锕

錒（拼音：ā，注音：ㄚ；英語：Actinium），是一種化學元素，其化學符號为Ac，原子序數为89，位居錒系元素之首。在元素週期表中，錒系元素始於錒，止於鐒，一共有15種元素。錒是一種柔軟的銀白色金屬，具強放射性。在空氣中，錒會迅速與氧氣和水氣反應，在表面形成具保護性的白色氧化層。和大部份鑭系元素及錒系元素一樣，錒的氧化態一般是+3。

錒   ₈₉Ac

氫（非金屬） 氦（惰性氣體） 鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體） 鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體） 鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體） 銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體） 銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體） 鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體） 鑭 ↑ 錒 ↓ (Ute) 鐳 ← 錒 → 釷
外觀
銀白色，發暗藍光^[1]
概況
名稱·符號·序數	錒（Actinium）·Ac·89
元素類別	錒系金屬 有時歸為過渡金屬
族·週期·區	3 ·7·f
標準原子質量	(227)
电子排布	[氡] 6d^1 7s^2 2, 8, 18, 32, 18, 9, 2
歷史
發現	安德烈-路易·德比埃爾內、弗里德里希·奧斯卡·吉塞爾（英语：Friedrich Oskar Giesel）（1899、1902年）
分離	安德烈-路易·德比埃爾內、弗里德里希·奧斯卡·吉塞爾（1899、1902年）
物理性質
物態	固態
密度	（接近室温） 10 g·cm^−3
熔点	（大約）1323 K，1050 °C，1922 °F
沸點	3471 K，3198 °C，5788 °F
熔化热	14 kJ·mol^−1
汽化热	400 kJ·mol^−1
比熱容	27.2 J·mol^−1·K^−1
蒸氣壓
原子性質
氧化态	3 （鹼性）
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
雜項
晶体结构	面心立方
磁序	無數據
熱導率	12 W·m^−1·K^−1
CAS号	7440-34-8
最穩定同位素
主条目：錒的同位素 同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變 方式 能量（MeV） 產物 ^225Ac 微量 10天 α 5.935 ^221Fr ^226Ac 人造 29.37小時 β^− 1.117 ^226Th ε 0.640 ^226Ra α 5.536 ^222Fr ^227Ac 微量 21.772年 β^− 0.045 ^227Th α 5.042 ^223Fr

錒在1899年被發現，是首個得到分離的非原始核素（non-primordial radioactive element）。雖然釙、鐳和氡比錒更早被發現，但是科學家到1902年才分離出這些元素。

錒具有高度的放射性，最穩定的同位素是²²⁷Ac，會進行β衰變，半衰期為21.772年。由於缺乏長壽命的同位素，在自然界中只有痕量的錒出現在鈾礦石當中，以²²⁷Ac為主，為²³⁵U的衰變產物。每一噸鈾礦石約含0.2毫克的錒元素。由於錒和鑭的化學和物理特性過於接近，因此要從礦石中分離出錒元素並不現實。科學家則是在核反應爐中以中子照射鐳-226來生產錒的。

錒因為稀少、昂貴，且具強放射性，所以沒有大的工業用途。目前錒被用作中子源，以及在放射線療法中作為輻射源。

歷史

法國化學家安德烈-路易·德比埃爾內在1899年宣佈發現新元素。在瑪莉·居禮和皮埃爾·居禮從瀝青鈾礦中分離出鐳之後，德貝爾恩接著從殘留物中再分離出這一新元素。他認為該元素與鈦和釷相似，並將其命名為「actinium」。^[2][3]德國化學家弗裡德里希·奧斯卡·吉塞爾（英语：Friedrich Oskar Giesel）則在1902年獨立發現了錒元素。^[4]他認為錒與鑭相似，並在1904年將其命名為「emanium」。^[5]科學家在比較德貝爾恩所得出的半衰期數據後，^[6]決定依最早發現者的意願把該元素正式定名為「actinium」。^[7][8]

錒的原文名稱「actinium」源自古希臘語中的「ακτίς」、「ακτίνος」（「aktis」、「aktinos」），意為光線。^[9]其化學符號為Ac，但Ac也同時是其他化學品的縮寫，如乙酰基、乙酸鹽^[10]和乙醛，但錒與這些並無關係。^[11]

屬性

錒是一種柔軟的銀白色^[12][13]放射性金屬。其剪切模量估計與鉛相近。^[14]錒的放射性很強，它放射出的高能粒子足以把四周的空氣電離，因而發出暗藍色光。^[15]錒的化學屬性與包括鑭在內的鑭系元素相近，因此要將錒從鈾礦石中分離出來十分困難。分離過程一般使用溶劑萃取法和離子層析法。^[16]

錒是首個錒系元素。這些元素彼此間的特性比鑭系元素更多元化，因此直到1945年，格倫·西奧多·西博格才提出為元素週期表加入錒系元素。這是自從德米特里·門捷列夫創造元素週期表以來對週期表最大的變動之一。^[17]

錒在空氣中會與氧氣、水氣迅速反應，在表面產生白色的保護性氧化層。^[12]與大部份鑭系和錒系元素一樣，錒的氧化態通常是+3；Ac³⁺離子在溶液中無色。^[18]錒的電子排布是6d¹7s²，所以當失去3個電子後，就會形成穩定的閉殼層，與惰性氣體氡一樣。^[13]錒的+2態只出現在二氫化錒（AcH₂）中。^[19]

化合物

已知的錒化合物非常少，其中有三氟化錒（AcF₃）、三氯化錒（AcCl₃）、三溴化錒（AcBr₃）、氟氧化錒（AcOF）、氯氧化錒（AcOCl）、溴氧化錒（AcOBr）、三硫化二錒（Ac₂S₃）、氧化錒（Ac₂O₃）和磷酸錒（AcPO₄）等。除AcPO₄以外，這些化合物都具有+3氧化態，且都有相對應的鑭化合物。^[18][20]對應的鑭和錒化合物在晶格常數上的差異不超過百分之十。^[21]

化學式	顏色	對稱	空間群	空間群數	皮爾遜符號	a（pm）	b（pm）	c（pm）	Z	密度（ g/cm^3）
Ac	銀白色	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^[22]	P3m1	164	hP5	408	408	630	1	9.18
Ac2S3		立方晶系^[23]	I43d	220	cI28	778.56	778.56	778.56	4	6.71
AcF3	白色^[24]^:71	六方晶系^[21]^[22]	P3c1	165	hP24	741	741	755	6	7.88
AcCl3		六方晶系^[21]^[25]	P63/m	165	hP8	764	764	456	2	4.8
AcBr3	白色^[21]	六方晶系^[25]	P63/m	165	hP8	764	764	456	2	5.85
AcOF	白色^[24]^:87-88	立方晶系^[21]	Fm3m			593.1				8.28
AcOCl		四方晶系^[21]				424	424	707		7.23
AcOBr		四方晶系^[21]				427	427	740		7.89
AcPO4·0.5H2O		六方晶系^[21]				721	721	664		5.48

上表中的a、b和c為晶格常數，Z為每晶胞所含的化學式單元數。密度並非實驗數據，而是從晶體參數中計算得出的。

氧化物

在真空中把氫氧化錒加熱至500°C或把草酸錒加熱至1100°C，可製成氧化錒（Ac₂O₃）。氧化錒的晶體結構與大部份三價稀土金屬的氧化物同型。^[21]

鹵化物

三氟化錒的合成反應可以在液態或固態下進行。前者在室溫下進行，需將氫氟酸加入含有錒離子的溶液中。後者需對錒金屬施以氟化氫氣體，反應要在700°C下進行，並必須使用全鉑製器材。在900至1000°C下，三氟化錒會和氫氧化銨反應形成氟氧化錒（AcOF）。雖然三氟化鑭在空氣中以800°C燃燒一小時後就可以產生氟氧化鑭，但是類似的方法無法產生氟氧化錒，而是會把三氟化錒熔解。^{[21][24]:87–88}

AcF₃ + 2 NH₃ + H₂O → AcOF + 2 NH₄F

氫氧化錒或草酸錒與四氯化碳在960°C以上溫度反應會產生三氯化錒。同樣，三氯化錒與氫氧化銨在1000°C反應會形成氯氧化錒。但與氟氧化錒不同的是，三氯化錒在氫氯酸溶液中用氨點燃就可以產生氯氧化錒。^[21]

溴化鋁與氧化錒反應後，會形成三溴化錒：

Ac₂O₃ + 2 AlBr₃ → 2 AcBr₃ + Al₂O₃

在500°C加入氫氧化銨，可以產生溴氧化錒（AcOBr）。^[21]

其他化合物

三氯化錒在300°C下經鉀還原後，可形成氫化錒，其結構可從氫化鑭（LaH₂）的結構推測而得。該反應中氫的來源不明。^[24]:43

在含錒的氫氯酸溶液中加入磷酸二氫鈉（NaH₂PO₄），會產生白色的半水合磷酸錒（AcPO₄·0.5H₂O）。草酸錒和硫化氫氣體在1400°C受熱幾分鐘，會產生黑色的硫化錒（Ac₂S₃）。^[21]

同位素

主条目：錒的同位素

錒一共有36種已知同位素，全部都具有放射性。這些同位素的原子量介乎206 u（206
Ac）和236 u（236
Ac）。^[26]其中最穩定的有：227
Ac（半衰期為21.772年）、225
Ac（10.0天）和226
Ac（29.37小時）。其餘的同位素的半衰期都小於10小時，大部份甚至小於1分鐘。壽命最短的錒同位素是217
Ac，其半衰期只有69納秒，會進行α衰變和中子捕獲。錒擁有兩個亞穩態（同核異構體）。^[26]

自然界中的錒元素主要由227
Ac組成，此外還有極微量的225
Ac和228
Ac。純化後的227
Ac在185天後與衰變產物達成平衡。它主要進行β衰變（98.8%），以及少量的α衰變（1.2%）。^[18]這些衰變的產物都屬於錒衰變系。227
Ac發射的β粒子能量較低（46 keV），α輻射的強度較低，可用樣本也一般很少，所以很難直接探測到227
Ac。因此科學家一般以探測其衰變產物的方法來推算227
Ac的量。^[18]

同位素	合成反應	衰變形式	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分鐘
^224Ac	^232Th(d,6n)^228Pa(α)→^224Ac	α	2.78小時
^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^−、電子捕獲	29.37小時
^227Ac	^235U(α)→^231Th(β^−)→^231Pa(α)→^227Ac	α、β^−	21.77年
^228Ac	^232Th(α)→^228Ra(β^−)→^228Ac	β^−	6.15小時
^229Ac	^228Ra(n,γ)^229Ra(β^−)→^229Ac	β^−	62.7分鐘
^230Ac	^232Th(d,α)^230Ac	β^−	122秒
^231Ac	^232Th(γ,p)^231Ac	β^−	7.5分鐘
^232Ac	^232Th(n,p)^232Ac	β^−	119秒

存量及合成

 

瀝青鈾礦中含有少量的錒元素

錒元素在地球上十分稀少，只有痕量的²²⁷Ac同位素出現在鈾礦石中：每噸鈾礦石只含有大約0.2毫克的錒。^[27][28]227Ac是錒衰變系中的其中一個短暫存在的同位素。該衰變鏈始於²³⁵U（或²³⁹Pu），止於穩定同位素²⁰⁷Pb。²²⁵Ac則是錼衰變系中短暫存在的同位素。該衰變鏈始於²³⁷Np（或²³³U），止於近似穩定的²⁰⁹Bi和穩定的²⁰⁵Tl。^[29]惟自然界中的錼衰變系早已衰變殆盡，現時地殼中的²³⁷Np主要由²³⁸U發生核散裂（英语：Nuclear spallation）而痕量生成。^[30]

含有錒的礦石中也同時含有鑭及其他鑭系元素。然而這些元素的化學、物理特性與錒非常接近，再加上錒含量更為稀少，因此從礦石中分離出錒元素的做法並不具實際性，科學家也從未完全分離出錒。^[21]錒元素則通常是在核反應爐中用中子照射²²⁶Ra產生的，每次產量以毫克計。^[28][31]

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

該反應的錒產量約為鐳重量的2%。²²⁷Ac可再捕獲中子，形成少量的²²⁸Ac。合成過後，錒需從鐳以及其他的衰變產物中分離出來，這些產物包括釷、釙、鉛和鉍。第一種分離法使用噻吩甲酰三氟丙酮和苯的混合溶液。調整該溶液的pH值，可從含衰變產物的溶液中萃取出特定的元素（錒需要pH 6.0左右）。^[27]另一種分離法是在硝酸中以適當的樹脂進行負離子交換法，先把鐳和錒與釷分離開來（分離係數為1百萬），再用正離子交換樹脂和硝酸洗脫液把錒從鐳中提取出來（係數為100）。^[32]

德國和澳洲的科學家在2000年首次人工合成²²⁵Ac。德國超鈾元素研究所所使用的是迴旋加速器，而澳洲的研究人員則使用位於悉尼聖喬治醫院的直線加速器。^[33]其合成方法為，對鐳-226目標體進行20至30 MeV能量氘離子撞擊。這一反應同時會產生半衰期為29小時的²²⁶Ac同位素，但由於²²⁵Ac的半衰期有10天，所以前者不會對後者造成不純。²²⁵Ac是一種稀有的同位素，在放射線療法中有潛在的用途。^[34]

在1100至1300°C間以鋰氣體對氟化錒進行還原反應，可以產生錒金屬。太高的溫度會使產物氣化，而太低溫則會導致反應不能完全進行。鋰的氟化物揮發性比其他鹼金屬的高，因此最適合用於這一反應中。^[9][12]

應用

由於存量稀少，價格昂貴，所以錒目前並無重要的工業用途。^[9]

²²⁷Ac放射性很強，因此有潛力用於放射性同位素熱電機中，應用範圍包括航天器。²²⁷Ac的氧化物和鈹壓製後可以作為高效能中子源，其活度高於一般的鋂﹣鈹和鐳﹣鈹中子源。^[35]這些應用利用的其實是²²⁷Ac的衰變產物。進行β衰變後所產生的同位素會釋放α粒子，而鈹則用於捕獲這些α粒子，並放出中子。鈹的9Be(α,n)12C核反應截面較高，因此能高效地將α粒子轉換為中子。該反應的公式如下：^[36]

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

²²⁷AcBe可用於中子水份儀中，以測量土壤中的水份以及在建造公路時進行濕度、密度的質量檢驗。^[37][38]這類探測儀在測井、中子照相、斷層攝影術及其他放射性化學範疇中都有應用的空間。^[39]

 

在放射線療法中用於運輸²²⁵Ac的DOTA載體的化學結構。

²²⁵Ac在醫學中用於製造²¹³Bi，^[32]或直接作放射線療法的輻射源。²²⁵Ac的半衰期為10天，比²¹³Bi的46小時更適合作放射線治療。²²⁵Ac及其衰變產物所釋放的α粒子可以殺死身體內的癌細胞。最大的困難在於，簡單的錒配合物經靜脈注射進入體內後，會積累在骨骼和肝臟中，並停留數十年。持續的輻射在殺死癌細胞後，會引發新的突變。要避免這種問題，可將²²⁵Ac與螯合劑結合，例如檸檬酸、乙二胺四乙酸（EDTA）和二乙烯三胺五乙酸（DTPA）。這可降低錒在骨骼中的積累，但從身體排泄的量仍然不高。改用HEHA^[40]或耦合至曲妥珠單抗的DOTA（1,4,7,10-四氮雜環十二烷-1,4,7,10-四羧酸）等螯合劑可以增加錒的排泄量。曲妥珠單抗是一種單株抗體，能夠干擾HER2/neu受體。科學家把錒與DOTA結合後注射到老鼠體內，發現療法有效對抗白血病、淋巴瘤、乳癌、卵巢癌、神經母細胞瘤和前列腺癌。^[41][42][43]

²²⁷Ac的半衰期為21.77年，可用來研究海水的緩慢垂直混合作用。這種水流的速度大約為每年50米，因此直接測量是無法得到足夠的精度的。科學家通過探測各同位素在不同深度的相對比例變化，可以推算出混合作用的發生速率。具體的物理原理如下。海水含有均衡分佈的²³⁵U。其衰變產物²³¹Pa會慢慢沉澱到海底，所以其濃度會隨深度增加，並在一定的深度以下維持恒等。²³¹Pa再衰變成²²⁷Ac。混合作用會把海底的²²⁷Ac提升上來，因此²²⁷Ac的濃度隨深度一直增加至海底。科學家分析²³¹Pa和²²⁷Ac的濃度﹣深度關係，可以間接研究海水的混合作用。^[44][45]

安全

²²⁷Ac的放射性極強，因此有關的實驗都必須在專業實驗室的手套箱中進行。當三氯化錒經靜脈注射進入老鼠體內後，約33%的錒元素積累在骨骼中，50%進入肝臟。其毒性稍低於鋂和鈽。^[46]

參考資料

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外部連結

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• EnvironmentalChemistry.com —— 锕（英文）
• 元素锕在The Periodic Table of Videos（諾丁漢大學）的介紹（英文）
• 元素锕在Peter van der Krogt elements site的介紹（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）
• 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.