核反應堆,且在天然里有0.72%的鈾-235。它強烈吸收熱中子,然後放出能量。鈾235核子吸收中子後,會裂變成2個較輕的核子和2至3顆中子, 如

235
92
U
+ 1
0
n
115
45
Rh
+ 118
47
Ag
+ 31
0
n

釷除了用作煤氣網罩的材料之外[10],也常和等金屬做成合金,因為鎂釷合金不但堅固,還具有高熔點及高延展性,因此被廣泛用於航空工業和導彈的生產中。釷還有着良好的電子發射性能,可用作電子器件中的高效電子發射極。此外釷的半衰期很長[11],和鈾同位素的相對含量被廣泛用於估算包括恆星在內的各種物體的年齡(參見放射性定年法)。[15]鈈元素的主要用途是製造核武器,尤其是可以裂變的鈈-239。它的臨界質量是鈾-235的1/3。[16]

對生物的影響

由於錒系元素皆具有放射性,對生物而言具有極高的毒性,過度暴露在它們散發出的輻射中會損害人體健康。因此含有錒系元素的核廢料的處置是一個至關重要的課題。[22]

參見

參考文獻

  1. ^ https://periodictable.com/Properties/A/Density.st.html
  2. ^ Theodore Gray. The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe. New York: Black Dog & Leventhal Publishers. 2009: 240. ISBN 978-1-57912-814-2. 
  3. ^ Actinide element, Encyclopædia Britannica on-line
  4. ^ Although "actinoid"(rather than "actinide")means "actinium-like" and therefore should exclude actinium, that element is usually included in the series.
  5. ^ Neil G. Connelly; 等. Elements. Nomenclature of Inorganic Chemistry. London: Royal Society of Chemistry. 2005: 52. ISBN 0-85404-438-8. 
  6. ^ Greenwood, p. 1264
  7. ^ Greenwood, p. 1265
  8. ^ Smoke Detectors and Americium, Nuclear Issues Briefing Paper 35, May 2002
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 Greenwood, p. 1262
  10. ^ 10.0 10.1 Greenwood, p. 1255
  11. ^ 11.0 11.1 Golub, pp. 220–221
  12. ^ 12.0 12.1 Yu.D. Tretyakov (編). Non-organic chemistry in three volumes. Chemistry of transition elements 3. Moscow: Academy. 2007. ISBN 978-5-7695-2533-9. 
  13. ^ G. G. Bartolomei; V. D. Baybakov; M. S. Alkhutov; G. A. Bach. Basic theories and methods of calculation of nuclear reactors. Moscow: Energoatomizdat. 1982. 
  14. ^ Greenwood, pp. 1256–1261
  15. ^ Sergey Popov; Alexander Sergeev. Universal Alchemy. Vokrug Sveta. 2008, 2811 (4) (俄語). 
  16. ^ David L. Heiserman. Element 94: Plutonium. Exploring Chemical Elements and their Compounds. New York: TAB Books. 1992: 338. ISBN 978-0-8306-3018-9. 
  17. ^ John Malik. The Yields of the Hiroshima and Nagasaki Explosions (PDF). Los Alamos. September 1985: Table VI [15 February 2009]. LA-8819. (原始內容存檔 (PDF)於24 February 2009). 
  18. ^ FAS contributors. Nuclear Weapon Design. Federation of American Scientists. 1998 [7 December 2008]. (原始內容存檔於26 December 2008). 
  19. ^ John Holdren and Matthew Bunn Nuclear Weapons Design & Materials. Project on Managing the Atom (MTA) for NTI. 25 November 2002
  20. ^ Apollo 14 Press Kit – 01/11/71, NASA, pp. 38–39
  21. ^ 引用錯誤:沒有為名為Himiya aktiniya的參考文獻提供內容
  22. ^ 22.0 22.1 B.E. Burakov; M.I Ojovan; W.E. Lee. Crystalline Materials for Actinide Immobilisation. World Scientific. 2010. ISBN 978-1848164185. 
{{bottomLinkPreText}} {{bottomLinkText}}
錒系元素
Listen to this article