錒系金屬

定義

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，在元素周期表中佔有特殊位置。用符號An表示。

錒系金屬包括錒(Ac)、釷(Th)、鏷(Pa)、鈾(U)、鎿(Np)、鈈(Pu)、鎇(Am)、鋦(Cm)、錇(Bk)、鐦(Cf)、鎄(Es)、鐨(Fm)、鍆(Md)、鍩(No)、鐒(Lr)，和鑭系元素統稱為f區金屬。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，個別元素如鈈以極微量的核反應產物形式存在於鈾礦中，其餘都是利用核反應人工製得的。鈾以後的原子序數為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)從瀝青鈾礦中發現了鈾，它是被人們認識的第一個錒系元素。其後陸續發現了錒、釷和鏷。鈾以後的元素都是在1940年後用人工核反應合成的，稱為人工合成元素。鎄以後的重錒系元素由於量極微，半衰期很短，僅應用於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，攜帶型的γ或X射線源；鈾和鈈等是製造核武器的主要原料。

當前世界錒系各種元素的生產規模相差很大；鈾的年產量以萬噸計，釷以千噸計，鈈以噸計，鎿、鏷、鎇以公斤計，錒、鏷、鋦、鐦以克計，鐦外錒系元素以毫克甚至以原子數計。中國已製得所有的錒系元素。

錒系元素都是金屬，與鑭系元素一樣，化學性質比較活潑。它們的氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、高氯酸鹽可溶於水，氫氧化物、氟化物、硫酸鹽、草酸鹽不溶於水。大多數錒系元素能形成配位化合物。α衰變和自發裂變是錒系元素的重要核特性，隨著原子序數的增大，半衰期依次縮短，鈾238的半衰期為44.68億年；鐒260的半衰期只有3分鐘。錒系元素的毒性和輻射（特別是吸入人體內的α輻射體）的危害較大，必須在有防護措施的密閉工作箱中操作這些物質。

鐒 (Lr) 是否屬於錒系元素有爭論。最近的色譜分析顯示，鐒應屬於IIIB族，而非錒系。但為了方便敘述，現今仍習慣將其與錒系合稱。

前四種錒系元素錒、釷、鏷、鈾存在於自然界。鎿至鐒11種錒系元素則全部用人工核反應合成（鎿、鈈在含鈾礦物中也有發現，但其量極微），合成的方式有在反應堆或核爆炸中輻照重元素靶及在加速器上用帶電粒子轟擊重元素靶等。

錒系元素原子基態的電子構型是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)，從鏷到鍩電子填入第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後的元素逐次充填5f內層電子，直到充滿14個5f內層電子為止。由於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。基於此種設想的錒系理論是由美國核化學家G.T.西博格於1944年提出的。根據這個理論，錒系最後一個元素為第103號元素，而第104號元素預計不屬於錒系而屬於第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號元素的發現，都證實了錒系理論的正確。

錒系元素原子結構的特點是：錒以後的元素電子依次填充5f內電子層，它們的最外層的電子構型基本相同，使錒系元素之間的性質非常相似，與鑭系元素一樣，錒系元素中也存在著離子半徑收縮現象。

由於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，前面幾個和最後幾個錒系元素還有不同的氧化態，如鏷有＋5氧化態；鈾、鎿、鎇有＋5和＋6氧化態，鎿和鈈還有＋7氧化態，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為＋4）；鐦、鎄、鐨、鍆和鍩等元素都有＋2氧化態。錒系與鑭系的這種差別是因為輕的錒系元素中5f電子激發到6d軌道所需能量比相應的鑭系元素中4f電子激發到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，因而出現較高的氧化態；而重的錒系元素卻正好相反。

錒系元素和鑭系元素中都發現離子半徑收縮的現象，即隨著原子序數的增大，離子半徑反而減小。錒系元素中，充填最初幾個5f電子時，離子半徑收縮比較明顯，後來趨於平緩，使得這些元素的離子半徑十分接近。因此錒系元素在化學性質上的差別隨著原子序數增大而逐漸變小，以致逐個地分離錒系元素（尤其是重錒系元素）越來越困難。溶劑萃取和離子交換是廣泛使用的分離方法，特別是在發現錇、鐦、鎄、鐨和鍆等元素時，離子交換色譜法曾起了重要的作用。基於離子半徑的微小差別及對各種絡合劑的不同絡合作用，錒系元素可依次從離子交換柱淋洗下來。

α 衰變和自發裂變是錒系元素的重要核特性。隨著原子序數的增大，半衰期依次縮短。以元素中半衰期最長的同位素為例，鈾238的半衰期為4.468×109年，鐦251的半衰期為898年，鐒260的半衰期僅3分鐘。

錒系元素的毒性和輻射危害（特別是吸入體內的 α輻射體）較大，必須在有防護措施的密閉工作箱中操作這些物質。

1789年克拉普羅特(M.H.Klaproth)從瀝青鈾礦中發現鈾，是錒系中第一個被發現的元素。1828年貝采利烏斯(J.J.Berzelius)發現釷。鈾和釷的發現為大部分其他錒系元素的製取開闢了道路。1899年在居里實驗室工作的德比爾納（A.L.Debierne）發現錒,1902年蓋瑟爾(F.Geisel)也獨立發現了錒。1913年法揚斯 (K.Fajans)和格林（O.Ghring）發現了鏷的同位素234Pa,1917年哈恩(O.Hahn)和梅特勒(L.Meitner)發現了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鎿。同年，西博格(G.T.Seaborg)等用氘核轟擊鈾得到鈈。1944年他又利用鈈同位素的中子俘獲反應獲得鎇，用氦離子轟擊鈈同位素獲得鋦,1949年湯普森(S.G.Thompson)等人用氦離子轟擊241Am獲得錇,1950年用氦離子轟擊242Cm獲得鐦。吉奧索(A.Ghiorso)等人又於1952年、1953年、1955年、1958年、1961年分別獲得鎄、鐨、鍆、鍩和鐒。

應用 人工合成的錒系元素中，只有鈈、鎿、鎇、鋦等年產達公斤級以上，鐦僅為克量級。鎄以後的重錒系元素由於量極微，半衰期很短，僅應用於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和鈈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和鈈 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輻射製成各種中子源以外，還可利用產生的熱能製成熱源和熱電池，如鋦244、鈈238等用作氣象衛星及其他宇宙飛行器的能源，其中鈈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