第7章--锕系元素知识讲解

核素
233U 235U 237Np 238Pu 239Pu 240Pu 241Am 242Am 244Cm
无反射层 7.5 22.8 52.51 7.2 5.6 158.4 113.5 8.4 23.2 临界
质量 （kg）
有反射层
148.3 105.2 3.8 22
核素
242mAm 243Cm 245Cm 247Cm 249Cf 251Cf
24Cr不是3d44s2,而是3d54s1 29Cu不是3d94s2,而是3d104s1
s
p
d
f
7.1 锕系通论
原子序从89到103，即锕Ac、钍Th、镤Pa、铀U、镎Np、 钚Pu、镅Am、锔Cm、锫Bk、锎Cf、锿Es、镄Fm、钔Md、锘 No、铹Lr等十五个元素称为锕系元素，它们都是放射性元素。 在铀以后的十一种元素（93-103）在1940-1962年之间用人工 核反应合成，称为超铀元素；而Ac、Th、Pu叫铀前元素，钚后 的元素（从95号开始）叫超钚元素；锔后的元素叫超锔元素， 镄后的元素叫超镄元素。还有Np、Pu和Am称铀系元素；从Cm 到Lr的元素称锔系元素。
第7章--锕系元素
核外电子排布规律
1、能量最低原理：在原子中，电子总是尽可能先 进入能量最低的亚层，而只有当能量最低的亚层填满 后，电子才进入能量较高的亚层。
2、泡利不相容原子：在同一原子中，不可能有两 个电子具有完全相同的四个量子数。如果原子中电子 的n、L、m三个量子数都相同，则第四个量子数ms一 定不同，即同一轨道上最多能容纳2个自旋方向相反的 电子。
3、洪特规则：在同一亚层的各个轨道(即等价轨 道)上，电子的排布将尽可能分占不同的轨道，并且自 旋方向相同。
4、洪特规则特例：等价轨道在全充满、半充满或 全空的状态是比较稳定的，也就是说下列电子层结构 是比较稳定的。
半充满：p3、d5、f7 全充满： p6、d10、f14 全空：p0、d0、f0
能大规模生产的有：钚、镎、镅； 小规模生产的有：锔、锫、锎等。 235U、239Pu等锕系元素都是裂变物质，当它们堆聚到一定 量时，在一定的反射条件和分布形状下，就要发生链式反应， 引起爆炸。例如，235U金属球状金属有水全反射时，临界质量为 23kg，235U水溶液的最小临界质量只有800g。
表 可裂变的锕系核素的最小临界质量
表 锕系部分离子状态
元素
Ac
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
M 3
无
M4
MO
2
MO 22
MO53
红
兰→紫
兰→紫 淡红 无
绿
绿
无
无
绿
黄
褐→橙棕 (未知) (未知) 黄
无 (未知)
绿
淡红→紫 黄
黄 淡红→红 黄→淡橙
暗绿
暗绿
3 锕系元素金属
锕系元素从锕到锫的金属态均己制得。其中Th、U和Pu己经 大规模生产而用作核燃料，超锫金属还未得到。
Th4H15
NpH3 PuH3 AmH3
锕系元素金属与氢加热至200-300℃，固体金属即变成粉末状氢 化物。氢化物遇热不稳定，在减压下或真空中加热至300℃则分解 成粉末状金属。氢化物的化学性质很活泼，在空气中能自燃，它能 与许多物质起反应，可以作为合成某些化合物的起始物质。
2）氧化物 锕系元素的氧化物是一类重要而又复杂的化合物， 除符合化学计量的氧化物外，还能形成许多不符合化学计量的 氧化物。
类似于镧系收缩现象，锕系元素的离子半径也有锕系收缩现 象。锕系元素的离子半径随原子序数的增加而减少，这种收缩 是连续的但不均匀，前面几个元素的离子半径随5f电子的充填 收缩较大，后面元素的半径收缩趋势就愈来愈小，其结果就使 锕系元素的化学行为的差别随原子序数的增加而逐渐变小，以 致分离超铀元素变得越来越困难。
1 锕系元素的价态
锕系元素的化学性质与镧系元素相似，但比镧系复杂。由 于锕系元素5f层电子的结合能，比镧系元素4f电子的结合能小， 而且锕系元素的前几个元素有6d电子，故锕系元素有一系列氧 化态（化合价）。
表 锕系元素的价态
原子 序数
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99 100101102103
元素 Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
(2) (2) 2
2(2) (2) 2 2 2 2 2
3 3 (3) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
价
444444444
态
55555
(5)
6666
7 7 (7)
2 锕系元素的离子状态
锕系元素的离子在酸性水溶液中，有四种阳离子形式，在碱 性水溶液中，有一种阴离子形式。
临界质量(g) 水溶液中：
（g/L）
23 213 42 159 32 10 (5) (40) (15) (60) (20) (6)
4 锕系元素的重要化合物
1）氢化物 锕系元素能形成MH2和MH3两种氢化物 表 锕系元素的氢化物
元 素 Th
Pa
U
Np
Pu
Am Cm
氢化物 ThH2 PaH3 , UH3 PuH2 PuH2 AmH2 CmH2
锕系元素中的Ac、Pa、Np、Pu也存在于自然界中，但含量 极微，而Th和U则是锕系元素中发现最早和地壳中含量较多的 放射性元素。
锕系元素的电子层结构与镧系元素相似，锕系元素依次增加 的电子充填在5f轨道内，构成一个5f内过渡系。锕系元素形成的 5f内过渡系从Th开始到Lr结束，它们的气体原子的基态电子结 构与镧系元素的类似，不同的是Th没有5f电子，Pa、U、Np除 5f电子外，还有一个6d电子。
表 锕系元素的氧化物
元素 Ac
Th
Pa
U
Np
Pu Am Cm Bk
Cf
Ac2O3
Am2O3 Cm2O3 Bk2O3 Cf2O3
氧
ThO2 PaO2 UO2 NpO2 PuO2 AmO2 CmO2 BkO2 Cf O2
化
Pa2O5
Np 2O5
物
UO3 NpO3
U3O8 Np3O8
3）卤化物 锕系元素与卤素形成的卤化物类型有：MX3、MX4、 MX5和MX6等。
表 锕系元素的化物
Ac
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
AcF3 (ThF3)
UF3
Np F3
PuF3 AmF3 CmF3 BkF3
氟
ThF4
PaF4
UF4
Np F4
PuF4 AmF4 CmF4 BkF4
化
PaF9
U2F9
物
UF5