在89號元素錒(Ac)的位置上,另有14個元素,即從90號釷(Th)到103號鐒(Lr),連同錒一起通稱為錒系元素。
錒系元素都具有放射性,其中錒、釷、鏷和鈾是重要的天然放射性元素。銪以后的元素,只有镎和钚在地球上有少量發(fā)現(xiàn),其他都是由人工核反應(yīng)制成的。鈾以后的元素稱為超鈾元素。在錒系元素中,釷和鈾被發(fā)現(xiàn)得最早,研究得多,是在地殼中儲量較少的放射性元素。
表5-9給出了錒系元素的一些基本性質(zhì)。
表5-9 鋼系元素的基本性質(zhì)
名稱 | 元素 | An價層電子構(gòu)型 | An原子半徑/pm | An3+離子半徑/pm | 氧化態(tài) | 半衰期 |
錒 | 89Ac | 6d17s2 | 187.8 | 111 | +3 | 21.8a |
釷 | 90Th | 6d27s2 | 179 | — | +3,+4 | 1.41×1010a |
鏷 | 91Pa | 5f26d17s2 | 163 | 104 | +3,+4,+5 | 3.28×104a |
鈾 | 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 |
鋦 | 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 |
鐨 | 100Fm | 5f127s2 | 194 | +2,+3 | 100d | |
鍆 | 101Md | 5f137s2 | 194 | +2,+3 | 55d | |
锘 | 102No | 5f147s2 | 194 | +2,+3 | 1h | |
鐒 | 103Lr | 5f146d17s2 | +3 | 3min |
注:表中畫線的氧化數(shù)為穩(wěn)定的氧化數(shù)。
從表5-9可以看出,與鑭系收縮相似,隨著原子序數(shù)的遞增,錒系元素的離子半徑遞減。
另外,錒系元素的氧化值比鑭系元素的復(fù)雜得多。鑭系元素的氧化數(shù)一般都是+3,個別有+4或+2價,但錒系元素的氧化值大都不止一種,它們的前半部元素(除Ac外),都存在多種氧化值,其中以高氧化值較穩(wěn)定,例如釷、鏷、鈾分別為+4、+5、+6的價態(tài)最穩(wěn)定;后面部分元素則易出現(xiàn)低氧化值,其中以+3價態(tài)較穩(wěn)定。這是由錒系元素電子殼層的結(jié)構(gòu)決定的,錒系前半部分元素中的5f電子與核的作用比鑭系元素的4f電子弱,因而不僅可以把6d和7s軌道上的電子作為價電子給出,而且也可以把5f軌道上的電子作為價電子參與成鍵,形成高價穩(wěn)定態(tài)。隨著原子序數(shù)的遞增,核電荷增加,5f電子與核間作用增強(qiáng),5f和6d能變大,5f能級趨于穩(wěn)定,電子不易失去,這樣就是使得從镅開始,+3氧化態(tài)成為穩(wěn)定價態(tài)。
錒系元素與鑭系元素間還有一點(diǎn)區(qū)別,就是錒鈣系兀素均有放射性,即它們在不斷地、自發(fā)地放射出α或β射線,有的還伴隨著放出出γ射線。例如天然鈾的最主要的組分是質(zhì)量數(shù)為238的同位素,這種同位素可自發(fā)的放射出α射線,同時衰變?yōu)樵有驍?shù)為90和質(zhì)量數(shù)為234的釷核,即23490Th,這個過程可表示如下
23892U=23490Th +42He