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锕   89Ac
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(Ute)
外观
银白色,发暗蓝光[1]
概况
名称·符号·序数 锕(Actinium)·Ac·89
元素类别 锕系金属
有时归为过渡金属
·周期· 3 ·7·f
标准原子质量 (227)
电子排布

[] 6d1 7s2
2, 8, 18, 32, 18, 9, 2

历史
发现 安德烈-路易·德比埃尔内弗里德里希·奥斯卡·吉塞尔英语Friedrich Oskar Giesel(1899、1902年)
分离 安德烈-路易·德比埃尔内、弗里德里希·奥斯卡·吉塞尔(1899、1902年)
物理性质
物态 固态
密度 (接近室温
10 g·cm−3
熔点 (大约)1323 K,1050 °C,1922 °F
沸点 3471 K,3198 °C,5788 °F
熔化热 14 kJ·mol−1
汽化热 400 kJ·mol−1
比热容 27.2 J·mol−1·K−1
蒸气压
原子性质
氧化态 3
(碱性)
电负性 1.1(鲍林标度)
电离能

第一:499 kJ·mol−1

第二:1170 kJ·mol−1
共价半径 215 pm
杂项
晶体结构 面心立方
磁序 无数据
热导率 12 W·m−1·K−1
CAS号7440-34-8
最稳定同位素

主条目:锕的同位素

同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰变
方式 能量MeV 产物
225Ac 微量 10天 α 5.935 221Fr
226Ac 人造 29.37小时 β 1.117 226Th
ε 0.640 226Ra
α 5.536 222Fr
227Ac 微量 21.772年 β 0.045 227Th
α 5.042 223Fr

是一种放射性金属元素,符号为Ac原子序为89。锕在1899年被发现,是首个得到分离的非原始核素(non-primordial radioactive element)。虽然比锕更早被发现,但是科学家到1902年才分离出这些元素。在元素周期表中,锕系元素始于锕,止于,一共有15种元素。

锕是一种柔软的银白色放射性金属。在空气中,锕会迅速与氧气和水汽反应,在表面形成具保护性的白色氧化层。和大部分镧系元素和锕系元素一样,锕的氧化态一般是+3。在自然界中,只有少量的锕出现在矿石当中,主要为同位素227Ac,并进行β衰变半衰期为21.772年。每一铀矿石约含0.2毫克的锕元素。由于锕和的化学和物理特性过于接近,因此要从矿石中分离出锕元素并不现实。科学家则是在核反应堆中以中子照射-226来产生锕的。

锕因为稀少、昂贵,且具放射性,所以没有大的工业用途。目前锕被用作中子源,以及在放射线疗法中作为辐射源。

历史

法国化学家安德烈-路易·德贝尔恩(André-Louis Debierne)在1899年宣布发现新元素。在玛莉·居礼皮埃尔·居礼沥青铀矿中分离出之后,德贝尔恩接着从残留物中再分离出这一新元素。他认为该元素与相似,并将其命名为“actinium”。[2][3]德国化学家弗里德里希·奥斯卡·吉塞尔(Friedrich Oskar Giesel)则在1902年独立发现了锕元素。[4]他认为锕与相似,并在1904年将其命名为“emanium”。[5]科学家在比较德贝尔恩所得出的半衰期数据后,[6]决定依最早发现者的意愿把该元素正式定名为“actinium”。[7][8]

锕的原文名称“actinium”源自古希腊语中的“ακτίς”、“ακτίνος”(“aktis”、“aktinos”),意为光线。[9]化学符号为Ac,但Ac也同时是其他化学品的缩写,如乙酰基乙酸盐[10]乙醛,但锕与这些并无关系。[11]

属性

锕是一种柔软的银白色[12][13]放射性金属。其剪切模量估计与相近。[14]锕的放射性很强,它放射出的高能粒子足以把四周的空气电离,因而发出暗蓝色光。[15]锕的化学属性与包括在内的镧系元素相近,因此要将锕从铀矿石中分离出来十分困难。分离过程一般使用溶剂萃取法和离子层析法。[16]

是首个锕系元素。这些元素的特性比镧系元素更多元化,因此直到1945年,格伦·西奥多·西博格才提出为元素周期表加入锕系元素。这是自从德米特里·门捷列夫创造元素周期表以来对周期表最大的变动之一。[17]

锕在空气中会与氧气、水汽迅速反应,在表面产生白色的保护性氧化层。[12]与大部分镧系和锕系元素一样,锕的氧化态通常是+3;Ac3+离子在溶液中无色。[18]锕的电子排布是6d17s2,所以当失去3个电子后,就会形成稳定的闭壳层,与稀有气体一样。[13]锕的+2态只出现在二氢化锕(AcH2)中。[19]

化合物

已知的锕化合物非常少,其中有三氟化锕(AcF3)、三氯化锕(AcCl3)、三溴化锕(AcBr3)、氟氧化锕(AcOF)、氯氧化锕(AcOCl)、溴氧化锕(AcOBr)、三硫化二锕(Ac2S3)、氧化锕(Ac2O3)和磷酸锕(AcPO4)等。除AcPO4以外,这些化合物都具有+3氧化态,且都有相对应的镧化合物。[18][20]对应的镧和锕化合物在晶格常数上的差异不超过百分之十。[21]

上表中的abc为晶格常数,Z为每晶胞所含的化学式单元数。密度并非实验数据,而是从晶体参数中计算得出的。

氧化物

在真空中把氢氧化锕加热至500°C或把草酸锕加热至1100°C,可制成氧化锕(Ac2O3)。氧化锕的晶体结构与大部分三价稀土金属的氧化物同型。[21]

卤化物

三氟化锕的合成反应可以在液态或固态下进行。前者在室温下进行,需将氢氟酸加入含有锕离子的溶液中。后者需对锕金属施以氟化氢气体,反应要在700°C下进行,并必须使用全制器材。在900至1000°C下,三氟化锕会和氢氧化铵反应形成氟氧化锕(AcOF)。虽然三氟化镧在空气中以800°C燃烧一小时后就可以产生氟氧化镧,但是类似的方法无法产生氟氧化锕,而是会把三氟化锕熔解。[21][24]:87–88

AcF3 + 2 NH3 + H2O → AcOF + 2 NH4F

氢氧化锕或草酸锕与四氯化碳在960°C以上温度反应会产生三氯化锕。同样,三氯化锕与氢氧化铵在1000°C反应会形成氯氧化锕。但与氟氧化锕不同的是,三氯化锕在氢氯酸溶液中用点燃就可以产生氯氧化锕。[21]

溴化铝与氧化锕反应后,会形成三溴化锕:

Ac2O3 + 2 AlBr3 → 2 AcBr3 + Al2O3

在500°C加入氢氧化铵,可以产生溴氧化锕(AcOBr)。[21]

其他化合物

三氯化锕在300°C下经还原后,可形成氢化锕,其结构可从氢化镧(LaH2)的结构推测而得。该反应中氢的来源不明。[24]:43

在含锕的氢氯酸溶液中加入磷酸二氢钠(NaH2PO4),会产生白色的半水合磷酸锕(AcPO4·0.5H2O)。草酸锕和硫化氢气体在1400°C受热几分钟,会产生黑色的硫化锕(Ac2S3)。[21]

同位素

自然产生的锕元素由放射性同位素227Ac组成。锕一共有36种已知同位素,全部都具有放射性。这些同位素的原子量介乎206 u206Ac)和236 u(236Ac)。[26]其中最稳定的有:227Ac半衰期为21.772年)、225Ac(10.0天)和226Ac(29.37小时)。其余的同位素的放射性半衰期都小于10小时,大部分甚至小于1分钟。寿命最短的锕同位素是217Ac,其半衰期只有69纳秒,会进行α衰变中子捕获。锕拥有两个亚稳态(同核异构体)。[26]

纯化后的227Ac在185天后与衰变产物达成平衡。它主要进行β衰变(98.8%),以及少量的α衰变(1.2%)。[18]这些衰变的产物都属于锕衰变系227Ac发射的β粒子能量较低(46 keV),α辐射的强度较低,可用样本也一般很少,所以很难直接探测到227Ac。因此科学家一般以探测其衰变产物的方法来推算227Ac的量。[18]

同位素 合成反应 衰变形式 半衰期
221Ac 232Th(d,9n)225Pa(α)→221Ac α 52毫秒
222Ac 232Th(d,8n)226Pa(α)→222Ac α 5.0秒
223Ac 232Th(d,7n)227Pa(α)→223Ac α 2.1分钟
224Ac 232Th(d,6n)228Pa(α)→224Ac α 2.78小时
225Ac 232Th(n,γ)233Th(β)→233Pa(β)→233U(α)→229Th(α)→225Ra(β)225Ac α 10天
226Ac 226Ra(d,2n)226Ac α、β、电子捕获 29.37小时
227Ac 235U(α)→231Th(β)→231Pa(α)→227Ac α、β 21.77年
228Ac 232Th(α)→228Ra(β)→228Ac β 6.15小时
229Ac 228Ra(n,γ)229Ra(β)→229Ac β 62.7分钟
230Ac 232Th(d,α)230Ac β 122秒
231Ac 232Th(γ,p)231Ac β 7.5分钟
232Ac 232Th(n,p)232Ac β 119秒

存量及合成

沥青铀矿中含有少量的锕元素
沥青铀矿中含有少量的锕元素

锕元素在地球上十分稀少,只有痕量的227Ac同位素出现在矿石中:每吨铀矿石只含有大约0.2毫克的锕。[27][28]227Ac是锕衰变系中的其中一个短暂存在的同位素。该衰变链始于235U(或239Pu),止于稳定同位素207Pb225Ac则是衰变系中短暂存在的同位素。该衰变链始于237Np(或233U),止于205Tl)和近似稳定的209Bi)。[29]

含有锕的矿石中也同时含有镧及其他镧系元素。然而这些元素的化学、物理特性与锕非常接近,再加上锕含量更为稀少,因此从矿石中分离出锕元素的做法并不具实际性,科学家也从未完全分离出锕。[21]锕元素则通常是在核反应堆中用中子照射226Ra产生的,每次产量以毫克计。[28][30]

该反应的锕产量约为镭重量的2%。227Ac可再捕获中子,形成少量的228Ac。合成过后,锕需从镭以及其他的衰变产物中分离出来,这些产物包括钍、钋、铅和铋。第一种分离法使用噻吩甲酰三氟丙酮和的混合溶液。调整该溶液的pH值,可从含衰变产物的溶液中萃取出特定的元素(锕需要pH 6.0左右)。[27]另一种分离法是在硝酸中以适当的树脂进行负离子交换法,先把镭和锕与钍分离开来(分离系数为1百万),再用正离子交换树脂和硝酸洗脱液把锕从镭中提取出来(系数为100)。[31]

德国澳洲的科学家在2000年首次人工合成225Ac。德国超铀元素研究所所使用的是回旋加速器,而澳洲的研究人员则使用位于悉尼圣乔治医院的直线加速器[32]其合成方法为,对镭-226目标体进行20至30 MeV能量离子撞击。这一反应同时会产生半衰期为29小时的226Ac同位素,但由于225Ac的半衰期有10天,所以前者不会对后者造成不纯。225Ac是一种稀有的同位素,在放射线疗法中有潜在的用途。[33]

在1100至1300°C间以气体对氟化锕进行还原反应,可以产生锕金属。太高的温度会使产物气化,而太低温则会导致反应不能完全进行。锂的氟化物挥发性比其他碱金属的高,因此最适合用于这一反应中。[9][12]

应用

由于存量稀少,价格昂贵,所以锕目前并无重要的工业用途。[9]

227Ac放射性很强,因此有潜力用于放射性同位素热电机中,应用范围包括航天器227Ac的氧化物和压制后可以作为高效能中子源,其活度高于一般的﹣铍和镭﹣铍中子源。[34]这些应用利用的其实是227Ac的衰变产物。进行β衰变后所产生的同位素会释放α粒子,而铍则用于捕获这些α粒子,并放出中子。铍的(α,n)核反应截面较高,因此能高效地将α粒子转换为中子。该反应的公式如下:[35]

227AcBe可用于中子水分仪中,以测量土壤中的水分以及在建造公路时进行湿度、密度的质量检验。[36][37]这类探测仪在测井、中子照相、断层摄影术及其他放射性化学范畴中都有应用的空间。[38]

在放射线疗法中用于运输225Ac的DOTA载体的化学结构。
在放射线疗法中用于运输225Ac的DOTA载体的化学结构。

225Ac在医学中用于制造213Bi[31]或直接作放射线疗法的辐射源。225Ac的半衰期为10天,比213Bi的46小时更适合作放射线治疗。225Ac及其衰变产物所释放的α粒子可以杀死身体内的癌细胞。最大的困难在于,简单的锕配合物经静脉注射进入体内后,会积累在骨骼和肝脏中,并停留数十年。持续的辐射在杀死癌细胞后,会引发新的突变。要避免这种问题,可将225Ac与螯合剂结合,例如柠檬酸乙二胺四乙酸(EDTA)和二乙烯三胺五乙酸(DTPA)。这可降低锕在骨骼中的积累,但从身体排泄的量仍然不高。改用HEHA[39]或耦合至曲妥珠单抗DOTA(1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四羧酸)等螯合剂可以增加锕的排泄量。曲妥珠单抗是一种单克隆抗体,能够干扰HER2/neu受体。科学家把锕与DOTA结合后注射到老鼠体内,发现疗法有效对抗白血病淋巴瘤乳癌卵巢癌神经母细胞瘤前列腺癌[40][41][42]

227Ac的半衰期为21.77年,可用来研究海水的缓慢垂直混合作用。这种水流的速度大约为每年50米,因此直接测量是无法得到足够的精度的。科学家通过探测各同位素在不同深度的相对比例变化,可以推算出混合作用的发生速率。具体的物理原理如下。海水含有均衡分布的235U。其衰变产物231Pa会慢慢沉淀到海底,所以其浓度会随深度增加,并在一定的深度以下维持恒等。231Pa再衰变成227Ac。混合作用会把海底的227Ac提升上来,因此227Ac的浓度随深度一直增加至海底。科学家分析231Pa和227Ac的浓度﹣深度关系,可以间接研究海水的混合作用。[43][44]

安全

227Ac的放射性极强,因此有关的实验都必须在专业实验室的手套箱中进行。当三氯化锕经静脉注射进入老鼠体内后,约33%的锕元素积累在骨骼中,50%进入肝脏。其毒性比镅和钚稍低。[45]

参考资料

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外部链接

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