锕

+2、+3 锕（Actinium）是一种化学元素，其化学符号为锕，原子序89，位居锕系元素之首。锕是一种柔软且十分活泼的银白色金属，具强放射性，在空气中会迅速与氧气和水汽反应，且在表面形成具保护性的白色氧化层。和大部分镧系元素及重锕系元素一样，锕最常见的氧化态是+3，化学性质也和镧系元素十分相似。锕发现于1899年，与钋、镭、氡同为最先发现的几种非原始核素之一。

锕具有强放射性，最稳定的同位素是227Ac，会进行β衰变，半衰期为21.772年。由于缺乏长寿命的同位素，自然界中仅有痕量的锕出现在铀矿石当中，以227Ac为主，为235U的衰变产物。每一吨铀矿石约含0.2毫克的锕元素。由于锕和镧的化性与物性过近，因此要从矿石中分离出锕元素并不现实。科学家则是在核反应炉中以中子照射镭-226来生产锕的。

锕因为稀少、昂贵，且具强放射性，所以没有太大的工业用途。目前锕被用作中子源，以及在放射线疗法中作为辐射源。

## 历史

法国化学家安德烈-路易·德比埃尔内在1899年宣布发现新元素。在玛莉·居礼和皮埃尔·居礼从沥青铀矿中分离出镭之后，德贝尔恩接着从残留物中再分离出这一新元素。他认为该元素与钛和钍相似，并将其命名为“actinium”。德国化学家弗里德里希·奥斯卡·吉塞尔则在1902年独立发现了锕元素。他认为锕与镧相似，并在1904年将其命名为“emanium”。科学家在比较德贝尔恩所得出的半衰期数据后，决定依最早发现者的意愿把该元素正式定名为“actinium”。

锕的原文名称“actinium”源自古希腊语中的“ακτίς”、“ακτίνος”（“aktis”、“aktinos”），意为光线。其化学符号为Ac，但Ac也同时是其他化学品的缩写，如乙酰基、乙酸盐和乙醛，但锕与这些并无关系。

## 属性

锕是一种柔软的银白色放射性金属。其剪切模量估计与铅相近。锕的放射性很强，它放射出的高能粒子足以把四周的空气电离，因而发出暗蓝色光。锕的化学属性与包括镧在内的镧系元素相近，因此要将锕从铀矿石中分离出来十分困难。分离过程一般使用溶剂萃取法和离子层析法。

锕是首个锕系元素。这些元素彼此间的特性比镧系元素更多元化，因此直到1945年，格伦·西奥多·西博格才提出为元素周期表加入锕系元素。这是自从德米特里·门捷列夫创造元素周期表以来对周期表最大的变动之一。

锕在空气中会与氧气、水汽迅速反应，在表面产生白色的保护性氧化层。与大部分镧系和锕系元素一样，锕的氧化态通常是+3；Ac3+离子在溶液中无色。锕的电子排布是6d17s2，所以当失去3个电子后，就会形成稳定的闭壳层，与惰性气体氡一样。锕的+2态只出现在二氢化锕（AcH2）中。

## 化合物

已知的锕化合物非常少，其中有三氟化锕（AcF3）、三氯化锕（AcCl3）、三溴化锕（AcBr3）、氟氧化锕（AcOF）、氯氧化锕（AcOCl）、溴氧化锕（AcOBr）、三硫化二锕（Ac2S3）、氧化锕（Ac2O3）和磷酸锕（AcPO4）等。这些化合物中锕都具有+3氧化态，且都有相对应的镧化合物。对应的镧和锕化合物在晶格常数上的差异不超过百分之十。

化学式｜颜色｜对称｜空间群｜空间群数｜皮尔逊符号｜a（pm）｜b（pm）｜c（pm）｜Z｜密度（g/cm3）

Ac｜银白色｜fcc｜Fm3m｜225｜cF4｜531.1｜531.1｜531.1｜4｜10.07

AcH2｜立方晶系｜Fm3m｜225｜cF12｜567｜567｜567｜4｜8.35

Ac2O3｜白色｜三方晶系｜P3m1｜164｜hP5｜408｜408｜630｜1｜9.18

Ac2S3｜立方晶系｜I43d｜220｜cI28｜778.56｜778.56｜778.56｜4｜6.71

AcF3｜白色｜六方晶系｜P3c1｜165｜hP24｜741｜741｜755｜6｜7.88

AcCl3｜六方晶系｜P63/m｜165｜hP8｜764｜764｜456｜2｜4.8

AcBr3｜白色｜六方晶系｜P63/m｜165｜hP8｜764｜764｜456｜2｜5.85

AcOF｜白色｜立方晶系｜Fm3m｜225｜593.1｜593.1｜593.1｜8.28

AcOCl｜四方晶系｜P4/nmm｜129｜424｜424｜707｜2｜7.23

AcOBr｜四方晶系｜P4/nmm｜129｜427｜427｜740｜2｜7.89

AcPO4·0.5H2O｜六方晶系｜721｜721｜664｜5.48

上表中的a、b和c为晶格常数，Z为每晶胞所含的化学式单元数。密度并非实验数据，而是从晶体参数中计算得出的。

### 氧化物

在真空中把氢氧化锕加热至500°C或把草酸锕加热至1100°C，可制成氧化锕（Ac2O3）。氧化锕的晶体结构与大部分三价稀土金属的氧化物同型。

### 卤化物

三氟化锕的合成反应可以在液态或固态下进行。前者在室温下进行，需将氢氟酸加入含有锕离子的溶液中。后者需对锕金属施以氟化氢气体，反应要在700°C下进行，并必须使用全铂制器材。在900至1000°C下，三氟化锕会和氢氧化铵反应形成氟氧化锕（AcOF）。虽然三氟化镧在空气中以800°C燃烧一小时后就可以产生氟氧化镧，但是类似的方法无法产生氟氧化锕，而是会把三氟化锕熔解。

AcF3 + 2 NH3 + H2O → AcOF + 2 NH4F

氢氧化锕或草酸锕与四氯化碳在960°C以上温度反应会产生三氯化锕。同样，三氯化锕与氢氧化铵在1000°C反应会形成氯氧化锕。但与氟氧化锕不同的是，三氯化锕在氢氯酸溶液中用氨点燃就可以产生氯氧化锕。

溴化铝与氧化锕反应后，会形成三溴化锕：

Ac2O3 + 2 AlBr3 → 2 AcBr3 + Al2O3

在500°C加入氢氧化铵，可以产生溴氧化锕（AcOBr）。

### 其他化合物

三氯化锕在300°C下经钾还原后，可形成氢化锕，其结构可从氢化镧（LaH2）的结构推测而得。该反应中氢的来源不明。

在含锕的氢氯酸溶液中加入磷酸二氢钠（NaH2PO4），会产生白色的半水合磷酸锕（AcPO4·0.5H2O）。草酸锕和硫化氢气体在1400°C受热几分钟，会产生黑色的硫化锕（Ac2S3）。

## 同位素

锕一共有36种已知同位素，全部都具有放射性。这些同位素的原子量介乎206 u（206Ac）和236 u（236Ac）。其中最稳定的有：227Ac（半衰期为21.772年）、225Ac（10.0天）和226Ac（29.37小时）。其余的同位素的半衰期都小于10小时，大部分甚至小于1分钟。寿命最短的锕同位素是217Ac，其半衰期只有69纳秒，会进行α衰变和中子捕获。锕拥有两个亚稳态（同核异构体）。研究锕的化学性质时会用225Ac、227Ac、228Ac这三种同位素。

自然界中的锕元素主要由227Ac组成，此外还有极微量的225Ac和228Ac。纯化后的227Ac在185天后与衰变产物达成平衡。它主要进行β衰变（98.8%），以及少量的α衰变（1.2%）。这些衰变的产物都属于锕衰变系。227Ac发射的β粒子能量较低（46 keV），α辐射的强度较低，可用样本也一般很少，所以很难直接探测到227Ac。因此科学家一般以探测其衰变产物的方法来推算227Ac的量。

同位素｜合成反应｜衰变形式｜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分钟

224Ac｜232Th(d,6n)228Pa(α)→224Ac｜α｜2.78小时

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−、电子捕获｜29.37小时

227Ac｜235U(α)→231Th(β−)→231Pa(α)→227Ac｜α、β−｜21.77年

228Ac｜232Th(α)→228Ra(β−)→228Ac｜β−｜6.15小时

229Ac｜228Ra(n,γ)229Ra(β−)→229Ac｜β−｜62.7分钟

230Ac｜232Th(d,α)230Ac｜β−｜122秒

231Ac｜232Th(γ,p)231Ac｜β−｜7.5分钟

232Ac｜232Th(n,p)232Ac｜β−｜119秒

## 存量及合成

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锕元素在地球上十分稀少，只有痕量的227Ac同位素出现在铀矿石中：每吨铀矿石只含有大约0.2毫克的锕。227Ac是锕衰变系中的其中一个短暂存在的同位素。该衰变链始于235U（或239Pu），止于稳定同位素207Pb。225Ac则是镎衰变系中短暂存在的同位素。该衰变链始于237Np（或233U），止于近似稳定的209Bi和稳定的205Tl。惟自然界中的镎衰变系早已衰变殆尽，现时地壳中的237Np主要由238U发生核散裂而痕量生成。

含有锕的矿石中也同时含有大量镧及其他镧系元素。然而这些元素的化学、物理特性与锕非常接近，再加上锕含量甚为稀少，因此从矿石中分离出锕元素的做法并不实际，科学家也从未完全分离出锕。锕元素则通常是在核反应炉中用中子照射226Ra产生的，每次产量以毫克计。

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

该反应的锕产量约为镭重量的2%。227Ac可再捕获中子，形成少量的228Ac。合成过后，锕需从镭以及其他的衰变产物中分离出来，这些产物包括钍、钋、铅和铋。第一种分离法使用噻吩甲酰三氟丙酮和苯的混合溶液。调整该溶液的pH值，可从含衰变产物的溶液中萃取出特定的元素（锕需要pH 6.0左右）。另一种分离法是在硝酸中以适当的树脂进行负离子交换法，先把镭和锕与钍分离开来（分离系数为1百万），再用正离子交换树脂和硝酸洗脱液把锕从镭中提取出来（系数为100）。

德国和澳洲的科学家在2000年首次人工合成225Ac。德国超铀元素研究所所使用的是回旋加速器，而澳洲的研究人员则使用位于悉尼圣乔治医院的直线加速器。其合成方法为，对镭-226目标体进行20至30 MeV能量氘离子撞击。这一反应同时会产生半衰期为29小时的226Ac同位素，但由于225Ac的半衰期有10天，所以前者不会对后者造成不纯。225Ac是一种稀有的同位素，在放射线疗法中有潜在的用途。

在1100至1300°C间以锂气体对氟化锕进行还原反应，可以产生锕金属。太高的温度会使产物气化，而太低温则会导致反应不能完全进行。锂的氟化物挥发性比其他碱金属的高，因此最适合用于这一反应中。

## 应用

由于存量稀少，价格昂贵，所以锕目前并无重要的工业用途。

227Ac放射性很强，因此有潜力用于放射性同位素热电机中，应用范围包括航天器。227Ac的氧化物和铍压制后可以作为高效能中子源，其活度高于一般的镅﹣铍和镭﹣铍中子源。这些应用利用的其实是227Ac的衰变产物。进行β衰变后所产生的同位素会释放α粒子，而铍则用于捕获这些α粒子，并放出中子。铍的(α,n)核反应截面较高，因此能高效地将α粒子转换为中子。该反应的公式如下：

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

227AcBe可用于中子水分仪中，以测量土壤中的水分以及在建造公路时进行湿度、密度的质量检验。这类探测仪在测井、中子照相、断层摄影术及其他放射性化学范畴中都有应用的空间。

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225Ac在医学中用于制造213Bi，或直接作放射线疗法的辐射源。225Ac的半衰期为10天，比213Bi的46小时更适合作放射线治疗。225Ac及其衰变产物所释放的α粒子可以杀死身体内的癌细胞。最大的困难在于，简单的锕配合物经静脉注射进入体内后，会积累在骨骼和肝脏中，并停留数十年。持续的辐射在杀死癌细胞后，会引发新的突变。要避免这种问题，可将225Ac与螯合剂结合，例如柠檬酸、乙二胺四乙酸（EDTA）和二乙烯三胺五乙酸（DTPA）。这可降低锕在骨骼中的积累，但从身体排泄的量仍然不高。改用HEHA或耦合至曲妥珠单抗的DOTA（1,4,7,10-四氮杂环十二烷-1,4,7,10-四羧酸）等螯合剂可以增加锕的排泄量。曲妥珠单抗是一种单株抗体，能够干扰HER2/neu受体。科学家把锕与DOTA结合后注射到老鼠体内，发现疗法有效对抗白血病、淋巴瘤、乳癌、卵巢癌、神经母细胞瘤和前列腺癌。

227Ac的半衰期为21.77年，可用来研究海水的缓慢垂直混合作用。这种水流的速度大约为每年50米，因此直接测量是无法得到足够的精度的。科学家通过探测各同位素在不同深度的相对比例变化，可以推算出混合作用的发生速率。具体的物理原理如下。海水含有均衡分布的235U。其衰变产物231Pa会慢慢沉淀到海底，所以其浓度会随深度增加，并在一定的深度以下维持恒等。231Pa再衰变成227Ac。混合作用会把海底的227Ac提升上来，因此227Ac的浓度随深度一直增加至海底。科学家分析231Pa和227Ac的浓度﹣深度关系，可以间接研究海水的混合作用。

## 安全

227Ac的放射性极强，因此有关的实验都必须在专业实验室的手套箱中进行。当三氯化锕经静脉注射进入老鼠体内后，约33%的锕元素积累在骨骼中，50%进入肝脏。其毒性稍低于镅和钚。

## 外部链接

- NLM Hazardous Substances Databank – Actinium, Radioactive
- Actinium in