锕系金属（锕系金属）

概述

定义

锕系金属是元素周期表ⅢB族中原子序数为89 ～103的15种化学元素的统称，又称锕系元素（actinicles）。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。用符號An表示。

锕系金属包括锕(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)，和镧系元素统称为f区金属。元素符号、原子序数和主要物理性质见有右图。这些元素都是放射性元素，它们的化学性质相近，与镧系元素的化学性质也很类似。锕系元素中锕、钍、镤、铀是天然存在的，个别元素如钚以极微量的核反应产物形式存在于铀矿中，其余都是利用核反应人工制得的。铀以后的原子序数为93～109的17种元素称为超铀元素。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。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。锕系元素主要用作核反应堆的原料，便携式的γ或X射线源；铀和钚等是制造核武器的主要原料。

当前世界锕系各种元素的生产规模相差很大；铀的年产量以万吨计，钍以千吨计，钚以吨计，镎、镤、镅以公斤计，锕、镤、锔、锎以克计，锎外锕系元素以毫克甚至以原子数计。中国已制得所有的锕系元素。

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。

争论

铹 (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。

来源

前四种锕系元素锕、钍、镤、铀存在于自然界。镎至铹11种锕系元素则全部用人工核反应合成（镎、钚在含铀矿物中也有发现，但其量极微），合成的方式有在反应堆或核爆炸中辐照重元素靶及在加速器上用带电粒子轰击重元素靶等。

电子构型

锕系元素原子基態的電子構型是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。

化学性质

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娚、MO卂、MO幯等离子形式存在（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。

核性质

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。

发现

1789年克拉普罗特(M.H.Klaproth)从沥青铀矿中发现铀，是锕系中第一个被发现的元素。1828年贝采利乌斯(J.J.Berzelius)发现钍。铀和钍的发现为大部分其他锕系元素的制取开辟了道路。1899年在居里实验室工作的德比尔纳（A.L.Debierne）发现锕,1902年盖瑟尔(F.Geisel)也独立发现了锕。1913年法扬斯 (K.Fajans)和格林（O.Ghring）发现了镤的同位素234Pa,1917年哈恩(O.Hahn)和梅特勒(L.Meitner)发现了231Pa。1940年麦克米伦(E.M.McMillan)和艾贝尔森 (P.H.Abelson)用中子辐照天然铀得到镎。同年，西博格(G.T.Seaborg)等用氘核轰击铀得到钚。1944年他又利用钚同位素的中子俘获反应获得镅，用氦离子轰击钚同位素获得锔,1949年汤普森(S.G.Thompson)等人用氦离子轰击241Am获得锫,1950年用氦离子轰击242Cm获得锎。吉奥索(A.Ghiorso)等人又于1952年、1953年、1955年、1958年、1961年分别获得锿、镄、钔、锘和铹。

应用 　人工合成的锕系元素中，只有钚、镎、镅、锔等年产达公斤级以上，锎仅为克量级。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。在核能利用方面，最重要的核素有铀233、铀235和钚239,它们是反应堆、核电站或其他核动力的易裂变燃料。铀235在自然界存在，铀233和钚 239则分别通过钍232和铀238俘获中子等人工核反应生成。许多锕系核素除了利用其α辐射制成各种中子源以外，还可利用产生的热能制成热源和热电池，如锔244、钚238等用作气象卫星及其他宇宙飞行器的能源，其中钚238还成功地用作人造心脏的能源。参考资料　A.F.Trotman-Dickenson ed.,The Chemistry of the Actinides,Pergamon,Oxford,1973. 　克勒尔著，《超铀元素化学》编译组译：《超铀元素化学》，原子能出版社，北京，1977。(C.Keller,The Chemistry of the Transuranium Elements，VerlagChemie GmbH,Weinheim,1971.) 配图 相关连接