アクチニド

周期表のアクチニド
水素ヘリウム
リチウムベリリウムボロン炭素窒素酸素フッ素ネオン
ナトリウムマグネシウムアルミニウムシリコンリン硫黄塩素アルゴン
カリウムカルシウムスカンジウムチタンバナジウムクロムマンガン鉄コバルトニッケル銅亜鉛ガリウムゲルマニウム砒素セレン臭素クリプトン
ルビジウムストロンチウムイットリウムジルコニウムニオブモリブデンテクネチウムルテニウムロジウムパラジウム銀カドミウムインジウム錫アンチモンテルルヨウ素キセノン
セシウムバリウムランタンセリウムプラセオジムネオジムプロメチウムサマリウムユーロピウムガドリニウムテルビウムジスプロシウムホルミウムエルビウムツリウムイッテルビウムルテチウムハフニウムタンタルタングステンレニウムオスミウムイリジウム白金金水銀（元素）タリウム鉛ビスマスポロニウムアスタチンラドン
フランシウムラジウムアクチニウムトリウムプロトアクチニウムウランネプツニウムプルトニウムアメリシウムキュリウムバークリウムカリホルニウムアインシュタイニウムフェルミウムメンデレビウムノーベリウムローレンシウムラザホージウムドブニウムシーボーギウムボーリウムハッシウムマイトネリウムダルムシュタットレントゲンコペルニシウムニホニウムフレロビウムモスコビウムリバモリウムテネシンオガネソン
Part of a series on the
Periodic table
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Periodic table history
Sets of elements
By periodic table structure
By metallic classification
By other characteristics
Elements
List of chemical elements
Properties of elements
Data pages for elements

アクチノイド（/ ˈ æ k t ɪ n aɪ d /）またはアクチノイド（/ ˈ æ k t ɪ n ɔɪ d / ）系列は、 5f系列の少なくとも14の金属化学元素、すなわち原子番号89から102のアクチニウムからノー​​ベリウムまでを包含する。103番のローレンシウムは、6d遷移系列の一部であるにもかかわらず、一般的にはアクチノイド系列に含まれる。アクチノイド系列の名称は、系列の最初の元素であるアクチニウムに由来する。アクチノイド化学の一般的な議論では、あらゆるアクチノイドを指すために非公式の化学記号Anが使用される。[1] [2] [3]

1985年のIUPACレッドブックでは、接尾辞「-ide」は通常陰イオンを示すため、 「actinide」ではなく「actinoid」の使用が推奨されています。しかし、現在広く使用されているため、「actinide」の使用は依然として認められています。

アクチニウムからノー​​ベリウムまではfブロック元素であり、ローレンシウムはdブロック元素[4] [5]であり、遷移金属[6]である。この系列は主に5f電子殻の充填に対応しているが、基底状態で孤立した原子として多くは電子間反発により6d殻の充填を含む異常な構成をとる。主にfブロック元素であるランタノイドと比較すると、アクチノイドははるかに可変的な原子価を示す。それらはすべて非常に大きな原子半径とイオン半径を持ち、異常に広い範囲の物理的特性を示す。アクチニウムと後期アクチノイド（キュリウム以降）はランタノイドに似た挙動を示すが、トリウム、プロトアクチニウム、ウランの元素は化学的性質が遷移金属にかなり似ており、ネプツニウム、プルトニウム、アメリシウムは中間の位置を占めている。

すべてのアクチノイドは放射性であり、放射性崩壊によってエネルギーを放出します。天然に存在するウランとトリウム、そして合成プルトニウムは、地球上で最も豊富なアクチノイドです。これらは原子炉に利用されており、ウランとプルトニウムは核兵器の重要な構成要素です。ウランとトリウムは現在も歴史的にも多様な用途があり、アメリシウムはほとんどの現代の煙探知器の電離箱に使用されています。

半減期が長いため、地球上および天体物理学的に相当量に存在するのはトリウムとウランだけです。ウランの放射性崩壊によりアクチニウムとプロトアクチニウムが一時的に生成され、ネプツニウムとプルトニウムの原子はウラン鉱石中の核変換反応によって時折生成されます。その他のアクチノイドは純粋に合成された元素です。[1] [7]核兵器実験により、プルトニウムより重いアクチノイドが少なくとも6種類環境中に放出されています。1952年の最初の水素爆弾実験の残骸の分析では、アメリシウム、キュリウム、バークリウム、カリホルニウムの存在が示され、アインシュタイニウムとフェルミウムも発見されました。[8]

周期表の表示では、fブロック元素は通常、表本体の下に2行追加して表示されます。[1]この慣例はすべて美観と書式設定の実用性の問題であり、めったに使用されない幅広形式の周期表では、4fおよび5fシリーズが表の6行目と7行目（周期）の一部として適切な場所に挿入されます。

発見、分離、そして統合

超ウラン元素の合成[9] [注 1]
要素年方法
ネプツニウム1940238 Uに中性子を照射する
プルトニウム1941238 Uに重陽子を照射する
アメリシウム1944239 Puに中性子を照射する
キュリウム1944239 Puにα粒子を照射する
バークリウム1949241 Amにα粒子を照射する
カリホルニウム1950242 Cmにα粒子を照射する
アインシュタイニウム1952核爆発の産物として
フェルミウム1952核爆発の産物として
メンデレビウム1955253Esにα粒子を照射する
ノーベリウム1965243 Amと15 N
または238 Uと22 Neの衝突
ローレンシウム1961
～1971 年		252 Cfを10 Bまたは11 B
で、243 Amを18 O で照射する

ランタノイドと同様に、アクチノイドは類似した特性を持つ元素群を形成する。アクチノイドには、周期表でウランの次に位置する超ウラン元素とプルトニウムの次に位置する超プルトニウム元素という、重複する2つのグループがある。プロメチウムを除き自然界に相当量存在するランタノイドと比較すると、ほとんどのアクチノイドは希少である。大半は自然界には存在せず、存在するアクチノイドの中でも、トリウムとウランのみが微量以上存在する。最も豊富で合成しやすいアクチノイドはウランとトリウムであり、次いでプルトニウム、アメリシウム、アクチニウム、プロトアクチニウム、ネプツニウム、キュリウムと続く。[10]

超ウラン元素の存在は、1934年にエンリコ・フェルミの実験に基づいて示唆されました。[11] [12]しかし、その時点で4つのアクチノイドが知られていたにもかかわらず、それらがランタノイドに似たファミリーを形成することはまだ理解されていませんでした。初期の超ウラン元素の研究を支配する一般的な見解は、それらが第7周期の通常の元素であり、トリウム、プロトアクチニウム、ウランがそれぞれ第6周期のハフニウム、タンタル、タングステンに対応するというものでした。超ウラン元素の合成により、この見解は徐々に覆されました。1944年までに、キュリウムが4を超える酸化状態を示さない（一方、その想定される第6周期の同族元素である白金は、酸化状態6に達することができる）という観察により、グレン・シーボーグは「アクチノイド仮説」を策定しました。既知のアクチニドの研究とさらなる超ウラン元素の発見により、この立場を支持するデータがさらに提供されたが、「アクチニド仮説」（「仮説」とは決定的に証明されていないものという意味）という表現は1950年代後半まで科学者によって積極的に使用され続けた。[13] [14]

現在、超プルトニウム元素の同位体を製造する主な方法は2つある。(1) 軽い元素への中性子照射、 (2) 加速荷電粒子照射である。前者の方法は、原子炉を用いた中性子照射のみが大量の合成アクチニドを製造できるため、応用上はより重要である。しかし、これは比較的軽い元素に限られる。後者の方法の利点は、プルトニウムよりも重い元素や、中性子照射では生成されない中性子欠損同位体が得られることである。[15]

1962年から1966年にかけて、アメリカ合衆国では6回の地下核爆発を連続的に行い、超プルトニウム同位体を生成する試みがなされた。実験直後、爆発生成物を調査するため、爆発現場から少量の岩石サンプルが採取されたが、質量数257を超える同位体はα崩壊の半減期が比較的長いと予測されていたにもかかわらず、検出されなかった。この検出されなかった理由は、生成物の速度が速かったことによる自発核分裂と、中性子放出や核分裂といった他の崩壊経路によるものとされた。[16]

アクチニウムからウランへ

エンリコ・フェルミは1934年に超ウラン元素の存在を示唆した。

ウランとトリウムは、最初に発見されたアクチニド元素である。ウランは1789年、ドイツの化学者マルティン・ハインリヒ・クラプロートによりピッチブレンド鉱石で特定された。彼はその8年前に発見されていた惑星、天王星にちなんで、ウランと名付けた[7] 。クラプロートは、ピッチブレンドを硝酸に溶かし、その溶液を水酸化ナトリウムで中和することで、黄色の化合物（おそらく二ウラン酸ナトリウム）を沈殿させることができた。彼は次に、得られた黄色の粉末を木炭で還元し、黒い物質を抽出したが、彼はこれを金属と間違えた[17] 。 60年後、フランスの科学者ウジェーヌ・メルキオール・ペリゴは、それを酸化ウランであると特定した。彼はまた、四塩化ウランを金属カリウムと加熱することで、ウラン金属の最初のサンプルを単離した。[18]当時、ウランの原子量は120と計算されていましたが、 1872年にドミトリ・メンデレーエフは周期律を用いて240に修正しました。この値は1882年にK・ツィンメルマンによって実験的に確認されました。[19] [20]

酸化トリウムは、ノルウェーで発見された鉱物トリアナイトからフリードリヒ・ヴェーラーによって発見されました（1827年）。 [21]イェンス・ヤコブ・ベルセリウスは1828年にこの物質をより詳細に分析しました。四塩化トリウムをカリウムで還元することで金属を単離し、北欧神話の雷神トールにちなんでトリウムと名付けました。[22] [23]同じ単離法は後にペリゴによってウランの分離にも使用されました。[7]

アクチニウムは1899年、マリー・キュリーの助手であったアンドレ＝ルイ・ドビエルヌによって、ラジウムとポロニウムを除去した後に残ったピッチブレンド廃棄物から発見されました。彼は1899年にこの物質をチタン[24]に類似し、1900年にはトリウム[25]に類似すると記述しました。しかし、ドビエルヌによるアクチニウムの発見は1971年[26]と2000年[27]に疑問視され、1904年のドビエルヌの発表は1899年から1900年にかけての彼の初期の研究と矛盾していると主張しました。この見解では、ランタンに類似した挙動を示すエマニウムという放射性元素を発見したフリードリヒ・オスカー・ギーゼルの1902年の研究が根拠とされています。アクチニウムという名称は、古代ギリシャ語の「ακτίς, ακτίνος (aktis, aktinos)」に由来し、「光線」または「光線」を意味します。この金属は、自身の放射線ではなく、娘核種の放射線によって発見されました。[28] [29]アクチニウムとランタンは類似性が高く、存在比も低かったため、純粋なアクチニウムは1950年まで生成できませんでした。「アクチニド」という用語は、おそらく1937年にヴィクター・ゴールドシュミットによって導入されました。 [30] [31]

プロトアクチニウムは、1900年にウィリアム・クルックスによって単離されたと考えられています。[32]初めて同定されたのは1913年、カシミール・ファヤンスとオズワルド・ヘルムート・ゲーリングが238 U崩壊系列の研究中に、短寿命同位体234m Pa（半減期1.17分）を発見した時でした。彼らはこの新元素をブレビウム（ラテン語のbrevis「短い」に由来）と名付けました。[33] [34] 1918年、オーストリアのリーゼ・マイトナーとドイツのオットー・ハーン、イギリスのフレデリック・ソディとジョン・アーノルド・クランストンが率いる2つの科学者グループが、独立してはるかに長寿命の231 Paを発見したため、プロトアクチニウム（ギリシャ語のπρῶτος + ἀκτίς、「最初のビーム要素」を意味する）に名前が変更されました。1949年に名前はプロトアクチニウムに短縮されました。この元素は、1960年にアルフレッド・マドックと彼の同僚がイギリスでウランを抽出した後に残った60トンの廃棄物から130グラムのプロトアクチニウムを単離するまで、ほとんど特性が明らかにされていませんでした。[35]

ネプツニウム以上

ネプツニウム（天王星の次の惑星である海王星にちなんで名付けられ、ウランもこの惑星にちなんで名付けられた）は、1940年にエドウィン・マクミランとフィリップ・H・アベルソンによってカリフォルニア州バークレーで発見された。[36]彼らは、ウランに低速中性子を照射することで、 239 Np同位体（半減期2.4日）を生成した。[35]これは、合成によって生成された最初の超ウラン元素であった。 [37]

グレン・T・シーボーグとカリフォルニア大学バークレー校のグループは、Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No、そして元素番号106を合成しました。この元素番号106は、後にシーボーグが存命中に彼に敬意を表してシーボーギウムと命名されました。彼らはまた、100種類以上のアクチノイド同位体を合成しました。

超ウラン元素は自然界に大量に存在せず、通常は原子炉による核反応によって合成されます。例えば、原子炉の中性子照射を受けると、ウラン238は部分的にプルトニウム239に変換されます。

この合成反応はフェルミと彼の協力者によってハンフォード・サイトにある原子炉の設計に利用され、マンハッタン計画の核兵器とアメリカの戦後の核兵器のために大量のプルトニウム239を生産した。[38]

最も質量数の高いアクチノイドは、ウラン、プルトニウム、キュリウム、カリホルニウムに、粒子加速器で窒素、酸素、炭素、ネオン、ホウ素のイオンを衝突させることで合成されます。例えば 、ノーベリウムはウラン238にネオン22を衝突させることで生成されました。

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超プルトニウム元素の最初の同位体であるアメリシウム241とキュリウム242は、1944年にグレン・T・シーボーグ、ラルフ・A・ジェームズ、アルバート・ギオルソによって合成されました。[39]キュリウム242は、プルトニウム239に32MeVのα粒子を照射することによって得られました。

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アメリシウム241とキュリウム242の同位体も、原子炉でプルトニウムを照射することによって生成されました。後者は、ラジウムの発見と放射能に関する研究で知られるマリー・キュリーと夫ピエールにちなんで命名されました。[40]

1950年、キュリウム242にα粒子を照射してカリホルニウム245Cfの同位体が生成され、1949年には同様の手順でアメリシウム241からバークリウム243が生成されました。[41]これらの新元素は、ランタノイド同族体のテルビウム（スウェーデンのイッテルビー村にちなんで名付けられた）にちなんで、カリフォルニア州バークレーにちなんで命名されました。[42]

1945年、B.B.カニンガムは超プルトニウム元素の最初のバルク化合物、すなわち水酸化アメリシウムを得た。[43]数年の間に、ミリグラム量のアメリシウムとマイクログラム量のキュリウムが蓄積され、バークリウム[44] [45]とカリホルニウム[46] [47]の同位体の生成が可能になった。[ 48 ]これらの元素は1958年に相当な量で生産され、[49]最初のカリホルニウム化合物（0.3μgのCfOCl）は1960年にB.B.カニンガムとJ.C.ウォールマンによって得られた。[50]

アインスタイニウムとフェルミウムは、1952年から1953年にかけて、水素爆弾の最初の成功実験である「アイビー・マイク」核実験（1952年11月1日）の放射性降下物から特定されました。爆発によって生じた大量の中性子束にウラン238が瞬間的に曝露されたことで、ウランの重同位体が生成され、一連のベータ崩壊を経てアインスタイニウム253やフェルミウム255などの核種へと変化しました。これらの新元素の発見と中性子捕獲に関する新たなデータは、冷戦の緊張により、1955年まで米軍の命令により秘密にされていました。[8] [51]それにもかかわらず、バークレーチームはプルトニウム239の中性子照射によって民間の手段でアインスタイニウムとフェルミウムを調製することに成功し、1954年にこの研究成果を発表しましたが、これはこれらの元素に関する研究としては初めてのものではないという免責事項が付されていました。[52] [53]「アイビー・マイク」の研究は1955年に機密解除され、公開されました。 [51]最初の相当量（マイクログラム未満）のアインスタイニウムは1961年にカニンガムとその同僚によって生成されましたが、フェルミウムではまだ生成されていません。[54]

メンデレビウムの最初の同位体である256 Md（半減期87分）は、アルバート・ギオルソ、グレン・T・シーボーグ、グレゴリー・ロバート・チョッピン、バーナード・G・ハーヴェイ、スタンレー・ジェラルド・トンプソンによって、バークレー放射線研究所の60インチサイクロトロンで253 Es標的にアルファ粒子を照射して合成されました。これは、一度に1つの原子から合成された最初の元素同位体でした。[55]

ノーベリウムの同位体を得る試みはスウェーデン（1957年）とアメリカ（1958年）のグループによって何度か行われたが、最初の信頼できる結果は1965年にロシアのゲオルギー・フリョロフのグループが256 Noを合成したことであり、これは1992年にIUPACによって認められた。実験では、フリョロフらはウラン238にネオン22を衝突させた。[9]

1961年、ギオルソらはカリホルニウム（主にカリホルニウム252）にホウ素10とホウ素11イオンを照射することで、ローレンシウムの最初の同位体を得ました。[9]当時、この同位体の質量数は明確には確立されていませんでした（おそらく258または259）。1965年、フライオロフらは243 Amと18 Oから256 Lrを合成しました。これにより、IUPACはドゥブナとバークレーの原子核物理学チームをローレンシウムの共同発見者として認定しました。

同位体

アクチニドには 89～103 個の陽子と、通常 117～159 個の中性子があります。

アクチニウムには34種の同位体と、その核種の一部の8種の励起異性体状態が知られており、質量数は203から236です。[56] 225 Ac、227 Ac、228 Acの3種の同位体は自然界で発見され、その他は実験室で生成されました。応用分野では天然同位体3種のみが使用されています。アクチニウム225は放射性ネプツニウム系列に属します。[59]アクチニウム225は1947年にウラン233の崩壊生成物として初めて発見され、半減期が10日のα線放出体です。アクチニウム225はアクチニウム228よりも入手しにくいですが、放射性トレーサーへの応用がより期待されています。[29]アクチニウム227（半減期21.77年）はすべてのウラン鉱石に存在しますが、その量は少ないです。ウラン1グラム（放射平衡状態）にはわずか2 × 10227Acは-10グラムである。 [29] [56]アクチニウム228は、 228Raの崩壊によって生成される放射性トリウム系列の一員である。 [59] β線放出体であり、半減期は6.15時間である。1トンのトリウムには5 × 10228 Acの-8グラム1906年にオットー・ハーンによって発見された。 [29]

トリウムには質量数が207から238の範囲の32の同位体が知られている。[56]これらのうち、最も寿命が長いのは232Thで、その半減期は1.4 × 10 10 年は、トリウムが原始核種として自然界に今も存在していることを意味します。次に長い半減期を持つのは、トリウム238の中間崩壊生成物であるトリウム230で、半減期は75,400年です。他のいくつかのトリウム同位体は半減期が1日を超えますが、これらはすべてトリウム232、トリウム235、トリウム238の崩壊系列においても一時的なものです。

プロトアクチニウムには質量数211～239の同位体が29種知られており[56]、さらに3つの励起同位体が存在する。自然界では231 Paと234 Paのみが発見されている。プロトアクチニウム231（半減期32,760年）を除き、同位体はすべて寿命が短い。最も重要な同位体は231 Paと233 Paで、233 Paはウラン233を得るための中間生成物であり、プロトアクチニウムの人工同位体の中で最も入手しやすい。233 Paは半減期が短く、γ線エネルギーも比較的容易であるため、プロトアクチニウム化学のほとんどの研究で用いられてきた。プロトアクチニウム233はβ線放出体であり、半減期は26.97日である[56] [60]。

ウランには質量数215～242（質量数220を除く）の同位体が27種知られている。 [57]そのうち234 U、235 U、238 Uの3種は、自然界に相当量存在する。中でも最も重要なのは233 Uで、これは232 Thが低速中性子照射を受けて生成する最終生成物である。233 Uは、例えば235 Uと比較して、低エネルギー（熱）中性子による核分裂効率がはるかに高い。ウラン化学研究のほとんどは、半減期が4.4 × 10と長いことから、ウラン238を用いて行われてきた。9年。 [61]

ネプツニウムには質量数219～244（221を除く）の25の同位体があり[57] 、いずれも放射能が非常に高い。科学者の間で最も人気があるのは長寿命の237 Np（t 1/2  = 2.20 × 10239 Npと238 Npは寿命が長く（約6年）、短寿命（約1/2  ～2日）である。 [37]

プルトニウムには質量数227～247の同位体が21種知られている。 [57]プルトニウムの最も安定な同位体は244 Puで、半減期は8.13 × 107年。 [56]

アメリシウムには質量数229から247（231を除く）までの18の同位体が知られています。 [57]最も重要なのは241 Amと243 Amで、これらはアルファ線を放出し、軟らかいながらも強いγ線も放出します。どちらも同位体的に純粋な形で入手できます。アメリシウムの化学的性質は当初241 Amで研究されましたが、後に放射能が約20分の1の243 Amに移りました。243 Amの欠点は、短寿命の娘同位体239 Npを生成することであり、データ分析ではこれを考慮する必要があります。[62]

質量数が233から251の範囲にあるキュリウムの19の同位体[57]のうち、最もアクセスしやすいのは242 Cmと244 Cmです。これらはα線放出体ですが、アメリシウム同位体よりも寿命がはるかに短いです。これらの同位体はγ線をほとんど放出せず、自発核分裂を起こし、それに伴い中性子を放出します。より長寿命のキュリウム同位体（245–248 Cm、すべてα線放出体）は、プルトニウムまたはアメリシウムの中性子照射中に混合物として生成されます。短時間の照射では、この混合物は246 Cmが優勢になり、その後248 Cmが蓄積し始めます。これらの同位体、特に248 Cmは、半減期がアメリシウムより長く（3.48 × 10247 Cmは、キュリウム同位体の中で最も長い寿命（1.56 × 10生成には約 7年かかりますが、熱中性子によって強い核分裂が誘発されるため、大量には生成されません。

バークリウムには質量数233、234、236、238、240～252の17の同位体が同定されている。 [57] 249 Bkのみが大量に入手可能である。その半減期は330日と比較的短く、主に検出に不便な柔らかいβ粒子を放出する。そのアルファ線はかなり弱い（1.45 × 10247 Bkはα線放出核種で、半減期は1,380年と長いが、大量に入手するのは困難である。質量数248未満のキュリウム同位体のβ崩壊は知られていないため、プルトニウムの中性子照射では生成されない。 [ 62 ]（ 247 Cmは実際にはβ崩壊して247 Bkになることでエネルギーを放出する、これはこれまで観測されていない。）

質量数237～256のカリホルニウム20同位体は原子炉で生成されます。[57]カリホルニウム253はβ線放出体であり、残りはα線放出体です。偶数質量数の同位体（250 Cf、252 Cf、254 Cf）は自発核分裂率が高く、特に254 Cfは99.7%が自発核分裂で崩壊します。カリホルニウム249は半減期が比較的長く（352年）、自発核分裂は弱く、γ線放出が強いため、識別が容易です。249 Cfは、親同位体249 Bkのβ崩壊速度が遅く、中性子との反応断面積が大きいため、原子炉内で大量に生成されることはないが、（事前に選択された）249 Bkのβ崩壊生成物として、同位体的に純粋な形で蓄積される可能性がある。プルトニウムの原子炉照射によって生成されるカリホルニウムは、主に250 Cfと252 Cfから構成されており、後者は中性子照射量が大きいため、その研究は強い中性子線によって妨げられている。[63]

いくつかの超プルトニウム同位体対の特性[64]
親同位
体		t 1/2娘
同位体		t 1/2
放射平衡を確立する時間
243午前7370年239番号2.35日47.3日
245センチメートル8265年241プソム14年129年
247センチメートル1.64 × 107年243プソム4.95時間7.2日
254 Es270日250冊3.2時間35.2時間
255 Es39.8日255 FM22時間5日間
257 FM79日間253 cf17.6日49日間

質量数240から257までの18の既知のアインスタイニウム同位体[57]のうち、最も入手しやすいのは253 Esである。これはα線放出体で、半減期は20.47日、γ線放出は比較的弱く、カリホルニウム同位体と比較して自発核分裂率は低い。また、中性子照射を長時間受けると、長寿命同位体254 Es（t 1/2  = 275.5日）も生成される。[63]

フェルミウムには質量数241～260の20種の同位体が知られている。254 Fm、255 Fm、256 Fmはα線放出核種であり、半減期が短い（数時間）ため、相当量単離することができる。257 Fm（t 1/2 = 100日）は、長期間の強い放射線照射によって蓄積する可能性がある。これらの同位体はすべて、自発核分裂率が高いという特徴がある。[63] [65]

メンデレビウムの既知の同位体17種（質量数244～260）のうち、[57]最も研究されているのは256 Mdで、これは主に電子捕獲崩壊（α線放出率は約10%）し、半減期は77分です。もう一つのα線放出核種である258 Mdの半減期は53日です。これらの同位体はどちらも希少なアインスタイニウム（それぞれ253 Esと255 Es）から生成されるため、入手が困難です。[56]

ノーベリウムの長寿命同位体とローレンシウム（およびより重い元素）の同位体は、半減期が比較的短い。ノーベリウムには、質量数249～260および262の13の同位体が知られている。ノーベリウムとローレンシウムの化学的性質は、255 No（t 1/2  = 3分）および256 Lr（t 1/2  = 35秒）を用いて研究された。最も長寿命のノーベリウム同位体である259 Noの半減期は約1時間である。[56]ローレンシウムには、質量数251～262、264、および266の14の同位体が知られている。その中で最も安定なのは、半減期が11時間の266 Lrである。

これらの同位体の中で、自然界に微量以上存在し、アクチニド元素の原子量に測定可能な寄与を持つのは、原始ウランの232Th、235U、238U、そして天然ウランの長寿命崩壊生成物である230Th、231Pa、234Uの3つだけです。天然トリウムは0.02(2)%の230Thと99.98(2)%の232Thで構成されています。天然プロトアクチニウムは100%の231Paで構成されています。天然ウランは0.0054(5)%の234U、0.7204(6)%の235U、99.2742(10)%の238Uで構成されています。[66]

原子炉内での形成

核種表：原子炉におけるアクチニドの蓄積（放射性崩壊を含む）

アクチニドの図表は、横軸に中性子数（同位体）、縦軸に陽子数（元素）をとった核種の表です。赤い点は核種を2つのグループに分け、図をより簡潔にしています。各核種は、元素の質量数と半減期を示す四角形で表されています。[67]天然に存在するアクチニド同位体（Th、U）は太線で示され、アルファ線放出核種は黄色、ベータ線放出核種は青色で示されています。ピンク色は電子捕獲（236 Np）、白色は長時間持続する準安定状態（242 Am）を表します。

アクチニド核種の形成は主に以下の特徴を持つ：[68]

  • 中性子捕獲反応 (n,γ) は、図では短い右矢印で表されています。
  • (n,2n) 反応とそれほど頻繁に発生しない (γ,n) 反応も考慮されており、どちらも短い左矢印でマークされています。
  • さらに稀に、高速中性子によってのみ引き起こされる (n,3n) 反応が発生します。これは、図に 1 つの例として示され、長い左矢印で示されています。

これらの中性子またはガンマ線誘発核反応に加えて、アクチニド核種の放射性転換も原子炉内の核種インベントリーに影響を及ぼします。これらの崩壊タイプは、図の中で斜めの矢印で示されています。左上向きの矢印で示されているベータマイナス崩壊は、核種の粒子密度のバランスに大きな役割を果たします。陽電子放出（ベータプラス崩壊）または電子捕獲（ϵ）によって崩壊する核種は、ノックアウト反応の生成物としてのみ原子炉内で発生し、それらの崩壊は右下向きの矢印で示されています。与えられた核種の半減期が長いため、原子炉心内の核燃料の滞留時間はかなり短い（数年）ため、アルファ崩壊は発電炉内でのアクチニドの生成と崩壊にほとんど影響を与えません。例外は、比較的短寿命の核種である242 Cm（T 1/2  = 163日）と236 Pu（T 1/2  = 2.9年）です。これらの2つの場合のみ、α崩壊は核種マップ上で左下向きの長い矢印で示されます。244 Puや250 Cmなどの長寿命アクチノイド同位体は、中性子捕獲が短寿命のβ崩壊核種である243 Puや249 Cmを迂回するほど速く起こらないため、原子炉では生成できません。しかし、中性子束がはるかに高い核爆発では、これらの核種が生成されます。

自然界における分布

未加工のウラン鉱石

トリウムとウランは、自然界で最も豊富なアクチニド元素であり、質量濃度はそれぞれ16 ppmと4 ppmです。[69]ウランは、主に地殻中に、ウラン鉱（その黒色からピッチブレンドとも呼ばれる）の酸化物の混合物として存在します。カルノータイト（KUO 2 VO 4 ·3H 2 O）やオーチュナイト（Ca(UO 2 ) 2 (PO 4 ) 2 ·nH 2 O）など、数十種類の他のウラン鉱物があります。天然ウランの同位体組成は、 238 U（相対存在比99.2742%）、235 U（0.7204%）、234 U（0.0054%）であり、これらのうち238 Uの半減期は4.51 × 109年です。 [70] [71] 2009年の世界全体のウラン生産量は50,572トンで、そのうち27.3%がカザフスタンで採掘されました。その他の重要なウラン採掘国は、カナダ（20.1%）、オーストラリア（15.7%）、ナミビア（9.1%）、ロシア（7.0%）、ニジェール（6.4%）です。 [72]

ウラン鉱石およびトリウム鉱石中のプルトニウム含有量[73]
鉱石位置ウラン
含有量、%		質量比
239 Pu/鉱石		比率
239 Pu/U ( × 10−12）
ウラン鉱カナダ13.59.1 × 10−127.1
ウラン鉱コンゴ384.8 × 10−1212
ウラン鉱コロラド州、米国503.8 × 10−127.7
モナザイトブラジル0.242.1 × 10−148.3
モナザイトノースカロライナ州、米国1.645.9 × 10−143.6
ファーガソナイト-0.25<1 × 10−14<4
カルノータイト-10<4 × 10−14<0.4

最も豊富なトリウム鉱物は、トリアナイト（ThO 2）、ソライト（ThSiO 4）、モナザイト（(Th,Ca,Ce)PO 4 ）です。ほとんどのトリウム鉱物にはウランが含まれ、ウランもトリウムを含みます。また、いずれもランタノイド元素をかなりの割合で含んでいます。トリウム鉱物の豊富な鉱床は、アメリカ合衆国（44万トン）、オーストラリアとインド（それぞれ約30万トン）、カナダ（約10万トン）にあります。[74]

地球の地殻におけるアクチニウムの量はわずか5 × 10−15 %である。 [60]アクチニウムは主にウラン含有鉱物中に存在しますが、他の鉱物にもはるかに少量ではありますが存在します。ほとんどの天然物中のアクチニウム含有量は、親同位体235 Uの同位体平衡と一致しており、弱いAc移動の影響を受けません。 [29]プロトアクチニウムは地殻中にアクチニウムよりも豊富に存在し（10 −12 %）、1913年にファヤンスとゲーリングによってウラン鉱石中に発見されました。 [33]アクチニウムとして、プロトアクチニウムの分布は235 Uの分布に従います。 [60]

ネプツニウムの最も長寿命な同位体である237 Npの半減期は、地球の年齢と比較すると無視できるほど小さい。したがって、ネプツニウムは他の同位体の中間崩壊生成物として自然界にごく微量しか存在しない。[37]ウラン鉱物中のプルトニウムの痕跡は1942年に初めて発見され、 239 Puに関するより体系的な結果は表にまとめられている（これらのサンプルでは他のプルトニウム同位体は検出されなかった）。プルトニウムの最も長寿命な同位体である244 Puの存在量の上限は3 × 10である。−20 %。月の土壌サンプルではプルトニウムは検出されなかった。天然には希少であるため、プルトニウムのほとんどは合成によって生産されている。 [73]

抽出

モナザイト：主要なトリウム鉱物

アクチニドは存在量が少ないため、抽出は複雑で多段階のプロセスとなります。アクチニドのフッ化物は水に不溶性で、酸化還元反応によって容易に分離できるため、通常はフッ化物として使用されます。フッ化物はカルシウム、マグネシウム、またはバリウムで還元されます。[75]

アクチノイド元素の中で、トリウムとウランは最も分離が容易です。トリウムは主にモナザイトから抽出されます。ピロリン酸トリウム（ThP 2 O 7 ）を硝酸と反応させ、得られた硝酸トリウムをトリブチルリン酸で処理します。希土類不純物は硫酸塩溶液のpHを上げることで分離されます。 [75]

別の抽出法では、モナザイトを45%水酸化ナトリウム水溶液で140℃で分解する。まず混合金属水酸化物を抽出し、80℃で濾過し、水で洗浄した後、濃塩酸で溶解する。次に、酸性溶液を水酸化物でpH = 5.8に中和すると、約3%の希土類水酸化物が混入した水酸化トリウム（Th(OH) 4 ）が沈殿する。残りの希土類水酸化物は溶液中に残る。水酸化トリウムは無機酸に溶解し、その後、希土類元素から精製される。効率的な方法は、硝酸に水酸化トリウムを溶解することである。これは、得られた溶液を有機溶媒で抽出することで精製できるためである。 [75]

PUREX法を用いた使用済み核燃料からのウランとプルトニウムの分離[76]
Th(OH) 4 + 4 HNO 3 → Th(NO 3 ) 4 + 4 H 2 O

金属トリウムは、不活性雰囲気中でカルシウムと反応させることにより、無水酸化物、塩化物、またはフッ化物から分離される。 [77]

ThO 2 + 2 Ca → 2 CaO + Th

トリウムは、グラファイトるつぼ中で700～800℃で塩化ナトリウムと塩化カリウムの混合物中のフッ化物を電気分解することによって抽出されることもあります。高純度のトリウムは、結晶棒法によってヨウ化物から抽出することができます。[78]

ウランは鉱石から様々な方法で抽出されます。一つの方法としては、鉱石を燃焼させた後、硝酸と反応させてウランを溶解状態に変換します。この溶液を灯油に溶かしたトリブチルリン酸（TBP）溶液で処理すると、ウランは有機化合物UO 2 (NO 3 ) 2 (TBP) 2に変換されます。不溶性の不純物はろ過され、ウランは水酸化物（NH 4）2 U 2 O 7または過酸化水素（UO 4 ·2H 2 O ）との反応によって抽出されます。[75]

ウラン鉱石にドロマイトやマグネサイトなどの鉱物が多く含まれる場合、これらの鉱物は酸を大量に消費します。この場合、ウランの抽出には炭​​酸塩法が使用されます。その主成分は炭酸ナトリウム水溶液で、ウランを錯体 [UO 2 (CO 3 ) 3 ] 4−に変換します。この錯体は、低濃度の水酸化物イオンの水溶液中で安定しています。炭酸ナトリウム法の利点は、化学物質の腐食性が低いこと(硝酸塩と比較して) と、ほとんどの非ウラン金属が溶液から沈殿することです。欠点は、四価のウラン化合物も沈殿することです。したがって、ウラン鉱石は高温、酸素圧下で炭酸ナトリウムで処理されます。

2 UO 2 + O 2 + 6 CO2−3
​→ 2 [UO 2 (CO 3 ) 3 ] 4−

この式は、炭酸ウラニル処理に最適な溶媒は炭酸塩と重炭酸塩の混合物であることを示唆している。高pH下では二ウラン酸塩が沈殿し、これをニッケル存在下で水素処理すると不溶性の四炭酸ウランが得られる。[75]

別の分離方法としては、高分子樹脂を高分子電解質として用いる方法があります。樹脂内でのイオン交換反応によってウランが分離されます。樹脂から分離したウランは硝酸アンモニウムまたは硝酸溶液で洗浄され、硝酸ウラニル（UO 2 (NO 3 ) 2 ·6H 2 O）が生成されます。加熱するとUO 3となり、さらに水素と 反応してUO 2に変換されます。

UO 3 + H 2 → UO 2 + H 2 O

二酸化ウランをフッ化水素酸と反応させると四フッ化ウランとなり、マグネシウムと反応して金属ウランが得られる。[77]

4HF + UO2 → UF4 + 2H2O

プルトニウムを抽出するには、中性子照射ウランを硝酸に溶解し、還元剤（FeSO 4またはH 2 O 2 ）を添加する。この添加により、プルトニウムの酸化状態は+6から+4に変化するが、ウランは硝酸ウラニル（UO 2 (NO 3 ) 2 ）の形態のままである。溶液を還元剤で処理し、炭酸アンモニウムでpH = 8に中和すると、Pu 4+化合物が沈殿する。[75]

別の方法では、Pu 4+とUO2+
2まずトリブチルリン酸で抽出し、次にヒドラジンと反応させて回収したプルトニウムを洗い流す。[75]

アクチニウムの分離における最大の難しさは、その性質がランタンと類似していることである。そのため、アクチニウムはラジウム同位体から核反応で合成されるか、イオン交換法を用いて分離される。[29]

プロパティ

アクチノイドはランタノイドと類似した性質を持つ。ランタノイドでは4f電子殻が満たされているのと同様に、アクチノイドでは5f電子殻が満たされている。5f、6d、7s、7p殻はエネルギー的に近接しているため、多くの不規則な配置が生じる。そのため、気相原子では、最初の4f電子がセリウムにのみ現れるのと同様に、最初の5f電子はさらに遅れてプロトアクチニウムに現れる。しかし、ランタンが化合物において4f殻を使用する最初の元素であるのと同様に、[79]アクチニウムが化合物において5f殻を使用する最初の元素である。[80] f殻はイッテルビウムとノーベリウムで同時に満たされる。[81]アクチノイドにおける5f殻の充填に関する最初の実験的証拠は、1940年にマクミランとアベルソンによって得られました。[82]ランタノイドと同様に（ランタノイド収縮を参照）、アクチノイドのイオン半径は原子番号とともに単調に減少します（アクチノイド収縮も参照）。[83]

気相での電子配置のシフトは、必ずしも化学的挙動と一致するわけではない。例えば、すべての価電子の除去に対応する最高酸化状態の早期遷移金属のような顕著性は、5f殻がそれ以前に満たされ始めても、ウランまで続く。一方、ランタノイド同族体に似た電子配置はプルトニウムで既に始まっているが、ランタノイドのような挙動は、系列の後半がキュリウムで始まるまで支配的にならない。ウランとキュリウムの間にある元素は、これら2種類の挙動の間で遷移を形成し、そこではより高い酸化状態が存在し続けるが、+3状態に関して安定性を失う。[81] +2状態は系列の終わり近くでより重要になり、最後の5f元素であるノーベリウムの最も安定した酸化状態である。[81]ノーベリウムの後でのみ酸化状態が再び上昇し、6d遷移金属の新しいシリーズが始まったことを示しています。ローレンシウムは+3の酸化状態のみを示し、ラザホージウムは+4の状態のみを示し、それぞれ5d列のルテチウムとハフニウムの同族になります。[81]

アクチニドの性質（最も長寿命の同位体の質量は角括弧内）[71] [84]
要素アクThパあなたいいえプ午前Cmバック参照エスFMメリーランド州いいえ左
コア電荷（Z）8990919293949596979899100101102103
原子質量[227]232.0377(4)231.03588(2)238.02891(3)[237][244][243][247][247][251][252][257][258][259][266]
天然同位体の数[85]383834000000000
天然同位体[85] [86]225、227、228227～234231、233、234233～240237、239、240238～240、244—————————
天然量の同位体—230、232231234、235、238———————————
最も長寿命の同位体227232231238237244243247247251252257258259266
最も長寿命の同位体の半減期21.8歳140億年（1.4 × 10 10年）32,500年44億7000万年（44億7000万年）214万年（2,140,​​000年）8080万年（80,800,000年）7,370年1560万年（15,600,000年）1,380年900年1.29年100.5 日52日58 分11 時間
最も一般的な同位体227232231238237239241244249252253255256255260
最も一般的な同位体の半減期21.8歳140億年（1.4 × 10 10年）32,500年44億7000万年（44億7000万年）214万年（2,140,​​000年）24,100年433年18.1年320日2.64年20.47日20.07時間78分3.1分2.7分

基底状態（気相）における電子配置		6d 1 7s 26d 2 7s 25f 2 6d 1 7s 25f 3 6d 1 7s 25f 4 6d 1 7s 25f 6 7s 25f 7 7s 25f 7 6d 1 7s 25f 9 7s 25f 10 7s 25f 11 7s 25f 12 7s 25f 13 7s 25f 14 7s 25f 14 7s 2 7p 1
酸化状態2、3​2、3、4​2、3、4、5​2、3、4、5、6​3、4、5、6、7​​3、4、5、6、7​​2、3、4、5、6、7​​2、3、4、6​​2、3、4​​2、3、4​​2、3、4​​2、3​2、3​2、3​3
金属半径（nm）0.2030.1800.1620.1530.1500.1620.1730.1740.1700.1860.186? 0.198? 0.194? 0.197? 0.171
イオン半径（nm）：
An 4+
An 3+
—
0.126
0.114
—
0.104
0.118
0.103
0.118
0.101
0.116
0.100
0.115
0.099
0.114
0.099
0.112
0.097
0.110
0.096
0.109
0.085
0.098
0.084
0.091
0.084
0.090
0.084
0.095
0.083
0.088
温度（℃）：
融点
沸点		1050
3198		1842
4788		1568年
?4027年		1132.2
4131		639
? 4174		639.4
3228		1176年
?2607年		1340
3110		986
2627
900年
?1470年		860
? 996		1530年
—		830
—		830
—		1630年
—
密度、g/cm 310.0711.7815.3719.0620.4519.8411.713.5114.7815.18.84? 9.7? 10.3? 9.9? 14.4
標準電極電位（V）：
E °（An 4+ /An 0）
E °（An 3+ /An 0）		—
−2.13
−1.83
—
−1.47
—
−1.38
−1.66
−1.30
−1.79
−1.25
−2.00
−0.90
−2.07
−0.75
−2.06
−0.55
−1.96
−0.59
−1.97
−0.36
−1.98
−0.29
−1.96
—
−1.74
—
−1.20
—
−2.10
色:
[M(H 2 O) n ] 4+
[M(H 2 O) n ] 3+
—
無色
無色の
青
黄色
濃い青
緑
紫
黄緑
紫
ブラウン
バイオレット
赤い
バラ
黄色
無色
ベージュ
黄緑
グリーン
グリーン
-
ピンク
—
—
—
—
—
—
—
—
水溶液中のアクチニドイオンのおおよその色
。アクチニド100～103の色は、十分な量がまだ合成されていないため不明です。CmOの色は、2歳以上2同様に記録されませんでした。

[87] [88]

アクチニド（Z）8990919293949596979899100101102103
酸化状態
+2Fm 2+Md 2以上いいえ2+
+3Ac 3+3歳以上Pa 3+U 3+Np 3+Pu 3+3歳以上3cm以上3巻以上Cf 3+Es 3+Fm 3+Md 3+3歳以上ラージ3+
+44歳以上Pa 4+4歳以上Np 4+Pu 4+4歳以上4cm以上ブック4+Cf 4+
+5パオ+
2		UO+
2		NpO+
2		PuO+
2		アモ+
2
+6UO2+
2		NpO2+
2		PuO2+
2		アモ2+
2		CmO2+
2
+7NpO3+
2		PuO3+
2		アモ3−5
​

物理的特性

いくつかのアクチニド元素の主な結晶構造と温度アクチニドの金属半径とイオン半径[84]
カッシーニまたはガリレオ計画の放射性同位体熱電発電機に使用される238 PuO 2のペレット。ペレットは62ワットの熱を発生し、放射性崩壊（主にα線）によって発生した熱によって発光します。写真は、ペレットをグラファイトブランケットで数分間保温した後、ブランケットを取り外した状態で撮影したものです。
カリホルニウム

アクチノイドは典型的な金属である。それらはすべて柔らかく、銀色（ただし空気中では変色する）である[89]、[89]比較的高い密度と可塑性を有する。ナイフで切断できるものもある。それらの電気抵抗率は15～150 μΩ·cmである[84] 。トリウムの硬度は軟鋼と同程度であるため、加熱した純粋トリウムはシート状に巻いてからワイヤー状に引き抜くことができる。トリウムの密度はウランやプルトニウムのほぼ半分であるが、どちらよりも硬い。すべてのアクチノイドは放射性で常磁性であり、アクチニウムを除いて複数の結晶相を持つ。プルトニウムは7つ、ウラン、ネプツニウム、カリホルニウムは3つある。プロトアクチニウム、ウラン、ネプツニウム、プルトニウムの結晶構造は、ランタノイドの中に明確な類似物がなく、3 d遷移金属の結晶構造に似ている。[71]

すべてのアクチノイドは自然発火性であり、特に微粒子の場合は室温で空気と反応して自然発火する。[89] [90]アクチノイドの融点はf電子の数に明確な依存性を持たない。ネプツニウムとプルトニウムの異常に低い融点（約640℃）は、5f軌道と6d軌道の混成と、これらの金属における方向性結合の形成によって説明される。[ 71 ]

化学的性質

ランタノイドと同様に、すべてのアクチノイドはハロゲンやカルコゲンと非常に反応性が高いが、アクチノイドはより容易に反応する。アクチノイド、特に5f電子の数が少ないものは混成しやすい。これは、 5f殻、7s殻、および6d殻における電子エネルギーの類似性によって説明される。ほとんどのアクチノイドはより多様な価数状態を示し、最も安定なのはウランでは+6、プロトアクチニウムとネプツニウムでは+5、トリウムとプルトニウムでは+4、アクチニウムとその他のアクチノイドでは+3である。[92]

アクチニウムはランタンと化学的に類似しており、これはイオン半径と電子構造が類似していることで説明されます。ランタンと同様に、アクチニウムは化合物中でほぼ常に+3の酸化状態をとりますが、反応性は低く、より顕著な塩基性を示します。他の三価アクチノイドの中で、Ac 3+は最も酸性度が低く、水溶液中で加水分解されにくい性質を持っています。[29] [71]

トリウムは化学的に非常に活性である。6d軌道と5f軌道に電子がないため、四価トリウム化合物は無色である。pH < 3では、トリウム塩溶液は主に陽イオン[Th(H 2 O) 8 ] 4+で構成されている。Th 4+イオンは比較的大きく、配位数に応じて0.95Åから1.14Åの範囲の半径を持つ。その結果、トリウム塩は加水分解を受けにくい。トリウム塩の特徴的な性質は、水と極性有機溶媒の両方に高い溶解性を示すことである。[71]

プロトアクチニウムは2つの価数状態を示す。+5価は安定であり、+4価は容易に酸化されてプロトアクチニウム(V)となる。したがって、溶液中の四価プロトアクチニウムは、水素雰囲気中で強力な還元剤を作用させることで得られる。四価プロトアクチニウムは、化学的にウラン(IV)やトリウム(IV)に類似している。プロトアクチニウム(IV)のフッ化物、リン酸塩、次リン酸塩、ヨウ素酸塩、フェニルアルソン酸塩は、水や希酸に不溶である。プロトアクチニウムは可溶性の炭酸塩を形成する。五価プロトアクチニウムの加水分解特性は、タンタル(V)やニオブ(V)のそれに近い。プロトアクチニウムの複雑な化学的挙動は、この元素の5f殻が充填され始めた結果である。[60]

ウランの原子価は3から6までで、6価が最も安定です。六価の状態では、ウランは第6族元素と非常によく似ています。ウラン(IV)とウラン(VI)の多くの化合物は非化学量論的であり、組成が変動します。例えば、二酸化ウランの実際の化学式はUO 2+xで、xは-0.4から0.32の範囲で変化します。ウラン(VI)化合物は弱い酸化剤です。そのほとんどは直鎖状の「ウラニル」基、UOを含みます。2+
2ウラニル基に垂直なエクアトリアル面には、4～6個の配位子が配置できる。ウラニル基は硬酸として作用し、窒素供与性配位子よりも酸素供与性配位子とより強い錯体を形成する。NpO2+
2およびPuO2+
2ウラン(IV)化合物は還元性を示し、例えば大気中の酸素によって容易に酸化される。ウラン(III)は非常に強力な還元剤である。d殻の存在により、ウラン（および他の多くのアクチノイド）はU III (C 5 H 5 ) 3やU IV (C 5 H 5 ) 4などの有機金属化合物を形成する。[71] [93]

ネプツニウムは3価から7価までの価数を持ち、溶液中では同時に観測されます。溶液中では+5価が最も安定ですが、固体ネプツニウム化合物では+4価が好まれます。ネプツニウム金属は非常に反応性が高く、ネプツニウムイオンは加水分解されやすく、配位化合物を形成します。[37]

プルトニウムも3から7までの価数を取り、化学的にはネプツニウムやウランに類似しています。反応性が高く、空気中では速やかに酸化膜を形成します。プルトニウムは25～50℃という低温でも水素と反応し、ハロゲン化物や金属間化合物も容易に形成します。異なる酸化数のプルトニウムイオンの加水分解反応は非常に多様です。プルトニウム(V)は重合反応を起こすことができます。[94] [95]

アクチニドの中で最も化学的多様性に富むのはアメリシウムであり、その価数は2から6までである。2価のアメリシウムは乾燥化合物および非水溶液（アセトニトリル）でのみ得られる。水溶液では+3、+5、+6の酸化状態が典型的であるが、固体状態でも同様である。4価のアメリシウムは水溶液中で安定な固体化合物（二酸化物、フッ化物、水酸化物）および錯体を形成する。アルカリ溶液中ではアメリシウムは7価に酸化されると報告されていたが、このデータは誤りであることが判明した。アメリシウムの最も安定した価数は水溶液中では3、固体化合物中では3または4である。[96]

3価はローレンシウムまでの以降のすべての元素で支配的である（ノーベリウムを除く）。キュリウムは固体（フッ化物、二酸化チタン）では四価となる。バークリウムは+3価の原子価に加えて、キュリウムよりも安定した+4価も示す。4価は固体のフッ化物と二酸化チタンで観測される。水溶液中のBk 4+の安定性はCe 4+のそれに近い。[97]カリホルニウム、アインスタイニウム、フェルミウムでは3価のみが観測された。メンデレビウムとノーベリウムでは二価状態であることが証明されており、ノーベリウムでは三価状態よりも安定している。ローレンシウムは溶液と固体の両方で3価を示す。[96]

酸化還元電位はウランでは-0.32 Vから、0.34 V（Np）、1.04 V（Pu）を経てアメリシウムでは1.34 Vへと上昇し、アメリシウムからウランにかけてAn 4+イオンの還元能力が増大することを示しています。すべてのアクチノイドは、塩のような性質を持つ黒色のAnH 3水素化物を生成します。アクチノイドはまた、一般式AnCまたはAnC 2（ウランの場合はU 2 C 3 ）の炭化物、および硫化物An 2 S 3およびAnS 2を生成します。[92]

化合物

酸化物と水酸化物

いくつかのアクチニドの二酸化物
化学式ThO 2PaO2​UO 2NpO 2PuO 2アモ2CmO 2BkO 2CfO 2
CAS番号1314-20-112036-03-21344-57-612035-79-912059-95-912005-67-312016-67-012010-84-312015年10月0日
モル質量264.04263.035270.03269.047276.063275.06270～284**279.069283.078
融点[103]3390℃2865℃2547℃2400℃2175℃
結晶構造
4+ : __ /   O 2− : __
空間群Fm 3 m
コーディネート番号アン[8]、O[4]
アクチニド**同位
体によって異なる

アクチノイドの中には、An 2 O 3、AnO 2、An 2 O 5、AnO 3などの複数の酸化物の形で存在するものがあります。すべてのアクチノイドの中で、酸化物AnO 3は両性であり、An 2 O 3、AnO 2、An 2 O 5は塩基性で、水と容易に反応して塩基を形成します。[92]

An 2 O 3 + 3 H 2 O → 2 An(OH) 3。

これらの塩基は水に溶けにくく、その活性は希土類金属の水酸化物に近い。 [92] Np(OH) 3はまだ合成されておらず、Pu(OH)3は青色であるのに対し、Am(OH) 3はピンク色、Cm(OH) 3は無色である。[104] Bk(OH) 3とCf(OH) 3も知られており、Np、Pu、Amの4価水酸化物とNpとAmの5価水酸化物も知られている。[104]

最も強い塩基はアクチニウムです。アクチニウムの化合物はすべて無色ですが、黒色の硫化アクチニウム（Ac 2 S 3）は例外です。[92]四価アクチニドの二酸化物は、フッ化カルシウムと同様に立方晶系で結晶化します。

トリウムは酸素と反応して二酸化物のみを形成します。

二酸化トリウムは、既知の酸化物の中で最も高い融点（3390℃）を有する耐火性物質です。[102]タングステンに0.8～1%のThO 2を添加すると、その構造が安定化し、ドープされたフィラメントは振動に対する機械的安定性が向上します。ThO 2 を酸に溶解するには、500～600℃に加熱します。600℃以上で加熱すると、酸や他の試薬に対して非常に耐性のあるThO 2が生成されます。少量のフッ化物イオンを添加すると、酸への二酸化トリウムの溶解が触媒されます。

プロトアクチニウム酸化物は2種類得られている。PaO 2（黒）とPa 2 O 5（白）である。前者はThO 2と同型で、後者は入手が容易である。どちらの酸化物も塩基性であり、Pa(OH) 5は弱塩基であり、溶解性が低い。[92]

ウランの特定の塩、例えばUO 2 (NO 3 )·6H 2 Oを空気中で400℃で分解すると、オレンジ色または黄色のUO 3が生成される。[102]この酸化物は両性で、いくつかの水酸化物を形成するが、最も安定なのは水酸化ウラニルUO 2 (OH) 2である。酸化ウラン(VI)と水素の反応で二酸化ウランが生成され、その性質はThO 2に似ている。この酸化物も塩基性で、水酸化ウランU(OH) 4に相当する。[92]

プルトニウム、ネプツニウム、アメリシウムは、An 2 O 3とAnO 2という2つの塩基性酸化物を形成します。三酸化ネプツニウムは不安定であるため、これまで得られたのはNp 3 O 8のみです。しかし、化学式AnO 2とAn 2 O 3で表されるプルトニウムとネプツニウムの酸化物は、よく特徴付けられています。[92]

塩

いくつかのアクチニドの三塩化物[105]
化学式塩化3UCl3​NpCl 3塩化プルトニウムAmCl3​塩化クロム3BkCl 3CfCl 3
CAS番号22986-54-510025-93-120737-06-813569-62-513464-46-513537-20-713536-46-413536–90–8
モル質量333.386344.387343.406350.32349.42344～358**353.428357.438
融点837℃800℃767℃715℃695℃603℃545℃
沸点1657℃1767℃850℃
結晶構造三塩化ウランの結晶構造
3+ : __ /   Cl − : __
空間群P6 3 /m
コーディネート番号アン*[9]、Cl [3]
格子定数a = 762 pm
c = 455 pm		a = 745.2 pm
c = 432.8 pm		a = 739.4 pm
c = 424.3 pm		a = 738.2 pm
c = 421.4 pm		a = 726 pm
c = 414 pm		a = 738.2 pm
c = 412.7 pm		a = 午後7時38分
c = 午後4時9分
* An – アクチニド
**同位体によって異なる
暗闇で光る三ヨウ化アインシュタイニウム

アクチニドはハロゲンと容易に反応して、化学式MX 3およびMX 4（X =ハロゲン）の塩を形成する。そのため、最初のベルクリウム化合物BkCl 3は、1962年に3ナノグラムの量で合成された。希土類元素のハロゲンと同様に、アクチニドの塩化物、臭化物、ヨウ化物は水溶性であり、フッ化物は不溶性である。ウランは、56.5 °Cの温度で昇華する無色の六フッ化物を容易に生成する。その揮発性のため、ガス遠心分離またはガス拡散によるウラン同位体の分離に使用される。アクチニド六フッ化物は、無水物に近い特性を有する。これらは水分に非常に敏感であり、加水分解してAnO 2 F 2を形成する。[108]ウランの五塩化物と黒色六塩化物が合成されたが、両方とも不安定である。[92]

アクチニドに酸を作用させると塩が生成され、酸が非酸化性であれば塩中のアクチニドは低原子価状態にあります。

U + 2 H 2 SO 4 → U(SO 4 ) 2 + 2 H 2
2Pu + 6HCl → 2PuCl3 + 3H2

しかし、これらの反応では、再生中の水素が金属と反応し、対応する水素化物を形成する可能性があります。ウランはトリウムよりも酸や水とはるかに容易に反応します。[92]

アクチニド塩は、対応する水酸化物を酸に溶解することによっても得られます。アクチニドの硝酸塩、塩化物、硫酸塩、過塩素酸塩は水溶性です。水溶液から結晶化すると、これらの塩はTh(NO 3 ) 4 ·6H 2 O、Th(SO4)2 ·9H2O、Pu2(SO4)3 ·7H2Oなどの水和物を形成します。高原子価アクチニドの塩は容易に加水分解されます。そのため、無色のトリウムの硫酸塩、塩化物、過塩素酸塩、硝酸塩は、化学式Th(OH) 2 SO 4、Th(OH) 3 NO 3の塩基性塩に変換されます。三価および四価アクチニドの溶解度と不溶性は、ランタニド塩のものと似ています。そのため、アクチニドのリン酸塩、フッ化物、シュウ酸塩、ヨウ素酸塩、炭酸塩は水に弱く溶けます。これらはThF4・3H2OやTh(CrO4) 2・3H2Oなどの水和物として沈殿する。 [92]

酸化数+6のアクチノイドは、AnO 2 2+型陽イオンを除き、[AnO 4 ] 2−、[An 2 O 7 ] 2−などの錯陰イオンを形成する。例えば、ウラン、ネプツニウム、プルトニウムはNa 2 UO 4（ウラン酸塩）および(NH 4 ) 2 U 2 O 7 （二ウラン酸塩）型の塩を形成する。ランタノイドと比較して、アクチノイドは配位化合物を形成しやすく、この能力はアクチノイドの原子価が高くなるほど高くなる。三価アクチノイドはフッ化物配位化合物を形成しないが、四価トリウムはK 2 ThF 6、KThF 5、さらにはK 5 ThF 9錯体を形成する。トリウムは対応する硫酸塩（例えばNa 2 SO 4 ·Th(SO 4 ) 2 ·5H 2 O）、硝酸塩、チオシアン酸塩も形成する。一般式An 2 Th(NO 3 ) 6 · n H 2 Oの塩は配位性を有し、トリウムの配位数は12である。さらに容易に五価および六価アクチニドの錯塩を合成することができる。アクチニドの最も安定な配位化合物である四価トリウムおよびウランは、ジケトン（例えばアセチルアセトン）との反応で得られる。[92]

アプリケーション

アメリシウム241を含む煙検知器の内部。

アクチニドは煙探知器（アメリシウム）[109] [110]やガスマントル（トリウム）[77]など日常生活で確立された用途もありますが、主に核兵器や原子炉の燃料として使用されています。[77]最後の2つの分野では、アクチニドが核反応で莫大なエネルギーを放出する特性を利用しており、特定の条件下では自己持続的な連鎖反応になることがあります。

チェレンコフ放射による原子炉の自己発光。

原子力発電において最も重要な同位体はウラン235です。これは熱中性子炉で使用され、天然ウラン中の濃度は0.72%を超えません。この同位体は熱中性子を強く吸収し、多くのエネルギーを放出します。1グラムのウラン235の核分裂反応1回あたり、約1MW/日のエネルギーに変換されます。重要なのは、235
92Uは吸収するよりも多くの中性子を放出する。[111]臨界質量に達すると、235
92Uは自己持続的な連鎖反応に入ります。[71]通常、ウランの原子核は2～3個の中性子を放出して2つの破片に分裂します。例：

235
92上+1
0n ⟶115
45ロジウム+118
47銀+ 31
0n

原子力発電に有望な他のアクチニド同位体としては、トリウム 232と、トリウム燃料サイクルからのその生成物であるウラン 233があります。

原子炉[71] [112] [113]
第二世代原子炉の炉心には、通常ジルコニウム合金製の中空金属棒が複数個収められており、その中に固体核燃料ペレット（主にウラン、プルトニウム、トリウムの酸化物、炭化物、窒化物、一硫化物、あるいはこれらの混合物（いわゆるMOX燃料））が充填されています。最も一般的な燃料はウラン235の酸化物です。
原子炉計画
原子炉計画

高速中性子は、水、炭素、重水素、またはベリリウムを含む減速材によって熱中性子として減速され、ウラン235との反応効率を高めます。核反応の速度は、ホウ素またはカドミウム製の追加の棒、あるいは通常はホウ酸などの液体吸収材を導入することで制御されます。プルトニウム生産用の原子炉は増殖炉または増殖炉と呼ばれ、設計が異なり、高速中性子を使用します。

ウランの核分裂中に放出される中性子は、核分裂連鎖反応の維持だけでなく、より重いアクチノイドの合成にも重要です。ウラン239はβ崩壊によってプルトニウム239に変換されます。プルトニウム239はウラン235と同様に自発核分裂を起こします。世界初の原子炉はエネルギー源としてではなく、核兵器用のプルトニウム239を製造するために建設されました。

生産されるトリウムの約半分は、ガスマントルの発光材料として使用されます。[77]トリウムは、マグネシウムと亜鉛の多成分合金にも添加されます。マグネシウム-トリウム合金は軽量で強度が高く、融点と延性も高いため、航空産業やミサイルの製造に広く使用されています。トリウムは電子放出特性にも優れており、寿命が長く、放出の電位障壁が低いです。[111]トリウムとウランの同位体の相対的な含有量は、星を含むさまざまな物体の年齢を推定するために広く使用されています（放射年代測定を参照）。[114]

プルトニウムの主な用途は核兵器であり、同位体プルトニウム239は核分裂の容易さと入手しやすさから重要な構成物質であった。プルトニウムをベースにした設計では、臨界質量をウラン235の約3分の1にまで低減することができる。[115]マンハッタン計画中に製造された「ファットマン」型プルトニウム爆弾は、プルトニウムを爆発的に圧縮することで通常よりもはるかに高い密度を得、中央の中性子源と組み合わせることで反応を開始し効率を高めた。そのため、わずか6.2kgのプルトニウムでTNT火薬20キロトンに相当する爆発威力を実現できた。[116] （核兵器の設計も参照）。仮に、非常に高度な組立設計を用いれば、わずか4kg、あるいはそれ以下のプルトニウムで原子爆弾1個を製造できる可能性がある。[117]

プルトニウム238はウラン235よりも臨界質量が小さいため、原子炉用としてより効率的な同位体となる可能性があるが、制御棒によって核分裂連鎖反応が停止された後でも崩壊によって多くの熱エネルギー（0.56 W/g）[110] [118]を放出し続ける。その用途は価格が高い（約1000米ドル/g）ために制限されている。この同位体は、いくつかの宇宙衛星とステーションのサーモパイルと水蒸留システムに使用されている。ガリレオとアポロの宇宙船（例えば、アポロ14号[119] ）には、キログラム単位のプルトニウム238酸化物で駆動するヒーターが搭載されており、この熱もサーモパイルで電気に変換される。プルトニウム238の崩壊は比較的無害なアルファ粒子を生成し、ガンマ線を伴わない。そのため、この同位体（約160mg）は心臓ペースメーカーのエネルギー源として使用され、従来の電池よりも約5倍長持ちします。[110]

アクチニウム227は中性子源として用いられます。その高い比エネルギー（14.5 W/g）と、熱的に安定な化合物を大量に得られる可能性は、遠隔使用のための長寿命熱電発電機への利用に魅力的です。228 Acは、容易に検出可能な高エネルギー電子（2.18 MeV）を放出するため、化学研究における放射能指標として用いられます。228 Acと228 Raの混合物は、産業および医療において強力なガンマ線源として広く用いられています。[29]

耐久性のある結晶マトリックスを備えた自己発光アクチニド添加材料の開発は、一部のガラスや結晶にアルファ線を放出する放射性核種を添加することで発光を付与できるため、アクチニド利用の新たな分野である。[120]

毒性

紙、アルミニウム、鉛レンガを透過する放射線の模式図
最も安定した同位体の半減期に応じて色分けされた元素の周期表。

放射性物質は、(i)局所的な皮膚汚染、(ii)放射性同位元素の摂取による内部被曝、(iii) β線およびγ線による外部からの過剰被曝を通じて人体の健康を害する可能性があります。ラジウムや超ウラン元素とともに、アクチニウムは高い比α線放射能を持つ最も危険な放射性毒物の一つです。アクチニウムの最も重要な特徴は、骨格の表層に蓄積して残留する能力です。中毒の初期段階では、アクチニウムは肝臓に蓄積します。アクチニウムのもう一つの危険性は、排泄されるよりも速く放射性崩壊を起こすことです。消化管からの吸収はアクチニウムの方がラジウムよりもはるかに小さい（約0.05%）。[29]

体内のプロトアクチニウムは腎臓や骨に蓄積する傾向があります。人体におけるプロトアクチニウムの最大安全線量は0.03μCiで、これは231Paの0.5マイクログラムに相当します。この同位体はエアロゾルとして空気中に存在する可能性があり、その量は2.5 × 10です。青酸の8倍の毒性がある。 [60] [ページが必要]

プルトニウムは、空気、食物または血液（例えば傷口）を通じて体内に入ると、大部分は肺、肝臓および骨に沈着し、他の臓器に移行するのは約 10 % のみで、数十年間そこに留まります。プルトニウムの体内での滞留時間が長い理由の一部は、水への溶解度が低いことです。プルトニウムの一部の同位体は電離α線を放出し、それが周囲の細胞を損傷します。プルトニウムを静脈内注射した後のイヌにおける 30 日間の平均致死量（LD 50）は、体重 1 kg あたり 0.32 mg であるため、体重 70 kg の人に対する致死量はおよそ 22 mg となります。呼吸器からの被曝量は、この約 4 倍多くなります。別の推定では、プルトニウムの毒性はラジウムの 50 倍低いと想定されているため、体内のプルトニウムの許容含有量は 5 μg または 0.3 μCi となります。動物実験の後、この最大許容線量は0.65μgまたは0.04μCiに引き下げられました。動物実験では、プルトニウムへの最も危険な曝露経路は吸入であり、吸入した物質の5～25%が体内に留まることも明らかになりました。プルトニウム化合物の粒子径と溶解度に応じて、プルトニウムは肺またはリンパ系に局在するか、血液中に吸収されて肝臓や骨に運ばれます。食物を介した汚染は最も可能性が低い経路です。この場合、プルトニウムの可溶性化合物の約0.05%と不溶性化合物の約0.01%のみが血液中に吸収され、残りは排泄されます。損傷した皮膚がプルトニウムに曝露されると、ほぼ100%が体内に留まります。[94]

アクチニドを核燃料、密封放射性源、あるいは自発光結晶などの先端材料に利用することは、多くの潜在的な利点を有する。しかしながら、アクチニドの極めて高い放射毒性と環境中への移行は深刻な懸念事項である。[121] MOX燃料や密封放射性源に化学的に不安定な形態のアクチニドを使用することは、現代の安全基準に照らして適切ではない。安全な保管、使用、そして最終処分を可能にする、安定かつ耐久性のあるアクチニド含有材料の開発は課題である。重要なニーズの一つは、耐久性のある結晶質ホスト相におけるアクチニド固溶体の応用である。[120]

参照

注記

  1. ^ ノーベリウムとローレンシウムはソ連とアメリカの科学者によってほぼ同時に発見された。
  2. ^ 比放射能は表に示されている半減期と自発核分裂の確率から計算される。

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参考文献

ウィキメディア・コモンズには、アクチニドに関連するメディアがあります。
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  • ローレンス・リバモア国立研究所、アクチニド元素の秘密を解明
  • ロスアラモス国立研究所、アクチニド研究季刊誌
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