在89号元素锕(Ac)的位置上,另有14个元素,即从90号钍(Th)到103号铹(Lr),连同锕一起通称为锕系元素。
锕系元素都具有放射性,其中锕、钍、镤和铀是重要的天然放射性元素。铕以后的元素,只有镎和钚在地球上有少量发现,其他都是由人工核反应制成的。铀以后的元素称为超铀元素。在锕系元素中,钍和铀被发现得最早,研究得多,是在地壳中储量较少的放射性元素。
表5-9给出了锕系元素的一些基本性质。
表5-9 钢系元素的基本性质
名称 | 元素 | An价层电子构型 | An原子半径/pm | An3+离子半径/pm | 氧化态 | 半衰期 |
锕 | 89Ac | 6d17s2 | 187.8 | 111 | +3 | 21.8a |
钍 | 90Th | 6d27s2 | 179 | — | +3,+4 | 1.41×1010a |
镤 | 91Pa | 5f26d17s2 | 163 | 104 | +3,+4,+5 | 3.28×104a |
铀 | 92U | 5f36d17s2 | 156 | 102.5 | +3,+4,+5,+6 | 4.47×109a |
镎 | 93Np | 5f46d17s2 | 155 | 101 | +3,+4,+5,+6,+7 | 2.41×106a |
钚 | 94Pu | 5f67s2 | 159 | 100 | +3,+4,+5,+6 | 8.1×107a |
镅 | 95Am | 5f77s2 | 173 | 97.5 | +2,+3,+4,+5,+6 | 7.38×103a |
锔 | 96Cm | 5f76d17s2 | 174 | 97 | +3,+4 | 1.6×107a |
锫 | 97Bk | 5f97s2 | 170.4 | 98 | +3,+4 | 1.38×103a |
锎 | 98Cf | 5f107s2 | 186 | 95 | +3,+4 | 350a |
锿 | 99Es | 5f117s2 | 186 | 98 | +3,+4 | 277d |
镄 | 100Fm | 5f127s2 | 194 | +2,+3 | 100d | |
钔 | 101Md | 5f137s2 | 194 | +2,+3 | 55d | |
锘 | 102No | 5f147s2 | 194 | +2,+3 | 1h | |
铹 | 103Lr | 5f146d17s2 | +3 | 3min |
注:表中画线的氧化数为稳定的氧化数。
从表5-9可以看出,与镧系收缩相似,随着原子序数的递增,锕系元素的离子半径递减。
另外,锕系元素的氧化值比镧系元素的复杂得多。镧系元素的氧化数一般都是+3,个别有+4或+2价,但锕系元素的氧化值大都不止一种,它们的前半部元素(除Ac外),都存在多种氧化值,其中以高氧化值较稳定,例如钍、镤、铀分别为+4、+5、+6的价态最稳定;后面部分元素则易出现低氧化值,其中以+3价态较稳定。这是由锕系元素电子壳层的结构决定的,锕系前半部分元素中的5f电子与核的作用比镧系元素的4f电子弱,因而不仅可以把6d和7s轨道上的电子作为价电子给出,而且也可以把5f轨道上的电子作为价电子参与成键,形成高价稳定态。随着原子序数的递增,核电荷增加,5f电子与核间作用增强,5f和6d能变大,5f能级趋于稳定,电子不易失去,这样就是使得从镅开始,+3氧化态成为稳定价态。
锕系元素与镧系元素间还有一点区别,就是锕钙系兀素均有放射性,即它们在不断地、自发地放射出α或β射线,有的还伴随着放出出γ射线。例如天然铀的最主要的组分是质量数为238的同位素,这种同位素可自发的放射出α射线,同时衰变为原子序数为90和质量数为234的钍核,即23490Th,这个过程可表示如下
23892U=23490Th +42He