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錒系金屬
概述
定義
 錒系金屬 |
錒系金屬 |
錒系金屬是元素周期表ⅢB族中原子序數為89～103的15種化學元素的統(tǒng)稱，又稱錒系元素（actinicles）。它們化學性質相似，所以單獨組成一個系列，在元素周期表中占有特殊位置。用符號An表示。
簡介
錒系金屬包括錒(Ac)、釷(Th)、鏷(Pa)、鈾(U)、镎(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、鋦(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、鐨(Fm)、鍆(Md)、锘(No)、鐒(Lr)，和鑭系元素統(tǒng)稱為f區(qū)金屬。元素符號、原子序數和主要物理性質見有右圖。這些元素都是放射性元素，它們的化學性質相近，與鑭系元素的化學性質也很類似。錒系元素中錒、釷、鏷、鈾是天然存在的，個別元素如钚以極微量的核反應產物形式存在于鈾礦中，其余都是利用核反應人工制得的。鈾以后的原子序數為93～109的17種元素稱為超鈾元素。1789年德國克拉普羅特（M.H.Klaproth,1743-1817)從瀝青鈾礦中發(fā)現(xiàn)了鈾，它是被人們認識的第一個錒系元素。其后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了錒、釷和鏷。鈾以后的元素都是在1940年后用人工核反應合成的，稱為人工合成元素。锿以后的重錒系元素由于量極微，半衰期很短，僅應用于實驗室條件下研究和鑒定核素性質。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；鈾和钚等是制造核武器的主要原料。
當前世界錒系各種元素的生產規(guī)模相差很大；鈾的年產量以萬噸計，釷以千噸計，钚以噸計，镎、鏷、镅以公斤計，錒、鏷、鋦、锎以克計，锎外錒系元素以毫克甚至以原子數計。中國已制得所有的錒系元素。
爭論
鐒(Lr)是否屬于錒系元素有爭論。最近的色譜分析顯示，鐒應屬于IIIB族，而非錒系。但為了方便敘述，現(xiàn)今仍習慣將其與錒系合稱。
來源
電子構型
錒系元素原子基態(tài)的電子構型是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)，從鏷到锘電子填入第5層，使第5層電子數從18個增加到32個。按照原子核外的電子能級，元素周期表第七周期內錒以后的元素逐次充填5f內層電子，直到充滿14個5f內層電子為止。由于原子的最外層電子構型基本相同，只在5f內層更迭電子，所以這些元素組成了自成系列的錒系元素?；诖朔N設想的錒系理論是由美國核化學家G.T.西博格于1944年提出的。根據這個理論，錒系最后一個元素為第103號元素，而第104號元素預計不屬于錒系而屬于第Ⅳ副族。超鈾元素的成功合成及對其化學性質的研究，尤其是第104號元素的發(fā)現(xiàn)，都證實了錒系理論的正確。
化學性質
 錒系金屬 |
化學元素周期表 |
由于鑭系和錒系兩個系列的元素隨著原子序數的增加都只在內層軌道（相應的4f和5f軌道）充填電子，其外層軌道（相應的6s、5d和7s、6d軌道）的電子排布基本相同，因此不僅鑭系元素和錒系元素的化學性質相似，而且每個系列內元素之間的化學性質也是相近的。
大多數錒系元素都有以下性質：
能形成絡離子和有機螯合物的三價陽離子；生成三價的不溶性化合物，如氫氧化物、氟化物、碳酸鹽和草酸鹽等；生成三價的可溶性化合物，如硫酸鹽、硝酸鹽、高氯酸鹽和某些鹵化物等。在水溶液中多數錒系元素為＋3氧化態(tài)，前面幾個和最后幾個錒系元素還有不同的氧化態(tài)，如鏷有＋5氧化態(tài)；鈾、镎、镅有＋5和＋6氧化態(tài)，镎和钚還有＋7氧化態(tài)，可以MO娚、MO卂、MO幯等離子形式存在（鑭系元素中最高氧化態(tài)為＋4）；锎、锿、鐨、鍆和锘等元素都有＋2氧化態(tài)。錒系與鑭系的這種差別是因為輕的錒系元素中5f電子激發(fā)到6d軌道所需能量比相應的鑭系元素中4f電子激發(fā)到5d軌道的能量要小，使得錒系元素比鑭系元素有更多的成鍵電子，因而出現(xiàn)較高的氧化態(tài)；而重的錒系元素卻正好相反。
核性質
發(fā)現(xiàn)
1789年克拉普羅特(M.H.Klaproth)從瀝青鈾礦中發(fā)現(xiàn)鈾，是錒系中第一個被發(fā)現(xiàn)的元素。1828年貝采利烏斯(J.J.Berzelius)發(fā)現(xiàn)釷。鈾和釷的發(fā)現(xiàn)為大部分其他錒系元素的制取開辟了道路。1899年在居里實驗室工作的德比爾納（A.L.Debierne）發(fā)現(xiàn)錒,1902年蓋瑟爾(F.Geisel)也獨立發(fā)現(xiàn)了錒。1913年法揚斯 (K.Fajans)和格林（O.Ghring）發(fā)現(xiàn)了鏷的同位素234Pa,1917年哈恩(O.Hahn)和梅特勒(L.Meitner)發(fā)現(xiàn)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镎。同年，西博格(G.T.Seaborg)等用氘核轟擊鈾得到钚。1944年他又利用钚同位素的中子俘獲反應獲得镅，用氦離子轟擊钚同位素獲得鋦,1949年湯普森(S.G.Thompson)等人用氦離子轟擊241Am獲得锫,1950年用氦離子轟擊242Cm獲得锎。吉奧索(A.Ghiorso)等人又于1952年、1953年、1955年、1958年、1961年分別獲得锿、鐨、鍆、锘和鐒。
應用 人工合成的錒系元素中，只有钚、镎、镅、鋦等年產達公斤級以上，锎僅為克量級。锿以后的重錒系元素由于量極微，半衰期很短，僅應用于實驗室條件下研究和鑒定核素性質。在核能利用方面，最重要的核素有鈾233、鈾235和钚239,它們是反應堆、核電站或其他核動力的易裂變燃料。鈾235在自然界存在，鈾233和钚239則分別通過釷232和鈾238俘獲中子等人工核反應生成。許多錒系核素除了利用其α輻射制成各種中子源以外，還可利用產生的熱能制成熱源和熱電池，如鋦244、钚238等用作氣象衛(wèi)星及其他宇宙飛行器的能源，其中钚238還成功地用作人造心臟的能源。參考資料 A.F.Trotman-Dickenson ed.,The Chemistry of the Actinides,Pergamon,Oxford,1973. 克勒爾著，《超鈾元素化學》編譯組譯：《超鈾元素化學》，原子能出版社，北京，1977。(C.Keller,The Chemistry of the Transuranium Elements，VerlagChemie GmbH,Weinheim,1971.)配圖相關連接
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