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锕系元素

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原子序数 名称 符号
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

锕系元素是第89号元素到103号元素共15种放射性元素的统称。锕系元素也属于过渡元素,只是锕系元素的外层和次外层的电子构型基本相同,新增加的电子则大都填入了从外侧数第三个电子层(即5f电子层)中,所以锕系元素又可以称为5f系。为了区别于元素周期表中的d区过渡元素,故又将锕系元素及镧系元素合称为内过渡元素。由于锕系元素都是金属,所以又可以和镧系元素统称为f区金属。锕系元素用符号An表示。

1789年德国马丁·克拉普罗特沥青铀矿中发现了,它是被人们认识的第一个锕系元素。其后陆续发现了以后的元素(即超铀元素)都是在1940年后用人工核反应合成的,属于人工合成元素,不过也有部分超铀元素最初是通过人工合成的方式发现,但是后来在自然界中,也发现有痕迹量的存在,例如等。

和镧系元素相比,较轻的锕系元素彼此之间的化合价有较多的变化,因此相似度没有镧系元素来的高,而较重的锕系元素则因为锕系收缩现象的减缓而使得彼此之间的相似性较高,因而造成分离上的困难。

锕系元素原子基态电子构型是5f0~146d0~17s2,这些元素的核外电子分为7层,最外层都是2个电子,次外层多数为8个电子(个别为9或10个电子),从镤到锘电子填入第5层,使第5层电子数从18个增加到32个。

性质

元素名称
原子序 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
图片
原子量 227.03 232.04 231.04 238.03 237.05 [244] [243] [247] [247] [251] [252] [257] [258] [259] [266]
天然同位素数量 3 7 3 8 3 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0
最长寿同位素 227 232 231 238 237 244 243 247 247 251 252 257 258 259 266
最长寿同位素之半衰期 21.8年 140亿年 32500年 44.7亿年 214万年 8080万年 7370年 1560万年 1380年 900年 1.29年 100.5天 52天 58分钟 11小时
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 - - - - -
熔点(°C) 1050 1842 1568 1132.2 639 639.4 1176 1340 986 900 860 1530 830 830 1630
沸点(°C) 3198 4788 4027? 4131 4174? 3228 2607? 3110 2627 1470? 996?
电子组态
气相
6d17s2 6d27s2 5f26d17s2
5f16d27s2
5f36d17s2 5f46d17s2
5f57s2
5f67s2 5f77s2 5f76d17s2 5f97s2
5f86d17s2
5f107s2 5f117s2 5f127s2 5f137s2 5f147s2 5f147s27p1
电子组态
固相
6d17s2 5f0.56d1.57s2 5f1.76d1.37s2 5f2.96d1.17s2 5f46d17s2 5f56d17s2 5f66d17s2 5f76d17s2 5f86d17s2 5f96d17s2 5f117s2 5f127s2 5f137s2 5f147s2 5f146d17s2
金属半径(pm) 203 180 162 153 150 162 173 174 170 186 186 ? 198 ? 194 ? 197 ? 171

锕系元素皆为银灰色有光泽的放射性金属[2][3][4][5]半衰期随着原子序的扩大而依次缩短。锕系元素的性质较软,具有较高的密度及可塑性,在空气中会失去光泽。[6]与镧系元素一样,锕系元素的化学性质比较活泼,能形成错合物及可溶于水的氯化物硫酸盐硝酸盐高氯酸盐等,至于它们的氢氧化物氟化物硫酸盐草酸盐等则不溶于水。

争论

(Lr)是否属于锕系元素有争论。最近的色谱分析显示,铹应属于IIIB族,而非锕系。但为了方便叙述,现今仍习惯将其与锕系合称。参见镧系元素中关于的地位的争论。

原子半径和离子半径(锕系收缩)

与同原子半径逐渐增大的规律恰恰相反,从则是逐渐减小。这种锕系元素的原子半径和离子半径随原子序数的增加而逐渐减小的现象称为锕系收缩

锕系元素中,充填最初几个元素的5f电子时,离子半径收缩地比较明显,但此现象后来趋于平缓,使得这些较重的锕系元素的离子半径十分接近。因此锕系元素在化学性质上的差别随着原子序数的增大而逐渐变小,以致逐个地分离锕系元素(尤其是重锕系元素)越来越困难。

原子序数 元素名称 +3离子半径(pm) +4离子半径(pm)
90 钍(Th) 108 99
91 镤(Pa) 105 93
92 铀(U) 103 93
93 镎(Np) 101 92
94 钚(Pu) 100 90
95 镅(Am) 99 89
96 锔(Cm) 98 88
97 锫(Bk) —— ——
98 锎(Cf) —— ——
99 锿(Es) —— ——
100 镄(Fm) —— ——
101 钔(Md) —— ——
102 锘(No) —— ——
103 铹(Lr) —— ——

离子的颜色

水溶液中锕系元素离子的近似颜色(最后四个元素的离子颜色未知,因为尚未合成出足够的量进行观察)[7]
氧化态
+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
  • 铀的3、4、5、6价盐的水溶液
    铀的3、4、5、6价盐的水溶液
  • 镎的3、4、5、6、7价盐的水溶液
    镎的3、4、5、6、7价盐的水溶液
  • 钚的3、4、5、6、7价盐的水溶液
    钚的3、4、5、6、7价盐的水溶液

分布

地壳中含量最丰富的锕系元素为钍和铀,它们两者具有很长的半衰期,放射性较微弱,因此能在地壳中以稳定的量存在。主要的含铀矿物有钒酸钾铀矿钙铀云母等,而钍主要分布在独居石方钍石英语Thorianite钍石英语Thorite等矿物中。大多数含钍矿物中皆含有铀,反之亦然,且这些矿物中也都含有大量的镧系元素。而镤和锕主要分布在各种铀矿中,含量甚低。至于超铀元素大多不存在于自然界中,必须透过粒子加速器人工合成,只有部分较轻的元素如镎和钚等以痕量存在于铀矿中。

用途

尽管部分锕系元素已在日常生活中得到了应用,例如烟雾侦测器中的[8][9]煤气网罩英语Gas mantle中的[10],但锕系元素主要用于核武器,或当作核反应堆的燃料,例如等。而原子序较大的重锕系元素由于制备的难度较高,且较不稳定,因此只用于学术研究,而没有实际用途。在核反应堆最重要的同位素铀-235。它被用于如核反应堆,且在天然里有0.72%的铀-235。它强烈吸收热中子,然后放出能量。铀235核子吸收中子后,会裂变成2个较轻的核子和2至3颗中子, 如

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

钍除了用作煤气网罩的材料之外[10],也常和等金属做成合金,因为镁钍合金不但坚固,还具有高熔点及高延展性,因此被广泛用于航空工业和导弹的生产中。钍还有着良好的电子发射性能,可用作电子器件中的高效电子发射极。此外钍的半衰期很长[11],和铀同位素的相对含量被广泛用于估算包括恒星在内的各种物体的年龄(参见放射性定年法)。[15]钚元素的主要用途是制造核武器,尤其是可以裂变的钚-239。它的临界质量是铀-235的1/3。[16]

对生物的影响

由于锕系元素皆具有放射性,对生物而言具有极高的毒性,过度暴露在它们散发出的辐射中会损害人体健康。因此含有锕系元素的核废料的处置是一个至关重要的课题。[22]

参见

参考文献

  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 (编). 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) (俄语). 
  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. (原始内容存档 (PDF)于24 February 2009). 
  18. ^ FAS contributors. Nuclear Weapon Design. Federation of American Scientists. 1998 [7 December 2008]. (原始内容存档于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. ^ 引用错误:没有为名为Himiya aktiniya的参考文献提供内容
  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. 
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锕系元素
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