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📜  锕系元素——定义、性质、形成、用途

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:10.009000             🧑  作者: Mango

锕系元素——定义、性质、形成、用途

d 和 f 块主要包含包含组 3-12 的元素。 f 块具有其中 4f 和 5f 逐渐填充的元素。这些元素位于元素周期表下方的单独表格中。 d 和 f 块元素主要称为过渡或内部过渡元素。

锕系

锕系元素是原子序数在 90 到 103 之间的元素，紧随锕之后。它们包括天然存在的钍、镤和铀元素，以及通过核过程人工产生的 11 种超铀元素。尽管如此，所有锕系元素都是放射性的。锕系元素得名于该系列中的第一个元素，锕。符号 An 用于表示任何锕系元素，其在元素周期表上的原子序数从 89 到 103 不等。锕系元素中的所有元素都具有放射性，在放射性衰变过程中释放出大量能量。地球上数量最多的天然锕系元素是铀和钍，而钚是合成的。

这些元素存在于核反应堆和核武器中。铀和钍用于多种应用，而镅则用于当前的烟雾探测器电离室。锕系元素具有以下一般电气配置： [Rn] 5f 1 – 14 6d 0 – 1 7s 2 。镭是最近的惰性气体，其电子构型为[Rn]。

锕系元素的物理性质

  1. 它们都是放射性的。这些元素没有稳定的同位素。
  2. 锕系元素具有很强的正电性。
  3. 金属在空气中迅速失去光泽。这些元素是发火的（在空气中自燃），尤其是细碎的粉末。
  4. 锕系元素是非常致密且具有不同结构的金属。有许多同素异形体可以形成——钚至少有六个同素异形体。锕是一个例外，因为它含有较少的晶相。
  5. 锕系金属通常是软的。其中一些可以用刀切开。
  6. 这些元素具有延展性和延展性。
  7. 锕系元素都是顺磁性的。
  8. 它们与热水或稀酸反应时会产生氢气。
  9. 在室温和压力下，所有这些元素都是固态的银色金属。
  10. 大多数非金属立即与锕系元素混合。

锕系元素的化学性质

  1. 所有锕系元素，如镧系元素，都与卤素和硫属元素具有极强的反应性；然而，锕系元素更容易反应。锕系元素，特别是那些具有少量 5f 电子的元素，容易发生杂化。
  2. 锕和镧在化学上是相关的，这可以从它们可比较的离子半径和电子结构中得到证明。
  3. 锕和镧一样，在化合物中通常总是具有+3的氧化态，但它的反应性较低，具有较强的基本特性。
  4. 钍是一种化学活性元素。由于 6d 和 5f 轨道上缺乏电子，四价钍化合物是无色的。

f 区元素、锕系元素和镧系元素

锕系元素的原子序数从 57 到 71 不等，是 f 块元素的第二系列，而镧系元素是 f 块元素的第一系列。锕系元素具有放射性，但镧系元素（钷除外）不是。镧系元素是具有银白色外观的软金属。当镧的原子和离子半径从镧下降到镥时，镧系元素收缩发生。镧系元素是电和热的良导体，其熔点范围为 1000 K 至 1200 K，但钐除外，其熔点为 1623 K。f 块元素的特性是电子被添加到“ f' n – 2 能级的亚轨道，它们位于元素周期表中 (n – 1) d 和 ns 块元素之间。它们的属性与 d-block 元素的属性相同。

就相似性而言，锕系元素和镧系元素都具有+3的主要氧化态。两者都有助于填充 (n – 2) f 轨道。两者都具有高正电性并且本质上非常活泼。随着原子序数的增加，离子和原子尺寸减小。锕系元素和镧系元素具有磁性。

锕系收缩

由于不断增长的核电荷和进入内 (n – 2) f 轨道的电子，三正锕系离子的离子半径或原子尺寸趋于从 Th 到 Lw 连续减小。结果，随着原子序数的增加，这种尺寸的稳定减小被称为锕系收缩，它的发生类似于镧系收缩。由于 5f 电子的屏蔽不足，在此期间收缩可能会更大。

电子配置

锕系元素是 f 块元素的第二个系列，其末端电子构型为[Rn] 5f 1-14 6d 0-1 7s 2 。因为 5f 和 6d 电子的能量很接近，所以电子进入 5f 轨道。

锕系收缩

由于增加的核电荷和进入内 (n-2) f 轨道的电子，三正锕系离子的原子尺寸/离子半径从 Th 逐渐下降到 Lw。锕系收缩与镧系收缩一样，是指随着原子序数的增加尺寸逐渐减小。由于 5f 电子提供的弱屏蔽，在此期间收缩更强。

有色离子的形成

锕系元素与镧系元素一样，在 f 轨道和空轨道中都有电子，d 区元素也是如此。当吸收一定频率的光时，ff 电子跃迁会产生可见的颜色。

电离

由于 5f 电子比 4f 电子更有效地免受核电荷的影响，锕系元素的电离焓比镧系元素低。

氧化态

由于 5f、6d 和 7s 轨道之间的能量差较窄，锕系元素具有不同的氧化态。虽然 3+ 是最稳定的氧化态，但由于 f 电子的显着屏蔽，更多的氧化态是可能的。最大氧化态上升到系列的中间然后下降；例如，它从 Th 的 +4 增加到 Pa、V 和 Np 的 +5、+6 和 +7，但落在下一个元素中。

配合物的形成

由于它们的尺寸较小但核电荷较高，锕系元素是比镧系元素更好的络合剂。在出现的顺序中，肤色的程度降低。

化学反应

由于锕系元素的电离能较低，锕系元素比镧系元素更具正电性和反应性。它们在接触热水时会发生反应。与氧化性物质反应形成钝化涂层。形成卤化物和氢化物。锕系元素是非常有效的降低剂。

物理性质

  1. 除钍和镅外，所有锕系元素的密度都非常高。
  2. 锕系元素与镧系元素一样，具有相对较高的熔点，但在镧系元素的熔化和沸腾温度方面没有明显的规律。
  3. 由于存在不成对电子，所有锕系元素都是顺磁性的。由于5f电子的屏蔽，轨道角矩被淬灭，观测到的磁矩小于计算的磁矩。

镧系元素和锕系元素之间的相似之处

(n-2) f 亚壳用于填充和表征所有镧系元素和锕系元素。镧系元素和锕系元素具有非常相似的电气配置。以下是这两者之间的一些重要共同点，

  1. 镧系元素和锕系元素具有 +3 的高氧化态。
  2. 这些元素的填充涉及 (n – 2) f 轨道。
  3. 镧系元素和锕系元素都具有反应性和正电性。
  4. 随着这些元素的原子序数增加，它们的离子和原子大小也会增加。
  5. 镧系元素和锕系元素都具有强磁性。

镧系元素和锕系元素之间的差异

  1. 镧系元素的填充涉及 4f 轨道，而锕系元素的填充涉及 5f 轨道。
  2. 结合这个 4F 原子的能量小于锕系元素，即 5F 电子。
  3. 5F电子的屏蔽也小于4F电子。
  4. 镧系元素的顺磁特性很容易解释。然而，在锕系元素的情况下，很难解释所有的顺磁性特征。
  5. 除钷外，大多数镧系元素都是非放射性的。锕系元素都是放射性的。
  6. 锕系元素有多种氧阳离子，但镧系元素中没有。
  7. 与镧系元素中发现的化学物质相比，锕系元素产生的化合物本质上是强碱性的。

锕系元素的可用性

锕系元素钍和铀普遍存在于地壳中。铀还含有微量的钚和镎。在锕系元素中发现了多种合成元素。因为它们不是自然产生的，而是由于较重元素的成分衰变的结果，这些元素被称为合成元素。当暴露在空气中时，锕系元素会失去光泽。

锕系元素的用途和应用

  1. 镅和其他锕系元素用于烟雾探测器。
  2. 钍主要用于气体地幔。
  3. 锕被科学家和研究人员用于进行科学研究或研究。
  4. 锕也用作伽马源、指示剂和中子源。
  5. 大量锕系元素用于国防活动、核武器和能源生产。
  6. 钚用于核反应堆和核弹。
  7. 许多锕系元素被用于核电站以及电力的产生。
  8. 每个锕系元素都以其自己的原子序数以及各种特征和特性而著称。研究锕系元素的化学和物理特征以预测它们的反应至关重要。
  9. 锕系元素缺乏稳定同位素。

示例问题

问题1：锕系元素是什么？

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问题2：锕系元素有什么用途？

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问题 3：锕系元素的化学反应性有哪些趋势？

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问题4：锕系元素的物理性质是什么？

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问题5：什么是锕系收缩？

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