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锕

原子序数为89的化学元素

锕（ā）（英语：Actinium），是一种化学元素，其化学符号为Ac，原子序数为89，位居锕系元素之首。在元素周期表中，锕系元素始于锕，止于铹，一共有15种元素。锕是一种柔软的银白色金属，具强放射性。锕属于十分活泼的金属，在空气中会迅速与氧气和水汽反应，在表面形成具保护性的白色氧化层。和大部分镧系元素及重锕系元素一样，锕最常见的氧化态是+3，化学性质也和镧系元素十分相似。

锕 89Ac
氢（非金属） 氦（稀有气体）
锂（碱金属） 铍（碱土金属） 硼（类金属） 碳（非金属） 氮（非金属） 氧（非金属） 氟（卤素） 氖（稀有气体）
钠（碱金属） 镁（碱土金属） 铝（贫金属） 硅（类金属） 磷（非金属） 硫（非金属） 氯（卤素） 氩（稀有气体）
钾（碱金属） 钙（碱土金属） 钪（过渡金属） 钛（过渡金属） 钒（过渡金属） 铬（过渡金属） 锰（过渡金属） 铁（过渡金属） 钴（过渡金属） 镍（过渡金属） 铜（过渡金属） 锌（过渡金属） 镓（贫金属） 锗（类金属） 砷（类金属） 硒（非金属） 溴（卤素） 氪（稀有气体）
铷（碱金属） 锶（碱土金属） 钇（过渡金属） 锆（过渡金属） 铌（过渡金属） 钼（过渡金属） 锝（过渡金属） 钌（过渡金属） 铑（过渡金属） 钯（过渡金属） 银（过渡金属） 镉（过渡金属） 铟（贫金属） 锡（贫金属） 锑（类金属） 碲（类金属） 碘（卤素） 氙（稀有气体）
铯（碱金属） 钡（碱土金属） 镧（镧系元素） 铈（镧系元素） 镨（镧系元素） 钕（镧系元素） 钷（镧系元素） 钐（镧系元素） 铕（镧系元素） 钆（镧系元素） 铽（镧系元素） 镝（镧系元素） 钬（镧系元素） 铒（镧系元素） 铥（镧系元素） 镱（镧系元素） 镥（镧系元素） 铪（过渡金属） 钽（过渡金属） 钨（过渡金属） 铼（过渡金属） 锇（过渡金属） 铱（过渡金属） 铂（过渡金属） 金（过渡金属） 汞（过渡金属） 铊（贫金属） 铅（贫金属） 铋（贫金属） 钋（贫金属） 砹（类金属） 氡（稀有气体）
钫（碱金属） 镭（碱土金属） 锕（锕系元素） 钍（锕系元素） 镤（锕系元素） 铀（锕系元素） 镎（锕系元素） 钚（锕系元素） 镅（锕系元素） 锔（锕系元素） 锫（锕系元素） 锎（锕系元素） 锿（锕系元素） 镄（锕系元素） 钔（锕系元素） 锘（锕系元素） 铹（锕系元素） 𬬻（过渡金属） 𬭊（过渡金属） 𬭳（过渡金属） 𬭛（过渡金属） 𬭶（过渡金属） 鿏（预测为过渡金属） 𫟼（预测为过渡金属） 𬬭（预测为过渡金属） 鿔（过渡金属） 鿭（预测为贫金属） 𫓧（贫金属） 镆（预测为贫金属） 𫟷（预测为贫金属） 鿬（预测为卤素） 鿫（预测为稀有气体）
镧
↑
锕
↓
(Ute)
镭 ← 锕 → 钍
外观
银白色，发暗蓝光[1]
概况
名称·符号·序数锕（Actinium）·Ac·89
元素类别锕系元素
族·周期·区不适用·7·f
标准原子质量[227]
电子排布[Rn] 6d1 7s2
2, 8, 18, 32, 18, 9, 2
锕的电子层（2, 8, 18, 32, 18, 9, 2）
锕的电子层（2, 8, 18, 32, 18, 9, 2）
历史
发现安德烈-路易·德比埃尔内、弗里德里希·奥斯卡·吉塞尔（英语：Friedrich Oskar Giesel）（1899、1902年）
分离安德烈-路易·德比埃尔内、弗里德里希·奥斯卡·吉塞尔（1899、1902年）
物理性质
物态固态
密度（接近室温）
10 g·cm−3
熔点1500 K，1227 °C，2240 °F（预测[2]）
沸点3500±300 K，3200±300 °C，5800±500 °F（外推[2]）
熔化热14 kJ·mol−1
汽化热400 kJ·mol−1
比热容27.2 J·mol−1·K−1
原子性质
氧化态3
（碱性）
电负性1.1（鲍林标度）
电离能第一：499 kJ·mol−1
第二：1170 kJ·mol−1
共价半径215 pm
锕的原子谱线
杂项
晶体结构面心立方
磁序无数据
热导率12 W·m−1·K−1
CAS号7440-34-8
同位素
主条目：锕的同位素
同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰变
方式 能量​（MeV） 产物
225Ac 痕量 9.9190 天 α 5.935 221Fr
CD 30.476 211Bi
226Ac 人造 29.37 小时 β− 1.112 226Th
ε 0.642 226Ra
α 5.506 222Fr
227Ac 痕量 21.772 年 β− 0.045 227Th
α 5.042 223Fr
228Ac 痕量 6.15 小时 β− 2.124 228Th

锕在1899年被发现，是首个得到分离的非原始元素（英语：Primordial nuclide）。虽然钋、镭和氡比锕更早被发现，但是科学家到1902年才分离出这些元素。

锕具有高度的放射性，最稳定的锕同位素是227Ac，会进行β衰变，半衰期为21.772年。由于缺乏长寿命的同位素，在自然界中只有痕量的锕出现在铀矿石当中，以227Ac为主，为235U的衰变产物。每一吨铀矿石约含0.2毫克的锕元素。由于锕和镧的化学和物理特性过于接近，因此要从矿石中分离出锕元素并不现实。科学家则是在核反应堆中以中子照射镭-226来生产锕的。

锕因为稀少、昂贵，且具强放射性，所以没有大的工业用途。目前锕被用作中子源，以及在放射线疗法中作为辐射源。

历史

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法国化学家安德烈-路易·德比埃尔内在1899年宣布发现新元素。在玛丽·居里和皮埃尔·居里从沥青铀矿中分离出镭之后，德贝尔恩接着从残留物中再分离出这一新元素。他认为该元素与钛和钍相似，并将其命名为“actinium”。[3][4]德国化学家弗里德里希·奥斯卡·吉塞尔（英语：Friedrich Oskar Giesel）则在1902年独立发现了锕元素。[5]他认为锕与镧相似，并在1904年将其命名为“emanium”。[6]科学家在比较德贝尔恩所得出的半衰期数据后，[7]决定依最早发现者的意愿把该元素正式定名为“actinium”。[6][8]

锕的原文名称“actinium”源自古希腊语中的“ακτίς”、“ακτίνος”（“aktis”、“aktinos”），意为光线。[9]其化学符号为Ac，但Ac也同时是其他化学品的缩写，如乙酰基、乙酸盐[10]和乙醛，但锕与这些并无关系。[11]

属性

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锕是一种柔软的银白色[12][13]放射性金属。其剪切模量估计与铅相近。[14]锕的放射性很强，它放射出的高能粒子足以把四周的空气电离，因而发出暗蓝色光。[15]锕的化学属性与包括镧在内的镧系元素相近，因此要将锕从铀矿石中分离出来十分困难。分离过程一般使用溶剂萃取法和离子层析法。[16]

锕是首个锕系元素。这些元素彼此间的特性比镧系元素更多元化，因此直到1945年，格伦·西奥多·西博格才提出为元素周期表加入锕系元素。这是自从德米特里·门捷列夫创造元素周期表以来对周期表最大的变动之一。[17]

锕在空气中会与氧气、水汽迅速反应，在表面产生白色的保护性氧化层。[12]与大部分镧系和锕系元素一样，锕的氧化态通常是+3；Ac3+离子在溶液中无色。[18]锕的电子排布是6d17s2，所以当失去3个电子后，就会形成稳定的闭壳层，与稀有气体氡一样。[13]锕的+2态只出现在二氢化锕（AcH2）中。[19]

化合物

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已知的锕化合物非常少，其中有三氟化锕（AcF3）、三氯化锕（AcCl3）、三溴化锕（AcBr3）、氟氧化锕（AcOF）、氯氧化锕（AcOCl）、溴氧化锕（AcOBr）、三硫化二锕（Ac2S3）、氧化锕（Ac2O3）和磷酸锕（AcPO4）等。这些化合物中锕都具有+3氧化态，且都有相对应的镧化合物。[18][20]对应的镧和锕化合物在晶格常数上的差异不超过百分之十。[20]

上表中的a、b和c为晶格常数，Z为每晶胞所含的化学式单元数。密度并非实验数据，而是从晶体参数中计算得出的。

氧化物

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在真空中把氢氧化锕加热至500°C或把草酸锕加热至1100°C，可制成氧化锕（Ac2O3）。氧化锕的晶体结构与大部分三价稀土金属的氧化物同型。[20]

卤化物

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三氟化锕的合成反应可以在液态或固态下进行。前者在室温下进行，需将氢氟酸加入含有锕离子的溶液中。后者需对锕金属施以氟化氢气体，反应要在700°C下进行，并必须使用全铂制器材。在900至1000°C下，三氟化锕会和氢氧化铵反应形成氟氧化锕（AcOF）。虽然三氟化镧在空气中以800°C燃烧一小时后就可以产生氟氧化镧，但是类似的方法无法产生氟氧化锕，而是会把三氟化锕熔解。[20][23]:87–88

AcF3 + 2 NH3 + H2O → AcOF + 2 NH4F

氢氧化锕或草酸锕与四氯化碳在960°C以上温度反应会产生三氯化锕。同样，三氯化锕与氢氧化铵在1000°C反应会形成氯氧化锕。但与氟氧化锕不同的是，三氯化锕在氢氯酸溶液中用氨点燃就可以产生氯氧化锕。[20]

溴化铝与氧化锕反应后，会形成三溴化锕：

Ac2O3 + 2 AlBr3 → 2 AcBr3 + Al2O3

在500°C加入氢氧化铵，可以产生溴氧化锕（AcOBr）。[20]

其他化合物

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三氯化锕在300°C下经钾还原后，可形成氢化锕，其结构可从氢化镧（LaH2）的结构推测而得。该反应中氢的来源不明。[23]:43

在含锕的氢氯酸溶液中加入磷酸二氢钠（NaH2PO4），会产生白色的半水合磷酸锕（AcPO4·0.5H2O）。草酸锕和硫化氢气体在1400°C受热几分钟，会产生黑色的硫化锕（Ac2S3）。[20]

同位素

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主条目：锕的同位素

锕一共有36种已知同位素，全部都具有放射性。这些同位素的原子量介乎206 u（206
Ac）和236 u（236
Ac）。[25]其中最稳定的有：227
Ac（半衰期为21.772年）、225
Ac（10.0天）和226
Ac（29.37小时）。其余的同位素的半衰期都小于10小时，大部分甚至小于1分钟。寿命最短的锕同位素是217
Ac，其半衰期只有69纳秒，会进行α衰变和中子捕获。锕拥有两个亚稳态（同核异构体）。[25]研究锕的化学性质时会用225Ac、227Ac、228Ac这三种同位素。[2]

自然界中的锕元素主要由227
Ac组成，此外还有极微量的225
Ac和228
Ac。纯化后的227
Ac在185天后与衰变产物达成平衡。它主要进行β衰变（98.8%），以及少量的α衰变（1.2%）。[18]这些衰变的产物都属于锕衰变系。227
Ac发射的β粒子能量较低（46 keV），α辐射的强度较低，可用样本也一般很少，所以很难直接探测到227
Ac。因此科学家一般以探测其衰变产物的方法来推算227
Ac的量。[18]

同位素 合成反应 衰变形式 半衰期
221Ac 232Th(d,9n)225Pa(α)→221Ac α 52毫秒
222Ac 232Th(d,8n)226Pa(α)→222Ac α 5.0秒
223Ac 232Th(d,7n)227Pa(α)→223Ac α 2.1分钟
224Ac 232Th(d,6n)228Pa(α)→224Ac α 2.78小时
225Ac 232Th(n,γ)233Th(β−)→233Pa(β−)→233U(α)→229Th(α)→225Ra(β−)225Ac α 10天
226Ac 226Ra(d,2n)226Ac α、β−、电子捕获 29.37小时
227Ac 235U(α)→231Th(β−)→231Pa(α)→227Ac α、β− 21.77年
228Ac 232Th(α)→228Ra(β−)→228Ac β− 6.15小时
229Ac 228Ra(n,γ)229Ra(β−)→229Ac β− 62.7分钟
230Ac 232Th(d,α)230Ac β− 122秒
231Ac 232Th(γ,p)231Ac β− 7.5分钟
232Ac 232Th(n,p)232Ac β− 119秒

存量及合成

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沥青铀矿中含有少量的锕元素

锕元素在地球上十分稀少，只有痕量的227Ac同位素出现在铀矿石中：每吨铀矿石只含有大约0.2毫克的锕。[26][27]227Ac是锕衰变系中的其中一个短暂存在的同位素。该衰变链始于235U（或239Pu），止于稳定同位素207Pb。225Ac则是镎衰变系中短暂存在的同位素。该衰变链始于237Np（或233U），止于近似稳定的209Bi和稳定的205Tl。[28]惟自然界中的镎衰变系早已衰变殆尽，现时地壳中的237Np主要由238U发生核散裂（英语：Nuclear spallation）而痕量生成。[29]

含有锕的矿石中也同时含有大量镧及其他镧系元素。然而这些元素的化学、物理特性与锕非常接近，再加上锕含量甚为稀少，因此从矿石中分离出锕元素的做法并不实际，科学家也从未完全分离出锕。[20]锕元素则通常是在核反应堆中用中子照射226Ra产生的，每次产量以毫克计。[27][30]

 

该反应的锕产量约为镭重量的2%。227Ac可再捕获中子，形成少量的228Ac。合成过后，锕需从镭以及其他的衰变产物中分离出来，这些产物包括钍、钋、铅和铋。第一种分离法使用噻吩甲酰三氟丙酮和苯的混合溶液。调整该溶液的pH值，可从含衰变产物的溶液中萃取出特定的元素（锕需要pH 6.0左右）。[26]另一种分离法是在硝酸中以适当的树脂进行负离子交换法，先把镭和锕与钍分离开来（分离系数为1百万），再用正离子交换树脂和硝酸洗脱液把锕从镭中提取出来（系数为100）。[31]

德国和澳洲的科学家在2000年首次人工合成225Ac。德国超铀元素研究所所使用的是回旋加速器，而澳洲的研究人员则使用位于悉尼圣乔治医院的直线加速器。[32]其合成方法为，对镭-226目标体进行20至30 MeV能量氘离子撞击。这一反应同时会产生半衰期为29小时的226Ac同位素，但由于225Ac的半衰期有10天，所以前者不会对后者造成不纯。225Ac是一种稀有的同位素，在放射线疗法中有潜在的用途。[33]

在1100至1300°C间以锂气体对氟化锕进行还原反应，可以产生锕金属。太高的温度会使产物气化，而太低温则会导致反应不能完全进行。锂的氟化物挥发性比其他碱金属的高，因此最适合用于这一反应中。[9][12]

应用

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由于存量稀少，价格昂贵，所以锕目前并无重要的工业用途。[9]

227Ac放射性很强，因此有潜力用于放射性同位素热电机中，应用范围包括航天器。227Ac的氧化物和铍压制后可以作为高效能中子源，其活度高于一般的镅﹣铍和镭﹣铍中子源。[34]这些应用利用的其实是227Ac的衰变产物。进行β衰变后所产生的同位素会释放α粒子，而铍则用于捕获这些α粒子，并放出中子。铍的(α,n)核反应截面较高，因此能高效地将α粒子转换为中子。该反应的公式如下：[35]

 

227AcBe可用于中子水分仪中，以测量土壤中的水分以及在建造公路时进行湿度、密度的质量检验。[36][37]这类探测仪在测井、中子照相、断层摄影术及其他放射性化学范畴中都有应用的空间。[38]

 
在放射线疗法中用于运输225Ac的DOTA载体的化学结构。

225Ac在医学中用于制造213Bi，[31]或直接作放射线疗法的辐射源。225Ac的半衰期为10天，比213Bi的46小时更适合作放射线治疗。[39]225Ac及其衰变产物所释放的α粒子可以杀死身体内的癌细胞。最大的困难在于，简单的锕配合物经静脉注射进入体内后，会积累在骨骼和肝脏中，并停留数十年。持续的辐射在杀死癌细胞后，会引发新的突变。要避免这种问题，可将225Ac与螯合剂结合，例如柠檬酸、乙二胺四乙酸（EDTA）和二乙烯三胺五乙酸（DTPA）。这可降低锕在骨骼中的积累，但从身体排泄的量仍然不高。改用HEHA[40]或耦合至曲妥珠单抗的DOTA（1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四羧酸）等螯合剂可以增加锕的排泄量。曲妥珠单抗是一种单克隆抗体，能够干扰HER2/neu受体。科学家把锕与DOTA结合后注射到老鼠体内，发现疗法有效对抗白血病、淋巴瘤、乳癌、卵巢癌、神经母细胞瘤和前列腺癌。[41][42][43]

227Ac的半衰期为21.77年，可用来研究海水的缓慢垂直混合作用。这种水流的速度大约为每年50米，因此直接测量是无法得到足够的精度的。科学家通过探测各同位素在不同深度的相对比例变化，可以推算出混合作用的发生速率。具体的物理原理如下。海水含有均衡分布的235U。其衰变产物231Pa会慢慢沉淀到海底，所以其浓度会随深度增加，并在一定的深度以下维持恒等。231Pa再衰变成227Ac。混合作用会把海底的227Ac提升上来，因此227Ac的浓度随深度一直增加至海底。科学家分析231Pa和227Ac的浓度﹣深度关系，可以间接研究海水的混合作用。[44][45]

安全

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227Ac的放射性极强，因此有关的实验都必须在专业实验室的手套箱中进行。当三氯化锕经静脉注射进入老鼠体内后，约33%的锕元素积累在骨骼中，50%进入肝脏。其毒性稍低于镅和钚。[46]

参考资料

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外部链接

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