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(一種放射性金屬)

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錒,一種天然放射性元素,化學符號Ac,原子序數89,原子相對質量227.0278,屬錒系元素,為銀白色金屬。其英文名來源於希臘文aktis(射線)。1899年法國的A.一L.德比埃爾內從鈾礦渣中分離出錒。
已發現質量數209-232的全部錒同位素,除錒227和錒228是天然放射性同位素外,其餘都是通過人工核反應合成的。錒一227是錒一鈾放射性衰變系的衰變產物,在鈾礦中賦存量為每噸鈾約0.2毫克。 [1-2] 
中文名
錒(ā)
外文名
Actinium
熔    點
1050 ℃
沸    點
3200 ℃
密    度
10.07克/釐米³
原子半徑
187.8pm
週    期
7
序    號
89
原子質量
227.0278原子量單位
IIIB
元素分區
f

簡介

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錒為銀白色金屬,熔點1320K±50K,沸點3470K±300K,密度(293K)10062kg/m³。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温度下灼燒得到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

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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年貝採利烏斯(J.J.Berzelius)發現釷。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。1944年他又利用鈈同位素的中子俘獲反應獲得鎇,用氦離子轟擊鈈同位素獲得鋦,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年分別獲得鎄、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,鈈以噸計,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,便攜式的γ或X射線源;鈾和鈈等是製造核武器的主要原料。

化學性質

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Ac的化學方程式 Ac的化學方程式
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。
錒系元素:週期系ⅢB族中原子序數為89 ~103 的 15種化學元素的統稱。包括錒(Ac)、(Th)、鏷(Pa)、(U)、鎿(Np)、(Pu)、鎇(Am)、鋦(Cm)、(Bk)、鐦(Cf)、(Es)、(Fm)、(Md)、(No)、(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,錒系元素中也存在着離子半徑收縮現象。
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,隨着原子序數的增大 ,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,只有鈈、鎿、鎇、鋦的年產量達千克級以上,鐦僅為克量級,鎄以後的元素量極少,半衰期很短,僅用於研究。用途比較多的只限於鈾和釷,鈈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

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錒為銀白色金屬,能在暗處發光;熔點1050℃沸點3200℃密度10.07克/釐米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。錒的剪切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航天器中的熱源。錒系元素都有放射性。 [3] 
錒的物理性質 錒的物理性質

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
範德華半徑 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 [4] 

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 [4] 

錒元素的天然存在

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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,如圖《錒系衰變鏈》所示。
錒系衰變鏈 錒系衰變鏈
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

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錒系元素的用途越來越廣,鈾-233、鈾-235和鈈-239是核反應堆和核電站用的燃料,錒—227、鋦—244和鈈—238等則用作宇航飛行器的熱源。雖然錒天然存在於鈾礦裏,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 [5] 
參考資料
  • 1.    姚天揚,孫爾康總主編;李心愛,宣婕主編;楊娟,王春玲,康希副主編;魏元訓主審. 大學化學 下. 南京:南京大學出版社, 2014.05.
  • 2.    林茵,李想主編. 常見化學元素辭典[M]. 呼和浩特:遠方出版社, 2006.09.164頁
  • 3.    安小剛. 從鈾礦石中提取高放射性純度~(227)Ac及其定值的研究[D].南華大學,2014.
  • 4.    孫挺主編. 無機化學. 北京:冶金工業出版社, 2015.09.
  • 5.    Theodore Gray,Nick Mann.視覺之旅:神奇的化學元素.北京市崇文區夕照寺街14號:人民郵電出版社,2011:205