锕系元素
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。
锕系元素简介
1940 年，美国科学 E·M·McMillan （麦克米伦）等制得 93 号元素镎 Np
表明人类终于具备了制造出自然界不 存在的超铀元素的能力。
从此以后, 92 号铀之后的人造 元素一个接一个地被造出来，直到 1961 年制得锕系最后一个元素 103 号铹 Lr。
核化学的重要研究内容 一是核裂变和核聚变的研究， 直接涉及新能源的开发。
6 21H
2 42He + 2 1H1 + 2 10n
放出 43.15 MeV能量
平均每个 1H2 放出约 7.2 MeV 的能量。
核聚变反应的燃料 1H2（氘）， 在地球上真可谓无穷无尽，而且反应
产物对环境污染很小。
但是自然界中，只有在太阳等恒星 内部，才能达到 108 ℃ 的温度使氢核具 备的动能足以克服相互之间的斥力，发 生持续的聚变——热核反应。
从而门捷列夫元素周期表的 前 118 个位置，7 个周期已完全 填充。
不容乐观的事实是随着原子 序数的增大，原子核的半衰期迅 速缩短 。
104 号元素的核素中半衰期最长的 为 65 秒，107 号只有 2 10-3 秒。
新核素的寿命太短，如何通过元素 的鉴定以明确其性质、印证其结构，是 合成新元素所面临的极为严重的挑战。
二氧化钍为白色粉末，熔点 3390 ℃ ，是 熔 点最 高 的 氧 化 物，只能溶于硝酸和氢氟酸所组 成的混合酸中。
钍最重要的工业用途与铀相 似，是开发原子能的原料。
自然丰度为 100% 的2329T0h 受中 子照射后转化成2339T0h ，后者经两次 衰变可得重要的核裂变材料2339U2。
22. 6 超铀元素与核化学
锕系元素全部为放射性元素。
92 号元素是 U，92 号以后的 超铀元素均为人工元素，即人工核 反应产物。
第二节锕系元素PPT课件
<
Pm 钷（po） 4f5 5d0 6s2
Sm 钐
4f6 5d0 6s2
2.氧化态
只存在溶液中
Ac 锕 6d1 7s2 +3
Bk 锫 5f9 6d0 7s2 +3 +4
Th 钍 6d2 7s2 +3 +4 Pa 镤 5f2 6d1 7s2 +3 +4 +5 U 铀 5f3 6d1 7s2 +3 +4 +5 +6 Np 镎 5f4 6d1 7s2 +3 +4 +5 +6 +7 Pu 钚 5f6 6d0 7s2 +3 +4 +5 +6 +7 Am 镅 5f7 6d0 7s2 +2 +3 +4 +5 +6 Cm 锔 5f7 6d1 7s2 +3 +4
180 163 156 155 160 174 175 176 100.5 98.6 97.4 96.2 94.6 93.5
98.4 94.4 92.9 91.3 89.6 88.8 88.6 87
特点Ⅱ
由于镧系元素的 4f 轨道与 5d 轨道的能级差相对较大，而锕 系元素的 5f 轨道与 6d 的能级差相对较小，使得锕系镎之前的元 素有保持 d 电子的倾向。
氧化态
7
U
6
5
4
3
2
序数(Z)
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
(Th)
(Am) (Cf)
(Lr)
由钍到镅有多种氧化态存在，并且有高氧化态存在；其中，铀
镧系元素和锕系元素知识总结
镧系元素和锕系元素知识总结
镧系元素是指的是镧（La）和镝（Dy）之间的元素，包括了镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒和铥。
锕系元素是指镤（Pa）和铀（U）之间的元素，包括了镤、铀、镅、锔、锫、锎、锿、镄、钔、锘、铹和八氦。
这两个系列的元素都是内过渡金属元素，具有一些共同的特点和性质。
1. 化学性质：
- 镧系元素和锕系元素都具有较高的原子序数和较复杂的电子结构，因此在化学反应中表现出多样的化学性质。
- 这些元素的氧化态多种多样，一般有+2到+4的氧化态，也有较高的氧化态。
- 镧系元素和锕系元素都具有较强的还原性和氧化性。
2. 物理性质：
- 镧系元素和锕系元素都是铁磁性金属，具有较强的磁性。
- 这些元素的原子半径和离子半径较大，因此在金属中常以+3价状态存在。
- 镧系元素和锕系元素的原子核比较稳定，存在较多的同位素，包括放射性同位素。
3. 应用：
- 镧系元素和锕系元素在工业上有广泛的应用，尤其是镧、钇和铀等元素。
- 镧系元素广泛应用于电子产业、催化剂产业、照明产业等领域，如镧系金属在气体燃料电池中的应用和镧系氧化物作为催化剂的应用等。
- 锕系元素主要应用于核能产业，如铀和镅等元素被用作核燃料和核燃料后处理等。
第五章锕系元素
例如：离子交换实验， 柱子： 直径 0.2 mm
1.5 h
3 min
1.前锕系与后锕系
前锕系
像d区元素，多变价，吸收谱带宽
Z* 较小，5f伸展空间大
后锕系
像镧系元素，吸收谱带窄 锕系化学性质的一致性不如镧系
Z* 较大，5f伸展空间变小
2. 电子构型与氧化态 5f0-146d0-27s2
锕系元素最常见氧化态
► 强放射性
妨碍性质研究
► 除放射性外
许多元素的化合物具有毒性，属于危险品
► 许多元素只能得到微小量物质
许多物理性质、化学性质至今不明
► 主要用于核反应器、核武器
密差别超过20%
锕系电子构型： 5f0-146d0-27s2
与镧系相同，半径大，配位数大
例子：
21.8 years
1.41*1010 years
3.28*104 years
4.47*109 years
2.14*106 years
2.1 days
433 years
162 days
4.5 h 44 min 24 days
超镅元素：超强放射性， 通过获得物质极少，实验： ug甚至几百个原子
22 h 1.5 h
对同一元素而言，锕系离子形成配合物的能力一 般为：
M4＋＞M3＋＞MO22＋＞MO2＋
对配体而言，与同一离子形成配合物的能力是： F－＞NO3－(双齿)＞Cl－＞ClO4－ CO32－＞C2O42－＞SO42－
锕系元素也能生成有机金属化合 物，二环辛四烯与铀生成的茂形夹 心化合物就是曲型的例子。
8. 锕系元素的存在与制备
热解
活泼金属
空气中颜色很快由银白变成黑 生成各种氧化物混合物 粉末状U在空气中自燃
锕系元素
简介
简介
锕系元素包括锕(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)，它们都是放射性元素。元素周期表中铀以后的原子序数大于92的 元素称为超铀元素。锕系元素中前6种元素锕、钍、镤、铀、镎、钚存在于自然界中，其余9种全部用人工核反应 合成。人工合成的锕系元素中，只有钚、镎、镅、锔等年产量达到公斤级以上，锎仅为克级。锿以后的重锕系元 素由于量极微，半衰期很短，仅应用于实验室条件下研究和鉴定核素性质。1789年德国克拉普罗特（oth,17431817)从沥青铀矿中发现了铀，它是被人们认识的第一个锕系元素。其后陆续发现了锕、钍和镤。铀以后的元素 都是在1940年后用人工核反应合成的，称为人工合成元素。由于锕系元素都是金属，所以又可以和镧系元素统称 为f区金属。
锕系元素的毒性和辐射危害（特别是吸入体内的α辐射体）较大，必须在有防护措施的密闭工作箱中操作这 些物质。
谢谢观看
化学性质
化学性质
由于镧系和锕系两个系列的元素随着原子序数的增加都只在内层轨道（相应的4f和5f轨道）充填电子，其外 层轨道（相应的6s、5d和7s、6d轨道）的电子排布基本相同，因此不仅镧系元素和锕系元素的化学性质相似，而 且每个系列内元素之间的化学性质也是相近的。
大多数锕系元素都有以下性质：
能形成络离子和有机螯合物的三价阳离子；生成三价的不溶性化合物，如氢氧化物、氟化物、碳酸盐和草酸 盐等；生成三价的可溶性化合物，如硫酸盐、硝酸盐、高氯酸盐和某些卤化物等。在水溶液中多数锕系元素为+3 氧化态,前面几个和最后几个锕系元素还有不同的氧化态,如镤有+5氧化态；铀、镎、镅有+5和+6氧化态,镎和钚 还有+7氧化态,可以MO娚、MO卂、MO幯等离子形式存在（镧系元素中最高氧化态为+4）；锎、锿、镄、钔和锘等 元素都有+2氧化态。锕系与镧系的这种差别是因为轻的锕系元素中5f电子激发到6d轨道所需能量比相应的镧系元 素中4f电子激发到5d轨道的能量要小，使得锕系元素比镧系元素有更多的成键电子，因而出现较高的氧化态；而 重的锕系元素却正好相反。
镧系元素和锕系元素
镧系元素和锕系元素镧系元素是指周期表中镧（La）至镥（Lu）这15个元素。
它们都是顺磁性的，具有相似的电子配置和化学性质。
镧系元素中最常见的元素是镧（La）和铈（Ce），它们在地壳中广泛存在。
镧系元素通常以氧化物的形式存在，因此它们在化合物中具有高的离子化倾向。
镧系元素在很多领域都有广泛的应用。
首先，它们在催化剂领域有重要作用。
镧系元素催化剂常用于汽车尾气净化系统中，可以有效去除有害气体。
此外，它们还可以用于石油化工、化学工业和环境保护等领域的催化反应。
镧系元素也被广泛应用于光学领域。
由于它们具有宽的能带隙，可使光通过的波长范围更宽，因此可用于制造高透过率的光学玻璃。
镧系元素还可以被用作荧光剂和发光材料，用于制造荧光灯、LED和电视等。
镧系元素还有很多其他的应用。
它们被用于制造磁性材料，如硬磁体和软磁体。
镧系元素还可以改善铝合金的力学性能，提高其抗腐蚀性能。
此外，它们还可以用于核工业、电池技术和生物医学等领域。
锕系元素是指周期表中锕（Ac）至锕（Lr）这15个元素。
与镧系元素相似，锕系元素也具有相似的电子配置和化学性质。
锕系元素中最常见的元素是钍（Th）和铀（U），它们在自然界中广泛存在。
锕系元素在核工业中有重要应用。
钍和铀是两种常用的核燃料，被用于核电站和核武器中。
此外，锕系元素还可以用于放射性医学，如放射性同位素治疗癌症。
与镧系元素类似，锕系元素也具有许多其他的应用。
锕系元素可以用于放射性示踪剂、放射性污染监测和放射性探测器的制造。
它们还可以用于照相术和放射性碳测年等应用。
总结起来，镧系元素和锕系元素是元素周期表中重要的内过渡金属系列。
它们具有相似的电子配置和化学性质，广泛应用于催化剂、光学材料、磁性材料、核工业和医学等领域。
对于进一步发掘这些元素的特性和应用，以及其在环境和健康方面的影响，还有很多需要深入研究的领域。
第二十二章 镧系和锕系元素
概述 镧系元素 锕系元素
元素周期表
1 氢
3
IA 1 H
2
2 锂 铍 11 Na 12 Mg 3 钠 镁 IIIB
19
IIA Li 4 Be
IIIA IVA 5 B 6 C
VA 7 N
15
VIA VIIA 8 O 9 F
16
氦
He
10 Ne 18 Ar
硼
13
碳
14
氮 氧 磷 硫
P S
57 La 58 Ce 59
Rb
Y
40
Zr
41
Nb
42 Mo 43
Tc 44 Ru
Pd
47 Ag 48 Cd 49
Te
I
镧 铈
镨
Pr
60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65
钕 钷
92
钐 铕 钆 镅 锔
Tb
铽 镝
66 Dy 67 Ho 68
Er
69Tm
70 Yb 71
钬
铒 铥
镱 镥
5d1
注：Eu,Yb 的4f电子能量 电子能量 不参与成键, 低,不参与成键 不参与成键 只有2个电子成 只有 个电子成 键，而其余有 三个电子成键。 三个电子成键。 因此它们 的金属键弱、 的金属键弱、 原子半径显得 较大、 较大、熔沸点 较低。 较低。
镧系元素
三、氧化态 +III氧化态是所有 元素的特征氧化态。 氧化态是所有Ln元素的特征氧化态 氧化态是所有 元素的特征氧化态。 它们失去三个电子所需的电离势较低， 它们失去三个电子所需的电离势较低，即能形成 稳定的+III氧化态。 氧化态。 稳定的 氧化态 有些虽然也有+II或 氧化态， 有些虽然也有 或+IV氧化态，但都不稳定。 氧化态 但都不稳定。 Ce(4f15d16s2),Pr(4f36s2),Tb(4f96s2),Dy(4f106s2)能形 能形 氧化态即 成+IV氧化态即Ce(4f0),Pr(4f1),Tb(4f7),Dy(4f8) 。 氧化态 Sm(4f66s2),Eu(4f76s2),Tm(4f136s2),Yb(4f146s2)能形 能形 氧化态即 成+II氧化态即Sm(4f6),Eu(4f7),Tm(4f13),Yb(4f14) 。 氧化态 电子层结构来看， 接近或保持全空、 从4f电子层结构来看，其接近或保持全空、半满 电子层结构来看 及全满时的状态较稳定(也存在热力学及动力学因素 也存在热力学及动力学因素)。 及全满时的状态较稳定 也存在热力学及动力学因素 。
锕系元素
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。
氧化物。 表 锕系元素的氧化物
元素 Ac Ac2O3 氧 化 物 ThO2 PaO2 Pa2O5 UO3 U3O8 UO2 NpO2 Np 2O5 NpO3 Np 3O8 PuO2 Th Pa U Np Pu Am Am2O3 AmO2 Cm Cm2O3 CmO2 Bk Bk2O3 BkO2 Cf Cf2O3 Cf O2
在水溶液中可被空气中的氧氧化为Np4+和 ，在酸性介质中Np3+
被氧化为Np4+时释放出H2。
1） 水解反应 各种价态的镎都容易发生水解，其水解能力 按下列顺序变化： Np4+>NpO22+>Np3+>
NpO2
2）歧化反应 当不存在络合剂时，各种价态的镎都不发生
表 锕系元素的价态 原子 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100101102103 序数
元素 Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr (2) (2) 3 2 3 3 2(2) (2) 3 3 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 3
Cm
247
Bk
251
Cf
252
Es
257
Fm
258
Md
锕系元素知识点总结
锕系元素知识点总结1. 介绍锕系元素锕系元素是一组由15种放射性元素组成的一组元素。
所有锕系元素都是放射性的，它们具有巨大的原子序数和相对原子质量。
这些元素具有相似的核和电子结构。
它们的原子核非常不稳定，并且很容易发生核衰变。
2. 物性锕系元素的物性各异，包括颜色、熔点、沸点等。
锕系元素的原子半径比较大，其化学性质具有一定的相似性，都具有高电负性和发生放射性衰变。
锕系元素主要以+3价存在。
3. 锕系元素的化学性质锕系元素的化学性质主要表现为金属的性质。
锕系元素的原子半径比较大，其价电子分布在外层相对较远离原子核，这使得锕系元素的原子核对外层电子具有一定的吸引力，因此，锕系元素具有较强的还原性。
同时，锕系元素有较高的电负性，能够与非金属元素形成离子键或者共价键。
此外，锕系元素的化合价主要是+3，但也存在+4和+5的化合价。
4. 锕系元素的应用由于锕系元素的放射性，它们在日常生活中的应用比较有限。
锕系元素主要作为研究和实验用途，用于核反应堆，医学诊断和治疗等方面，对于人类的生活产生一定的积极影响。
但是，需要严格控制其使用和处理，以减少对环境和人类身体的不良影响。
5. 锕系元素的历史和发现锕系元素在19世纪末到20世纪初陆续被科学家们发现。
镍元素是第一个锕系元素，被发现于1899年。
随后，锕、镧、铈、镤、钍、镨、钍、铥、钇和镱等锕系元素依次被发现。
这些发现不仅丰富了元素周期表，也为物质世界的研究提供了新的材料和数据支持。
6. 锕系元素的放射性锕系元素的放射性非常强，这是它们的一个共同特点。
放射性是指元素原子核不稳定，放出射线或颗粒的现象。
锕系元素的放射性导致它们能够不断地发生核衰变，释放出放射线，使得它们的原子序数和相对原子质量出现不断变化，同时也导致了环境和人类身体的潜在威胁。
7. 锕系元素的危害由于锕系元素的放射性强，它们对人类和环境有一定的危害。
长期暴露在锕系元素较高的放射性中，会对人体造成不可逆的损害，导致辐射病和癌症等疾病。
神秘的元素锕系元素的特性和应用
神秘的元素锕系元素的特性和应用锕系元素是指周期表中的锕系元素，它们位于锕系元素的第二行。
锕系元素是一组具有特殊化学性质和独特应用的元素。
本文将介绍锕系元素的特性和一些重要的应用。
一、锕系元素的特性锕系元素的主要特性包括：原子序数较大、放射性、电子结构稳定、核不稳定、存在多种同位素等。
1. 原子序数较大：锕系元素的原子序数相对较大，范围为89至103之间，其电子结构非常复杂，核外电子层数更多。
2. 放射性：锕系元素都是放射性元素，具有放射性衰变的特性。
它们的原子核不稳定，通过放射性衰变释放能量。
3. 电子结构稳定：尽管锕系元素的核外电子非常多，但它们的电子结构相对稳定。
这是由于锕系元素的原子核中存在大量的中子，中子的存在能够稳定电子结构。
4. 核不稳定：锕系元素的核不稳定性使其发生放射性衰变。
通过放射性衰变过程，锕系元素会转变成其他元素。
5. 存在多种同位素：锕系元素具有多种同位素，同位素是指具有相同原子序数但质量数不同的元素。
这些同位素的存在使得锕系元素可以用于不同的应用。
二、锕系元素的应用由于锕系元素独特的性质，它们在许多领域中有着广泛的应用。
下面介绍几个重要的应用领域。
1. 核能源产业：锕系元素广泛应用于核能源产业。
其中，钍-232（Th-232）是一种重要的核燃料。
它经过连续的核衰变过程，最终转变为产生大量能量的铀-233（U-233）。
这一特性使得钍-232在核反应堆中被用作燃料。
2. 放射治疗：锕系元素的放射性特性使其在医疗领域具有应用前景。
铀系列元素被广泛用于放射治疗，如锕-225（Ac-225）、镅-227（Bk-227）等。
锕-225常用于治疗癌症，通过放射性衰变释放出α粒子，定向杀伤肿瘤细胞。
3. 科学研究：锕系元素在科学研究中也扮演重要角色。
锕系元素的高度放射性使其成为研究核反应、核物理性质以及半衰期等方面的理想选择。
例如锕系元素的一种同位素锕-227（Ac-227）被广泛用于研究基础科学问题。
镧系元素和锕系元素
镧系元素和锕系元素在工业、科研、医疗等领域有着广泛的应用，如用于制造催化剂、荧光材料、核反应堆等。
在自然界中的分布与稳定性
分布
镧系元素和锕系元素主要分布在地球的岩石圈中，其中一些元素也可以在海洋、大气中检测到。
稳定性
在自然界中，镧系元素和锕系元素通常以稳定或较稳定的同位素形式存在，但也有一些放射性同位素 。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMARY
镧系元素和锕系元素
目录
CONTENTS
• 镧系元素的概述 • 锕系元素的概述 • 镧系元素与锕系元素的相似性 • 镧系元素与锕系元素的区别 • 镧系元素与锕系元素的未来发展
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
电子排布与性质
电子排布
镧系元素和锕系元素的电子排布具有 相似性，它们的最外层电子数均为8 个，次外层电子数均为18个。
性质
由于电子排布相似，镧系元素和锕系 元素在化学性质上也有很多相似之处， 如氧化态、配位数等。
化学性质与用途
化学性质
镧系元素和锕系元素具有多种氧化态，可以形成多种化合物，如氧化物、硫化物、卤化物等。
非金属元素反应。
在工业与科学研究中的应用差异
镧系元素在工业 中的应用
镧系元素在工业中广泛应用 于制造合金、催化剂、荧光 粉等。例如，镧可以用于制 造高温超导材料，铈可以用 于制造汽车尾气净化催化剂 等。
锕系元素在工业 中的应用
锕系元素在工业中主要用于 核能领域，如制造核燃料和 核反应堆等。例如，铀和钚 是核反应堆中的重要燃料， 镅和锔可用于制造放射性示 踪剂等。
神秘的放射性元素锕系元素的奥秘
神秘的放射性元素锕系元素的奥秘放射性元素是一类具有特殊性质的化学元素，它们具有放射性衰变的特点。
其中，锕系元素是一组极具特殊性质和重要科学价值的元素，包括锕（Ac）、镎（Th）、铀（U）、钚（Pu）、镅（Am）等。
这些锕系元素的独特属性使得它们受到科学家们的广泛关注。
它们具有放射性，通过放射性衰变来释放能量和粒子。
同时，锕系元素的原子核结构也非常复杂，含有大量的中子和质子，使得它们的原子核相对较重。
锕系元素的发现与研究始于19世纪末期。
当时，科学家们发现了一些具有特殊放射性的元素，这些元素经过长时间的观察和研究，最终被确定为锕系元素。
其中，镅元素的发现在科学界引起了巨大轰动，因为它是第一个被人工合成的放射性元素。
锕系元素的研究不仅有助于我们更深入地了解原子核结构和放射性衰变过程，还对核能的开发和利用具有重要意义。
铀是一种重要的核燃料，它在核能产业中起到了关键作用。
钚元素则用于制造核武器和核反应堆燃料。
因此，对于锕系元素的研究是核工业发展的基础。
另外，锕系元素还具有广泛的应用前景。
它们的放射性特性使得它们可以用于医学诊断、放射治疗和放射性同位素制备等领域。
镎、铀和钚等元素还可用于核心能源反应，如核融合和核裂变。
然而，锕系元素也面临一些挑战和问题。
首先，由于它们的放射性，对人类和环境的辐射危害不能忽视。
因此，在使用锕系元素时需要严格控制和管理。
其次，锕系元素的合成和提取涉及复杂的工艺流程和高成本，这也限制了它们的广泛应用。
为了更好地利用锕系元素的奥秘，科学家们在继续研究锕系元素的基础上，不断探索新的合成方法和应用技术。
他们希望能够开发出更高效、更安全的锕系元素的提取和利用技术，以满足人类对能源和医学等领域的需求。
总结起来，锕系元素作为一组神秘而重要的放射性元素，具有丰富的科学意义和应用价值。
通过深入研究锕系元素的衰变特性、原子核结构和应用前景，我们可以更好地认识到放射性元素的奥秘，为人类科学和工业技术的发展做出贡献。
22.第二十二章 镧系元素和锕系元素
2013-7-22
6
镧系元素+3离子的颜色
Ln3+ La3+ Ce3+ Pr3+ Nd3+ Pm3+ Sm3+ Eu3+ 4f x 0 1 2 3 4 5 6 颜色 无色 无色 绿色 淡红 粉色 黄色 淡粉红 4f x 14 13 12 11 10 9 8 Ln3+ Lu3+ Yb3+ Tm3+ Er3+ Ho3+ Dy3+ Tb3+
Ln(NO3)3 灼烧 LnO(NO3) +NO2 →Ln2O3 ++NO2 +2价：Sm2+、Eu2+、Yb2+，在溶液中有强的还原性； +4价：Ce4+、Pr4+、Tb4+、Dy4+在溶液中有很强的氧化性，
CeO2不溶于水、酸、碱和水，可氧化H2O2。 Ce(SO4)2有强的氧化性，分析中作氧化剂。
2013-7-22
9
三、铀-原子弹的主角
在HF中 UO2(NO3)2 加热 UO2 UF4 加热
在加压下 U ＋ MgF2 与Mg共热
最重要的铀的化合物-六氟化铀（UF6）是具有挥发性的铀 化合物，利用238UF6和235UF6蒸气扩散速度的差别，可使 U－235和U－238分离，而得到纯U－235核燃料。
2013-7-22 13
火球迸出5万摄氏度（比太阳表面温度高8倍）的辐射热，刮起 时速800公里的热风，烤着广岛大地。在爆炸中心1.6公里半径内，钢 架软瘫，混凝土化为齑粉，砂子熔结为玻璃体，树木变成焦炭，人体 化为灰烬。爆炸三分钟后，西区落下粘腻乌黑的辐射雨，带来致命的 核尘。 在爆炸中心10平方公里范围内，剩下一片焦土，除了地下掩蔽 部个别幸存者外，非死即伤。几千名乘电车上班者，与电车熔在一起。 在此范围外，距离越远损失越小。据灾后统计，当场死亡人78150人， 受伤51400人（后来也陆续死去）。广岛事件死难者已逾14万人（一 说20万人）。如以当时在城人口计算，伤亡率在60％以上。
镧系元素和锕系元素
镧系元素（Lanthanides）和锕系元素（Actinides）镧系元素和锕系元素是元素周期表中两组特殊的元素系列，分别位于元素周期表的第6和第7周期。
这两个系列的元素在化学性质和电子结构方面都具有独特的特点。
镧系元素镧系元素是指周期表中镧（La）到镱（Yb）的15个元素，它们的原子序数依次递增。
这些元素的外层电子结构为5d16s2，其中的4f电子层是它们的主要特征之一。
镧系元素是稀土金属，具有类似的化学性质。
镧系元素具有较小的原子半径、高电离能和特殊的磁性质。
它们在化学反应中往往呈现+3价态，因为去除一个外层5d电子更容易。
镧系元素在合金制备、催化剂和光学材料等方面有广泛的应用。
镧系元素的用途镧系元素在许多领域都有重要的应用。
其中一些应用包括：1.稀土磁体：镧系元素的磁性性质使其在制造强大的磁体方面具有独特的优势。
例如，镧系元素钕（Nd）可以用于制造永磁体，用于电动汽车和计算机硬盘驱动器等设备中。
2.光学材料：镧系元素的荧光性质使其成为荧光屏和荧光粉的重要组成部分。
它们还用于制造高效的LED照明和激光器等光源。
3.催化剂：镧系元素的化学催化性能使其在制造化学品和炼油工业中得到广泛应用。
例如，镧系元素铈（Ce）和镨（Pr）可以用作汽车尾气净化催化剂。
4.合金制备：镧系元素可以与其他金属元素形成稳定的合金，这些合金在航空航天、汽车和船舶制造等领域有重要的应用。
尽管镧系元素在许多领域有广泛的应用，但由于其产量相对较小且分散，其价格相对较高。
锕系元素锕系元素是指周期表中锕（Ac）到镆（Md）的15个元素，它们的原子序数依次递增。
锕系元素的电子结构为5f n6d17s^2，其中的5f电子层是它们的主要特征之一。
锕系元素是放射性元素，有较长的半衰期。
锕系元素的化学性质和镧系元素相似，但由于其放射性属性，其应用受到限制。
锕系元素有丰富的同位素，其中一些同位素可以用于核能和放射治疗。
锕系元素的用途尽管锕系元素的使用受到限制，但它们在某些领域仍然有重要的应用。
第十章-锕系元素
二、硝酸钍
是制备其它钍盐的原料。最重要的硝酸盐为 Th(NO3)4·5H2O ，它易溶于水、醇、酮和酯中。
ON
O
OPPh3 O
NO
O
O
Th
O
N O
O
O
O
N O
—— 无色 —— ——
Pa
—— 无色 无色 ——
U
粉红
绿
——
黄
Np
紫
黄绿
绿
粉红
Pu
深蓝 黄褐 红紫
橙
Am
粉红 粉红
黄
棕
Cmห้องสมุดไป่ตู้
无色
★与镧系元素的吸收光谱相似，表现出f – f 吸收 的特征.
但是，锕系元素的5f 轨道相对于6s轨道和6p 轨道比镧系元素的5f 轨道相对于5s轨道和5p轨道 在空间伸长得较多，因而在配位化合物中锕系元 素显示出某种比镧系元素较大的共价性.
Th(IO3)4
KIO3
Th(NO3)4
NaOH
NaNO3
Na2[Th(NO3)6] Na [Th(NO3)5]
Th(OH)4
Δ
ThO2 C, Cl2
Δ
HF
ThCl4 Δ
ThF4
10.4 铀及其化合物
铀是一种活泼金属，与很多元素可以直接化合。铀 易溶于盐酸和硝酸，但在硫酸、磷酸和氢氟酸中溶解较 慢。它不与碱作用。主要化合物有铀的氧化物、硝酸铀 酰、六氟化铀等。
锫
Bk 5f9
7s2
98
锎
Cf 5f10
元素周期表镧系和锕系
元素周期表镧系和锕系
1、锕系包括：锕、钍、镤、铀、镎、钚、镅、锔、锫、锎、锿、镄、钔、锘、铹。
2、镧系包括：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。
镧系和锕系各包含了十五种元素，二者总量超过了目前元素周期表中元素种类的四分之一。
在目前流行的元素周期表排布方式中，镧系和锕系往往单独排列。
这是因为元素周期表的周期是按照电子层数来区分，在周期内进一步通过电子亚层区分。
对于镧系或锕系元素系列，原子序数增加时，电子在相应的4f 或5f轨道填充，而外层轨道电子排布基本相同，导致每个系列内的元素化学性质相似，将镧系或锕系归于一类不仅方便元素周期表的排版，更反映了其系列内元素化学性质相似的本质。
锕系水溶液化学
锕系水溶液化学
《锕系水溶液化学》是研究锕系元素在水溶液中的化学行为的学科领域。
锕系元素是指原子序数从89(锕)到103(洛欣)的15种放射性元素，它们具有很高的放射性和化学活性。
由于其放射性和化学性质的特殊性质，研究锕系元素在水溶液中的化学行为具有重要的科学意义和应用价值。
在锕系水溶液化学中，主要研究锕系元素的水溶液化学性质和反应机理，如锕系元素的水合物形成反应、水合离子的结构和稳定性、锕系元素的氧化还原反应和配合物形成反应等。
同时，也涉及到锕系元素在环境和生物体中的行为，如锕系元素的生物可利用性和毒性等方面的研究。
锕系水溶液化学的研究对于核工业、环境保护、生物医学等领域具有重要的应用价值。
例如，掌握锕系元素在水溶液中的化学行为可以为核废料处理和放射性污染防治提供科学依据；了解锕系元素在生物体中的行为可以为放射性药物的研发提供参考。
- 1 -。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
高等无机化学专题报告1.锕系元素概论2.锕系元素的制取和分离3.锕系元素金属的制备4.锕系元素重要化合物的制备5.锕系元素的应用组员：***彭淳容张美红锕系元素1．锕系元素概论人们把原子序数自89号锕起至103号铹等的15个元素统称为“锕系元素”（Actinide elements），它们都具有放射性。
其中位于铀后面的元素，即93号镎及其后的共11个元素，可另称为“超铀元素”（Transuranium elements），或“铀后元素”。
1871年俄国科学家门捷列夫（Д．Менделеев）发表的元素周期表中，他把92号元素铀作为最重要的元素排在最后一位，在它前后均留有若干空格，留待新元素来填补。
到1940年，通过人工核反应合成了93号元素镎，尔后陆续发现了后面的几种元素。
直到1961年103号元素铹的发现，锕系所有元素被最终确定。
应该指出，对锕系元素的研究，需要有现代化的巨型设备（高中子通量反应堆、大型重离子加速器等）以及先进的科学技术（微量快速的分离分析技术）作为基础。
如果没有综合物理、化学、电子学等知识及电子计算机的应用，显然是无法进行研究的。
锕系元素的研究与原子能工业的发展有着密切的关系，当今除了人们所熟悉的铀、钍和钚已大量用作核反应堆的燃料外，诸如238Pu，244Cm和252Cf这些核素，从空间技术、气象学、生物学直至医学方面，都有着实际的和潜在的应用价值。
1．1 锕系理论的提出早在1926年就有人预测，在周期表的第七周期中，存在着一个类似于镧系元素的系列，但这个假设在发现超铀元素之前没有得到广泛的承认。
到了1945年，G．T．Seaborg提出，锕及其后的元素组成一个各原子内的5f电子层被依次填满的系列，第一个5f电子从镤开始填入；正好和镧系元素中各原子的4f电子层被逐渐填满的情形相似。
图1 元素周期表图1示出了锕系在元素周期表中的位置。
如果不是这样排的话，那么镎（Np）和钚（Pu）就要分别排在ⅦB族的铼（Re）和第Ⅷ族的锇（Os）的下面，但是镎与铼或钚与锇之间在化学性质方面没有多少相似之处，如此排法不能反映客观实际。
Seaborg基于5f半充满电子层应是稳定构型出发，曾预测当时尚未发现的95号和96号元素具有生成三价离子的倾向，不久便被他们对这两种元素化学性质的研究所证实。
通过对这些元素的磁化率测量、电子自旋共振、光谱研究等的数据，以及对它们化学性质的研究，进一步证明了锕系理论的正确性。
104号元素Rf和105号元素Ha合成后，对它们的价态和水溶液性质进行的研究，表明该两种元素分别是ⅣB族的Zr、Hf和ⅤB族的Nb、Ta的同族元素，因而锕系理论得到最后的证实。
锕系理论的建立是核能规划中最重要的理论成就之一，这个理论在解释周期表里锕以后的元素化学性质方面取得了显著的成功，从而丰富了元素周期律的实际内容，在化学和物理学等各个领域中都起着很大的推动作用。
1．2 锕系元素的电子构型由原子束所作的光谱研究和试验表明，锕后第一个元素钍（Z=90）的气态中性原子并没有5f 电子，而是其后的镤（Z=91）开始同时填入了两个5f电子。
填充情况如下表：表1 锕系元素外层电子结构三价锔和三价钆均为半充满壳层，电子结构5f 7和4f 7是特别稳定的。
在镧系中，这种稳定性在钆处很明显。
而对锕系，在锔处的各种说法至今尚未确证。
原因之一是超锔元素的数据不完全，而更重要的是5f电子间的能量差值较小，其稳定性的特征就不很明显了。
1．3 锕系元素的价态在中性气态原子中，f族元素的前一半，一个5f电子激发到6d所需的能量比相应的4f激发到5d的能量小。
这表明这些锕系元素比镧系元素有更多数目的成键电子，能出现高于+3的价态。
f族的后一半元素正好相反，这就说明为什么重锕系元素和重镧系元素低价态的稳定性以及重锕系元素存在+2价的原因。
表2 锕系元素的价态画括号的是不稳定的，在水溶液中不存在，只存在于固体化合物中* 仅在碱土金属卤化物中以稀的固态溶液存在（<0.5mol%）带下划线的为该元素的最稳定的氧化态1．4 锕系元素的水解反应金属离子的水解，实质上是与OH－离子的配位作用，因为OH－离子也是一种强的配体。
在研究锕系元素水溶液过程时，必须要考虑它的水解问题。
要抑制水解，一般是减小溶液的pH值或加入强配体。
在锕系元素中，高电荷的离子半径小，水解和形成配位化合物的能力强。
水解程度或配离子形成能力的递减顺序：M4+>MO23+>M3+>MO2+大部分金属阳离子有各式各样的水解过程，除单核型水解产物外，还有聚合型产物。
表3 三价和四价锕系元素的一级水解常数I为离子强度1．5 锕系元素的离子半径锕系元素的价态比较多，每种价态的离子都有它特殊的化学行为。
和镧系相似，也有锕系收缩现象——即离子半径随着原子序数的增加而减小，如下表所示。
这种锕系收缩是连续而不均匀的，对前几个f电子收缩得较多，以后逐渐平缓，元素化学行为的差别随原子序数的增加而逐渐变小，这就使得超钚元素分离越来越困难。
表4锕系元素的离子半径（配位数为6）锕系元素的离子半径（单位：Å）1．6 锕系元素的配位数三价锕系元素的配位数主要是6或8；四价的特征配位数为8或10，而锕系酰基离子的配位数主要是6、7、8。
除了有6和8两种常见的配位数外，许多锕系元素的离子还有较高的配位数，如10、11或12；更有意思的是，配位数为7和9在别处是极少遇到的，但在锕系元素化合物中却是经常出现。
表5 锕系元素离子的配位数1．7 锕系元素在自然界中的存在锕系元素中的铀早在1789年就在沥青铀矿中发现，比它较轻的锕、钍和镤随后在它们的矿石中也陆续地发现了。
它们在地壳中的丰度为：锕3×10－14％，钍1.5×10－3％，镤8×10－11％，铀4×10－4％。
主要的钍矿有独居石(Ce，La，Nd…)PO4，其中含ThSiO4，它与CePO4呈同晶形共生；另外还有硅酸钍矿ThSiO4。
铀的主要矿石有沥青铀矿U3O9，钒酸钾铀矿K2(UO2)2(VO4)2·3H2O，钙铀云母Ca(UO2)2(PO4)2·8H2O，铜铀云母Cu(UO2)2(PO4)2·12H2O，黑稀金矿(Ca，U，Th，Ce)(Nb，Ta，Ti，Fe)2O6等等。
而自然界中不存在超铀元素，铀矿中存在的钚是由铀衰变而来的，不是原生的。
2．锕系元素的制取和分离2．1 锕系元素的人工制取锕系元素中的锕、钍、镤和铀存在于自然界中。
1940年McMillan和Abelson利用反应堆制得了第一个铀后元素镎，生产铀后元素的起始物质总是天然存在的最重的核素238U。
合成重元素的方法不外乎两种：一是多次中子俘获继发β－衰变；二是用加速离子轰击高原子序数的核素。
一、中子俘获法利用多次中子俘获和继发β－衰变制备铀后元素存在两条途径：a）用反应堆的稳定中子流重核在反应堆稳定的中子流照射下俘获中子，这一过程是目前能制取可称量铀后元素的唯一方法。
但此法合成的重元素的量受放射性衰变和核裂变的竞争所限制。
在铀燃料反应堆运行过程中，逐渐形成Np、Pu、Am和Cm等轻锕系元素，从辐照后的核燃料中进行提取构成了它们的主要来源。
生产堆的核燃料燃耗低，主要产生239Pu；动力堆的燃耗较深，可生成较多的Np、Pu、Am和Cm的重同位素；而快中子增殖动力堆生产铀后元素的量比前两者都大得多。
用中子长时间照射94号元素钚或95号元素镅，能制得可称量的原子序数更高的锔后元素。
b）用热核爆炸的脉冲中子源在1952年的“Mike”热核爆炸试验（相当于几百万吨TNT）中，首次发现有新元素和轻锕系元素的重同位素生成。
对放射性沉降物的研究证实，不仅有Bk和Cf的同位素，还有当时未知的质量数为253和255的Es和Fm。
热核爆炸产生的中子在10－12～10－14s内便降至10～100keV的能量范围内。
包裹在热核装料外面的铀在10－7～10－8s内迅速吸收这些中子，形成拥有大量过剩中子的铀的同位素（这一过程比铀同位素继发β－衰变的半衰期短得多，因此能形成极富中子的铀的重同位素）；然后它们再衰变成寿命较长的同量异位素。
在热核爆炸中，约有1～10％起始重量的238U发生了多次俘获中子的核反应过程。
这是反应堆生产所无能为力的。
二、带电粒子核反应法利用带电粒子轰击高质量数的靶核，是合成铀后元素尤其是重锕系元素的主要方法。
当入射粒子的能量高于库伦势垒时，靶核俘获截面大致上也有核几何截面的数量级。
形成的复合核可通过蒸发核子或裂变而释出激发能。
如果重核的裂变过程占优势，则核合成反应截面很小。
本法所能合成的新元素的原子序数最多等于靶子和入射粒子原子序数的总和。
2．2 锕系元素的分离在锕系元素的分离分析和生产制备中，当前以溶剂萃取法和离子交换法使用得最为广泛。
对三价锕系元素可采用多级分离流程；对具有多种价态的，则可利用氧化－还原循环方法。
经典的沉淀法、纸上色层和电泳通常只作为分析方法使用。
近年来，萃取色层受到很大的重视，它即可用于分离分析工作，又适用于毫克量钚后元素的纯化和分离。
一、萃取法a）溶剂配合物萃取在此类萃取中有磷酸酯(RO)3PO、烷基膦酸酯(RO)2RPO和三烷基氧化膦R3PO等萃取剂。
工业上最重要的萃取剂是磷酸三丁脂（TBP，即(C4H9O)3PO）。
各种价态锕系元素的被萃能力按下列顺序递降：M(IV)＞M(VI)＞M(III)＞M(V)。
四价锕系元素被粹能力顺序：Pu＞Np＞U＞Th。
六价锕系元素的被粹能力随原子序数的增加而下降：U＞Np＞Pu。
b）金属螯合物萃取对锕系元素较重要的螯合萃取剂有1,3－二酮类、2－噻吩甲酰三氟丙酮（HTTA）、8－羟基喹啉、铜铁试剂等。
金属螯合物不溶于水，但可溶于有机溶剂。
c）金属盐萃取胺类和季铵盐等为这类萃取的典型代表，由于其萃取机理类似于离子交换机理，故将胺类和季胺盐看成是液态阴离子交换剂。
R3N(有机)＋H+＋NO3-[R3NH]NO3(有机)2[R3NH]NO3(有机)＋M(NO3)62-(水)[R3NH]2[M(NO3)6](有机)＋2NO3-(水)胺类是锕系元素极好的萃取剂，它们对辐射和水解都很稳定，可用来从高放射性溶液中分离钚和钚后元素；还可不经过中间纯化步骤而多次使用。
二、离子交换法离子交换法具有操作简单、选择性高和适用性强的特点，它还始于远距离操作，易实现辐射防护，因而在放射化学分离中占有重要的地位，是研究锕系元素分离裂变产物和其他放射性核素的有效手段。
在核燃料工业中，离子交换法用于从矿浆浸出液中吸附铀，在后处理中用于净化铀、钚和钍等流程。
a）阴离子交换法锕系元素离子在无机酸溶液中的配合物化学行为表现出一定的差别，因而利用形成阴离子配合物的倾向，可对不同价态的锕系元素混合物实现良好的分离。