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錒

原子序数为89的化学元素

錒（ㄚ）（英語：Actinium），是一種化學元素，其化學符號為Ac，原子序數為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。錒屬於十分活潑的金屬，在空氣中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重錒系元素一樣，錒最常見的氧化態是+3，化學性質也和鑭系元素十分相似。

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
元素類別錒系元素
族·週期·區不適用·7·f
標準原子質量[227]
電子排布[Rn] 6d1 7s2
2, 8, 18, 32, 18, 9, 2
錒的電子層（2, 8, 18, 32, 18, 9, 2）
錒的電子層（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（英語：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（接近室溫）
10 g·cm−3
熔點1500 K，1227 °C，2240 °F（預測[2]）
沸點3500±300 K，3200±300 °C，5800±500 °F（外推[2]）
熔化熱14 kJ·mol−1
汽化熱400 kJ·mol−1
比熱容27.2 J·mol−1·K−1
原子性質
氧化態3
（鹼性）
電負性1.1（鮑林標度）
電離能第一：499 kJ·mol−1
第二：1170 kJ·mol−1
共價半徑215 pm
錒的原子譜線
雜項
晶體結構面心立方
磁序無數據
熱導率12 W·m−1·K−1
CAS號7440-34-8
同位素
主條目：錒的同位素
同位素 豐度 半衰期​（t1/2） 衰變
方式 能量​（MeV） 產物
225Ac 痕量 9.9190 天 α 5.935 221Fr
CD 30.476 211Bi
226Ac 人造 29.37 小時 β− 1.112 226Th
ε 0.642 226Ra
α 5.506 222Fr
227Ac 痕量 21.772 年 β− 0.045 227Th
α 5.042 223Fr
228Ac 痕量 6.15 小時 β− 2.124 228Th

錒在1899年被發現，是首個得到分離的非原始元素（英語：Primordial nuclide）。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，最穩定的錒同位素是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

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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」。[3][4]德國化學家弗裡德里希·奧斯卡·吉塞爾（英語：Friedrich Oskar Giesel）則在1902年獨立發現了錒元素。[5]他認為錒與鑭相似，並在1904年將其命名為「emanium」。[6]科學家在比較德貝爾恩所得出的半衰期數據後，[7]決定依最早發現者的意願把該元素正式定名為「actinium」。[6][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

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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

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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。這些化合物中錒都具有+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。[20]

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

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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。[20]

鹵化物

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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。[20][23]: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。[20]

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）。[20]

其他化合物

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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。[23]: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）。[20]

同位素

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主條目：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）。[25]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）。[25]研究錒的化學性質時會用225Ac、227Ac、228Ac這三種同位素。[2]

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

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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。[26][27]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。[28]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（英語：Nuclear spallation）而痕量生成。[29]

含有錒的礦石中也同時含有大量鑭及其他鑭系元素。然而這些元素的化學、物理特性與錒非常接近，再加上錒含量甚為稀少，因此從礦石中分離出錒元素的做法並不實際，科學家也從未完全分離出錒。[20]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。[27][30]

 

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）。[26]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）。[31]

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。[32]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。[33]

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

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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。[34]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(α,n)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：[35]

 

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。[36][37]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。[38]

 
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，[31]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。[39]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恆等。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

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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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