锕系金属(锕系金属)
VLoG
次浏览
更新时间:2023-05-20
锕系金属
概述
定义
锕系金属 |
锕系金属 |
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。
简介
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。
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
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。
化学性质
锕系金属 |
化学元素周期表 |
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。
核性质
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.Ghring)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