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锕系元素

锕系元素(actinicles) 是周期系ⅢB族中原子序数为89~103的 15种化学元素的统称。包括锕、钍、镤、铀、镎、钚、镅、锔、锫、锎、锿、镄、钔、锘、铹,它们都是放射性元素 。铀以后的原子序数为93~109的17 种元素称为超铀元素。前4种元素锕、钍、镤、铀存在于自然界中,其余11种全部用人工核反应合成。

锕系元素

actinicles

周期系ⅢB族中原子序数为89 ~103 的 15种化学元素的统称。

锕系元素(actinicles)又称5f过渡系,是元素周期表ⅢB族中原子序数为89 ~103的15种化学元素的统称。它们化学性质相似,所以单独组成一个系列,在元素周期表中占有特殊位置。用符号An表示。

锕系元素包括锕(Ac)、钍(Th)、镤(Pa)、铀(U)、镎(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、锔(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、镄(Fm)、钔(Md)、锘(No)、铹(Lr),它们都是放射性元素。铀以后的原子序数为93~109的17种元素称为超铀元素。前四种元素锕、钍 、镤、铀存在于自然界中,其余11种全部用人工核反应合成。人工合成的锕系元素中,只有钚、镎、镅、锔等年产量达到公斤级以上,锎仅为克级。锿以后的重锕系元素由于量极微,半衰期很短,仅应用于实验室条件下研究和鉴定核素性质。1789年德国克拉普罗特(M.H.Klaproth,1743-1817)从沥青铀矿中发现了铀,它是被人们认识的第一个锕系元素。其后陆续发现了锕、钍和镤。铀以后的元素都是在1940年后用人工核反应合成的,称为人工合成元素。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。

锕系元素都是金属,与镧系元素一样,化学性质比较活泼。它们的氯化物、硫酸盐、硝酸盐、高氯酸盐可溶于水,氢氧化物、氟化物、硫酸盐、草酸盐不溶于水。大多数锕系元素能形成配位化合物。α衰变和自发裂变是锕系元素的重要核特性,随着原子序数的增大,半衰期依次缩短,铀238的半衰期为44.68亿年;铹260的半衰期只有3分钟。锕系元素的毒性和辐射( 特别是吸入人体内的α辐射体 )的危害较大,必须在有防护措施的密闭工作箱中操作这些物质。

锕系元素都是金属,与镧系元素一样,化学性质比较活泼。它们的氯化物、硫酸盐、硝酸盐、高氯酸盐可溶于水 ,氢氧化物、氟化物、硫酸盐、草酸盐不溶于水。大多数锕系元素能形成配位化合物 。α 衰变和自发裂变是锕系元素的重要核特性,随着原子序数的增大 ,半衰期依次缩短 ,铀238的半衰期为44.68亿年;铹260的半衰期只有3分钟。锕系元素的毒性和辐射( 特别是吸入人体内的α辐射体 )的危害较大,必须在有防护措施的密闭工作箱中操作这些物质。

在人工合成的锕系元素中,只有钚、镎、镅、锔的年产量达千克级以上,锎仅为克量级,锿以后的元素量极少,半衰期很短,仅用于研究。用途比较多的只限于铀和钍,钚在某些情况下用作核燃料。

元素

名称

化学

符号

原子量

电子构型

5f 6d 7s

氧化态

Ac

227.0278

1 2

+3

Th

232.0381

2 2

+2,+3,+4

Pa

231.0359

2 1 2

+2,+3,

+4,+5,

U

238.0289

3 1 2

+2,+3,

+4,+5,+6,

Np

237.0482

4 1 2

+3,+4,+5

+6,+7

Pu

(224)

6 2

+3,+4

+5,+6,+7

Am

(243)

7 2

+2,+3

+4,+5,+6

Cm

(247)

7 1 2

+3,+4

Bk

(247)

9 2

+3,+4

Cf

(251)

10 2

+2,+3,+4

Es

(252)

11 2

+2,+3

Fm

(257)

12 2

+2,+3

Md

(258)

13 2

+1,+2,+3

No

(259)

14 2

+2,+3

Lr

(260)

14 1 2

+3

锕系元素原子基态的电子构型是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。按照原子核外的电子能级,元素周期表第七周期内锕以后的元素逐次充填5f内层电子,直到充满14个5f内层电子为止。由于原子的最外层电子构型基本相同,只在5f内层更迭电子,所以这些元素组成了自成系列的锕系元素。基于此种设想的锕系理论是由美国核化学家G.T.西博格于1944年提出的。根据这个理论,锕系最后一个元素为第103号元素,而第104号元素预计不属于锕系而属于第 Ⅳ副族。超铀元素的成功合成及对其化学性质的研究,尤其是第104号元素的发现,都证实了锕系理论的正确。锕系元素原子结构的特点是:锕以后的元素电子依次填充5f内电子层,它们的最外层的电子构型基本相同,使锕系元素之间的性质非常相似,与镧系元素一样,锕系元素中也存在着离子半径收缩现象。

由于镧系和锕系两个系列的元素随着原子序数的增加都只在内层轨道(相应的4f和5f轨道)充填电子,其外层轨道(相应的6s、5d和7s、6d轨道)的电子排布基本相同,因此不仅镧系元素和锕系元素的化学性质相似,而且每个系列内元素之间的化学性质也是相近的。

大多数锕系元素都有以下性质:

能形成络离子和有机螯合物的三价阳离子;生成三价的不溶性化合物,如氢氧化物、氟化物、碳酸盐和草酸盐等;生成三价的可溶性化合物,如硫酸盐、硝酸盐、高氯酸盐和某些卤化物等。在水溶液中多数锕系元素为+3氧化态,前面几个和最后几个锕系元素还有不同的氧化态,如镤有+5氧化态;铀、镎、镅有+5和+6氧化态,镎和钚还有+7氧化态,可以MO、MO、MO等离子形式存在(镧系元素中最高氧化态为+4);锎、锿、镄、钔和锘等元素都有+2氧化态。锕系与镧系的这种差别是因为轻的锕系元素中5f电子激发到6d轨道所需能量比相应的镧系元素中4f电子激发到5d轨道的能量要小,使得锕系元素比镧系元素有更多的成键电子,因而出现较高的氧化态;而重的锕系元素却正好相反。

锕系元素和镧系元素中都发现离子半径收缩的现象,即随着原子序数的增大,离子半径反而减小。锕系元素中,充填最初几个5f电子时,离子半径收缩比较明显,后来趋于平缓,使得这些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。溶剂萃取和离子交换是广泛使用的分离方法,特别是在发现锫、锎、锿、镄和钔等元素时,离子交换色谱法曾起了重要的作用。基于离子半径的微小差别及对各种络合剂的不同络合作用,锕系元素可依次从离子交换柱淋洗下来。

α 衰变和自发裂变是锕系元素的重要核特性。随着原子序数的增大,半衰期依次缩短。以元素中半衰期最长的同位素为例,铀238的半衰期为4.468×109年,锎251的半衰期为898年,铹260的半衰期仅3分钟。

锕系元素的毒性和辐射危害(特别是吸入体内的 α辐射体)较大,必须在有防护措施的密闭工作箱中操作这些物质。 [1]


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