锕

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（惰性气体） 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（惰性气体） 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（惰性气体） 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（惰性气体） 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（惰性气体） 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（惰性气体） 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（预测为惰性气体） 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）
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 查 论 编
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

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

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，与惰性气体氡一样。^[13]锕的+2态只出现在二氢化锕（AcH₂）中。^[19]

化合物

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]

化学式	颜色	对称	空间群	空间群数	皮尔逊符号	a（pm）	b（pm）	c（pm）	Z	密度（ g/cm3）
Ac	银白色	fcc[19]	Fm3m	225	cF4	531.1	531.1	531.1	4	10.07
AcH2		立方晶系[19]	Fm3m	225	cF12	567	567	567	4	8.35
Ac2O3	白色[12]	三方晶系[21]	P3m1	164	hP5	408	408	630	1	9.18
Ac2S3		立方晶系[22]	I43d	220	cI28	778.56	778.56	778.56	4	6.71
AcF3	白色[23]:71	六方晶系[20][21]	P3c1	165	hP24	741	741	755	6	7.88
AcCl3		六方晶系[20][24]	P63/m	165	hP8	764	764	456	2	4.8
AcBr3	白色[20]	六方晶系[24]	P63/m	165	hP8	764	764	456	2	5.85
AcOF	白色[23]:87-88	立方晶系[20]	Fm3m			593.1				8.28
AcOCl		四方晶系[20]				424	424	707		7.23
AcOBr		四方晶系[20]				427	427	740		7.89
AcPO4·0.5H2O		六方晶系[20]				721	721	664		5.48

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

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

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

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

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

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]

${\displaystyle \mathrm {^{226}_{\ 88}Ra\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 88}^{227}Ra\ {\xrightarrow[{42.2\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 89}^{227}Ac} }$

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

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]

${\displaystyle \mathrm {^{9}_{4}Be\ +\ _{2}^{4}He\ \longrightarrow \ _{\ 6}^{12}C\ +\ _{0}^{1}n\ +\ \gamma } }$

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

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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• EnvironmentalChemistry.com —— 锕（英文）
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• 元素锕在Peter van der Krogt elements site的介绍（英文）
• WebElements.com – 锕（英文）
• NLM Hazardous Substances Databank – Actinium, Radioactive （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Actinium in Haire, Richard G. Morss; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean , 编. The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements 3rd. Dordrecht, The Netherlands: Springer. 2006. ISBN 1-4020-3555-1.