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锕系元素

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元素周期表中的锕系元素
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）

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。锕系元素位于元素周期表第7周期的镭与𬬻之间，位于镧系元素下方，但通常为了避免周期表形状过宽影响观看，而将镧系和锕系元素移至周期表下方独立列出。锕系元素可用符号An来表示。[1][2][3]

除了属于d区的铹之外，所有锕系元素都是f区元素，锕系元素原子基态的电子排布是5f0~146d0~27s2，其新增加的电子大多填入从外侧数进来的第三个电子层（即5f电子层）中，所以锕系元素又可以称为5f系，不过也有许多较轻的锕系元素将电子填入6d亚壳层。由于锕系元素都是金属，故可和镧系元素统称为f区金属。为了区别于周期表中的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。

由于较轻的锕系元素有许多电子填充不规则的情形，故它们的化合价有较多的变化，彼此之间的相似度从而没有镧系元素间来的高，其中钍、镤和铀的化学性质更类似于过渡金属，镎和钚则介于过渡金属和镧系元素之间。而较重的锕系元素则表现出和镧系元素相似的性质，以+3价为最稳定的氧化态（锘除外）。

1789年德国马丁·克拉普罗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（即超铀元素）都是在1940年后用人工核反应合成的，属于人造元素。[1][4]不过也有部分超铀元素最初是通过人工合成的方式发现，但是后来在自然界中，也发现有痕迹量的存在，包括镎和钚[5]。

所有锕系元素都具有放射性，并在衰变时以电离辐射的形式释放能量。天然存在的铀和钍以及人工合成产生的钚是目前地球上存量最丰富的锕系元素。铀和钚被广泛用于核能发电及核武器，铀和钍在当前及历史上也有许多和放射性无关的用途，镅则被用作大多数现代烟雾探测器的电离辐射源。

由于铹在周期表中属于d区，而其他锕系元素位于f区，因此有人认为铹应该是过渡金属而非锕系元素。[6][7]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议，以及有关3族元素定义的争论。

性质

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元素名称 锕 钍 镤 铀 镎 钚 镅 锔 锫 锎 锿 镄 钔 锘 铹
原子序 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
符号 Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
图片 无 无 无 无
原子量 [227] 232.0377(4) 231.03588(2) 238.02891(3) [237] [244] [243] [247] [247] [251] [252] [257] [258] [259] [266]
天然同位素数量 3 7 3 8 3 4 — — — — — — — — —
最长寿同位素 227 232 231 238 237 244 243 247 247 251 252 257 258 259 266
最长寿同位素之半衰期 21.8年 140亿年 32500年 44.7亿年 214万年 8080万年 7370年 1560万年 1380年 900年 1.29年 100.5天 52天 58分钟 11小时
最常见同位素 227 232 231 238 237 239 241 244 249 252 253 255 256 255 260
最常见同位素之半衰期 21.8年 140亿年 32500年 44.7亿年 214万年 24100年 433年 18.1年 320天 2.64年 20.47天 20.07小时 78分钟 3.1分钟 2.7分钟
密度（g/cm3）[8] 10.07 11.724 15.37 19.05 20.45 19.816 13.67 13.51 14.78 15.1 8.84 ? 9.7 ? 10.3 ? 9.9 ? 14.4
熔点（°C） 1050 1842 1568 1132.2 639 639.4 1176 1340 986 900 860 1530 830 830 1630
沸点（°C） 3198 4788 4027？ 4131 4174？ 3228 2607？ 3110 2627 1470？ 996？ — — — —
电子排布
（气相）		 6d17s2 6d27s2 5f26d17s2 或
5f16d27s2		 5f36d17s2 5f46d17s2 或
5f57s2		 5f67s2 5f77s2 5f76d17s2 5f97s2 或
5f86d17s2		 5f107s2 5f117s2 5f127s2 5f137s2 5f147s2 5f147s27p1
电子排布
（固相）		 6d17s2 5f0.56d1.57s2 5f1.76d1.37s2 5f2.96d1.17s2 5f46d17s2 5f56d17s2 5f66d17s2 5f76d17s2 5f86d17s2 5f96d17s2 5f117s2 5f127s2 5f137s2 5f147s2 5f146d17s2
金属半径（pm） 203 180 162 153 150 162 173 174 170 186 186 ? 198 ? 194 ? 197 ? 171

锕系元素皆为银灰色有光泽的典型金属[1][9][10][11]，密度大，大多数质地较软，可塑性相对较高，其中一些可以用刀切割。[12]锕系元素皆具有顺磁性及放射性。除锕之外，锕系元素都有多种晶相：钚有七种，铀、镎和锎有三种。镤、铀、镎和钚的晶体结构在镧系元素中没有明确的类似物，反而更类似于3d系过渡金属。[13]

与镧系元素一样，锕系元素的原子半径随着原子序增加而逐渐缩小，称作锕系收缩现象。

与镧系元素相比，轻锕系元素（锕除外）之间的化合价非常多样化，分别可以形成稳定的+4、+5或+6等价态，不像镧系元素大多只有一个最稳定氧化态：+3，因此轻锕系元素彼此间的相似度没有镧系元素间来的高，从而较易分离。除锕之外的轻锕系元素中，钍、镤和铀的性质更类似于过渡金属，镎和钚则介于过渡金属和镧系元素之间。至于锕和镅之后的重锕系元素则和镧系元素一样以+3价为最寻常、最稳定的氧化态（锘除外），性质也和镧系元素较为相似。

锕系元素的化学性质比较活泼，在空气中表面会氧化失去光泽。能形成配合物及可溶于水的氯化物、硫酸盐、硝酸盐及高氯酸盐等，至于它们的氢氧化物、氟化物、硫酸盐及草酸盐等则不溶于水。

原子半径和离子半径（锕系收缩）

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如同镧系元素，锕系元素的原子半径和离子半径亦有随原子序数的增加而逐渐减小的现象，称为锕系收缩。

锕系元素中，充填最初几个元素的5f电子时，离子半径收缩地比较明显，但此现象后来趋于平缓，使得这些较重的锕系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的增大而逐渐变小，以致逐个地分离锕系元素（尤其是重锕系元素）越来越困难。

原子序数 元素名称 +3离子半径（pm） +4离子半径（pm）
90 钍（Th） 108 99
91 镤（Pa） 105 93
92 铀（U） 103 93
93 镎（Np） 101 92
94 钚（Pu） 100 90
95 镅（Am） 99 89
96 锔（Cm） 98 88
97 锫（Bk） —— ——
98 锎（Cf） —— ——
99 锿（Es） —— ——
100 镄（Fm） —— ——
101 钔（Md） —— ——
102 锘（No） —— ——
103 铹（Lr） —— ——

离子的颜色

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水溶液中锕系元素离子的近似颜色（最后四个元素的离子颜色未知，因为尚未合成出足够的量进行观察）[14]
氧化态 锕 钍 镤 铀 镎 钚 镅 锔 锫 锎 锿 镄 钔 锘 铹
+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
  • 铀的3、4、5、6价盐的水溶液
    铀的3、4、5、6价盐的水溶液
  • 镎的3、4、5、6、7价盐的水溶液
    镎的3、4、5、6、7价盐的水溶液
  • 钚的3、4、5、6、7价盐的水溶液
    钚的3、4、5、6、7价盐的水溶液

存在及合成

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地壳中含量最丰富的锕系元素为钍和铀，丰度分别为16ppm和4ppm。[15]它们两者具有长半衰期的同位素，因此能在地壳中以稳定的量存在。主要的含铀矿物有沥青铀矿、钒酸钾铀矿和钙铀云母等，而钍主要分布在独居石、方钍石（英语：Thorianite）和钍石（英语：Thorite）等矿物中，大多数含钍矿物中皆含有铀和大量的稀土元素。

镤和锕主要在各种放射性矿物中作为钍和铀的衰变产物生成，含量甚微，且锕的化学性质与矿石中的镧系元素（尤其是镧）甚为相似而难以提取、分离，因此两者通常是从用过核燃料中提炼，或在核反应堆中人工合成。[16]

超铀元素大多不存在于自然界中，必须透过核反应堆或粒子加速器人工合成，只有部分较轻的元素如镎和钚等以痕量存在于铀矿中，是铀的核嬗变产物。[17][18]自二战以来的多次核武器试验已将至少六种比钚重的人造超铀元素释放到环境中，包括镅、锔、锫、锎、锿和镄。[19]

用途

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锕系元素的主要用途是核能发电及核武器，例如铀和钚等。不过也有部分锕系元素在日常生活中得到了应用，例如电离烟雾探测器中的镅[20][21]和煤气灯网罩（英语：Gas mantle）中的钍等[22]。至于原子序较大的重锕系元素由于制备的难度较高，且较不稳定，因此只用于学术研究，而没有实际用途。

核能应用中最重要的同位素是铀-235，用于热中子反应堆。天然铀里铀-235的占比仅为0.72%。它会强烈吸收热中子，然后放出大量能量。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;[23] 达到临界质量时，235
92U
进入自动链锁反应。[13]

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Other promising actinide isotopes for nuclear power are thorium-232 and its product from the thorium fuel cycle, uranium-233.
Nuclear reactor[13][24][25]
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
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.

钍除了用作煤气网罩的材料之外[22]，也常和镁、铝等金属做成合金，因为镁钍合金不但坚固，还具有高熔点及高延展性，因此被广泛用于航空工业和导弹的生产中。钍还有着良好的电子发射性能，可用作电子器件中的高效电子发射极。此外钍的半衰期很长[23]，和铀同位素的相对含量被广泛用于估算包括恒星在内的各种物体的年龄（参见放射性定年法）。[26]

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。[27]

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The "胖子原子弹"-type plutonium bombs produced during the 曼哈顿计划 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.[28] (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.[29]

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)[21][30] 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[31]) 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.[21]

锕-227被用作中子源。 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.[16]

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。[32]

对生物的影响

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目前没有发现锕系元素在生物体中发挥任何生物学作用。由于锕系元素皆具有放射性，其衰变时释放的电离辐射会破坏生物组织，过度暴露在辐射中会导致辐射中毒，故对生物而言具有极高的毒性。因此含有锕系元素的核废料的处置是一个至关重要的课题。[32]

参见

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参考文献

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