Aktinium

Aktinium on radioaktiivinen metallinen alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Ac () ja järjestysluku on 89. Aktinium on jaksollisen järjestelmän aktinoidien sarjan ensimmäinen jäsen. Kemiallisilta ominaisuuksiltaan se muistuttaa suuresti lantaania. Radioaktiivisuutensa takia aktinium hohtaa pimeässä aavemaista sinistä valoa, joka johtuu voimakkaan radioaktiivisuuden ilmaan aiheuttamasta Tšerenkovin säteilystä. Luonnossa aktiniumia löytyy vähäisiä määriä uraanimalmista 227Ac-isotooppina, joka on myös alkuaineen tärkein isotooppi. 227Ac on pääasiassa β-säteilijä, jonka puoliintumisaika on 21,772 vuotta. Tonnissa pikivälkettä on noin 0,15 grammaa aktiniumia.
Aktinium on pehmeä, hopeanvalkoinen metalli, jolla on vain vähäinen rooli luonnossa tai yhteiskunnassa. Alkuainetta tuotetaan vain hyvin pieniä määriä lähinnä tutkimuskäyttöön.
Historia.
Aktiniumin löysi ranskalainen kemisti André-Louis Debierne erottaessaan pikivälkkeestä uraania Pariisissa vuonna 1899. Myös Friedrich Oskar Giesel riippumattomasti havaitsi aktiniumin 1902, ja totesi sen olevan lantaanin kaltaista ainetta. Hän nimesi löytönsä "emaniumiksi", koska se lähettää "emanaatioita" (säteilyä). Aktiniumin moderni nimi, kuten myös aktinoidien sarjan nimi, on peräisin kreikan kielen sädettä tai säteilyä tarkoittavasta sanasta "aktinos" (ακτινος).
Fysikaaliset ominaisuudet.
Aktinium on pehmeä, hopeanvalkoinen metalli. Sen tiheys on 10,07 g/cm3. Sulamispiste on 1 227 °C ja arvioitu kiehumispiste 3 200 ± 300 °C.
Kemialliset ominaisuudet ja yhdisteet.
Vain rajoitettu määrä aktiniumin yhdisteitä tunnetaan, kuten AcF3, AcCl3, AcBr3, AcOF, AcOCl, AcOBr, Ac2S3, Ac2O3, AcH2, Ac2(C2O4)3 ja AcPO4. Paitsi AcPO4, nämä kaikki ovat samankaltaisia kuin vastaavat lantaanin yhdisteet. Aktinium esiintyy näissä aina hapetusluvulla +3.
Taulukossa on esitetty aktiniumin ja sen eräiden yhdisteiden ominaisuuksia ja kiderakenne. Hilavakiot poikkeavat vastaavista lantaanin yhdisteistä vain muutamalla prosentilla.
Oksidi.
Aktinium(III)oksidia (Ac2O3) voidaan valmistaa kuumentamalla aktiniumhydroksidia (Ac(OH)3) 500 °C:een tai aktinium(III)oksalaattia (Ac2(C2O4)3) 1 100 °C:n lämpötilaan (tyhjiössä):
2 Ac(OH)3 → Ac2O3 + 3H2O
Ac2(C2O4)3 → Ac2O3 + 3CO2 + 3CO
Aktiniumoksidin kiderakenne on samanlainen kuin lantaanioksidilla ja muilla harvinaisten maametallien +3 hapetusluvun oksideilla.
Halidit.
Aktiniumin halidit kolmen ensimmäisen halogeenin kanssa tunnetaan, samoin vastaavat oksyhalidit AcOF, AcOCl, AcOBr. Aktiniumfluoridia (AcF3) voidaan valmistaa reaktiolla (700 °C lämpötilassa):
Ac(OH3)3 + 3HF → AcF3 + 3H2O
Aktiniumkloridia (AcCl3) valmistetaan reaktiolla:
2Ac(OH)3 + 3CCl4 → 2AcCl3 + 3CO2 + 6HCl
ja aktiniumbromidia (AcBr3) reaktiolla (800 °C lämpötilassa):
Ac2O3 + 2AlBr3 → 2AcBr3 + Al2O3
Hydridit.
Aktiniumille tunnetaan ainakin hydridi AcH2. On ennustettu, että aktiniumin hydridit AcH10, AcH12, AcH16 suuren paineen alaisina olisivat huoneenlämpötilan suprajohteita, koska niiden Tc on paljon suurempi kuin H3S-suprajohteen, mahdollisesti noin 250 K.
Isotoopit.
Yhteensä aktiniumin isotooppeja tunnetaan 32. Niiden massaluvut ovat välillä 205–236. Useimmat ovat hyvin lyhytikäisiä. Isotoopeista tärkeimpiä ovat 225Ac, 227Ac ja 228Ac. Pysyvimmät isotoopit ovat 227Ac puoliintumisajalla 21,772 vuotta, 225Ac puoliintumisajalla 9,920 päivää ja 226Ac 29,37 tuntia. Kaikkien muiden isotooppien puoliintumisajat ovat alle 10 tuntia, useimpien alle minuutin. Nopeimmin hajoaa isotooppi 217Ac, jonka puoliintumisaika on vain 69 ns. Aktiniumilla on myös ainakin yhdeksän ydinisomeeria.
Pysyvin isotooppi 227Ac, joka on uraani-235-isotoopin hajoamistuote, hajoaa lähes kokonaan torium-227-isotoopiksi, mutta noin 1 % hajoaa frankium-223:ksi. Tämä hajoamisketju haaroineen on aktiniumsarja.
Esiintyminen luonnossa.
Luonnossa aktiniumia löytyy vähäisiä määriä uraanimalmista 227Ac-isotooppina. Sen pitoisuuden arvioidaan olevan maankuoressa 5,7·10-10 ppm, josta on laskettu teoreettiseksi isotoopin kokonaisvarastoksi maankuoressa 1,4·104 tonnia eli 14 kg. Isotooppia 225Ac on löydetty vielä tätäkin pienempiä määriä brasilialaisesta monatsiitista, jossa se esiintyy yhdessä toriumin isotoopin 232Th kanssa.
Merivedessä aktiniumia on äärimmäisen vähän. Sen aiheuttama radioaktiivisuus maailman merissä on eri arvioiden mukaan 0,83–90 mBq/m3 välillä. Isotooppia 227Ac on käytetty geokemiallisena merkkiaineena tutkittaessa syvänmeren veden virtauksia ja sekoittumista.
Käyttö.
Aktinium on 150 kertaa radioaktiivisempi kuin radium, mikä tekee siitä arvokkaan neutronilähteen; muutoin sillä ei ole merkittävää teollista käyttöä.
227Ac-isotooppia on käytetty avaruusluotainten radioisotooppisissa termosähkögeneraattoreissa.
225Ac-isotooppia käytetään lääketieteessä tuottamaan vismutti-213-isotooppia tai sitä voidaan käyttää yksin radioimmunoterapiassa.
Terveysvaikutukset.
Vaikka isotooppi 227Ac on itsessään lähinnä heikko beetasäteilijä, sen hajoamissarjassa on viisi nopeasti hajoavaa α-säteilijää, mikä tekee isotoopista merkittävästi radioaktiivisen. Potentiaalisilta terveysvaikutuksiltaan aktinium-227:n säteily on suunnilleen yhtä vaarallista kuin plutoniumin. Pienikin määrä, etenkin elimistöön joutuessaan, muodostaa vakavan terveysriskin aktiniumin suuren säteilyn vuoksi. Aktiniumilla ei ole mitään osaa eliöiden kannalta. Luonnossa esiintyvien erittäin vähäisten määrien lisäksi aktiniumia voi olla ydinvoimaloiden säteilevissä osissa ja tutkimuslaboratorioissa tai muissa poikkeuksellisissa oloissa. Vaaralliselle määrälle aktiniumia luonnossa ei voi altistua.