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알칼리 토금속 특성
칼슘-48과 바륨-130, 즉 두 개의 원시적이고 불안정한 동위 원소는 이중 베타 방출을 통해서만 붕괴하며 두 베타 붕괴가 동시에 일어날 확률이 극도로 낮기 때문에 극도로 긴 반감기를 가진다. 라듐의 모든 동위 원소는 높은 방사성을 띠며 주로 더 무거운 방사성 핵종의 붕괴를 통해 생성된다. 이들 중 가장 수명이 긴 것은 우라늄-238의 붕괴 사슬에 속하는 라듐-226이다. 스트론튬-90과 바륨-140은 원자로에서 우라늄의 흔한 핵분열 생성물이며, 열중성자에 충돌할 때 우라늄-235의 핵분열 생성물의 각각 5.73%와 6.31%를 차지한다. 두 동위 원소는 각각 28.90년과 12.7일의 반감기를 가진다. 스트론튬-90은 우라늄-235 또는 플루토늄-239 연료로 작동하는 원자로에서 상당량 생산되며, 자연 발생 우라늄의 드문 자발 핵분열 붕괴로 인해 미량의 영년 평형 농도도 존재한다.
알칼리 토금속 특성
칼슘-48은 이중 베타 붕괴를 겪는 것으로 알려진 가장 가벼운 핵종이다. 자연적으로 발생하는 칼슘과 바륨은 매우 약하게 방사성을 띠는데, 칼슘은 약 0.1874%의 칼슘-48을 포함하고 바륨은 약 0.1062%의 바륨-130을 포함한다. 평균적으로 90톤의 천연 칼슘, 또는 230톤의 석회암(탄산 칼슘)당 1초에 하나의 칼슘-48 이중 베타 붕괴가 발생한다. 같은 붕괴 메커니즘을 통해 16,000톤의 천연 바륨, 또는 27,000톤의 중정석 (황산 바륨)당 1초에 하나의 바륨-130 붕괴가 발생한다.
라듐의 가장 긴 반감기를 가진 동위 원소는 1600년의 반감기를 가진 라듐-226이다. 이는 라듐-223, -224, -228과 함께 원시 토륨과 우라늄의 붕괴 사슬에서 자연적으로 발생한다. 베릴륨-8은 형성될 때마다 거의 즉시 두 개의 알파 입자로 분열된다는 점에서 주목할 만하다. 별 내부의 삼중 알파 과정은 베릴륨-8이 붕괴하기 전에 세 번째 알파 입자와 융합하여 탄소-12를 형성할 수 있을 만큼 충분히 높은 에너지에서만 발생할 수 있다. 이 열핵 속도 제한 병목 현상은 대부분의 주계열성이 핵에서 수십억 년 동안 수소 융합에 시간을 보내고, 드물게만 별 잔해로 붕괴하기 전에 탄소를 융합하며, 그마저도 겨우 약 1000년의 시간 규모에 불과한 이유이다. 알칼리 토금속의 방사성 동위 원소는 칼슘과 화학적으로 유사하게 작용하여 뼈의 조밀한 수산화인회석의 필수 성분으로 작용하므로 "뼈 추적자"가 되는 경향이 있으며, 시간이 지남에 따라 인체 골격에 점진적으로 축적된다. 체내에 통합된 방사성 핵종은 주로 알파 입자 방출을 통해 시간이 지남에 따라 골수에 상당한 손상을 입힌다. 이 특성은 특정 골종양의 방사선 요법에서 긍정적인 방식으로 활용되는데, 방사성 핵종의 화학적 특성으로 인해 뼈 조직의 암성 성장을 선택적으로 표적으로 삼아 나머지 신체는 비교적 손상되지 않기 때문이다.
주기율표의 이웃 원소에 비해 알칼리 토금속은 모두 2족 원소로서 짝수 양성자 수를 가지고 있기 때문에 더 많은 수의 안정 동위 원소를 가지는 경향이 있다. 이들의 동위 원소는 일반적으로 핵자 쌍 형성으로 인해 더 안정적이다. 이러한 안정성은 동위 원소가 짝수 중성자 수도 가질 경우 더욱 향상되는데, 이 경우 두 종류의 핵자가 모두 쌍 형성에 참여하고 핵 안정성에 기여할 수 있기 때문이다.
알칼리 토금속 역사
알칼리 토금속은 그 산화물인 알칼리토(alkaline earths)에서 이름을 따왔는데, 이들의 옛 이름은 베릴리아, 마그네시아, 석회, 스트론티아, 바리아였다. 이 산화물은 물과 결합하면 염기성(알칼리성)을 띤다. "토(earth)"는 초기 화학자들이 물에 불용성이며 가열에 강한 비금속 물질에 적용했던 용어였는데, 이 산화물들도 이러한 특성을 공유한다. 이 토들이 원소가 아니라 화합물이라는 사실을 깨달은 공로는 화학자 앙투안 라부아지에에게 있다. 그는 1789년 저서 Traité Élémentaire de Chimie에서 이들을 염 형성 토 원소라고 불렀다. 나중에 그는 알칼리 토가 금속 산화물일 수도 있다고 제안했지만, 이는 단순한 추측이라고 인정했다. 1808년, 라부아지에의 생각에 따라 험프리 데이비는 이들 용융된 토의 전기 분해를 통해 금속 시료를 처음으로 얻어냈고, 이로써 라부아지에의 가설을 지지하고 이 그룹이 알칼리 토금속이라는 이름을 얻게 되었다.
알칼리 토금속 역사
칼슘 화합물인 방해석과 석회는 선사시대부터 알려지고 사용되어 왔다. 녹주석과 에메랄드 같은 베릴륨 화합물도 마찬가지이다. 다른 알칼리 토금속 화합물은 15세기 초부터 발견되기 시작했다. 마그네슘 화합물인 황산 마그네슘은 1618년 엡섬의 한 농부가 처음 발견했다. 탄산 스트론튬은 1790년 스코틀랜드 스트론티안 마을의 광물에서 발견되었다. 마지막 원소는 가장 희귀한 라듐으로, 1898년에 우라니나이트에서 추출되었다.
베릴륨을 제외한 모든 원소는 용융된 화합물의 전기 분해를 통해 분리되었다. 마그네슘, 칼슘, 스트론튬은 1808년 험프리 데이비가 처음 생산했고, 베릴륨은 1828년 프리드리히 뵐러와 앙투안 뷔시가 베릴륨 화합물을 칼륨과 반응시켜 독립적으로 분리했다. 1910년, 라듐은 퀴리와 앙드레-루이 드비에른이 전기 분해를 통해 순수 금속으로 분리했다.
알칼리 토금속 역사
베릴륨을 함유한 광물인 녹주석은 이집트의 프톨레마이오스 왕국 시대부터 알려져 있었다. 처음에는 녹주석이 알루미늄 규산염으로 생각되었지만, 1797년 루이-니콜라 보클랭이 녹주석에서 수산화 알루미늄을 알칼리에 녹였을 때 당시 알려지지 않은 원소를 함유하고 있음이 밝혀졌다. 1828년 프리드리히 뵐러와 앙투안 뷔시는 염화 베릴륨과 금속 칼륨의 반응을 통해 이 새로운 원소인 베릴륨을 같은 방법으로 독립적으로 분리해냈지만, 이 반응으로는 큰 베릴륨 덩어리를 생산할 수 없었다. 1898년에 폴 르보가 플루오린화 베릴륨과 플루오린화 나트륨 혼합물을 전기 분해하여 대량의 순수한 베릴륨 시료를 생산할 때까지는 대량 생산이 불가능했다.
마그네슘은 1808년 험프리 데이비가 마그네시아와 산화 수은의 혼합물을 전기 분해하여 잉글랜드에서 처음 생산했다. 앙투안 뷔시는 1831년에 이를 응집된 형태로 만들었다. 데이비의 첫 번째 이름 제안은 마그늄이었지만, 현재는 마그네슘이라는 이름이 사용된다.
알칼리 토금속 역사
석회는 기원전 7000~14000년부터 건축 자재로 사용되었으며, 석회 가마는 기원전 2500년 메소포타미아의 카파자에서부터 존재했다. 칼슘 자체는 적어도 1세기부터 알려져 있었는데, 고대 로마인이 석회로부터 산화 칼슘을 제조하여 사용했던 것으로 알려져 있다. 황산 칼슘은 10세기부터 부러진 뼈를 고정하는 데 사용될 수 있음이 알려졌다. 그러나 칼슘 자체는 1808년에 험프리 데이비가 옌스 야코브 베르셀리우스가 수은에 석회를 전기 분해하여 칼슘 아말감을 만들었다는 소식을 듣고 잉글랜드에서 석회와 산화 수은 혼합물을 전기 분해하여 분리할 때까지는 홑원소로 분리되지 않았다.
1790년, 의사 아데어 크로퍼드는 독특한 특성을 가진 광석을 발견했고, 이는 1793년 글래스고 대학교의 화학 교수인 토마스 찰스 호프가 스트론타이트로 명명했으며, 그가 크로퍼드의 발견을 확인했다. 스트론튬은 마침내 1808년 험프리 데이비가 염화 스트론튬과 산화 수은의 혼합물을 전기 분해하여 분리했다. 이 발견은 1808년 6월 30일 데이비가 왕립 학회 강연에서 발표했다.
알칼리 토금속 역사
바륨을 함유한 광물인 중정석은 1774년 칼 빌헬름 셸레가 새로운 원소를 함유하고 있음을 처음 알아냈지만, 그는 산화 바륨만을 분리할 수 있었다. 산화 바륨은 2년 후 요한 고틀리브 간이 다시 분리했다. 18세기 후반, 윌리엄 위더링은 컴벌랜드 납 광산에서 바륨을 함유하고 있다고 알려진 무거운 광물을 발견했다. 바륨 자체는 1808년 험프리 데이비가 용융 염을 이용한 전기 분해를 통해 최종적으로 분리되었고, 데이비는 바라이트의 이름을 따서 이 원소를 바륨이라고 명명했다. 나중에 로베르트 분젠과 아우구스투스 마티센은 염화 바륨과 염화 암모늄 혼합물의 전기 분해를 통해 순수한 바륨을 분리했다.
우라니나이트를 연구하던 중, 1898년 12월 21일 마리 퀴리와 피에르 퀴리는 우라늄이 붕괴한 후에도 생성된 물질이 여전히 방사성을 띤다는 것을 발견했다. 이 물질은 바륨 화합물과 어느 정도 유사하게 행동했지만, 불꽃 반응의 색이나 스펙트럼 선과 같은 일부 특성은 훨씬 달랐다. 그들은 1898년 12월 26일 프랑스 과학 아카데미에 새로운 원소의 발견을 발표했다. 라듐은 1899년에 광선을 의미하는 'radius'라는 단어에서 이름을 따왔는데, 라듐이 광선 형태로 에너지를 방출했기 때문이다.
알칼리 토금속 존재
베릴륨은 지구 지각에 2~6 ppm의 농도로 존재하며, 대부분은 토양에 6 ppm의 농도로 존재한다. 베릴륨은 해수에서 가장 희귀한 원소 중 하나로, 스칸듐과 같은 원소보다도 희귀하여 0.2 ppt의 농도를 가진다. 그러나 담수에서는 베릴륨이 다소 더 흔하며, 0.1 ppb의 농도를 가진다.
마그네슘과 칼슘은 지구 지각에서 매우 흔하며, 각각 다섯 번째와 여덟 번째로 풍부한 원소이다. 알칼리 토금속 중 원소 상태로 발견되는 것은 없다. 흔한 마그네슘 함유 광물은 카날라이트, 마그네사이트, 백운석이다. 흔한 칼슘 함유 광물은 백악, 석회암, 석고, 경석고이다.
스트론튬은 지구 지각에서 15번째로 풍부한 원소이다. 주요 광물은 셀레스틴과 스트론티아나이트이다. 바륨은 약간 덜 흔하며, 대부분은 중정석 광물에 존재한다.
라듐은 우라늄의 붕괴 생성물이므로, 모든 우라늄 함유 광석에서 발견된다. 상대적으로 짧은 반감기 때문에 지구 초기에 생성되었던 라듐은 모두 붕괴했으며, 오늘날 볼 수 있는 샘플은 모두 훨씬 느린 우라늄 붕괴에서 비롯된 것이다.
알칼리 토금속 생산
여섯 알칼리 토금속의 생산은 다양한 방식으로 이루어질 수 있다.
대부분의 베릴륨은 수산화 베릴륨에서 추출된다. 한 가지 생산 방법은 소결인데, 녹주석, 플루오린화 규산 나트륨, 소다를 고온에서 혼합하여 플루오린화 베릴륨 나트륨, 산화 알루미늄, 이산화 규소를 형성한다. 그런 다음 플루오린화 베릴륨 나트륨과 수산화 나트륨의 물 용액을 사용하여 침전을 통해 수산화 베릴륨을 형성한다. 대안으로, 용융 방법에서는 분말 녹주석을 고온으로 가열하고 물로 냉각한 다음 황산에서 다시 약간 가열하여 결국 수산화 베릴륨을 얻는다. 두 방법 중 하나로 얻은 수산화 베릴륨은 다소 긴 과정을 통해 플루오린화 베릴륨과 염화 베릴륨을 생성한다. 이들 화합물의 전기 분해 또는 가열을 통해 베릴륨을 생산할 수 있다.
일반적으로 탄산 스트론튬은 셀레스틴 광물에서 두 가지 방법으로 추출된다. 하나는 탄산 나트륨으로 셀레스틴을 침출하는 것이고, 다른 하나는 석탄을 포함하는 더 복잡한 방법이다.
알칼리 토금속 생산
바륨을 생산하기 위해 바라이트 (불순한 황산 바륨)는 탄소열 환원 (예: 코크스)을 통해 황화 바륨으로 전환된다. 황화물은 수용성이며 쉽게 반응하여 상업용 안료로 사용되는 순수 황산 바륨이나 질산 바륨과 같은 다른 화합물을 형성한다. 이들은 차례로 소성되어 산화 바륨이 되고, 이는 알루미늄으로 환원된 후 최종적으로 순수 바륨을 생성한다. 가장 중요한 바륨 공급국은 중화인민공화국이며, 전 세계 공급량의 50% 이상을 생산한다.
마그네슘은 주로 마그네사이트 광석과 고회암에서 생산된다. 고회암을 분쇄하고, 구운 다음, 대형 탱크에 해수와 섞으면 수산화 마그네슘이 바닥에 침전된다. 가열하고 코크스를 섞고 염소와 반응시키면 용융 염화 마그네슘이 생성된다. 이를 전기 분해하면 마그네슘이 방출되어 표면으로 떠오른다.
알칼리 토금속 응용
베릴륨은 주로 군사 응용 분야에 사용되지만, 비군사적 용도도 존재한다. 전자 공학에서는 베릴륨이 일부 반도체에서 p형 도펀트로 사용되며, 산화 베릴륨은 고강도 전기 절연체 및 열전도체로 사용된다. 베릴륨 합금은 넓은 온도 범위에서 강성, 경량, 치수 안정성이 요구되는 기계 부품에 사용된다. 베릴륨-9는 9Be + 4He (α) →  12C + 1n 반응을 이용하는 소규모 중성자원에 사용되며, 이 반응은 제임스 채드윅이 중성자를 발견했을 때 사용한 반응이다. 낮은 원자량과 낮은 중성자 흡수 단면적 때문에 베릴륨은 중성자 감속재로 적합하지만, 높은 가격과 물, 중수 및 핵흑연과 같은 쉽게 구할 수 있는 대안 때문에 틈새 시장 응용 분야로 제한되어 왔다. 용융염 원자로에 사용되는 FLiBe 공융 혼합물에서 베릴륨의 감속재 역할은 사용을 이끄는 바람직한 특성이라기보다는 부수적인 것이다.
알칼리 토금속 응용
마그네슘은 많은 용도를 가진다. 알루미늄과 같은 다른 구조 재료에 비해 장점이 있지만, 마그네슘의 사용은 가연성으로 인해 방해를 받는다. 마그네슘은 강도와 내식성을 높이기 위해 알루미늄, 아연, 망가니즈와 자주 합금된다. 마그네슘은 철과 강철 생산, 티타늄 생산을 위한 크롤 공정에서의 역할과 같이 다른 많은 산업 응용 분야를 가지고 있다.
칼슘은 광석에서 우라늄과 같은 다른 금속을 분리하는 데 환원제로 사용된다. 칼슘은 많은 합금, 특히 알루미늄 및 구리 합금의 주요 구성 요소이며, 합금을 탈산하는 데도 사용된다. 칼슘은 치즈, 모르타르, 시멘트 제조에 중요한 역할을 한다.
스트론튬과 바륨은 가벼운 알칼리 토금속보다 응용 분야가 적다. 탄산 스트론튬은 붉은색 불꽃놀이 제조에 사용된다. 순수 스트론튬은 신경세포에서 신경전달물질 방출 연구에 사용된다. 방사성 스트론튬-90은 RTG에서 붕괴열을 이용하여 일부 사용된다. 바륨은 진공관에서 기체를 제거하기 위한 게터로 사용된다. 황산 바륨은 석유 산업 및 기타 산업에서 다양한 용도로 사용된다.
알칼리 토금속 응용
라듐은 방사능을 기반으로 하는 많은 과거 응용 분야가 있었지만, 건강에 미치는 악영향과 긴 반감기로 인해 더 이상 일반적으로 쓰지 않는다. 라듐은 야광 페인트에 자주 사용되었지만, 작업자를 병들게 한 후 이 사용은 중단되었다. 라듐의 건강상의 이점을 주장하는 핵사기는 한때 식수, 치약 및 기타 여러 제품에 라듐을 첨가하게 만들었다. 라듐은 긴 반감기로 인해 안전한 폐기가 어렵기 때문에 방사성 특성이 필요한 경우에도 더 이상 사용되지 않는다. 예를 들어, 근접 치료에서는 일반적으로 이리듐-192와 같이 반감기가 더 짧은 대안이 대신 사용된다.
알칼리 토금속 알칼리 토금속의 대표적인 반응
할로젠과의 반응
Ca + Cl2 → CaCl2
무수 염화 칼슘은 흡습성 물질로, 건조제로 사용된다. 공기에 노출되면 공기 중의 수증기를 흡수하여 용액을 형성한다. 이 특성은 조해성으로 알려져 있다.
산소와의 반응
Ca + 1/2O2 → CaO
Mg + 1/2O2 → MgO
황과의 반응
Ca + 1/8S8 → CaS
탄소와의 반응
탄소와 직접적으로 반응하여 아세틸리드를 형성한다. 베릴륨은 탄화물을 형성한다.
2Be + C → Be2C
CaO + 3C → CaC2 + CO (용광로에서 2500 °C)
CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2
Mg2C3 + 4H2O → 2Mg(OH)2 + C3H4
질소와의 반응
베릴륨과 마그네슘만 질화물을 직접 형성한다.
3Be + N2 → Be3N2
3Mg + N2 → Mg3N2
수소와의 반응
알칼리 토금속은 수소와 반응하여 물에서 불안정한 염기성 수소화물을 생성한다.
Ca + H2 → CaH2
알칼리 토금속 알칼리 토금속의 대표적인 반응
물과의 반응
칼슘, 스트론튬, 바륨은 물과 쉽게 반응하여 수산화물과 수소 가스를 생성한다. 베릴륨과 마그네슘은 불투과성 산화물 층으로 인해 부동태화된다. 그러나 아말감 마그네슘은 수증기와 반응한다.
Mg + H2O → MgO + H2
산성 산화물과의 반응
알칼리 토금속은 산화물에서 비금속을 환원시킨다.
2Mg + SiO2 → 2MgO + Si
2Mg + CO2 → 2MgO + C (고체 이산화 탄소에서)
산과의 반응
Mg + 2HCl → MgCl2 + H2
Be + 2HCl → BeCl2 + H2
염기와의 반응
베릴륨은 양쪽성 특성을 나타낸다. 농축된 수산화 나트륨에 용해된다.
Be + NaOH + 2H2O → Na[Be(OH)3] + H2
알킬 할로젠화물과의 반응
마그네슘은 삽입 반응을 통해 알킬 할로젠화물과 반응하여 그리냐르 시약을 생성한다.
RX + Mg → RMgX (무수 에테르에서)
알칼리 토금속 알칼리 토금속 양이온의 식별
불꽃 반응
아래 표는 알칼리 토금속 염이 분젠 버너의 불꽃에 노출될 때 관찰되는 색상을 보여준다. 베릴륨과 마그네슘은 크기가 작아 불꽃에 색을 부여하지 않는다.
용액 내에서
Mg2+
인산이수소 나트륨은 마그네슘 이온에 대해 매우 선택적인 시약이며, 암모늄 염과 암모니아가 존재할 때 인산 암모늄 마그네슘의 흰색 침전을 형성한다.
Mg2+ + NH3 + Na2HPO4 → (NH4)MgPO4 + 2Na+
Ca2+
Ca2+는 옥살산 암모늄과 함께 흰색 침전을 형성한다. 옥살산 칼슘은 물에 불용성이지만, 광산에 용해된다.
Ca2+ + (COO)2(NH4)2 → (COO)2Ca + NH4+
Sr2+
스트론튬 이온은 가용성 황산염 염과 함께 침전된다.
Sr2+ + Na2SO4 → SrSO4 + 2Na+
모든 알칼리 토금속 이온은 염화 암모늄과 암모니아가 존재하는 조건에서 탄산 암모늄과 함께 흰색 침전을 형성한다.
알칼리 토금속 알칼리 토금속 화합물
산화물
알칼리 토금속 산화물은 해당 탄산염의 열분해를 통해 형성된다.
CaCO3 → CaO + CO2 (약 900°C)
실험실에서는 수산화물로부터 얻어진다.
Mg(OH)2 → MgO + H2O
또는 질산염으로부터:
Ca(NO3)2 → CaO + 2NO2 + 1/2O2
산화물은 염기성 특성을 나타낸다: 페놀프탈레인을 붉게, 리트머스를 푸르게 만든다. 물과 반응하여 발열 반응을 통해 수산화물을 형성한다.
CaO + H2O → Ca(OH)2 + Q
산화 칼슘은 탄소와 반응하여 아세틸리드를 형성한다.
CaO + 3C → CaC2 + CO (2500°C에서)
CaC2 + N2 → CaCN2 + C
CaCN2 + H2SO4 → CaSO4 + H2N—CN
H2N—CN + H2O → (H2N)2CO (요소)
CaCN2 + 2H2O → CaCO3 + NH3
수산화물
이들은 해당 산화물과 물의 반응을 통해 생성된다. 염기성 특성을 나타내며, 페놀프탈레인을 분홍색으로, 리트머스를 파란색으로 만든다. 수산화 베릴륨은 양쪽성 특성을 나타내는 예외이다.
알칼리 토금속 알칼리 토금속 화합물
Be(OH)2 + 2HCl → BeCl2 + 2 H2O
Be(OH)2 + NaOH → Na[Be(OH)3]
염
칼슘과 마그네슘은 백운석, 아라고나이트, 마그네사이트 (탄산염 암석)와 같은 많은 화합물 형태로 자연에서 발견된다. 칼슘 및 마그네슘 이온은 센물에서 발견된다. 센물은 여러 가지 문제를 일으킨다. 이러한 이온을 제거하여 물을 연화하는 것은 매우 중요하다. 이 과정은 수산화 칼슘, 탄산 나트륨 또는 인산 나트륨과 같은 시약을 사용하여 수행될 수 있다. 더 일반적인 방법은 Ca2+와 Mg2+를 포획하고 대신 Na+를 방출하는 이온 교환 알루미노실리케이트 또는 이온 교환 수지를 사용하는 것이다.
Na2O·Al2O3·6SiO2 + Ca2+ → CaO·Al2O3·6SiO2 + 2Na+
알칼리 토금속 생물학적 역할 및 주의사항
마그네슘과 칼슘은 보편적으로 존재하며 알려진 모든 생명체에 필수적이다. 이들은 여러 역할에 관여하는데, 예를 들어 마그네슘 또는 칼슘 이온 펌프는 일부 세포 과정에서 역할을 하고, 마그네슘은 일부 효소의 활성 중심 역할을 하며, 칼슘 염은 특히 뼈에서 구조적 역할을 한다.
스트론튬은 해양 수생 생물, 특히 딱딱한 산호가 외골격을 형성하는 데 스트론튬을 사용하기 때문에 중요한 역할을 한다. 스트론튬과 바륨은 의학에서 일부 용도로 사용되는데, 예를 들어 방사선 촬영 영상에서 "바륨 식사"가 사용되며, 스트론튬 화합물은 일부 치약에 사용된다. 과도한 양의 스트론튬-90은 방사능으로 인해 독성이 있으며, 스트론튬-90은 칼슘을 모방하여("뼈 추적자"처럼 행동) 생물 축적되어 상당한 생물학적 반감기를 가진다. 뼈 자체는 다른 조직보다 높은 방사선 내성을 가지지만, 빠르게 분열하는 골수는 그렇지 않으므로 스트론튬-90에 의해 심각하게 손상될 수 있다. 이온화 방사선이 골수에 미치는 영향은 급성방사선증후군이 빈혈과 유사한 증상을 보이는 이유이자, 적혈구 기증이 생존율을 높일 수 있는 이유이기도 하다.
알칼리 토금속 생물학적 역할 및 주의사항
그러나 베릴륨과 라듐은 독성이 있다. 베릴륨의 낮은 수용성은 생물학적 체계에 거의 이용될 수 없음을 의미한다. 베릴륨은 알려진 생물학적 역할이 없으며, 생명체에 노출될 경우 일반적으로 매우 독성이 강하다. 라듐은 가용성이 낮고 방사능이 강하여 생명에 독성이 있다.
알칼리 토금속 확장
라듐 다음의 알칼리 토금속은 120번 원소로 생각되지만, 상대론적 효과 때문에 이는 사실이 아닐 수도 있다. 120번 원소의 합성은 2007년 3월 두브나의 플레로프 핵반응 연구소 팀이 플루토늄-244에 철-58 이온을 충격시켰을 때 처음 시도되었지만, 원자는 생성되지 않아 연구된 에너지에서 단면적 400 fb의 한계로 이어졌다. 2007년 4월, GSI 팀은 우라늄-238에 니켈-64를 충격시켜 120번 원소를 만들려고 시도했지만, 원자는 감지되지 않아 반응에 대해 1.6 pb의 한계로 이어졌다. 더 높은 감도로 합성 시도가 다시 이루어졌지만, 원자는 감지되지 않았다. 다른 반응들도 시도되었지만, 모두 실패로 끝났다.
120번 원소의 화학적 특성은 바륨이나 라듐보다는 칼슘이나 스트론튬과 더 가깝다고 예측된다. 이는 주기적 경향에 따르면 120번 원소가 바륨과 라듐보다 더 반응성이 높을 것이라고 예측하는 것과는 눈에 띄게 대조된다. 이러한 반응성 감소는 120번 원소의 이온화 에너지를 증가시키고 금속 및 이온 반지름을 감소시키는 예상되는 120번 원소의 원자가 전자 에너지 때문이다.
알칼리 토금속 확장
120번 원소 다음의 알칼리 토금속은 아직 명확하게 예측되지 않았다. 쌓음 원리를 이용한 간단한 외삽법은 170번 원소가 120번 원소의 동족체라고 제안하지만, 상대론적 효과는 이러한 외삽법을 무효화할 수 있다. 알칼리 토금속과 유사한 특성을 가진 다음 원소는 166번 원소로 예측되었지만, 겹치는 궤도와 9s 부껍질 아래의 낮은 에너지 간격 때문에 166번 원소는 대신 12족에 코페르니슘 아래에 위치할 수도 있다.
알칼리 토금속 더 읽어보기
Maguire, Michael E. "알칼리 토금속". Chemistry: Foundations and Applications. Ed. J. J. Lagowski. Vol. 1. New York: Macmillan Reference USA, 2004. 33–34. 4 vols. Gale Virtual Reference Library. Thomson Gale.
란타넘족
란타넘족(영어: Lanthanide)은 원자번호 57 란타넘(La)에서 원자번호 71 루테튬(Lu)까지의 희토류 원소이다. 란탄족은 루테튬을 제외하고 모두 f-구역 원소에 속한다. 란타넘족은 성질이 서로 비슷하기로 유명한데, 두 원소를 가지고 같은 원소인지 다른 원소인지 사람들이 몇 년에 걸쳐 논쟁을 벌이기도 하였다.
악티늄족의 기호 Ac처럼 란타넘족도 La이라는 기호를 가지고 있다.
란타넘족 란타넘족 원소들의 목록
란타넘(57)
세륨(58)
프라세오디뮴(59)
네오디뮴(60)
프로메튬(61)
사마륨(62)
유로퓸(63)
가돌리늄(64)
터븀(65)
디스프로슘(66)
홀뮴(67)
어븀(68)
툴륨(69)
이터븀(70)
루테튬(71)
악티늄족
전희철족(Actinium族)은 악티늄부터 로렌슘까지 원자 번호가 89부터 103까지인 15개의 금속 원소를 포함하고 있는 족이다.
악티늄족은 악티늄족의 제일 처음 원소인 악티늄의 이름에서 따왔다. 기호 Ac은 악티늄족의 화학적 성질을 연구할 때 쓰이는 기호다. 로렌슘을 제외한 모든 원소들의 전자껍질이 f-block에 속하며, 로렌슘은 d-block에 속한다. 하지만 역시 악티늄족으로 취급받고 있다. 란타넘족과 비교하면, 대부분 F-block에 속해 있으며, 악티늄족은 원자가 더 강한 변화를 보인다. 원자 반지름과 이온 반지름이 매우 크며, 매우 큰 물리적 성질이 발견된다. 악티늄족 뒷부분은  (아메리슘부터 로렌슘까지) 란탄족과 유사하다. 토륨부터 넵투늄까지는 전이 금속에 더 가깝다고 볼 수 있다.
악티늄족은 모두 방사성 원소이며 붕괴할 때 에너지를 발생시킨다. 자연적으로 만들어진 우라늄과 토륨, 그리고 인공 합성할 수 있는 플루토늄은 지구에 다량으로 존재하는 악티늄족 원소이다. 이 원소는 원자로와 핵무기에 쓰인다. 우라늄과 토륨도 역사적으로나 다양한 곳에 쓰이고, 아메리슘은 이온화 상자나 대부분의 현대적 연기 감지기에 쓰인다.
악티늄족
악티늄족에는, 원시적으로 자연에 일정량 존재한 토륨과 우라늄, 그리고 적은 양이지만 플루토늄이 존재한다. 우라늄의 방사성 붕괴는 잠깐동안 악티늄과 프로탁티늄, 그리고 넵투늄 원자를 만들어 낸다. 그리고 플루토늄은 가끔 우라늄 광석에서 핵변환 반응을 만들어 낸다. 다른 악티늄족은 모두 인공 합성으로 만들어진 것이다.  핵무기 실험은 플루토늄보다 무거운 적어도 여섯 개의 악티늄족을 발견하게 했다. 1952년 수소 폭탄 폭발 잔해를 분석하던 중 아메리슘, 퀴륨, 버클륨, 캘리포늄, 아인슈타이늄 그리고 페르뮴을 발견했다.
주기율표에 따르면, 란타넘족과 악티늄족은 주기율표 본체의 아래쪽의 두 개의 추가적인 줄에 위치해 있다. 란타넘족이나 악티늄족을 표기할 때 특정한 하나의 원소로 족의 이름을 표기한다. (란타넘 아니면 루테튬, 그리고 악티늄 아니면 로렌슘으로 표기한다.) 이것은 주기율표 본체에 표기된다. (바륨과 하프늄 사이, 그리고 라듐과 러더포듐 사이에 존재한다.)이 족은 실제 주기율표 설정에서 드물게 아랫쪽에 길게 뻗어있는 표에 (주기율표 6주기와 7주기에 포함된다.) 란타넘족과 함께 넣어진다.
악티늄족 발견, 분리와 합성
란타넘족과 같이, 악티늄족은 유사한 성질의 원소들을 모아둔 것이다. 악티늄족 내에는 초우라늄 원소라는 주기율표에서 우라늄을 따르는 원소와, 초플루토늄 원소라는 플루토늄을 따르는 원소, 두 개의 겹치는 그룹이 있다. 란타넘족과 비교하면, (프로메튬을 제외한) 자연에서 찾을 수 있지만, 대부분의 악티늄족 원소들은 흔치 않다. 가장 풍부하거나, 또는 가장 합성하기 쉬운 악티늄족은 우라늄과 토륨이다. 그 뒤로 플루토늄, 아메리슘, 악티늄, 프로탁티늄 그리고 넵투늄이 뒤를 잇는다.
악티늄족 발견, 분리와 합성
초우라늄 원소의 존재는 1934년, 엔리코 페르미가 그의 연구를 바탕으로 제안한 것이다. 그러나, 그 당시 악티늄족은 4개의 원소밖에 존재하지 않아, 란타넘족과 비슷해진다는 개념을 사람들은 이해하지 못했다. 그 당시에 우세했던 주장은 초우라늄은 악티늄족이 아닌, 7주기에 들어가야 한다고 했던 것이다. 토륨과 프로탁티늄, 우라늄이 각각 6주기인 하프늄, 탄탈럼 그리고 텅스텐 아래에 있어야 한다는 것이었다. 초우라늄의 합성은 서서히 악티늄족의 중심을 파헤쳐갔다. 1944년에 악티늄족 가설을 완성시키기 위해 글렌 T. 시보그가 담당한 퀴륨의 산화 4- 이상의 산화 상태 실험 실패를 관찰하였다. (6주기인 백금 아래에 있을 것으로 추정되었던 것인데, 백금은 산화 6-까지 가능했기 때문이다.) 알려진 악티늄족의 가르침과 더 많은 초우라늄 원소들의 합성이 만들어낸 자료가 중심을 더 파고들어갔지만, 이 문장 "악티늄족 가설"("가설"의 영향은 결정적으로 입증되지 못했다.)은 남아서 1950년대 후반에 과학자들에 의해 적극적으로 활용하게 된다.
악티늄족 발견, 분리와 합성
현재로써는, 초플루토늄 원소의 동위원소를 만드는 방법이 2가지가 존재한다. 중성자들 또는 가속된 입자에 초플루토늄보다 더 가벼운 원소를 조사(照射)하는 것이다. 첫번째 방법은 응용에 가장 중요한 방법이다. 핵 원자로에서 오직 중성자 조사만 이용하여 상당한 양의 인공 악티늄족을 만드는 것이었다. 그러나, 이 방법은 경원소일때만 해당되었다. 두번째 방법의 보완점은 플루토늄보다 무거운 원소를 이용하여, 중성자 조사를 기반으로 하지 않고  중성자가 부족한 동위원소를 획득할 수 있다.
1962년부터 1966년까지, 미국에서 여섯 종류의 지하 핵폭발을 이용해 초플루토늄 동위원소를 만들려고 한 시도가 있었다. 폭발이 끝나고 즉시 폭발구역의 폭발 산물에서 견본으로 쓸 적은 양의 암석이 추출되었다. 그러나 각 동위원소가 각각 알파 붕괴까지의 긴 반감기를 가지고 있었을 것이라고 예측되었음에도 불구하고 257보다 더 큰 질량수를 가진 동위원소는 발견되지 않았다. 이런 눈에 띄지 않는 것의 결과는 자발 핵분열과 큰 속도에 의해 생성된다. 다른 붕괴 경로로 가기도 하는데, 중성자 배출이나 핵분열로 만들어지기도 한다.
악티늄족 발견, 분리와 합성
우라늄과 토륨은 처음으로 발견된 원소였다. 우라늄은 1789년에 독일 화학자 마르틴 하인리히 클라프로트가 피치블렌드 광석에서 발견되었고 인정되었다. 그는 천왕성에서 원소의 이름을 고안했다. 다른 과학자보다 단 8년 빠르게 발견한 것이다. 클라프로트는 피치블렌드를 질산에 담가 녹인 상태에서 수산화나트륨에 중화시키고 촉진시켜 (이우라늄산 나트륨 같은) 노란색 화합물을 만들었다. 그는 목탄과 발견한 노란 가루를 환원시켰고, 검은색 물질을 추출했다. 60년이 지난 뒤에, 프랑스의 과학자 페리고가 산화 우라늄을 발견했다. 또한 그는 사염화 우라늄과 칼륨을 함께 가열하여 금속 우라늄을 분리해냈다. 우라늄의 원자량은 120으로 계산되었었으나, 1872년에 드미트리 멘델레예프가 그의 주기율법을 통해서 240으로 밝혀내었다. 이 질량은 1882년에 K. 지머맨에 의해 실험적으로 밝혀졌다.
악티늄족 발견, 분리와 합성
산화 토륨은 1827년에 노르웨이에서 획득한 광물을 연구하던 중 프리드리히 뵐러에 의해 발견되었다. 옌스 야코브 베르셀리우스는 1828년에 이 광물의 특징을 더 밝혀냈다. 사염화 토륨을 칼륨과 함께 가열시키던 중 환원되어 나왔다. 그는 금속을 분리시키고 북유럽 신화에 나오는 천둥의 신 토르에서 이름을 얻어 이름을 토륨이라 붙였다. 이 분리 방법은 후에 페리고가 우라늄을 분리할 때 같은 방법으로 이용되었다.
악티늄족 발견, 분리와 합성
악티늄은 1899년에 마리 퀴리의 도움으로 드비에른에 의해 발견되었다. 라듐과 폴로늄을 빼고 남은 피치블렌드 찌꺼기에서 발견된 것이다. 1899년 당시, 그는 이 물질이 티타늄과 비슷했다고 하였다. 또, 1900년 당시에는 토륨과도 비슷했다고 했다. 1971년에 악티늄의 발견자가 드비에른이 맞는 지에 대한 논쟁이 일어나기도 하였다. 그리고 2000년에도 일어났는데, 발표가 1904년에 되었는데 1899–1900년에 했던 실험이 모순점이라는 것이었다. 악티늄의 어원은 그리스어로 빛, 광선을 뜻하는 aktis, aktinos (ακτίς, ακτίνος)를 사용하였다. 이 금속은 자기 자신은 방사성이 아니지만 딸핵종은 방사성이 존재했기 때문이다. 란타넘족과 악티늄족의 유사점이 서서히 밝혀지게 되었다. 자연에 존재하는 적은 양의 원소이었던 것이다. 순수한 악티늄은 1950년이 되어서야 만들어졌다. 악티늄족은 1937년에 빅터 골드슈미트에 의해 소개되었을 것으로 추정된다.
악티늄족 발견, 분리와 합성
프로탁티늄은 1900년에 윌리엄 크룩스에 의해 분리되었다. 1913년에, 카지미에시 파얀스와 오스발트 헬무트 괴링은 238U 붕괴 연구에서 짧은 반감기를 가진 234mPa (반감기: 1.17분)를 발견했다. 그들은 새로운 원소의 이름을 브레븀이라고 명칭했다.(라틴어로 짧다는 뜻의 brevis에서 유래되었다.); 이름은 후에 프로탁티늄으로 바뀐다. (그리스어로 πρῶτος + ἀκτίς, "광선 원소보다 먼저"의 뜻을 가지고 있다.) 1918년에 두 그룹의 과학자들이 231Pa를 발견하였다. (독일의 오스트리아인 리제 마이트너와 오토 한, 그리고 영국의 프레더릭 소디와 존 크랜스턴) 이름은 1949년에 프로탁티늄으로 좁혀졌다.이 원소는 1960년까지 특별한 일이 있었는데, 영국에서 A. G. 매덕과 그의 동업자들이 우라늄을 추출하고 남은 60톤의 찌꺼기들을 분석해서 130그램의 프로탁티늄을 만들어냈다.
악티늄족 발견, 분리와 합성
넵투늄(우라늄이라는 이름이 지어지고 나서, 천왕성보다 바깥쪽에 있는 해왕성에서 고안해낸 이름이다.)은 1940년, 캘리포니아 버클리에서 에드윈 맥밀런과 필립 H. 아벨슨이 발견했다. 그들은 우라늄에 느린 중성자를 충돌시켜 239Np 동위원소를 (반감기 = 2.4일)만들어 냈다. 이것은 인공적으로 만들어 낸 첫 초우라늄 원소였다.
초우라늄 원소들은 자연에서 발견되지 않거나 거의 없으며, 주로 핵반응에 의해 만들어진다. 핵 원자로에서 주로 만들어진다. 대표적 예로, 원자로 중성자에 조사(照射)를 하여, 우라늄-238이 부분적으로 플루토늄-239로 변환되기도 한다:
이 방법으로 엔리코 페르미와 그의 동업자들은, 첫 핵 원자로 시카고 파일-1을 이용해서, 많은 양의 플루토늄-239를 획득하였고, 핵무기를 개발하는 데 큰 영향을 주었다.
악티늄족 원소 중 큰 원소는 입자 가속기로 우라늄, 플루토늄, 퀴륨 그리고 캘리포늄에 질소, 산소, 탄소, 네온 또는 붕소를 충돌시켜서 만들어진다. 그래서, 우라늄-238에 네온-22를 충돌시켜 노벨륨이 만들어졌다.
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악티늄족 발견, 분리와 합성
초플루토늄족의 첫 동위원소는, 아메리슘-241과 퀴륨-242이다. 이 두 원소는 1944년, 글렌 T. 시보그, 랄프 A. 제임스 그리고 알버트 기오르소 팀에 의해 발견되었다. 퀴륨-242는 플루토늄-239에 32-MeV α-입자를 충돌시켜 만들어졌다.
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아메리슘-241과 퀴륨-242의 동위원소 역시 핵 원자로에서 플루토늄에 조사(照射)를 하여 만들어졌다. 뒤의 원소는 방사능과 라듐을 발견한 마리 퀴리와 그녀의 남편 피에르 퀴리의 공적을 기리기 위해 그들의 이름을 따서 만들어졌다.
1950년, 퀴륨-242에 α-입자를 충돌시켜 캘리포늄의 동위원소인 245Cf가 만들어졌다. 1949년, 비슷한 방법을 이용하여 아메리슘-241에 α-입자를 충돌시켜 버클륨-243을 만들기까지 하였다. 새로운 원소의 이름은 버클리, 캘리포니아 대학의 이름을 따서 만들어졌다. 터븀이 스웨덴의 이테르비에서 터븀이라는 이름이 나온 것처럼 란타넘족의 상동성과 유사점이 있었다.
악티늄족 발견, 분리와 합성
1945년에, B. B. 커닝햄이 첫 초플루토늄족 원소 화합물을 발견했고, 수산화아메리슘으로 명칭하였다. 3년에서 4년 뒤, 밀리그램의 양의 아메리슘과 마이크로그램의 양의 퀴륨이 버클륨(톰슨, 1949년)과 캘리포늄(톰슨, 1950년)의 동위원소가 서서히 늘어나는데 도움을 주었다. 이렇게 많은 양의 원소들이 오직 1958년 안에서 발견되었다. (B. B. 커닝햄 그리고 S. G. 톰슨), 그리고 첫 캘리포늄 화합물(0.3 µg의 CfOCl)은 B. B. 커닝햄과 J. C. 월맨에 의해 발견되었다.
아인슈타이늄과 페르뮴은 1952년 11월 1일 실시된 수소폭탄의 첫 성공적 실험인  "아이비 마이크" 핵실험의 부산물로 각각 1952년과 1953년에 발견되었다.  중성자 폭발에 노출된 우라늄-238은 우라늄의 무거운 동위 원소를 생성했다. (우라늄-253과 우라늄-255을 포함한), 그리고 β-붕괴가 아인슈타이늄-253과 페르뮴-255를 만들었다. 새로운 원소의 발견과 중성자를 차지한다는 새로운 기록이 발견되었다. 그런데 그때 당시는 1955년까지 일어났던 냉전 시대여서 긴장 상태였기에 미국 군에서는 완전히 비밀로 하였다. 그럼에도 불구하고, 버클리 연구소에서는 아인슈타이늄과 페르뮴을 만들 수 있을 것이라고 생각했다. 그래서 플루토늄-239에 중성자를 충돌시키자는 생각을 하고, 1954년에 실험을 하여 만들었다. 이것은 첫 발견이 아니라는 것에 대한 부인까지 합해서 발표했다. "아이비 마이크" 사건은 미등록되고 1955년에서 IUPAC이 승인했다. 처음으로 중요한 (마이크로그램 미만의) 아인슈타이늄이 1961년에 커닝햄과 그의 동료들이 만들어 냈지만, 페르뮴까지는 끝나지 않았다.
멘델레븀의 첫번째 동위원소는, 256Md이었다. (반감기: 87분)버클리 방사선 연구소에 있는 60-인치의 입자 가속기를 이용해서 알버트 기오르소, 글렌 T. 시보그, 그레고리 R. 쇼핀, 베르나르드 G. 하비 그리고 스탠리 G. 톰슨이 합성했다. 253Es에 알파 입자를 충돌시켜서 만들어졌다. 이것은 모든 원소 중 처음으로 합성 시 하나의 원자만 나온 합성 원소였다.
노벨륨의 동위 원소를 얻기 위해 스웨덴(1957)과 미국(1958) 팀 등에서 여러 시도를 했지만, 처음으로 노벨륨의 동위 원소를 만든 팀은 256No을 만든 소련 팀 (게오르기 플료로프 외.)이었다. 1965년에 만들어졌고, 1992년에 IUPAC에서 승인했다. 플료로프 외. 팀은 우라늄-238에 네온-22를 충돌시켜서 노벨륨 동위 원소를 만들었다.
1961년, 기오르소 외. 팀은 로렌슘의 첫 동위 원소를 만들어 냈다. 캘리포늄(캘리포늄-252로 추정)에 붕소-10 이온과 붕소-11 이온을 조사하여 만들어졌다. 동위 원소의 질량수는 현재로써는 확실하지 않다. (아마 258 또는 259로 추정) 1965년, 256Lr이 플료로프 외. 팀에서 합성되었다. 243Am과 18O를 이용하여 만든 것이었다. 그래서 IUPAC은 두브나 연구소와 버클리 연구소를 공동 발견자로 인정했다.
악티늄족 동위원소
2010년 기준, 31개의 악티늄 동위 원소와 8개의 들뜬 핵이성상태와 그것의 핵종이 인식되었다. 그중 3개의 동위원소, 225Ac, 227Ac, 그리고 228Ac는 자연에서 발견되었고 나머지는 인공 합성으로 만들어졌다. 3개의 자연적 동위원소만 적용에 사용할 수 있다. 악티늄-225는 방사성 넵투늄 족에 들어간다. 이것은 1947년에 U233이 붕괴할 때 첫 발견되었다. 이것은 반감기가 10일인 α-방사체였다. 악티늄-225는 악티늄-228보다 적은 양이지만, 방사성 트레이서 적용에 수요가 촉망된다. 악티늄-227 (반감기: 21.77년)은 모든 우라늄 광석에 존재하지만, 적은 양만 존재한다. 우라늄 광석 1그램은(방사성 평형일 때) 오직 2×10^-10 그램의 227Ac만 들어있다. 악티늄-228은 방사성 토륨 족에 들어간다. 228Ra의 붕괴에 의해 생성된다. 이것은 반감기가 6.15시간인 β− 방사체였다.1톤의 토륨에는 5×10^-8그램의 228Ac이 들어있다. 이것은 1906년에 오토 한에 의해 발견되었다.
악티늄족 동위원소
29개의 212부터 240까지 알려진 프로탁티늄 동위 원소는 3개의 핵이성상태가 존재한다. 오직 231Pa과 234Pa가 자연에서 발견되었다. 프로탁티늄-231을 제외한 모든 동위원소가 짧은 반감기를 가진다.(프로탁티늄-231은 반감기가 32,760년이다.) 가장 중요한 동위원소는 231Pa와 233Pa이다. 우라늄-233에 의한 결과물이고, 여기서 수많은 인공적 프로탁티늄이 많이 만들어졌다. 233Pa는 긴 반감기와 γ-선의 에너지를 일부 가지고 있고, 그래서 프로탁티늄의 화학적 성질 연구에 큰 영향을 끼쳤다. 프로탁티늄-233은 β-입자를 가지고 있으며, 반감기가 26.97일이다.
악티늄족 동위원소
우라늄은 자연 동위 원소나 인공 동위 원소 둘 다 악티늄족에서 제일 많은 양을 가지고 있다.(합해서 25개(반감기로 추측되는 듯하다.)) 이것들은 질량이 217–242 사이에 있으며, 그 중 3개, 234U, 235U 그리고 238U는 현재도 존재하는 양이 자연에 매장되어 있다. 다른 것 사이에서, 가장 중요한 것은 233U이다. 느린 중성자를 조사(照射)한 232Th의 최종적인 결과이기 때문이다. 233U 낮은 에너지(열)의 중성자를 배출하고, 핵분열 효율이 매우 높으며 235U와 비교가 된다. 우라늄의 화학적 성질은 우라늄-238이 4.4×10^9년이라는 매우 긴 반감기를 가지고 있다는 것이 밝혀졌기 때문에 모두 밝혀졌다 해도 과언이 아니다.
19개의 넵투늄 동위 원소는 질량수가 225부터 244까지이고, 모두 방사성이 강하다. 과학자들 사이에서 알려진 가장 긴 반감기를 가진 원소는 237Np이고, (t1/2 = 2.20×10^6년) 가장 반감기가 짧은 원소는 239Np, 238Np이 알려져 있다. (t1/2 ~ 2일).
악티늄족 동위원소
16개의 아메리슘 동위 원소의 잘량수는 232부터 248까지로 알려져 있다. 가장 중요한 것은 241Am과 243Am이다. 이것들은 알파 입자를 방사하는 데다 방사를 약하게 하지만, γ-선이 강하다; 이 2개는 순수한 동위 원소로 존재한다. 아메리슘의 화학적 성질은 241Am이었으나, 후에 243Am으로 변형되었다. 적은 양의 방사능을 가지고 약 20번의 변형을 하는 것이다.243Am의 단점은, 붕괴될 때 반감기가 짧은 239Np로 붕괴된다는 것과, 분석을 좀 더 해 보아야 한다는 것이다.
악티늄족 동위원소
19개의 퀴륨 동위 원소 중, 가장 널리 알려진 것은 242Cm과 244Cm이다. α-입자를 방출하지만, 아메리슘 동위 원소보다 훨씬 짧은 반감기를 가지고 있다. 동위 원소들은 γ-선을 거의 방출하지 않지만, 자발 핵분열을 할 때 중성자를 배출한다. 퀴륨의 동위 원소 중 반감기가 긴 편에 속하는 것은245–248Cm이며, 모두 α-입자를 방출한다. 플루토늄이나 아메리슘에 중성자 조사(照射)를 하여 혼합물로 생성된다. 짧은 조사를 할 때, 이 혼합물은 퀴륨-246으로 변하고, 퀴륨-248이 축적되기 시작한다. 248Cm같은 동위 원소는, 더 긴 반감기를 가지고 있고, (3.48×10^5년) 242Cm과 244Cm보다 화학적 연구에 큰 도움을 준다. 그러나 자발 핵분열의 확률도 더 커진다. 247Cm은 퀴륨의 동위 원소 중 가장 긴 반감기를 가지고 있지만, (1.56×10^7년), 많은 양이 존재하지는 않는다. 왜냐하면 열중성자의 유도에 의해 자발 핵분열을 할 확률이 더 커지기 때문이다.
악티늄족 동위원소
14개의 버클륨 동위 원소는 질량수가 238–252 사이로 밝혀졌다. 249Bk만 많은 양으로 존재할 수 있다. 각각 330의 짧은 반감기를 가지고 있고, 감지에 어렵지만 그나마 안정한 β-입자를 방출한다. 이것의 α-선은 β-선보다 약하지만, (1.45×10^-3% β-선의 사항 포함)동위 원소를 찾는 데 이용되기도 한다. 1,380년의 긴 반감기를 가진 247Bk은 α-입자 방출을 한다. 그렇지만 많은 양을 생산하기는 힘들다. 이것은 플루토늄에 중성자 조사를 하지 않기 때문이다. 왜냐하면 동위 원소의 β-안정성은 질량수가 248 아래인 퀴륨 동위 원소로 만들어지기 때문이다.
악티늄족 동위원소
질량수가 237부터 256까지인 캘리포늄 동위 원소는 핵 반응기에서 만들어진다. 캘리포늄-253은 β-방사를 하는 동위 원소이고 나머지는 α-방사를 하는 동위 원소이다. 질량수가 짝수인 동위 원소 (250Cf, 252Cf and 254Cf)는 자발 핵분열을 할 확률이 높다. 특히 254Cf는 자발 핵분열할 확률이 99.7%이다. 캘리포늄-249는 그나마 긴 반감기 (352년)을 가지고 있고, 낮은 자발 핵분열 확률과 강한 γ-방사를 하여 인식을 가능하게 한다. 249Cf는 핵 반응기에서 많이 만들어지지 않는다. 왜냐하면 붕괴되기 전 249Bk의 느린 β-붕괴와 중성자와 상호 작용을 할 때의 큰 단면적 때문에 만들기가 쉽지 않다. 그러나 249Bk의 β-붕괴의 산물로 인해 순수한 동위 원소로 축적된다. 캘리포늄은 플루토늄의 반응기 조사에 의해 만들어진다. 이것은 주로 250Cf과 252Cf가 존재하는데, 후에 큰 중성자의 영향으로 점점 뚜렷해지고, 이것의 특징은 강한 중성자선에 의해 반응이 저해된다.
16개로 알려진 질량수가 241부터 257 사이로 추정된 아인슈타이늄 동위 원소 중 가장 입수하기 쉬운 동위 원소는 253Es이다. α-방사를 하며 반감기가 20.47일이다. 그리고 약한 γ-방사를 하고, 자발 핵분열을 할 확률이 캘리포늄과 비교했을 때 적은 확률로 일어난다. 장기적인 중성자 조사 또한 긴 반감기(t1/2 = 275.5일)를 가진 254Es를 생성한다.
19개의 페르뮴 동위 원소는 질량수가 242부터 260 사이로 알려져 있다. 254Fm, 255Fm 그리고 256Fm은 짧은 반감기(시간)를 가지고 있고, α-방사를 한다. 또한 많은 양이 분리될 수 있다. 257Fm은 (t1/2 = 100일)장기적이고 강력한 조사(照射)에서도 축적될 수 있다. 페르뮴 동위 원소는 큰 확률로 자발 핵분열을 한다.
15개로 알려진 멘델레븀 동위 원소 중(질량수는 245에서 260 사이), 가장 알려진 것은 256Md이다. 이것은 반감기가 77분이고, 주로 전자 포획을 통해서 붕괴한다. (α-선은 ≈10%) 또다른 알파 방사체는, 258Md인데, 53일의 반감기를 가지고 있다. 이 동위 원소들은 희귀한 아인슈타이늄(253Es과 255Es)에서 생성된다. 그러므로 생성에 한계가 존재한다.
그나마 긴 수명을 가진 노벨륨 동위 원소와 로렌슘 동위 원소(그리고 더 무거운 원소)는 상대적으로 짧은 반감기를 가지고 있다. 노벨륨은 11개의 동위 원소가 알려져 있으며, 이들의 질량수는 250~260 사이, 그리고 262이다. 노벨륨과 로렌슘의 화학적 성질은 255No(t1/2 = 3분)과  256Lr(t1/2 = 35초)으로 잘 알려져 있다. 노벨륨의 동위 원소 중 259No은 노벨륨의 동위 원소 중 가장 긴 1.5시간의 반감기를 가지고 있다.
악티늄족 자연에서의 분포
토륨과 우라늄은 자연에 가장 많은 악티늄족 원소다. 각 질량의 집중은 1.6×10^-3%과 4×10^-4%이다. 우라늄은 주로 지각에서 산화된 광물로 나온다. 잘 알려진 광석은 피치블렌드(우라니나이트)가 있다. 피치블렌드로 불리게 된 이유는 검은색이기 때문이다. 분류:우라늄 광물에서 더 많은 광석들을 볼 수 있다. 카르노타이트 (KUO2VO4·3H2O)나 인회우라늄광 (Ca(UO2)2(PO4)2·nH2O)도 있다. 천연 우라늄의 동위원소는 238U (비율: 99.2742%), 235U (0.7204%) 그리고 234U (0.0054%)이 있다. 238U 은 동위원소 중 가장 긴 4.51×10^9년의 반감기를 가지고 있다. 전 세계적으로 우라늄을 가장 많이 생산하는 나라는 카자흐스탄이다. 2009년 기준으로 50,572 톤 (전 세계에서 약 27.3%)의 우라늄 광석을 채굴했다. 다른 중요 우라늄 채굴 도시는 캐나다 (20.1%), 호주 (15.7%), 나미비아 (9.1%), 러시아 (7.0%), 그리고 니제르 (6.4%)가 있다.
악티늄족 자연에서의 분포
가장 많이 매장되어 있는 토륨 광물은 토리아나이트 (ThO2), 토라이트 (ThSiO4) 그리고 모나자이트가 있다. ((Th,Ca,Ce)PO4) 대부분의 토륨 광석은 우라늄도 포함하고 있고 우라늄 광석도 토륨과 함께 포함하고 있다. 그리고 란타넘족도 일부 포함하고 있다. 토륨 광석이 풍부하게 매장되어 있는 곳은 미국과(440,000톤), 호주, 인도,(각각 ~300,000톤) 캐나다가 있다(~100,000톤).
악티늄이 지각에 매장되어 있는 양은 5×10^-15%밖에 되지 않는다. 악티늄은 주로 우라늄 광석에 들어있지만, 다른 광물에도 들어있다. 다만 양이 적을 뿐이다. 악티늄이 들어있는 자연적 광물 중 부모 동위 원소인 235U의 동위 원소 평형에서 주로 발견되고, 약한 Ac 이동에 영향을 받지 않는다. 프로탁티늄은 악티늄보다 비교적 많은 양이 지각에 매장되어 있다. (10−12%) 이것은 1913년에 우라늄 광석에서 파얀스와 괴링에 의해 발견되었다. 악티늄과 같이, 프로탁티늄도 주로 235U에 분포해 있다.
악티늄족 자연에서의 분포
넵투늄 중 반감기가 가장 긴 237Np은, 지각의 나이와 비교하면 무시해도 될 정도로 짧다. 그래서 넵투늄은 주로 다른 동위 원소의 붕괴의 중간 생성물로 만들어지지만, 그 양은 무시해도 될 정도로 적다. 1942년에 우라늄 광물에서 처음으로 자연적인 플루토늄을 찾아냈고, 합성으로는 239Pu이 처음 발견되어 주기율표에 요약해서 등록되어 있다 (플루토늄의 다른 어떤 동위 원소도 이 표본에서 가장 쉽게 채취할 수는 없다.). 플루토늄의 동위 원소 중 가장 오래 존재하는 동위 원소는, 244Pu이다. 확률은 3×10^-20%이다. 플루토늄은 달의 표본에서는 발견되지 않는다. 때문에 자연에서는 많이 존재하지 않고, 대부분의 플루토늄은 주로 합성으로 만들어진다.
악티늄족 추출
악티늄족의 매장량이 풍부하지 않기 때문에, 추출은 복잡하고 여러 과정을 거쳐서 얻을 수 있다. 악티늄족의 F-들이 주로 쓰이는데 그 이유는 물에 용해되지 않고 산화, 환원 반응에 의해 잘 분리되기 때문이다. F-은 칼슘, 마그네슘 또는 바륨에 의해 환원된다.
악티늄족 중, 토륨과 우라늄은 가장 추출하기 쉬운 원소이다. 토륨은 주로 모나자이트에서 채취된다. 이인산토륨 (Th(PO4)2) 은 질산과 반응하고, 생성된 질산토륨은 인산트리부틸과 비슷하게 취급받는다. 희토류 원소의 불순물은 황산염을 이용해 pH를 더 높여서(염기성을 높여서) 분리할 수 있다.