锕系元素组成

   锕系元素又称5f过渡系,它是指周期表中原子序数从89~103的15种元素,它们是:锕(Ac),钍(Th),镤(Pa),铀(U),镎(Np),钚(Pu),镅(Am),锔(Cm),锫(Bk),镅(Cf),锿(Es),镄(Fm),钔(Md),锘(No),铑(Lr)。常以An表示锕系元素,它们都具有放射性。1789年德国克拉普罗特(Klaproth,M.H.1743~1817)从沥青铀矿中发现铀。它是被人们认识的第一种锕系元素。比铀原子序数小的锕、钍和镤也随后被陆续发现。在铀以后的元素称超铀元素,它们都是在1940年以后,用人工核反应合成的。极微量的镎和钚也存在于铀矿中。

 

价电子构型

   锕系元素的价电子构型见下表所示。

原子序数

符号

元素

价电子构型

原子序数

符号

元素

价电子构型

89

Ac

锕

6d17s2

97

Bk

锫

5f9   7s2

90

Th

钍

6d27s2

98

Cf

锎

5f10  7s2

91

Pa

镤

5f26d17s2

99

Es

锿

(5f11  7s2)

92

U

铀

5f36d17s2

100

Fm

镄

(5f12  7s2)

93

Np

镎

5f46d17s2

101

Md

钔

(5f13  7s2)

94

Pu

钚

5f67s2

102

No

锘

(5f14  7s2)

95

Am

镅

5f77s2

103

Lr

铹

(5f146d17s2)

96

Cm

锔

5f76d17s2

-

-

-

-

    从表中可看出:锕系元素的价电子构型与镧系元素相似,出现两种构型,即[Rn]5fn7s2和[Rn]5fn-16d17s2(锕和钍无5f电子)。这两种电子构型之间的竞争,决定于二者的能量。对锕系元素,前一半元素中,Pu和Am的5fn-16d17s2的能量高于5fn7s2,故它们的电子构型取5fn7s2。Cm的情况与镧系的Gd相似。其余的均为5fn-16d17s2。锕系元素中的后一半与镧系元素非常相似,其电子构型为[Ru]5fn6s2。造成锕系元素电子层结构特殊的原因是5f和6d的能量相差较小(见图16-4),电子由5f跃迁至6d所需能量也较低,使得其前半部分的结构中具有强烈保持d电子的趋向。

图16-4 镧系和锕系原子的fns2fn-1d1s2的电子构型近似相对能量

 

氧化态

   锕系元素的已知氧化态见下表。

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

-

-

-

-

-

-

(Ⅱ)

-

-

[Ⅱ]

[Ⅱ]

[Ⅱ]

[Ⅱ]

[Ⅱ]

-

Ⅲ

(Ⅲ)

Ⅲ

Ⅲ

Ⅲ

Ⅲ

Ⅲ

Ⅲ

Ⅲ

Ⅲ

Ⅲ

Ⅲ

Ⅲ

Ⅲ

Ⅲ

-

Ⅳ

Ⅳ

Ⅳ

Ⅳ

Ⅳ

Ⅳ

Ⅳ

Ⅳ

-

-

-

-

-

-

-

-

Ⅴ

Ⅴ

Ⅴ

Ⅴ

Ⅴ

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Ⅵ

Ⅵ

Ⅵ

Ⅵ

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Ⅶ

Ⅶ

-

-

-

-

-

-

-

-

-

划黑短线的数字表示最稳定的氧化态;( )表示只存在于固体中;[ ]表示只存在于溶液中   
   镧系元素无论是在水溶液或固体化合物中,+Ⅲ是正常氧化态;而锕系中前一部分元素(Th-Am)存在多种氧化态,Am以后的元素在水溶液中氧化态是+Ⅲ。
   从图16-4中可以看出来,锕系元素中的前一半,5f→6d跃迁所需的能量比镧系元素4f→5d跃迁要少些,因此锕系的前一半元素提供更多的成键电子的倾向要大些,它们存在较高的价态是必然的结果。

 

离子半径

   锕系元素的离子半径列入下表中(配位数为6)。

-

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

rAn3+*/pm

126

-

118

116.5

115

114

111.5

111

110

rAn4+/pm

-

108

104

103

101

100

99

99

97

   *An代表锕系元素

   这些元素+3离子的最外层电子是已填满的6p层,随着原子序数增加,电子进入5f层,而5f电子不能完全屏蔽增加的核电荷,使有效核电荷增加,因而产生类似镧系收缩的锕系收缩现象。

 

离子的颜色

   锕系元素不同类型的离子在水溶液中的颜色,列入下表。

-

An3+

An4+

AnO2+

AnO22+

Ac

无色

-

-

-

Th

-

无色

-

-

Pa

-

无色

-

-

U

红

绿

-

黄

Np

紫蓝

黄绿

绿

粉红

Pu

紫

黄褐

红紫

橙

Am

粉红

粉红

黄

棕

Cm

无色

-

-

-

    除少数离子(Ac3+,Cm3+,Th4+,Pa4+和PaO2+)为无色外,其余离子都是显色的。镧系和锕系水合离子颜色的变化规律相似。Ce3+(4f1)和Pa4+(5f1),Gd3+(4f7)和Cm3+(5f7),La3+(4f0)和Ac3+(5f0)都是无色的。Nd3+(4f3)和U3+(5f3)显浅红色。