Aktinijum i aktinoidi

Aktinijum je element IIIb grupe PSE. Od torijuma počinje niz od 14 elemenata, po osobinama sličnim aktnijumu koji se nazivaju aktinoidi. Njihova sličnost ogleda se u maloj razlici između energija 5f, 6d i 7s valentnih elektrona. Svaki aktinoid pokazuje sličnost sa aktinijumom i lantanoidom koji se nalazi iznad njega. lantanoidi i aktinoidi čine unutrašnje prelazne elemente.

Svi aktinoidi su radioaktivni. U prirodi se nalaze elementi do urana, dok se Np i Pu mogu naći u izuzetno malim količinama. Svi elementi teži od urana su dobijeni veštačkim putem. Iako se ne nalaze u prirodi, neki od njih našli su važne primene te se proizvode u značajnnim količinama veštački. Svi elementi su dobijeni u dovoljnim količinama da im se ispitaju osnovne hemijske osobine. Elementi do plutonijuma pokazuju veću sličnost sa prelaznim metalima te grade stabilna jedinjenja u kojima imaju visoke oksidacione brojeve. Počev od americijuma, elementi pokazuju sve tipične osobine lantanoida (najstabilniji pozitivno trovalentni, atomski radijus im se smanjuje...).

Aktinijum

• atomski broj: 89
• A_r: 227,0278
• grupa: 3b
• perioda: Q
• blok: d
• osobine: prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 3743 K
• T.T: 1323 K
• gustina: 10g/cm³
• elektronegativnost: 1,1
• otkriće: A. Debierne, 1899.
• lat. naziv: actinium
• oksidaciona stanja: +3
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 18, 9, 2
• elektronska konfiguracija: [Rn]6d¹7s²
• atomski poluprečnik: 188 pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Ac -> Ac⁺, 499
  • Ac⁺ -> Ac²⁺, 1170
  • Ac²⁺ -> Ac³⁺, 1900
• izotopi:
  1. Ac-227
     • zastupljenost u prirodi: 100%
     • raspad: alfa, beta^-
     • vreme poluraspada: 21,77 godina
     • raspada se na: Th-227, Fr-223
  2. Sintetisani su izotopi Ac atomskih masa 225 i 226.

Torijum

• atomski broj: 90
• A_r: 232,0381
• grupa: 3b
• perioda: Q
• blok: f
• osobine: unutrašnji prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 5061 K
• T.T: 2115 K
• gustina: 11,7g/cm³
• elektronegativnost: 1,3
• otkriće: J. Berzelius, 1828.
• lat. naziv: thorium
• oksidaciona stanja: +4 (najstabilnije), +2, +3
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 18, 10, 2
• elektronska konfiguracija: [Rn]6d²5f⁰7s²
• atomski poluprečnik: 180 pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Th -> Th⁺, 587
  • Th⁺ -> Th²⁺, 1110
  • Th²⁺ -> Th³⁺, 1978
  • Th³⁺ -> Th⁴⁺, 2780
• izotopi:
  1. Th-232
     • zastupljenost u prirodi: 100%
     • raspad: alfa
     • vreme poluraspada: 1,45*10¹⁰ godina
     • raspada se na: Ra-228
  2. Sintetisani su izotopi Th atomskih masa 228, 229 i 230.

Protaktinijum

• atomski broj: 91
• A_r: 231,0359
• grupa: 3b
• perioda: Q
• blok: f
• osobine: unutrašnji prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 4300 K
• T.T: 2113 K
• gustina: 15,37g/cm³
• elektronegativnost: 1,5
• otkriće: F. Soddy, J. Cranston, O. Hahn, L. Meitner, 1917.
• lat. naziv: protactinium
• oksidaciona stanja: +5 (najstabilnije), +4, +3
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 20, 9, 2
• elektronska konfiguracija: [Rn]6d¹5f²7s²
• atomski poluprečnik: 180 pm
• izotopi:
  1. Pa-231
     • zastupljenost u prirodi: verovatno 100%
     • raspad: alfa
     • vreme poluraspada: 27 dana
     • raspada se na: U-233
  2. Sintetisani su izotopi Th atomskih masa 230 i 233. Protaktinijum se ne dobija iz prirodnih izvora.

Uran

• atomski broj: 92
• A_r: 238,0289
• grupa: 3b
• perioda: Q
• blok: f
• osobine: unutrašnji prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 4405 K
• T.T: 1405 K
• gustina: 19,1g/cm³
• elektronegativnost: 1,7
• otkriće: M. Klaproth, 1828.
• lat. naziv: uranium
• oksidaciona stanja: +6 (najstabilnije), +5 do +2
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
• elektronska konfiguracija: [Rn]6d¹5f³7s²
• atomski poluprečnik: 175 pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • U -> U⁺, 584
  • U⁺ -> U²⁺, 1420
• alotropske modifikacije:
  • alfa (ortorombični) U - stabilan ispod 941K
  • beta (tetragonalni) U - stabilan na 941 - 1048 K
  • gama (prostorno centrirana kubna rešetka) - stabilan iznad 1048 K
• izotopi:
  1. U-234
     • zastupljenost u prirodi: 0,006%
     • raspad: alfa
     • vreme poluraspada: 245500 godina
     • raspada se na: Th-230
  2. U-235
     • zastupljenost u prirodi: 0,72%
     • raspad: alfa, fisiabilan
     • vreme poluraspada: 7,04*10⁸ godina
     • raspada se na: Th-231
  3. U-238
     • zastupljenost u prirodi: 99,275%
     • raspad: alfa
     • vreme poluraspada: 4,468*10⁹ godina
     • raspada se na: Th-234
  4. Sintetisani su izotopi U atomskih masa 232, 233 (fisiabilan) i 236.

Neptunijum

• atomski broj: 93
• A_r: 237,0482
• grupa: 3b
• perioda: Q
• blok: f
• osobine: unutrašnji prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 4273 K
• T.T: 910 K
• gustina: 20,2g/cm³
• elektronegativnost: 1,3
• otkriće: E. McMilan, P. H. Abelson, 1940.
• lat. naziv: neptunium
• oksidaciona stanja: +5 (najstabilnije), +2 do +7
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
• elektronska konfiguracija: [Rn]6d¹5f⁴7s²
• atomski poluprečnik: 175 pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Np -> Np⁺, 597
• izotopi:
  1. Neptunijum se u prirodi nalazi u izuzetno malim količinama. Važniji izotopi (svi dobijeni veštački su mu Np-235, 236 i 237. Np-237 je izotop sa najdužim vremenom poluraspada (2,14*10⁶ godina).

Plutonijum

• atomski broj: 94
• A_r: 244
• grupa: 3b
• perioda: Q
• blok: f
• osobine: unutrašnji prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 3501 K
• T.T: 912 K
• gustina: 19,82g/cm³
• elektronegativnost: 1,3
• otkriće: Berkeley, 1940.
• lat. naziv: plutonium
• oksidaciona stanja: +4 (najstabilnije), +2 do +7
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
• elektronska konfiguracija: [Rn]6d⁰5f⁶7s²
• atomski poluprečnik: 175 pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Pu -> Pu⁺, 585
• izotopi:
  1. Plutonijum se u prirodi nalazi u malim količinama u prirodi kao izotop Pu-239 (vreme poluraspada 24100 godina) koji se alfa raspadom raspada do U-235, a takođe je i fisiabilan. Sintetisani su i izotopi Pu atomskih masa 238, 240, 241, 242 i 244.

Americijum

• atomski broj: 95
• A_r: 243
• grupa: 3b
• perioda: Q
• blok: f
• osobine: unutrašnji prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 2880 K
• T.T: 1449 K
• gustina: 12g/cm³
• elektronegativnost: 1,3
• otkriće: Berkeley, 1945.
• lat. naziv: americium
• oksidaciona stanja: +3 (najstabilnije), +2 do +6
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 25, 8, 2
• elektronska konfiguracija: [Rn]6d⁰5f⁷7s²
• atomski poluprečnik: 175 pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Am -> Am⁺, 578
• izotopi:
  1. Americijum je veštački element. Sintetisani su izotopi Am-241, 242 i 243. Najduže vreme poluraspada (7370 godina) ima Am-243.

Kirijum

• atomski broj: 96
• A_r: 247
• grupa: 3b
• perioda: Q
• blok: f
• osobine: unutrašnji prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 3383 K
• T.T: 1613 K
• gustina: 13,51g/cm³
• elektronegativnost: 1,2
• otkriće: Berkeley, 1944.
• lat. naziv: curium
• oksidaciona stanja: +3 (najstabilnije), +2, +4
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 25, 9, 2
• elektronska konfiguracija: [Rn]6d¹5f⁷7s²
• atomski poluprečnik: 175 pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Cm -> Cm⁺, 581
• izotopi:
  1. Kirijum je veštački element. Sintetisani su izotopi masnenih brojeva 242-250. Najduže vreme poluraspada ima Cm-247 (1,56*10⁷ godina).

Berklijum

• atomski broj: 97
• A_r: 247
• grupa: 3b
• perioda: Q
• blok: f
• osobine: unutrašnji prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: ? K
• T.T: 1259 K
• gustina: 14,78g/cm³
• elektronegativnost: 1,3
• otkriće: Berkeley, 1949.
• lat. naziv: curium
• oksidaciona stanja: +3 (najstabilnije), +2, +4
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 27, 8, 2
• elektronska konfiguracija: [Rn]6d⁰5f⁹7s²
• atomski poluprečnik: ? pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Bk -> Bk⁺, 601
• izotopi:
  1. Berklijum je veštački element. Sintetisani su izotopi masnenih brojeva 245-249. Najduže vreme poluraspada ima Bk-247 (1380 godina).

Kalifornijum

• atomski broj: 98
• A_r: 251
• grupa: 3b
• perioda: Q
• blok: f
• osobine: unutrašnji prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: ? K
• T.T: 1173 K
• gustina: ?g/cm³
• elektronegativnost: 1,3
• otkriće: Berkeley, 1950.
• lat. naziv: californium
• oksidaciona stanja: +3 (najstabilnije), +2, +4
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
• elektronska konfiguracija: [Rn]6d⁰5f¹⁰7s²
• atomski poluprečnik: ? pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Cf -> Cf⁺, 608
• izotopi:
  1. Kalifornijum je veštački element. Sintetisani su izotopi masnenih brojeva 248-254. Najduže vreme poluraspada ima Cf-251 (898 godina).

Ajnštajnijum

• atomski broj: 99
• A_r: 254
• grupa: 3b
• perioda: Q
• blok: f
• osobine: unutrašnji prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: ? K
• T.T: 1133 K
• gustina: 8,84g/cm³
• elektronegativnost: 1,3
• otkriće: Los Alamos (nuklearna eksplozija), 1952.
• lat. naziv: einsteinium
• oksidaciona stanja: +3 (najstabilnije), +2
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 29, 8, 2
• elektronska konfiguracija: [Rn]6d⁰5f¹¹7s²
• atomski poluprečnik: ? pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Es -> Es⁺, 619
• izotopi:
  1. Ajnštajnijum je veštački element. Sintetisani su izotopi masnenih brojeva 252-255. Najduže vreme poluraspada ima Es-254 (276 dana).

Fermijum

• atomski broj: 100
• A_r: 257
• grupa: 3b
• perioda: Q
• blok: f
• osobine: unutrašnji prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: ? K
• T.T: 1800 K
• gustina: ?g/cm³
• elektronegativnost: 1,3
• otkriće: Los Alamos (nuklearna eksplozija), 1952.
• lat. naziv: fermium
• oksidaciona stanja: +3 (najstabilnije), +2
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 30, 8, 2
• elektronska konfiguracija: [Rn]6d⁰5f¹²7s²
• atomski poluprečnik: ? pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Fm -> Fm⁺, 627
• izotopi:
  1. Fermijum je veštački element. Sintetisani su izotopi masnenih brojeva 252-257. Najduže vreme poluraspada ima Fm-257 (100 dana).

Mendeljevijum

• atomski broj: 101
• A_r: 258
• grupa: 3b
• perioda: Q
• blok: f
• osobine: unutrašnji prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: ? K
• T.T: 1100 K
• gustina: ?g/cm³
• elektronegativnost: 1,3
• otkriće: Berkeley, 1955.
• lat. naziv: mendelevium
• oksidaciona stanja: +3 (najstabilnije), +2, +1
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 31, 8, 2
• elektronska konfiguracija: [Rn]6d⁰5f¹³7s²
• atomski poluprečnik: ? pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Md -> Md⁺, 635
• izotopi:
  1. Mendeljevijum je veštački element. Sintetisani su izotopi masnenih brojeva 257-259. Najduže vreme poluraspada ima Md-258 (51,5 dana).

Nobelijum

• atomski broj: 102
• A_r: 259
• grupa: 3b
• perioda: Q
• blok: f
• osobine: unutrašnji prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: ? K
• T.T: ? K
• gustina: ?g/cm³
• elektronegativnost: 1,3
• otkriće: Nobel Institute, 1957.
• lat. naziv: nobelium
• oksidaciona stanja: +2 (najstabilnije), +3
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 32, 8, 2
• elektronska konfiguracija: [Rn]6d⁰5f¹⁴7s²
• atomski poluprečnik: ? pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • No -> No⁺, 642
• izotopi:
  1. Nobelijum je veštački element. Sintetisani su izotopi masnenih brojeva 253, 255 i 259. Najduže vreme poluraspada ima No-259 (58 minuta).

Lorencijum

• atomski broj: 103
• A_r: 262
• grupa: 3b
• perioda: Q
• blok: f
• osobine: unutrašnji prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: ? K
• T.T: ? K
• gustina: ?g/cm³
• elektronegativnost: 1,2
• otkriće: Berkeley, 1961.
• lat. naziv: lawrentium
• oksidaciona stanja: +3
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 32, 9, 2
• elektronska konfiguracija: [Rn]6d¹5f¹⁴7s²
• atomski poluprečnik: ? pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Lr -> Lr⁺, ?
• izotopi:
  1. Lorencijum je veštački element. Izotop sa najdužim vremenom poluraspada je Lr-262 (3,6 sati).

 

Dobijanje

U prirodi se mogu naći svi aktinoidi lakši od americijuma. Plutonijuma, neptunijuma mi protaktinijuma je zanemarljivo malo, pa se proizvode veštačkim putem. Aktinijuma ima nešto više, ali se takođe najviše proizvodi veštačkim putem. Svi ovi elementi su pratioci u rudama urana. Iz ruda se u značjanim količinama dobijaju samo torijum i uran. Najvažnije rude torijuma su torit (ThSiO₄) i torijanit (ThO₂*UO₂), a ekstraktuje se, zajedno sa lantanoidima iz monacitnog peska. Rude urana su uraninit (U₃O₈), pehblenda (smolenac, UO*UO₂) i karnotit (K₂(UO₂)₂(VO₄)₂*xH₂O).

Torijum se izdvaja zajedno sa lantanoidima iz monacitnog peska. U čistom stanju dobija se elektrolizom rastopa halogenida, redukcijom halogenida pomoću kalcijuma ili zagrevanjem jodida.

ThCl₄ + električna energija -> Th + 2Cl₂

ThF₄ + 2Ca -> Th + 2CaF₂

ThI₄ + toplotna energija -> Th + 2I₂

Uran se iz rude prevodi u rastvor delovanjem kiselina i baza u obliku UO₂(NO₃)₂. Čist uran se dobija redukcijom tetrafluorida.

2UO₂(NO₃)₂ + toplotna energija -> 2UO₃ + 4NO₂ + O₂

UO₃ + H₂ -> UO₂ + H₂O

UO₂ + 4HF + toplotna energija -> UF₄ + 2H₂O

UF₄ + 2Ca -> U + 2CaF₂

Kako je za nukelarne elektrane potreban uran sa više izotopa U-235, koncentrovanje ovog izotopa se vrši pomoću lako isparljivog UF₆. Pri tome se koristi razlika u molekulskim težinama i zakon difuzije. Teži elementi kao i drugi važni izotopi urana dobijaju se nuklearnim procesima. Mnogi se nalaze u nukelarnom otpadu elektrana. Iz smeša se elementi do americijuma mogu izdvajati zahvaljujući različitim oksidacionim brojevima, a teži elementi se izdvajaju pomoću jonoizmenjivača (vidi tekst o lantanoidima).

• ₈₈Ra²²⁶ + ₀n¹ -> ₈₉Ac²²⁷ + β^-
• ₉₀Th²³² + ₀n¹ -> ₉₁Pa²³³ + β^- -> ₉₂U²³³ + β^-
• ₉₂U²³⁵ + 2 ₀n¹ -> ₉₃Np²³⁷ + β^-
• ₉₂U²³⁸ + ₀n¹ -> ₉₄Pu²³⁹ + 2β^-
• ₉₄Pu²³⁹ + ₀n¹ -> ₉₅Am²⁴¹ + β^-
• ₉₄Pu²³⁹ + ₂He⁴ -> ₉₆Cm²⁴² + ₀n¹
• ₉₅Am²⁴¹ + ₂He⁴ -> ₉₇Bk²⁴³ + 2 ₀n¹
• ₉₆Cm²⁴² + ₂He⁴ -> ₉₈Cf²⁴⁵ + ₀n¹
• ₉₂U²³⁹ + ₇N¹⁴ -> ₉₉Es²⁵² + ₀n¹
• ₉₄Pu²³⁹ + 14 ₀n¹ -> ₁₀₀Fm²⁵⁷ + 6β^-
• ₉₉Es²⁵³ + ₂He⁴ -> ₁₀₁Mv²⁵⁶ + ₀n¹
• ₉₆Cm²⁴⁶ + ₆C¹² -> ₁₀₂No²⁵⁴ + 4 ₀n¹
• ₉₅Am²⁴³ + ₈O¹⁸ -> ₁₀₃Lr²⁵⁶ + 5 ₀n¹

Reakcije

Aktinoidi su reaktivni premda manje od lantanoida. Elementi do americijuma pokazuju sličnost sa prelaznim metalima (imaju više valenci, obojeni joni...), a teži elementi imaju osobine alanlogne lantanoidima. Na vazduhu se prevlače slojem oksida koji ih štiti od dalje oksidacije, a lako se oksiduju pri zagrevanju.

U + O₂ -> UO₂

Ključala voda deluje na aktinoide uz izdvajanje vodonika. Pritom nastaju oksidi koji nisu rastvorljivi u vodi (sličnost sa prelaznim metalima).

Th + 2H₂O -> ThO₂ + 2H₂

Aktinoidi lako reaguju sa halogenima.

U + 3F₂ -> UF₆

Rastvaraju se u neorganskim kiselinama.

Th + 2HNO₃ -> Th(NO₃)₂ + H₂

Aktinoidi regauju lako i sa ugljenikom i sumporom.

U + 2S -> US₂

Primena

Primenu kao tehnički metali od aktinoida imaju samo uran i torijum koji ulaze u sastav mnogih legura i poboljšavaju otpornost prema koroziji. Koriste se i kao katalizatori.

Najvažniju primenu aktinoidi nalaze kao nuklearna goriva, najčešće fisiabilni izotopi urana i plutonijuma, ali i drugi izotopi poput stabilnijih izotopa urana i torijuma koji se koriste za dobijanje nestabilnih izotopa. Isti fisiabilni izotopi koriste se i za proizvodnju nuklearnog oružja.

Jedinjenja

Aktinoidi grade okside, soli (soli jihovih kiselina ili soli sa drugim kiselinama) i hidrokside. Hidroksidi i oksidi u kojima je oksidacioni broj elementa niži (+2, +3) su baznog karaktera, a u kojima je viši (+4, +6) su amfoternog ili kiselog karaktera.

Literatura:

• "Hemijski elementi - globalni parametri", V. Janković
• "Elementi vasione", G.T. Siborg i E. G. Velens
• Periodic Table Mini
• wikipedia.org