Aktinium

Aktinium on radioaktiivinen metallinen alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Ac (lat. actinium) ja järjestysluku on 89. Aktinium on jaksollisen järjestelmän aktinoidien sarjan ensimmäinen jäsen. Kemiallisilta ominaisuuksiltaan se muistuttaa suuresti lantaania. Radioaktiivisuutensa takia aktinium hohtaa pimeässä aavemaista sinistä valoa, joka johtuu voimakkaan radioaktiivisuuden ilmaan aiheuttamasta Tšerenkovin säteilystä.^[1] Luonnossa aktiniumia löytyy vähäisiä määriä uraanimalmista ²²⁷Ac-isotooppina, joka on myös alkuaineen tärkein isotooppi. ²²⁷Ac on pääasiassa β-säteilijä, jonka puoliintumisaika on 21,772 vuotta.^[2] Tonnissa pikivälkettä on noin 0,15 grammaa aktiniumia.^[3]

Radium ← Aktinium → Torium La ↑ Ac ↓        Koko taulukko
Yleistä
Nimi	Aktinium
Tunnus	Ac
Järjestysluku	89
Luokka	aktinoidi
Lohko	f-lohko
Ryhmä	3
Jakso	7
Tiheys	10,07 · 103 kg/m3
Löytövuosi, löytäjä	1899, André-Louis Debierne
Atomiominaisuudet
Atomipaino (Ar)	(227)
Atomisäde, mitattu (laskennallinen)	195 pm
Orbitaalirakenne	[Rn] 6d17s2
Elektroneja elektronikuorilla	2, 8, 18, 32, 18, 9, 2
Hapetusluvut	+III
Kiderakenne	pintakeskinen kuutiollinen (face centered cubic, FCC)
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto	kiinteä
Sulamispiste	1 500 (arvioitu) K (1 227 °C)
Kiehumispiste	3 473 ± 300 (arvioitu) K (3 200 ± 300 °C)
Höyrystymislämpö	400 kJ/mol
Sulamislämpö	14 kJ/mol
Muuta
Elektronegatiivisuus	1,1 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti	0,120 kJ/(kg K)
Lämmönjohtavuus	12 W/(m·K)
CAS-numero	7440-34-8
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa

Aktiniumnäyte hohtamassa sinistä valoa.

Aktinium on pehmeä, hopeanvalkoinen metalli, jolla on vain vähäinen rooli luonnossa tai yhteiskunnassa. Alkuainetta tuotetaan vain hyvin pieniä määriä lähinnä tutkimuskäyttöön.^[1]

Historia

Aktiniumin löysi ranskalainen kemisti André-Louis Debierne erottaessaan pikivälkkeestä uraania Pariisissa vuonna 1899. Myös Friedrich Oskar Giesel riippumattomasti havaitsi aktiniumin 1902, ja totesi sen olevan lantaanin kaltaista ainetta. Hän nimesi löytönsä emaniumiksi, koska se lähettää "emanaatioita" (säteilyä). Aktiniumin moderni nimi, kuten myös aktinoidien sarjan nimikin, on peräisin kreikan kielen sädettä tai säteilyä tarkoittavasta sanasta aktinos (ακτινος).^[1][3]

Fysikaaliset ominaisuudet

Aktinium on pehmeä, hopeanvalkoinen metalli. Sen tiheys on 10,07 g/cm³.^[4] Sulamispiste on 1 227 °C^[a] ja arvioitu kiehumispiste 3 200 ± 300 °C.^[5]

Kemialliset ominaisuudet ja yhdisteet

Vain rajoitettu määrä aktiniumin yhdisteitä tunnetaan, kuten AcF₃, AcCl₃, AcBr₃, AcOF, AcOCl, AcOBr, Ac₂S₃, Ac₂O₃, AcH₂, Ac₂(C₂O₄)₃ ja AcPO₄. Paitsi AcPO₄, nämä kaikki ovat samankaltaisia kuin vastaavat lantaanin yhdisteet. Aktinium esiintyy näissä aina hapetusluvulla +3.^[6][7]

Taulukossa on esitetty aktiniumin ja sen eräiden yhdisteiden ominaisuuksia ja kiderakenne. Hilavakiot poikkeavat vastaavista lantaanin yhdisteistä vain muutamalla prosentilla.^[7]

yhdiste	väri	symmetria	ryhmä	a (pm)	b (pm)	c (pm)	Z	tiheys, g/cm3
Ac	hopeanvalkoinen	pintakeskinen kuutiollinen (fcc)[8]	Fm3m	531,1			4	10,07
AcH2	tuntematon	kuutiollinen[8]	Fm3m	567			4	8,35
Ac2O3	valkoinen	trigonaalinen[9]	P3m1	408	408	630	1	9,18
Ac2S3	musta	kuutiollinen[10]	I43d	778,56			4	6,71
AcF3	valkoinen	heksagonaalinen[7][9]	P3c1	741	741	755	6	7,88
AcCl3	valkoinen	heksagonaalinen[7][11]	P63/m	764	764	456	2	4,8
AcBr3	valkoinen[7]	heksagonaalinen[11]	P63/m	764	764	456	2	5,85
AcOF	valkoinen	kuutiollinen[7]	Fm3m	593,1				8,28
AcOCl	valkoinen	tetragonaalinen[7]		424	424	707		7,23
AcOBr	valkoinen	tetragonaalinen[7]		427	427	740		7,89
AcPO4·0,5H2O	tuntematon	heksagonaalinen[7]		721	721	664		5,48
Ac2(C2O4)3·10H2O	väritön	monokliininen[12]		1 126	997	1 065		2,68

Oksidi

Aktinium(III)oksidia (Ac₂O₃) voidaan valmistaa kuumentamalla aktiniumhydroksidia Ac(OH)₃ 500 °C:een tai aktinium(III)oksalaattia Ac₂(C₂O₄)₃ 1 100 °C:n lämpötilaan (tyhjiössä):^[6][7]

2 Ac(OH)₃ → Ac₂O₃ + 3H₂O

Ac₂(C₂O₄)₃ → Ac₂O₃ + 3CO₂ + 3CO

Aktiniumoksidin kiderakenne on samanlainen kuin lantaanioksidilla ja muilla +3 hapetusluvun harvinaisten maametallien oksideilla.^[7]

Halidit

Actiniumin halidit kolmen ensimmäisen halogeenin kanssa tunnetaan, samoin vastaavat oksyhalidit AcOF, AcOCl, AcOBr. Aktiniumfluoridia AcF₃ voidaan valmistaa reaktiolla (700 °C lämpötilassa):^[13]

Ac(OH₃)₃ + 3HF → AcF₃ + 3H₂O

Aktiniumkloridia AcCl₃ valmistetaan reaktiolla:^[13]

2Ac(OH)₃ + 3CCl₄ → 2AcCl₃ + 3CO₂ + 6HCl

ja aktiniumbromidia AcBr₃ reaktiolla (800 °C lämpötilassa):^[13]

Ac₂O₃ + 2AlBr₃ → 2AcBr₃ + Al₂O₃

Hydridit

Aktiniumille tunnetaan ainakin hydridi AcH₂.^[8] On ennustettu, että aktiniumin hydridit AcH₁₀, AcH₁₂, AcH₁₆ suuren paineen alaisina olisivat huoneenlämpötilan suprajohteita, koska niiden T_c on paljon suurempi kuin H3S-suprajohteen, mahdollisesti noin 250 K.^[14]

Isotoopit

Yhteensä aktiniumin isotooppeja tunnetaan 32. Niiden massaluvut ovat välillä 205–236. Useimmat ovat hyvin lyhytikäisiä. Isotoopeista tärkeimpiä ovat ²²⁵Ac, ²²⁷Ac ja ²²⁸Ac. Pysyvimmät isotoopit ovat ²²⁷Ac puoliintumisajalla 21,772 vuotta, ²²⁵Ac puoliintumisajalla 9,920 päivää ja ²²⁶Ac 29,37 tuntia. Kaikkien muiden isotooppien puoliintumisajat ovat alle 10 tuntia, useimpien alle minuutin. Nopeimmin hajoaa isotooppi ²¹⁷Ac, jonka puoliintumisaika on vain 69 ns. Aktiniumilla on myös ainakin yhdeksän ydinisomeeria.^[15][2]

Pysyvin isotooppi ²²⁷Ac, joka on uraani-235-isotoopin hajoamistuote, hajoaa lähes kokonaan torium-227-isotoopiksi, mutta noin 1 % hajoaa frankium-223:ksi. Tämä hajoamisketju haaroineen on aktiniumsarja.^[3]

Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi 205Ac 80 ± 60 ms α 206Ac 25 ms α 206mAc 41 ± 16 ms α 207Ac 31 ms α 208Ac 97 ms α 208mAc 2 ms  ? 209Ac 94 ms α 210Ac 350 ms α 211Ac 213 ms α 212Ac 895 ms α 213Ac 738 ms α 214Ac 8,2 s α (> 89 ± 3 %), β+ (< 11 ± 3 %) 215Ac 170 ms α 215mAc 185 ns IT 215nAc 335 ns IT 216Ac 440 µs α 216mAc 441 µs α 217Ac 69 ns α 217mAc 740 ns α (4,3 %) IT (95,7 %) 218Ac 1,00 µs α 218mAc 32 ns 218nAc 103 ns IT

Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi 219Ac 11,8 µs α 220Ac 26,36 ms α 221Ac 52 ms α 222Ac 5,0 s α (99 %), β+ (1 %) 222mAc 1,05 min α (? %), IT (< 10 %), β+ (1,4 ± 0,4 %) 223Ac 2,10 min α 224Ac 2,78 tuntia α 225Ac 9,920 päivää α 226Ac 29,37 tuntia α (0,006 %), β− (83 %), EC (17 %) 227Ac 21,772 v α (1,38 %), β− (98,62 %) 228Ac 6,15 tuntia β− 229Ac 62,7 min β− 230Ac 122 s β− 231Ac 7,5 min β− 232Ac 1,98 min β− 233Ac 145 s β− 234Ac 45 s β− 235Ac 62 s β− 236Ac 4,5 ± 3,6 min β− Lähde:[2]

Esiintyminen luonnossa

Luonnossa aktiniumia löytyy vähäisiä määriä uraanimalmista ²²⁷Ac-isotooppina. Sen pitoisuuden arvioidaan olevan maankuoressa 5,7·10^-10 ppm, josta on laskettu teoreettiseksi isotoopin kokonaisvarastoksi maankuoressa 1,4·10⁴ tonnia. Isotooppia ²²⁵Ac on löydetty vielä tätäkin pienempiä määriä brasilialaisesta monatsiitista, jossa se esiintyy yhdessä toriumin isotoopin ²³²Th kanssa.^[16]

Merivedessä aktiniumia on äärimmäisen vähän. Sen aiheuttama radioaktiivisuus maailman merissä on eri arvioiden mukaan 0,83–90 mBq/m³ välillä. Isotooppia ²²⁷Ac on käytetty geokemiallisena merkkiaineena tutkittaessa syvänmeren veden virtauksia ja sekoittumista.^[17][18]

Käyttö

Aktinium on 150 kertaa radioaktiivisempi kuin radium, mikä tekee siitä arvokkaan neutronilähteen; muutoin sillä ei ole merkittävää teollista käyttöä.^[19]

²²⁷Ac-isotooppia on käytetty avaruusluotainten radioisotooppisissa termosähkögeneraattoreissa.^[20]

²²⁵Ac-isotooppia käytetään lääketieteessä tuottamaan vismutti-213-isotooppia tai sitä voidaan käyttää yksin radioimmunoterapiassa.^[18]

Terveysvaikutus

Vaikka ²²⁷Ac on itsessään lähinnä heikko beetasäteilijä, sen hajoamissarjassa on viisi nopeasti hajoavaa α-säteilijää, mikä tekee isotoopista merkittävästi radioaktiivisen.^[20] Potentiaalisilta terveysvaikutuksiltaan aktinium-227:n säteily on suunnilleen yhtä vaarallista kuin plutoniumin. Pienikin määrä, etenkin elimistöön joutuessaan, muodostaa vakavan terveysriskin aktiniumin suuren säteilyn vuoksi. Aktiniumilla ei ole mitään osaa eliöiden kannalta. Luonnossa esiintyvien erittäin vähäisten määrien lisäksi aktiniumia voi olla ydinvoimaloiden säteilevissä osissa ja tutkimuslaboratorioissa tai muissa poikkeuksellisissa oloissa. Vaaralliselle määrälle aktiniumia luonnossa ei voi altistua.^[19]

Lähteet

• Kirby, H. W. & Morss, Lester R.: ”luku 2”, Actinium, s. 18–50. (Teoksessa: Morss, Lester R. et al. (toim.) The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements, 3. painos) Dordrecht: Springer, 2006. ISBN 1402035985 Teoksen verkkoversio (PDF). (englanniksi) (Arkistoitu – Internet Archive)

Huomautukset

1. Muitakin arvioita sulamispisteelle, kuten 1 050 ± 50 °C ja 1 430 °C on esitetty kirjallisuudessa.^[4]

Viitteet

1. Marko Hamilo: Aktinideja yhdistää radioaktiivisuus 8.11.2005. Helsingin Sanomat (alkuainesarjan artikkeli aktiniumista). Arkistoitu Viitattu 10.11.2018.
2. Audi, G. et al.: The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties. Chinese Physics C, 2017, 41. vsk, nro 3, s. 030001-1-030001-138. IOP Publishing. doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001 Artikkelin verkkoversio. (pdf) Viitattu 4.11.2018. (englanniksi) (Arkistoitu – Internet Archive)
3. Actinium Encyclopædia Britannica Online. Viitattu 10.11.2018. (englanniksi)
4. Kirby et al. s. 34
5. Facta 2001 s. 243
6. Perry, Dale L.: Handbook of Inorganic Compounds, s. 2. (2. painos) CRC Press, 2016. ISBN 9781439814628 Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 9.11.2018). (englanniksi)
7. Sherman, Fried; Hagemann, French & Zachariasen, W. H.: The Preparation and Identification of Some Pure Actinium Compounds. Journal of the American Chemical Society, 1950, 72. vsk, nro 2. doi:10.1021/ja01158a034 (englanniksi)
8. Farr, J.; Giorgi, A. L.; Bowman, M. G. & Money, R. K.: The crystal structure of actinium metal and actinium hydride. Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry, 1961, 18. vsk, s. 42–47. doi:10.1016/0022-1902(61)80369-2 (englanniksi)
9. Zachariasen, W. H.: Crystal chemical studies of the 5f-series of elements. XII. New compounds representing known structure types. Acta Crystallographica, 1949, 2. vsk, nro 6, s. 388–390. doi:10.1107/S0365110X49001016 (englanniksi)
10. Zachariasen, W. H.: Crystal chemical studies of the 5f-series of elements. VI. The Ce₂S₃-Ce₃S₄ type of structure. Acta Crystallographica, 1949, 2. vsk, s. 57–60. doi:10.1107/S0365110X49000126 Artikkelin verkkoversio. (pdf) (englanniksi)
11. Zachariasen, W. H.: Crystal chemical studies of the 5f-series of elements. I. New structure types. Acta Crystallographica, 1948, 1. vsk, nro 5, s. 265–268. doi:10.1107/S0365110X48000703 (englanniksi)
12. Weigel, F. & Hauske, H.: The lattice constants of actinium(III) oxalate deca-hydrate. Journal of the Less Common Metals, 1977, 55. vsk, nro 2. doi:10.1016/0022-5088(77)90198-9 (englanniksi)
13. Kirby et al s. 36
14. Semenok, Dmitrii V.; Kvashnin, Alexander G.; Kruglov. Ivan A. & Oganov, Artem R.: Actinium hydrides AcH₁₀, AcH₁₂, AcH₁₆ as high-temperature conventional superconductors arxiv.org. doi:10.1021/acs.jpclett.8b00615 Viitattu 11.11.2018. (englanniksi)
15. Kirby et al. s. 22–23
16. Kirby et al. s. 26–27
17. Dulaiova, Henrieta; Sims, Kenneth W. W.; Charette, Matthew A.; Prytulak, Julie & Blusztajn, Jerzy S.: A new method for the determination of low-level actinium-227 in geological samples. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 31.7.2012, 296. vsk, nro 1, s. 279–283. Springer. Artikkelin verkkoversio. (pdf) Viitattu 29.8.2018. (englanniksi)
18. Kirby et al. s. 43–44
19. Emsley, John: Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements, s. 19–20. Oxford University Press, 2001. ISBN 0198503407 Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
20. Kirby et al. s. 18–19

Aiheesta muualla

• Periodictable: Technical data for Actinium (englanniksi)
• Webmineral: Actinium (Ac) (englanniksi)
• Mindat: The Mineralogy of Actinium (englanniksi)
• Americanelements: Actinium Technical and Safety Data (Arkistoitu – Internet Archive) (englanniksi)
• Toxin and Toxin Target Database (T3DB): Actinium-227 (englanniksi)
• Luettelo aktiniumin isotoopeista The Isotopes Project Home Page (englanniksi)
• The Royal Society of Chemistry (RSC): Actinium (englanniksi)
• PeriodicTable: Actinium (Ac) (englanniksi)
• PubChem: Actinium (englanniksi)