锕系元素

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  锕系元素汉语拼音:Axi Yuansu;英语:Actinide Element; Actinide),元素周期表中第89号元素至103号元素共15种放射性元素的统称,它们的化学性质相近,和镧系元素一样,单独组成一个系列,在元素周期表中占有特殊位置。锕系元素包括了以后人工合成的11种超铀元素

  前4种锕系元素锕、、铀存于自然界至铹11种锕系元素则全部用人工核反应合成(镎、虽在含铀矿物中也存在,但它们是在人工合成该元素后,才在自然界发现的,其量极微),合成的方式有在核反应堆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。

电子组态和性质

  按照原子核外的电子能级,元素周期表第七周期锕以后的元素逐次充填5f内层电子直至充满14个5f内层电子为止。由于原子的外层电子组态基本相同,只是在5f内层更迭电子,所以这些元素组成化学性质相近的锕系系列。虽然镧系和锕系两个系列都在内层电子轨道(相应的4f和5f)充填电子,外层电子轨道(相应的6s、5d和7s、6d)的电子组态基本相同,然而锕系元素在化学性质上不显示如镧系元素那种一致性。锕系元素常见氧化态也是+3,但轻锕系元素(钍、镤、铀、镎、钚等)却更倾向于形成比+3高的氧化态,如镤有+5氧化态,铀、镎、钚、有+5和+6氧化态,镎还有+7氧化态,在不同条件下它们可以MO2、MO22+、MO53-等离子形式存在,而镧系元素中最高氧化态为+4;重锕系元素则有+2氧化态。锕系与镧系的这种差别是因为轻锕系中5f电子激发到6d轨道所需的能量比相应的镧系中4个电子激发到5d轨道的能量要小,使得轻锕系元素有更多的成键电子,因而出现较高的氧化态,而重锕系元素却正好相反。

  与镧系元素一样,锕系元素也存在离子半径收缩现象,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,以致逐个地分离重锕系元素难度增大。通常采用溶剂萃取和离子交换方法实现锕素元素的分离鉴定,特别是在发现重锕系元素时,离子交换方法曾起了重要的作用。

  锕系元素金属具有银白色光泽,有较高的相对密度(如铀、镎、钚三种金属的相对密度均超过19),它们易溶于稀酸,在空气中易被氧化成氧化物,细粉状金属可自燃,但与氮的作用即使在高温下也很缓慢。

核性质

  已经鉴定的锕系元素的核素有200余种,它们全部具有放射性,α衰变和自发核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。以锕系元素中半衰期最长的同位素为例,238U的半衰期为4.47×109年,251Cf的半衰期为900年,而260Lr却仅为3分钟。

  重锕系元素核素生存的寿命短暂,产生的数量极少,单靠通常的化学程序难以完成对宏观性质的研究。运用核化学(如快化学分析)和核物理探测方法,利用人工核反应产物的辐射特性可成功地对锕系元素(以至锕系以后的超重元素)核素在痕量水平上进行分析和鉴定。

  锕系元素的毒性和辐射危害很大,特别是防止吸入α辐射体和保障临界安全,必须在有防护措施的密闭环境中操作,必须采取特殊措施保存和运输。

  在利用核能的同时,人们关切辐射事故和放射性废物对环境可能造成的影响,而放射性废物的远期危害主要来自长寿命的锕系元素核素。为保护生态环境,在宏观方面调查锕系元素的来源及分布,在微观方面研究锕系元素在环境中的存在形态及运动规律,可以为长期、可靠地处理和处置放射性废物提供最佳方案。

制取

  从锕至锎均能制成金属,其中钍、铀和钚已经大规模生产,如239Pu的年生产规模已达数十吨,其他锕系元素产生数量很少,249Cf仅为毫克水平,而重锕系的256Lr只在实验室内人工获取了数十个原子作为研究之用。

  铀和钚是最重要的锕系金属,通常用锂或钡(实验室规模)或用钙或镁(工业生产规模)还原其氟化物而制成金属。

应用

  233U、235U和239Pu是核反应堆、核电站或其他核动力的燃料。在军事上,235U和239Pu还是裂变核武器的装料。许多锕系元素核素除了利用其α辐射制成各种中子源以外,还利用产生的热能制成热源和热电池,如244Cm、238Pu等用作航天器中某些仪表的能源,其中半衰期达87.7年的238Pu除用于人工心脏起搏器外还计划用作月球上的电源。