Актиноиды

Актиноиды (актиниды) — это семейство химических элементов, расположенных в 7-м периоде периодической таблицы Д. И. Менделеева, с атомными номерами от 89 (актиний) до 103 (лоуренсий). Все актиноиды являются радиоактивными металлами. В семейство входят как природные элементы (торий, уран), так и искусственно синтезированные (нептуний, плутоний и далее до лоуренсия). Характерной особенностью актиноидов является постепенное заполнение 5f-электронной оболочки, что определяет их сходные химические и физические свойства. Название семейства происходит от первого элемента — актиния (от др.-греч. ἀκτίς — «луч»), что связано с его радиоактивностью.

История открытия

История открытия актиноидов охватывает более двух столетий. Первым элементом семейства, обнаруженным в природе, стал уран (1789 год, М. Г. Клапрот). В 1828 году Й. Я. Берцелиус выделил торий. Актиний был открыт в 1899 году А. Дебьерном. В начале XX века были открыты протактиний (1917) и первые трансурановые элементы.

Основной прорыв в изучении актиноидов произошёл в 1940-х годах в рамках Манхэттенского проекта. В 1940 году Г. Сиборг и его коллеги впервые синтезировали нептуний (Np) и плутоний (Pu). Сиборг в 1944 году предложил разместить эти элементы в периодической таблице как отдельное семейство, аналогичное лантаноидам, что и было принято. В последующие десятилетия были синтезированы все остальные актиноиды вплоть до лоуренсия (1961 год). Элементы с номерами 104 и выше относятся к переходным металлам (резерфордий и далее).

Классификация и положение в периодической таблице

Актиноиды занимают отдельную строку под основной частью периодической таблицы. Они располагаются между радием (№ 88) и резерфордием (№ 104). В соответствии с современной номенклатурой ИЮПАК, к актиноидам относят элементы с 89-го по 103-й.

Традиционно актиноиды делят на две группы:

• Ранние актиноиды (актиний, торий, протактиний, уран, нептуний, плутоний) — проявляют переменную валентность (от +3 до +6 и выше), их химия более разнообразна.
• Поздние актиноиды (америций, кюрий, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий, лоуренсий) — преимущественно проявляют степень окисления +3, что делает их химически более похожими на лантаноиды.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Все актиноиды — серебристо-белые металлы, обладающие высокой плотностью (например, уран — 19,05 г/см³, плутоний — 19,86 г/см³). Они пластичны, ковки и могут быть обработаны механически. Температуры плавления варьируются: от 637 °C (америций) до 1750 °C (торий). Многие актиноиды (особенно уран и плутоний) обладают полиморфизмом — способностью существовать в нескольких кристаллических модификациях в зависимости от температуры и давления.

Химические свойства

Актиноиды химически активны. На воздухе они быстро окисляются, покрываясь оксидной плёнкой. При нагревании реагируют с большинством неметаллов (галогенами, водородом, азотом, углеродом). Характерной чертой является образование ионов с различной степенью окисления. Для урана и плутония известны степени окисления от +3 до +6, а для нептуния — до +7. В водных растворах актиноиды склонны к гидролизу и образованию комплексных соединений.

Радиоактивность

Все изотопы актиноидов нестабильны. Основные типы распада: альфа-распад (характерен для тяжёлых ядер) и спонтанное деление (для некоторых изотопов, например, калифорния-252). Периоды полураспада варьируются от долей секунды (для короткоживущих изотопов менделевия или нобелия) до миллиардов лет (торий-232 — 14 млрд лет, уран-238 — 4,5 млрд лет).

Основные актиноиды и их применение

Торий (Th, № 90)

Природный радиоактивный элемент. Используется в качестве добавки к вольфрамовым электродам для сварки, в производстве тугоплавкой керамики и в ядерной энергетике (как перспективное топливо для реакторов-размножителей). Торий-232 является плодородным материалом: при захвате нейтрона он превращается в уран-233, способный к цепной реакции.

Уран (U, № 92)

Самый тяжёлый природный элемент. Основное применение — ядерная энергетика и ядерное оружие. Изотоп уран-235 (доля в природном уране около 0,7 %) способен поддерживать цепную ядерную реакцию. Уран-238 используется для получения плутония. Соединения урана (например, оксиды) применяются в качестве красителей для стекла и керамики.

Плутоний (Pu, № 94)

Искусственный элемент, впервые полученный в 1940 году. Плутоний-239 используется в качестве ядерного топлива в реакторах на быстрых нейтронах и в ядерных зарядах. Плутоний-238 применяется в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (например, для космических аппаратов). Плутоний крайне токсичен и радиоактивен.

Америций (Am, № 95)

Получен в 1944 году. Изотоп америций-241 используется в бытовых дымовых извещателях (ионизационные датчики) и в промышленных приборах для измерения толщины материалов. Также применяется как источник нейтронов в смеси с бериллием.

Кюрий (Cm, № 96)

Синтезирован в 1944 году. Используется в качестве компактного источника энергии в космических аппаратах и в научных исследованиях. Кюрий-242 и кюрий-244 — мощные альфа-излучатели.

Калифорний (Cf, № 98)

Впервые получен в 1950 году. Изотоп калифорний-252 является мощным источником нейтронов (спонтанное деление). Применяется в нейтронно-активационном анализе, для поиска полезных ископаемых, в медицине (нейтронная терапия рака) и в научных исследованиях.

Биологическая роль и токсичность

Актиноиды не являются биогенными элементами и не участвуют в обмене веществ. Все они токсичны, причём токсичность обусловлена как химическими свойствами (тяжёлые металлы), так и радиоактивностью. Наиболее опасны альфа-излучатели (плутоний, америций, кюрий), которые при попадании внутрь организма (ингаляция, с пищей) вызывают тяжёлые радиационные поражения, особенно костной ткани и лёгких. Уран, помимо радиотоксичности, обладает химической токсичностью, поражая почки.

Интересные факты

• Плутоний-239 был назван в честь карликовой планеты Плутон, а нептуний — в честь планеты Нептун, продолжая астрономическую традицию наименования урана.
• Название «актиноиды» было предложено Г. Сиборгом, который первым обосновал их положение в таблице Менделеева.
• Калифорний-252 является одним из самых дорогих искусственных материалов: его цена может достигать десятков миллионов долларов за грамм.
• Уран и торий входят в состав земной коры в количествах, сравнимых с содержанием свинца или цинка, и являются основными источниками внутреннего тепла Земли за счёт радиоактивного распада.

Источники

1. Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. Часть 2. — М.: Мир, 1969.
2. Сиборг Г. Т. Трансурановые элементы. — М.: Атомиздат, 1966.
3. Громов Б. В., Савельев В. Л. Химия актиноидов. — М.: Энергоатомиздат, 1984.
4. Келлер К. Химия трансурановых элементов. — М.: Атомиздат, 1976.
5. Химическая энциклопедия / Под ред. И. Л. Кнунянца. — М.: Советская энциклопедия, 1988 (том 1).