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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(shù)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(zhì)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(shù)和主要物理性質(zhì)見有右圖。這些元素都是放射性元素，它們的化學性質(zhì)相近，與鑭系元素的化學性質(zhì)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(chǎn)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(shù)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(zhì)。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(chǎn)規(guī)模相差很大；鈾的年產(chǎn)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(shù)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(gòu)型
錒系元素原子基態(tài)的電子構(gòu)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(shù)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(shù)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(nèi)錒以后的元素逐次充填5f內(nèi)層電子，直到充滿14個5f內(nèi)層電子為止。由于原子的最外層電子構(gòu)型基本相同，只在5f內(nèi)層更迭電子，所以這些元素組成了自成系列的錒系元素。基于此種設(shè)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(jù)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(zhì)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。
錒系元素原子結(jié)構(gòu)的特點是：錒以后的元素電子依次填充5f內(nèi)電子層，它們的最外層的電子構(gòu)型基本相同，使錒系元素之間的性質(zhì)非常相似，與鑭系元素一樣，錒系元素中也存在著離子半徑收縮現(xiàn)象。
化學性質(zhì)
 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(shù)的增加都只在內(nèi)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(zhì)相似，而且每個系列內(nèi)元素之間的化學性質(zhì)也是相近的。
大多數(shù)錒系元素都有以下性質(zhì)：
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(shù)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(zhì)
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(chǎn)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(zhì)。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?nèi)剂?。?35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(chǎn)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(guān)連接
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