南华大学《放射化学》第4章-超铀化学元素

放射化学,唐泉,核科学技术学院,第四章超铀元素化学,锕系通论镎化学钚化学镅化学锔与超锔元素化学,目录,4.1锕系通论,元素周期表第七周期中，从89号元素锕到103号元素铹一共15个元素统称为锕系元素。它们（锕除外）组成5f内层电子过渡系。,锕系元素气态中性原子的基态电子构型与镧系相似，都存在一个f内层电子过渡系，但也存在一些差异。如：锕系元素钍的气态原子没有5f电子，镤、铀、镎除有5f电子以外，还有6d电子，这点与对应的镧系元素是不同的。,4.1.1锕系元素的电子构型,锕系元素的价态比镧系元素价态有更多的变化，这是由于锕系元素的5f电子与外层电子的能级相差较小的缘故。在不含络合剂的水溶液中，前几个锕系的高价稳定性随原子序数的增加而增加，而超铀元素的高价稳定性却随原子序数的增加而下降，对于超钚元素而言，最稳定的价态基本都是三价。,4.1.2锕系元素的价态,锕系和镧系一样，其离子半径随原子序数增加而减少，这种现象称为锕系收缩。,4.1.2锕系元素的离子半径,4.1.3锕系元素的水溶液化学,氧化还原反应一个氧化还原的半反应：Ox+ne-Red其电极电位E用能斯特-彼德斯(Nernst-Peters)方程来表示：E：标准电极电位，其条件是：温度25，有关离子浓度（严格讲应该是活度）都是1mol/L（或其比值为1）气体压力为1.013105Pa。,影响电位E的因素有：氧化还原电对的性质，决定E值的大小，氧化型和还原型的浓度，即有关离子(包括H+)浓度的大小及其比值。E(/)的数值从钍到锘上升(Bk，Cf例外)，说明三价锕系离子的稳定性随原子序数的增加而增加。No()比较稳定。镎的E(/)数值比铀和钚的都大，说明Np()具有较高的稳定性。,4.1.3锕系元素的水溶液化学,锕系元素中U、Np、Pu和Am的和价离子在溶液中会发生自氧化还原，即歧化反应，这是锕系元素的一个重要化学特性。,4.1.3锕系元素的水溶液化学,络合反应溶液中锕系元素的一般按下列次序递减：M()M()M()M()由于许多锕系元素离子有类似于惰性气体的电子构型，所以它们的配位化合物主要是静电性的，因此稳定性主要取决于离子势z/r（z为离子电荷，r为离子半径）。三价、四价锕系元素离子的络合物的稳定常数随离子势的增加而增加。,4.1.3锕系元素的水溶液化学,4.1.3锕系元素的水溶液化学,水解反应锕系元素离子的电荷较高，它们在水溶液中大都可发生水解反应，一般来说，锕系元素三价，四价离子的水解能力随原子序数增加而增强，对同一种锕系元素而言，各种价态离子的水解能力随离子势的增加而增强。顺序如下：,镎的发现与同位素镎是第一个超铀元素，1940年，由麦克米伦和艾贝尔森在用中子轰击铀时发现的：到目前为止，发现镎共有14种同位素，其中237Np能在反应堆中大量制得。质量数在237以上的镎均为-衰变放射性同位素。,4.2镎化学,4.2镎化学,237Np是放射性核素，半衰为2.14106a，是人工放射系镎系（4n+1系）的起始核素。,4.2镎化学镎的重要同位素,237Np的最大用途是生产放射性核素电池的理想原料238Pu，其核反应式为：237Np属于极毒性核素，它的比活度比天然铀高2000倍，辐射损伤效应大，因此操作可称量的237Np必须在手套箱中进行。,4.2镎化学镎的用途与危害,镎具有银白色光泽，是一种可锻金属，熔点639，室温下稳定的镎具有正菱形晶系，278时正方晶系的镎，577时具有面心立方晶系镎，三者的相对密度分别为20.48、19.40和18.04g/cm3。,4.2镎化学镎的物理性质,镎的电子壳层结构为5s25p65d105f46s26p66d17s2，生成化合物时，7s、6d和5f层电子参加反应，有+2、+3、+4、+5及+6五种化合价，有时会有+7价化合物生成，不同价态的镎离子在水溶液中呈现不同的颜色。,4.2镎化学镎的化学性质,水溶液中不同价态镎离子的存在形式的颜色,氧化物NpO2和Np2O5（在空气中灼烧任何价态的镎的含氧盐，都生成NpO2）卤化物NpF3、NpCl3、NpBr3、NpF4、NpCl4、NpF5、NpF6等氢化物NpH2、NpH3等，此外还有C、Si、N、P的化合物,4.2镎化学,镎的水解各种价态的镎离子均可发生水解，Np（）的水解能力最强，Np（）的水解能力最弱，水解产物为氢氧化物或聚合的氢氧化物，这样给分离镎的工作带来困难，加酸和络合剂有助于防止镎的水解。,4.2镎化学,4.2镎化学,镎的络合镎能与NO3-、Cl-、F-、SO42-、CO32-、C2O42-等生成无机络合物，Np()在浓硝酸或浓盐酸溶液中生成或络阴离子，它们可与阴离子交换树脂发生交换，因此用来纯化样品中的微量镎,镎的氧化还原反应在溶液中，各种价态镎的氧化还原行为取决于它们的还原电位，其标准还原电位见表4-4。,4.2镎化学,分析测定环境和生物样品中的微量镎需事先将样品中的镎转入溶液中，再将镎与杂质进行化学分离，然后对浓集和纯化后的镎进行测定。测定的方法有：辐射测量法中子活化法等,4.2镎化学分析测定,核反应产额计算在中子活化分析中的应用,核反应：A+xy+BB为稳定核B的生成速度：是反应截面：b，1b=10-24cm2；是粒子通量密度，n/cm2s；NA是被照射原子A的数目。B为放射性核B的生成速度：t=0和t=t（辐照时间）区间积分，t=0时，NB=0,则：L为阿佛加德罗常数；H为A的丰度。如辐照时间t1，辐照后放置时间t2的物质的放射性活度：,核反应产额计算在中子活化分析中的应用,例4.1,4.3钚化学钚的发现,1940年，西博格等人用16MeV的氘核轰击238U获得了238Pu：这是最早发现的钚的同位素，1941年，他们又发现了239Pu：,4.3钚化学钚的发现,钚-239,4.3钚化学钚的同位素,目前已发现15种钚的同位素，其质量数从232到246，其中最重要的是239Pu。其次是238Pu，它们的比活度分别为：2.32103和6.44105Bq/g。,4.3钚的部分同位素及其主要核特性,4.3钚化学物理性质,钚为银白色的金属，具有多种晶型，熔点为639，沸点为3235,239Pu和241Pu可作核燃料，239Pu又是核武器的核燃料。238Pu是制备放射性核素电池的良好材料，高纯度的238Pu还可作医用放射性核素238Pu、239Pu、240Pu、242Pu均属极毒性核素，平时，钚应密封保存。,钚的电子壳层结构为：5f66s27s2，可生成从+2+7价的化合物，金属钚的制备：PuO2Ca2CaOPuPuF42Ca2CaF2Pu,4.3钚化学化学性质,金属钚的保存：干燥空气、用惰性气体稀释使空气中氧含量低于5%；贮存35年以上的金属钚，在使用前必须进行再处理，这是由于氧化得太厉害，或镅含量增高而使材料的放射性活度增强的缘故。,4.3钚化学化学性质,金属钚的保存：干燥空气、用惰性气体稀释使空气中氧含量低于5%；贮存35年以上的金属钚，在使用前必须进行再处理，这是由于氧化得太厉害，或镅含量增高而使材料的放射性活度增强的缘故。,4.3钚化学化学性质,氧化物有：PuO、Pu2O3、PuO2，其中PuO2熔点高，耐辐照，是一种重要的核燃料化合物。PuO2是十分难溶的物质，在下列溶剂可以溶解它200的85100%H3PO4、10mol/LHNO3-0.05mol/LHF溶液、5mol/LHF溶液；也常用熔融技术来溶解PuO2，熔剂有NaHSO4、KHSO4、NH4HF2。,4.3钚化学化学性质,4.3钚化学化学性质,卤化物：PuF3、PuCl3、PuBr3、PuI3、PuF4、PuCl4、PuF6、在氟化物中PuF3和PuF4的化学性质不活泼，难溶于水和酸，PuF6与UF6一样，是一种易挥发的氟化物，且是一种强氧化剂，能把UF4氧化成UF6。PuO2+3HF+1/2H2PuF3+2H2OPuO2+4HFPuF4+2H2O4PuF3+O2PuF4+PuO2,氢化物：PuH2、PuH3碳化物：Pu3C2、PuC、PuC2和Pu2C3硅化物：PuSi、PuSi3磷化物、砷化物及硫化物等，钚几乎与所有非金属元素消费结合，形成钚的化合物。,4.3钚化学化学性质,4.3钚化学钚的水解,钚在水溶液中能以+3价+5价态以水合物离子形式存在，其中最稳定的是+4价，钚的水合离子能呈现出不同的颜色不同价态钚离子的水解能力不同，其顺序为：,在弱酸性溶液中，Pu4+与Th4+及U4+相似，能形成胶状聚合物。Pu4+Pu(OH)4聚合物。,4.3钚化学钚的聚合,各种价态的钚离子在含有无机酸根或有机酸根的水溶液中能形成不同配位体的络合物，其中以Pu4+形成的络合物最稳定。无机酸根有：、Cl-等，应用于钚的分离及难溶解性钚盐的溶解。有机试剂有：酮类、酯类、羧酸类等，应用于钚的萃分离和去污促排等方面。,4.3钚化学钚的络合反应,4.3钚化学钚的络合反应,Pu3+的络合物稳定常数,各种价态钚离子的氧化还原行为与氧化还原电位有关，而且还与溶液的酸度、介质、温度及氧化还原剂的性质等因素有关。一定酸度下，钚的+3+6价四种价态存在如下平衡：Pu4+Pu3+对于Pu4+而言，在低酸度溶液中，可发生如下歧化反应：,4.3钚化学钚的氧化还原反应,4.3钚化学Purex流程简图,常量钚的分析方法有：重量法、氧化还原法、分光光度法等。微量分析方法有：计数法和能谱法、液体闪烁计数法。,4.3钚化学钚的分析测定,4.4镅化学镅的发现,1944年西博格等人发现了镅：239Pu（n,）240Pu（n,）241PuAm质量数232-247的所有镅的同位素现在都已被发现，其中最重要的是241Am和243Am。241Am除用于制备中子源和其它种放射源之外，其主要用于制备242Cm（锔）。242Cm是制备放射性核素电池和生产医用238Pu的原料。241Am（n,）242Am242Cm,4.4镅化学镅的重要同位素,氧化物有AmO、Am2O3和AmO2三种；镅盐以三价镅盐最重要，Am（）能与多种阴离子生成难溶性盐类，主要有AmF3等，可利用它们的难溶性来分离、纯化镅。,4.4镅化学镅的化合物,镅在水溶液中能以+2+7六种价态存在，其中以+3的镅最稳定。当不存在络合剂时，水溶液中、及价镅离子均以水合离子的形式存在。而Am()只有在浓的氟化物和磷酸盐溶液中才能稳定存在。各种离子在水溶液中呈现不同颜色。+4、+5价镅在溶液中很不稳定，会发生歧化反应。,4.4镅化学镅的水溶液化学,镅与、和发生络合反应。镅能与TTA、PMBP螯合反应。,4.4镅化学镅的络合反应,一般对含量较大的样品，可采用重量法或氧化还原法来测定。对含微量镅的样品，则可采用放射性测量法或分光光度法来测定，对环境和生物样品常用的方法是放射性测量法。,4.4镅化学镅的分析测定,4.4镅化学241Am-离子型火灾探测器,离子感烟探测器在内、外电离室里面有放射源241Am，电离产生的正、负离子在电场作用下分别向正、负电极移动。在正常的情况下，内、外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃至电离室，干扰了带电粒子的正常运动，使电流、电压有所改变，破坏了内、外电离室之间的平衡，于是探测器就发出报警信号。,射线电离作用强；粒子射程较短；半衰期较长(433)年；成本低。,4.4镅化学241Am-离子型火灾探测器,4.5锔和超锔元素化学锔,1944年西博格等人用粒子轰击239Pu制得了242Cm，为了纪念居里夫妇，此元素被命名为锔，它的密度为1.92g/cm3，熔点为1340，沸点为3267。,已发现的锔共有14种同位素，其中以242Cm和244Cm最为重要。它们都是放射体，这两种核素都可作放射性核素电池的能源，242Cm可用于生产纯的医用238Pu，244Cm可制成242Cm-Be中子源，245Cm可作核燃料，用于宇宙航行用的小型反应堆中。242Cm和244Cm分别属于高毒性和极毒性核素。,4.5锔和超锔元素化学锔,4.5锔和超锔元素化学锔,锔的重要同位素,4.5锔和超锔元素化学锔,锔的强辐射能迅速地将Cm4+还原为Cm3+，并使锔溶液升温，当242Cm溶液的质量浓度为0.7g/L时,溶液会产生自沸现象。络合物：锔与生成络合物；还与EDTA，SCN-等也能络合。锔的测量常用计数法。,4.5锔和超锔元素化学锫（Bk）,1949年汤普森等用35MeV的粒子轰击241Am（镅）制得第一个锫同位素243Bk命名为锫是为了纪念曾合成多种锕系元素泊城市伯克利。在室温下呈六方晶系,在高温下呈面心立方晶系,已发现了9种锫的同位素，其中以放射体247Bk的半衰期最长，半衰期为1400年,249Bk是-放射体核素，其半衰期为311天。249Bk属于高毒性核素。锫的电子结构为：5f27s2或5f86d17s2。锫在水溶液中有+3和+4两种价态，稳定价态为+3价，Bk4+是一种强氧化剂。氧化物有Bk2O3、BkO2；卤化物有：BkX3。,4.5锔和超锔元素化学锫（Bk）,4.5锔和超锔元素化学锎（Cf）,1950年汤普森等人用粒子轰击242Cm（锔）时发现了245Cf：目前已得到15种锎的同位素，其中寿命最长的是251Cf，其半衰期为800年。249Cf252Cf均属极毒性核素。,4.5锔和超锔元素化学锎（Cf）,锎的电子结构为：5f106s26p67s2，在水溶液中有+2、+3、+4三促价态，稳定价态为+3价。Cf3+能与镧的氟化物、草酸盐及氢氧化物等共沉淀，与、SCN-等生成络离子，与TTA可生成Cf(TTA)3螯合物而被萃取，此性质用于早期锎中毒病人的促排治疗。,252Cf是周期表中迄今能够大规模生产的最后一个人工放射性核素，也是迄今超钚元素中用途最大的一个核素。用作中子源及活化分析。251Cf可作核燃料，用于宇宙航行用的小型反应堆中。,4.5锔和超锔元素化学锎（Cf）,除锫的锎以外，到目前为止，已发现的超锔元素还有14种，即99-112号元素，其中99-103号元素属于锕系元素。第99号元素是为了纪念科学家爱恩斯坦。100号元素为纪念科学家费米而命名。此外，其它的元素同样也是为了纪念科学家而命名。除99号元素可达到微克级外，其它几种元素仅限于示踪量范围。,4.5锔和超锔元素化学锎后元素,谢谢！,核外电子排布,主量子数(电子层数)：n=1,2,3；角量子数(电子亚层数)：L=0,1,2n-1共可取n个数值；磁量子数(空间伸展方向)：m=0,1,2L共可取2L+1个数值；自旋量子数：ms。,核外电子排布规律,能量最低原理：在原子中，电