锕系元素

锕系元素是第89号元素锕到103号元素铹共15种放射性元素的统称。錒系元素也属于过渡元素，只是錒系元素的外层和次外层的电子构型基本相同，新增加的电子則大都填入从外侧数第三个电子层（即5f电子层）中，所以錒系元素又可以称为5f系。为了区别于元素周期表中的d区过渡元素，故又将锕系元素及镧系元素合称为内过渡元素。由于锕系元素都是金属，所以又可以和镧系元素统称为f区金属。锕系元素用符号An表示。

原子序数	名称	符号
89	錒	Ac
90	釷	Th
91	镤	Pa
92	鈾	U
93	錼	Np
94	鈽	Pu
95	鋂	Am
96	鋦	Cm
97	鉳	Bk
98	鉲	Cf
99	鑀	Es
100	鐨	Fm
101	鍆	Md
102	锘	No
103	鐒	Lr

1789年德国馬丁·克拉普羅特从沥青铀矿中发现铀，它是被人们认识的第一个锕系元素。其后陆续发现钍、锕和镤。铀以后的元素（即超鈾元素）都是在1940年后用人工核反应合成的，屬於人工合成元素，不過也有部分超鈾元素最初是通過人工合成的方式發現，但是後來在自然界中，也發現有痕跡量的存在，例如錼和鈽等。

和镧系元素相比，較輕的锕系元素彼此之間的化合價有較多的變化，因此相似度沒有鑭系元素來的高，而較重的錒系元素則因為錒系收縮現象的減緩而使得彼此之間的相似性較高，因而造成分離上的困難。

锕系元素原子基態的電子構型是5f^0~146d^0~17s²，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。

性質

元素名稱	錒	釷	鏷	鈾	錼	鈽	鋂	鋦	鉳	鉲	鑀	鐨	鍆	鍩	鐒
原子序	89	90	91	92	93	94	95	96	97	98	99	100	101	102	103
圖片												無	無	無	無
原子量	227.03	232.04	231.04	238.03	237.05	[244]	[243]	[247]	[247]	[251]	[252]	[257]	[258]	[259]	[266]
天然同位素數量	3	7	3	8	3	4	0	0	0	0	0	0	0	0	0
最長壽同位素	227	232	231	238	237	244	243	247	247	251	252	257	258	259	266
最長壽同位素之半衰期	21.8年	140億年	32500年	44.7億年	214萬年	8080萬年	7370年	1560萬年	1380年	900年	1.29年	100.5天	52天	58分鐘	11小時
密度（g/cm³）[1]	10.07	11.724	15.37	19.05	20.45	19.816	13.67	13.51	14.78	15.1	-	-	-	-	-
熔點（°C）	1050	1842	1568	1132.2	639	639.4	1176	1340	986	900	860	1530	830	830	1630
沸點（°C）	3198	4788	4027？	4131	4174？	3228	2607？	3110	2627	1470？	996？	—	—	—	—
電子組態（氣相）	6d¹7s²	6d²7s²	5f²6d¹7s² 或 5f¹6d²7s²	5f³6d¹7s²	5f⁴6d¹7s² 或 5f⁵7s²	5f⁶7s²	5f⁷7s²	5f⁷6d¹7s²	5f⁹7s² 或 5f⁸6d¹7s²	5f¹⁰7s²	5f¹¹7s²	5f¹²7s²	5f¹³7s²	5f¹⁴7s²	5f¹⁴7s²7p¹
電子組態（固相）	6d¹7s²	5f^0.56d^1.57s²	5f^1.76d^1.37s²	5f^2.96d^1.17s²	5f⁴6d¹7s²	5f⁵6d¹7s²	5f⁶6d¹7s²	5f⁷6d¹7s²	5f⁸6d¹7s²	5f⁹6d¹7s²	5f¹¹7s²	5f¹²7s²	5f¹³7s²	5f¹⁴7s²	5f¹⁴6d¹7s²
金屬半徑（pm）	203	180	162	153	150	162	173	174	170	186	186	? 198	? 194	? 197	? 171

錒系元素皆為银灰色有光泽的放射性金屬[2][3][4][5]，半衰期隨著原子序的擴大而依次縮短。錒系元素的性质较软，具有較高的密度及可塑性，在空氣中會失去光澤。[6]與鑭系元素一樣，錒系元素的化學性質比較活潑，能形成錯合物及可溶於水的氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽及高氯酸鹽等，至於它們的氫氧化物、氟化物、硫酸鹽及草酸鹽等則不溶於水。

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。参见镧系元素中关于镥的地位的争论。

原子半径和离子半径（锕系收缩）

与同族的钪、钇、镧、锕原子半径逐渐增大的规律恰恰相反，从釷到鐒则是逐渐减小。这种锕系元素的原子半径和离子半径随原子序数的增加而逐渐减小的现象称为锕系收缩。

錒系元素中，充填最初幾個元素的5f電子時，離子半徑收縮地比較明顯，但此現象後來趨於平緩，使得這些較重的錒系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的增大而逐漸變小，以致逐個地分離錒系元素（尤其是重錒系元素）越來越困難。

原子序数	元素名称	+3离子半径（pm）	+4离子半径（pm）
90	釷（Th）	108	99
91	鏷（Pa）	105	93
92	鈾（U）	103	93
93	錼（Np）	101	92
94	鈽（Pu）	100	90
95	鋂（Am）	99	89
96	鋦（Cm）	98	88
97	鉳（Bk）	——	——
98	鉲（Cf）	——	——
99	鑀（Es）	——	——
100	鐨（Fm）	——	——
101	鍆（Md）	——	——
102	鍩（No）	——	——
103	鐒（Lr）	——	——

离子的颜色

水溶液中錒系元素離子的近似顏色（最後四個元素的離子顏色未知，因為尚未合成出足夠的量進行觀察）[7]
氧化態	錒	釷	鏷	鈾	錼	鈽	鋂	鋦	鉳	鉲	鑀	鐨	鍆	鍩	鐒
+2												Fm²⁺	Md²⁺	No²⁺
+3	Ac³⁺	Th³⁺	Pa³⁺	U³⁺	Np³⁺	Pu³⁺	Am³⁺	Cm³⁺	Bk³⁺	Cf³⁺	Es³⁺	Fm³⁺	Md³⁺	No³⁺	Lr³⁺
+4		Th⁴⁺	Pa⁴⁺	U⁴⁺	Np⁴⁺	Pu⁴⁺	Am⁴⁺	Cm⁴⁺	Bk⁴⁺	Cf⁴⁺
+5			PaO+ 2	UO+ 2	NpO+ 2	PuO+ 2	AmO+ 2
+6				UO2+ 2	NpO2+ 2	PuO2+ 2	AmO2+ 2
+7					NpO3+ 2	PuO3+ 2	AmO3− 5

鈾的3、4、5、6價鹽的水溶液
錼的3、4、5、6、7價鹽的水溶液
鈽的3、4、5、6、7價鹽的水溶液

分布

地殼中含量最豐富的錒系元素為釷和鈾，它們兩者具有很長的半衰期，放射性較微弱，因此能在地殼中以穩定的量存在。主要的含鈾礦物有釩酸鉀鈾礦和鈣鈾雲母等，而釷主要分布在獨居石、方釷石和釷石等礦物中。大多數含釷礦物中皆含有鈾，反之亦然，且這些礦物中也都含有大量的鑭系元素。而鏷和錒主要分布在各種鈾礦中，含量甚低。至於超鈾元素大多不存在於自然界中，必須透過粒子加速器人工合成，只有部分較輕的元素如錼和鈽等以痕量存在於鈾礦中。

用途

儘管部分錒系元素已在日常生活中得到了應用，例如煙霧偵測器中的鋂[8][9]和煤氣網罩中的釷等[10]，但錒系元素主要用於核武器，或當作核反應堆的燃料，例如鈾和鈽等。而原子序較大的重錒系元素由於製備的難度較高，且較不穩定，因此只用於學術研究，而沒有實際用途。

在核反应堆最重要的同位素是铀-235。它被用于如核反应堆，且在天然铀里有0.72%的铀-235。它强烈吸收热中子，然后放出能量。铀235核子吸收中子后，会裂变成2个较轻的核子和2至3颗中子，如：

235
92U + 1
0n ⟶ 115
45Rh + 118
47Ag + 31
0n

1克²³⁵U的一次裂变行为转换为大约1MW/天。重要的是,235
92U发射的中子多于吸收的中子;[11] 达到临界质量时，235
92U进入自动链锁反应。[12]

已隱藏部分未翻譯部分，歡迎參與翻譯。

Other promising actinide isotopes for nuclear power are thorium-232 and its product from the thorium fuel cycle, uranium-233.

Nuclear reactor[12][13][14]
The core of most Generation II nuclear reactors contains a set of hollow metal rods, usually made of zirconium alloys, filled with solid nuclear fuel pellets – mostly oxide, carbide, nitride or monosulfide of uranium, plutonium or thorium, or their mixture (the so-called MOX fuel). The most common fuel is oxide of uranium-235. Nuclear reactor scheme Fast neutrons are slowed by moderators, which contain water, carbon, deuterium, or beryllium, as thermal neutrons to increase the efficiency of their interaction with uranium-235. The rate of nuclear reaction is controlled by introducing additional rods made of boron or cadmium or a liquid absorbent, usually boric acid. Reactors for plutonium production are called breeder reactor or breeders; they have a different design and use fast neutrons.

Emission of neutrons during the fission of uranium is important not only for maintaining the nuclear chain reaction, but also for the synthesis of the heavier actinides. Uranium-239 converts via β-decay into plutonium-239, which, like uranium-235, is capable of spontaneous fission. The world's first nuclear reactors were built not for energy, but for producing plutonium-239 for nuclear weapons.

釷除了用作煤氣網罩的材料之外[10]，也常和鎂、鋁等金屬做成合金，因為鎂釷合金不但堅固，還具有高熔點及高延展性，因此被廣泛用於航空工業和導彈的生產中。釷還有著良好的電子發射性能，可用作電子器件中的高效電子發射極。此外釷的半衰期很長[11]，和鈾同位素的相對含量被廣泛用於估算包括恆星在內的各種物體的年齡（參見放射性定年法）。[15]

钚元素的主要用途是制造核武器，尤其是可以裂变的钚-239。它的临界质量是铀-235的1/3。[16]

已隱藏部分未翻譯部分，歡迎參與翻譯。

The "Fat Man"-type plutonium bombs produced during the Manhattan Project used explosive compression of plutonium to obtain significantly higher densities than normal, combined with a central neutron source to begin the reaction and increase efficiency. Thus only 6.2 kg of plutonium was needed for an explosive yield equivalent to 20 kilotons of TNT.[17] (See also Nuclear weapon design.) Hypothetically, as little as 4 kg of plutonium—and maybe even less—could be used to make a single atomic bomb using very sophisticated assembly designs.[18]

Plutonium-238 is potentially more efficient isotope for nuclear reactors, since it has smaller critical mass than uranium-235, but it continues to release much thermal energy (0.56 W/g)[9][19] by decay even when the fission chain reaction is stopped by control rods. Its application is limited by the high price (about US$1000/g). This isotope has been used in thermopiles and water distillation systems of some space satellites and stations. So Galileo and Apollo spacecraft (e.g. Apollo 14[20]) had heaters powered by kilogram quantities of plutonium-238 oxide; this heat is also transformed into electricity with thermopiles. The decay of plutonium-238 produces relatively harmless alpha particles and is not accompanied by gamma-irradiation. Therefore, this isotope (~160 mg) is used as the energy source in heart pacemakers where it lasts about 5 times longer than conventional batteries.[9]

锕-227是中子源。 Its high specific energy (14.5 W/g) and the possibility of obtaining significant quantities of thermally stable compounds are attractive for use in long-lasting thermoelectric generators for remote use. ²²⁸Ac is used as an indicator of radioactivity in chemical research, as it emits high-energy electrons (2.18 MeV) that can be easily detected. ²²⁸Ac-²²⁸Ra mixtures are widely used as an intense gamma-source in industry and medicine.[21]

具有耐用晶体基质的自发光锕系元素掺杂材料的开发是锕系元素利用的一个新领域，因为向某些玻璃和晶体中添加α发射放射性核素可能会赋予发光性。[22]

對生物的影響

由於錒系元素皆具有放射性，對生物而言具有極高的毒性，過度暴露在它們散發出的輻射中會損害人體健康。因此含有錒系元素的核廢料的處置是一個至關重要的課題。[22]

参见

锕系后元素
超锕系元素
鉑系元素
鐵系元素
鑭系元素
超铀元素
次锕系元素

参考文献

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[1] . [2019-12-15]. （原始内容存档于2019-04-04）.

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[3] Actinide element （页面存档备份，存于）, Encyclopædia Britannica on-line

[4] Although "actinoid"（rather than "actinide"）means "actinium-like" and therefore should exclude actinium, that element is usually included in the series.

[5] Neil G. Connelly; 等. . . London: Royal Society of Chemistry. 2005: 52 [2014-03-31]. ISBN 0-85404-438-8. （原始内容存档于2014-01-01）.

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[8] Smoke Detectors and Americium, Nuclear Issues Briefing Paper 35, May 2002

[g1262-9] Greenwood, p. 1262

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[13] G. G. Bartolomei; V. D. Baybakov; M. S. Alkhutov; G. A. Bach. . Moscow: Energoatomizdat. 1982.

[14] Greenwood, pp. 1256–1261

[15] Sergey Popov; Alexander Sergeev. . Vokrug Sveta. 2008, 2811 (4) [2019-10-15]. （原始内容存档于2019-10-21）（俄语）.

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