Autor: Peter Pančík
Publikované dňa:
Citácia: PANČÍK, Peter. 2025. Chempedia.sk: Aktinoidy (Prvky 7. periódy, f-blok). [cit. 2025-05-09]. Dostupné na internete: <https://chempedia.sk/anorganicka-chemia/aktinoidy>.
Aktinoidy sú skupinou štrnástich chemických prvkov s protónovými číslami 90 (tórium, Th) – 103 (lawrencium, Lr), ktoré v periodickej tabuľke nasledujú za aktíniom (Ac, Z=89).
Podobne ako lantanoidy, patria medzi tzv. vnútroprechodné prvky alebo f‑prvky, pretože u nich dochádza k postupnému zapĺňaniu f‑orbitálov predposlednej elektrónovej vrstvy (presnejšie orbitálov 5f). Všeobecná elektrónová konfigurácia valenčnej vrstvy aktinoidov (okrem Ac a Lr) je [Rn] 5fⁿ 7s², kde n = 1 až 14 (resp. presnejšie [Rn] 5f¹⁻¹⁴ 6d⁰⁻² 7s²). Aktínium má konfiguráciu [Rn] 6d¹ 7s² a lawrencium [Rn] 5f¹⁴ 7s² 7p¹ (alebo častejšie uvádzaná [Rn] 5f¹⁴ 6d¹ 7s²). Charakteristické pre túto skupinu je teda obsadzovanie orbitálov 5f. Kľúčovou spoločnou vlastnosťou všetkých aktinoidov je ich rádioaktivita – všetky ich izotopy sú nestabilné.
Na rozdiel od 4f orbitálov lantanoidov, energetické hladiny orbitálov 5f, 6d a 7s sú si u ľahších aktinoidov veľmi blízko. To umožňuje účasť rôzneho počtu týchto elektrónov na chemických väzbách a vedie k oveľa väčšej variabilite oxidačných stavov a komplexnejšiemu chemickému správaniu. Medzi jednotlivými aktinoidmi sú preto väčšie chemické rozdiely ako medzi lantanoidmi, najmä na začiatku radu.
Aktinoidová kontrakcia link
Podobne ako u lantanoidov, aj u aktinoidov pozorujeme jav aktinoidovej kontrakcie – postupné zmenšovanie atómových a iónových polomerov so zvyšujúcim sa protónovým číslom. Príčinou je opäť nedokonalé tienenie jadrového náboja elektrónmi zapĺňajúcimi vnútorné 5f orbitály. Tento efekt je u aktinoidov dokonca o niečo výraznejší ako lantanoidová kontrakcia, čo sa pripisuje väčšiemu priestorovému rozšíreniu 5f orbitálov v porovnaní so 4f.
Oxidačné stavy link
Aktinoidy vykazujú oveľa väčšiu variabilitu oxidačných stavov ako lantanoidy, najmä ľahšie aktinoidy (Th až Am). Je to spôsobené spomínanou blízkosťou energetických hladín 5f, 6d a 7s, čo umožňuje zapojenie rôzneho počtu elektrónov do väzby.
- Oxidačný stav +III je známy a možný pre všetky aktinoidy (okrem Th).
- Ľahšie aktinoidy (Th až Am): Môžu dosahovať rôzne oxidačné stavy, často aj vysoké. Charakteristické stavy sú: Th (+IV), Pa (+V), U (+VI), Np (+V, +VI, +VII), Pu (+IV, +V, +VI, +VII), Am (+III, +IV, +V, +VI).
- Ťažšie aktinoidy (Cm až Lr): U nich sa stáva dominantným a najstabilnejším oxidačný stav +III, podobne ako u lantanoidov. Ku koncu série (Es, Fm, Md, No) sa stáva dostupnejším aj stav +II, pričom u nobélia je dokonca preferovaný.
Vyššie oxidačné stavy (od +IV vyššie) majú zvyčajne výraznejší kovalentný charakter väzieb.
Fyzikálne vlastnosti link
Aktinoidy sú ťažké, striebrolesklé kovy s vysokými hustotami a zvyčajne vysokými teplotami topenia (hoci trend nie je taký pravidelný ako u lantanoidov). Všetky sú rádioaktívne.
- Hustota: Sú to veľmi husté kovy (napr. U cca 19,1 g/cm³, Pu cca 19,8 g/cm³).
- Farba iónov: Podobne ako lantanoidy, aj ióny aktinoidov sú často farebné v dôsledku f-f prechodov, ale aj prechodov náboja. Sfarbenie závisí od oxidačného stavu, napr. U³⁺ (červený), U⁴⁺ (zelený), UO₂²⁺ (žltý); Pu³⁺ (modrý), Pu⁴⁺ (hnedý).
- Magnetické vlastnosti: Väčšina iónov aktinoidov je paramagnetická kvôli nespáreným 5f elektrónom.
Chemické vlastnosti a rádioaktivita link
Chemické vlastnosti aktinoidov sú silne ovplyvnené ich rádioaktivitou a variabilitou oxidačných stavov. Sú to reaktívne, elektropozitívne kovy, reaktívnejšie ako lantanoidy. Na vzduchu rýchlo matnejú a mnohé sú v jemne rozptýlenej forme pyroforické (samozápalné). Ľahko reagujú s vodou (najmä za tepla), kyselinami a pri zahriatí aj s väčšinou nekovov. S mnohými kovmi tvoria intermetalické zlúčeniny.
Aktinoidy majú výraznejšiu tendenciu tvoriť komplexné zlúčeniny než lantanoidy, čo súvisí s väčším priestorovým dosahom 5f orbitálov a ich schopnosťou podieľať sa na kovalentnej väzbe. Charakteristická je tvorba lineárnych aktinylových katiónov MO₂⁺ a MO₂²⁺ (kde M = U, Np, Pu, Am), najmä uranylu UO₂²⁺.
Čo sa týka rozpustnosti ich zlúčenín, vo všeobecnosti platí, že nerozpustné vo vode sú hydroxidy (napr. Th(OH)₄, U(OH)₄, Pu(OH)₄), fluoridy (napr. ThF₄, UF₄, PuF₃), fosforečnany a šťaveľany aktinoidov (najmä v nižších oxidačných stavoch). Naopak, dusičnany, chloridy, sírany a soli uranylu (a analogických katiónov) sú zvyčajne rozpustné.
Rádioaktivita aktinoidov link
Všetky izotopy aktinoidov sú nestabilné a podliehajú rádioaktívnemu rozpadu. Najčastejšie typy rozpadu sú alfa rozpad (emisia jadra hélia ²⁴He) a beta mínus rozpad (emisia elektrónu). Niektoré ťažké nuklidy (napr. ²⁵²Cf) podliehajú aj spontánnemu štiepeniu.
Kľúčovou vlastnosťou niektorých izotopov, najmä ²³⁵U a ²³⁹Pu (a tiež ²³³U), je ich schopnosť štiepiť sa po záchyte neutrónu. Pri štiepení sa uvoľňuje obrovské množstvo energie a ďalšie neutróny, ktoré môžu vyvolať štiepenie ďalších jadier – vzniká reťazová reakcia. Táto vlastnosť je základom jadrovej energetiky a jadrových zbraní.
Polčasy rozpadu aktinoidov sú extrémne rôznorodé, od zlomkov sekundy (u najťažších prvkov) po miliardy rokov (napr. ²³⁸U má polčas 4,5 miliardy rokov, ²³²Th až 14 miliárd rokov). Dlhé polčasy rozpadu prírodného uránu a tória umožňujú ich výskyt na Zemi. Naopak, dlhé polčasy niektorých umelých aktinoidov (napr. ²³⁹Pu má polčas 24 100 rokov) predstavujú problém pri dlhodobom skladovaní jadrového odpadu.
Výskyt v prírode a získavanie link
V prírode sa vo významnejších množstvách vyskytujú iba urán (U) a tórium (Th). Protaktínium (Pa) vzniká v prírode rozpadom ²³⁵U. V uránových rudách sa v extrémne stopových množstvách nachádzajú aj neptúnium (Np) a plutónium (Pu), ktoré vznikajú záchytom neutrónov v jadrách ²³⁸U. Všetky ostatné aktinoidy (tzv. transurány – prvky za uránom) sa pripravujú umelo jadrovými reakciami.
Hlavné minerály:
- Urán: Najdôležitejší je uraninit (smolinec) (hlavne UO₂), často v zmesi s U₃O₈. Ďalšie sú napr. karnotit a autunit.
- Tórium: Hlavným zdrojom je monazit ((Ce,La,Nd,Th)PO₄), kde je prímesou k lantanoidom. Vyskytuje sa aj v thorianite (Th,U)O₂ a thorite ThSiO₄.
Získavanie prírodných aktinoidov link
Urán a tórium sa získavajú spracovaním svojich rúd. V prípade uránu proces zahŕňa ťažbu, mletie, lúhovanie, čistenie a koncentráciu za vzniku tzv. "žltého koláča" (U₃O₈). Kovový urán alebo tórium sa pripravujú najčastejšie redukciou ich fluoridov kovovým vápnikom alebo horčíkom, prípadne redukciou oxidov.
\( \text{UF}_4(s) + 2\text{Ca}(s) \xrightarrow{t} \text{U}(s) + 2\text{CaF}_2(s) \)
Pre použitie v jadrových reaktoroch sa urán zvyčajne musí obohacovať na vyšší obsah izotopu ²³⁵U. To sa robí separáciou izotopov plynného UF₆ pomocou plynných centrifúg.
Príprava transuránov link
Transurány (Np až Lr) sa pripravujú umelo jadrovými reakciami:
- Záchytom neutrónov: V jadrových reaktoroch jadrá (napr. ²³⁸U) zachytávajú neutróny a následným beta rozpadom vzniká prvok s vyšším protónovým číslom. Takto sa vo veľkom vyrába plutónium-239 z uránu-238.
\( {}^{238}_{92}\mathrm{U} + {}^{1}_{0}\mathrm{n} \rightarrow {}^{239}_{92}\mathrm{U} \xrightarrow[23 \text{ min}]{\beta^-} {}^{239}_{93}\mathrm{Np} \xrightarrow[2,3 \text{ dňa}]{\beta^-} {}^{239}_{94}\mathrm{Pu} \)
- Ostreľovaním ťažkých jadier ľahkými časticami: V urýchľovačoch sa terče z ťažkých prvkov (Pu, Am, Cm, Cf...) bombardujú urýchlenými časticami (napr. α-častice, ióny ¹²C, ¹⁸O...).
\( ^{239}_{94}\text{Pu} + ^4_2\text{He} \rightarrow ^{242}_{96}\text{Cm} + ^1_0\text{n} \)
Produkcia transuránov výrazne klesá s rastúcim protónovým číslom (Np, Pu – tony; Am, Cm – kilogramy až gramy; Bk, Cf, Es – miligramy; Fm, Md, Lr – mikrogramy alebo len jednotlivé atómy).
Využitie aktinoidov link
- Jadrová energetika: Urán (²³⁵U) a plutónium (²³⁹Pu) ako jadrové palivo (najmä UO₂ a MOX). Tórium (²³²Th) ako potenciálne palivo budúcnosti.
- Jadrové zbrane: Urán (²³⁵U) a plutónium (²³⁹Pu) ako hlavné štiepne materiály.
- Vesmírna technológia: Plutónium (²³⁸Pu) a curium (²⁴²Cm, ²⁴⁴Cm) ako zdroj tepla v RTG pre napájanie vesmírnych sond.
- Priemysel a medicína: Amerícium (²⁴¹Am) v ionizačných detektoroch dymu. Kalifornium (²⁵²Cf) ako silný zdroj neutrónov (rádioterapia, analýza materiálov). Niektoré izotopy (napr. ²²⁵Ac) pre cielenú alfa terapiu rakoviny.
Bezpečnostné aspekty a environmentálne vplyvy link
Práca s aktinoidmi vyžaduje extrémne bezpečnostné opatrenia kvôli ich rádioaktivite a často aj chemickej toxicite.
- Radiačné riziko: Nebezpečné je najmä vnútorné ožiarenie po vdýchnutí alebo požití (ukladanie v kostiach, pľúcach, pečeni). Vyžaduje sa práca v hermetizovaných boxoch a použitie ochranných prostriedkov.
- Jadrový odpad: Dlhožijúce rádioaktívne aktinoidy (Pu, Am, Np...) vo vyhorenom palive predstavujú závažný environmentálny problém vyžadujúci bezpečné dlhodobé uloženie.
- Environmentálne dopady ťažby: Ťažba uránu a tória môže viesť k uvoľneniu rádioaktívnych látok a ťažkých kovov do okolia.
Typy zlúčenín, ktoré aktinoidy tvoria link
Chémia aktinoidov je veľmi bohatá a komplexná, najmä u prvkov Th až Am, kde sa vyskytujú viaceré oxidačné stavy. Podobne ako lantanoidy, aj aktinoidy tvoria sulfidy, nitridy, karbidy, boridy atď. Medzi najbežnejšie zlúčeniny patria:
Oxidy link
Tvoria širokú škálu oxidov v závislosti od prvku a oxidačného stavu. Bežné sú dioxidy MO₂ (M = Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm...). Tórium tvorí len ThO₂. Urán tvorí aj U₃O₈ a UO₃. Neptúnium a plutónium tvoria komplexné série oxidov (napr. Np₂O₅, Pu₂O₃). Oxidy aktinoidov v nižších oxidačných stavoch sú zásadité, vo vyšších amfotérne.
Halogenidy link
Existujú halogenidy v rôznych oxidačných stavoch, napr. MX₃, MX₄, MX₅, MX₆. Najvýznamnejší je plynný UF₆ pre obohacovanie uránu. Fluoridy sú všeobecne stabilnejšie ako ostatné halogenidy. Pre ťažšie aktinoidy (od Cm ďalej) sú najstabilnejšie trihalogenidy (AnX₃), podobne ako u lantanoidov.
Hydridy link
Tvoria hydridy často nestechiometrického zloženia, napr. ThH₂, UH₃, PuH₂₊ₓ. Sú to reaktívne tuhé látky, často pyroforické.
Soli oxokyselín link
Najznámejšie sú soli aktinylových katiónov, najmä uranylu (UO₂²⁺), napr. dusičnan uranylu UO₂(NO₃)₂, síran uranylu UO₂SO₄, uhličitany. Podobné soli tvoria aj Np, Pu, Am vo vyšších oxidačných stavoch. Tórium tvorí soli ako Th(NO₃)₄. V oxidačnom stave +III tvoria soli podobné lantanoidom (napr. PuCl₃, Am₂(SO₄)₃).
Komplexné zlúčeniny link
Aktinoidy majú silnú tendenciu tvoriť komplexy, výraznejšiu než lantanoidy. Kľúčová je koordinačná chémia aktinylových iónov MO₂²⁺/MO₂⁺, ktoré tvoria široké spektrum stabilných komplexov s mnohými anorganickými (F⁻, Cl⁻, NO₃⁻, SO₄²⁻, CO₃²⁻) a organickými ligandami (napr. acetát, oxalát, citrát, EDTA). Vysoké koordinačné čísla (8–12) sú bežné. Komplexácia hrá zásadnú úlohu pri separácii a extrakcii aktinoidov (napr. PUREX proces využívajúci komplexáciu UO₂²⁺ a Pu⁴⁺ s tributylfosfátom – TBP) a pri ich správaní v životnom prostredí (napr. tvorba rozpustných uhličitanových komplexov uránu).
- Je to hustý, striebrosivý kov s jasným leskom.
- Je vysoko rádioaktívne a toxické.
- Vyskytuje sa v stopových množstvách v uránových rudách.
- Získava sa zvyčajne z vyhoretého jadrového paliva.
- Dominantný oxidačný stav je +V (podobá sa tantalu), známy je aj stav +IV.
- Zlúčeniny ľahko hydrolyzujú za vzniku koloidov.
| Zemská kôra | 9.9e-13 % |
|
| Oceány | 2.0e-23 % |
|
Známe zlúčeniny protaktínia link
Najstabilnejším oxidom je biely oxid protaktiničný (Pa₂O₅). Známy je aj čierny oxid protaktiničitý (PaO₂). Z halogenidov boli pripravené napríklad hnedočervený fluorid protaktiničitý (PaF₄) a žltý, prchavý chlorid protaktiničný (PaCl₅).
- Je najťažší prirodzene sa vyskytujúci prvok vo významných množstvách.
- Je to rádioaktívny, striebrobiely, veľmi hustý kov.
- Vykazuje oxidačné stavy od +II po +VI, najbežnejšie +IV a +VI.
- Izotop ²³⁵U (0,7% v prírodnom U) je štiepiteľný pomalými neutrónmi, základ jadrového paliva.
- Izotop ²³⁸U (99,3%) je plodný materiál (môže sa premeniť na ²³⁹Pu).
| Vesmír | 2.0e-8 % |
|
| Slnečná sústava | 1.0e-7 % |
|
| Meteority | 9.8e-7 % |
|
| Zemská kôra | 0.00018 % |
|
| Oceány | 3.3e-7 % |
|
| Ľudské telo | 1.0e-7 % |
|
Oxid uraničitý link
Oxid uraničitý (UO₂) je tmavohnedý až čierny prášok s vysokou teplotou topenia. Je hlavnou formou jadrového paliva vo väčšine súčasných ľahkovodných reaktorov (používa sa vo forme keramických tabliet, tzv. peliet).
Oxid uránový link
Oxid uránový (U₃O₈) je zelenkasto-čierny prášok, najstabilnejší oxid uránu na vzduchu. Je hlavnou zložkou "yellowcake" a formou, v akej sa urán často skladuje a prepravuje.
Fluorid uránový link
Fluorid uránový (UF₆) je biela kryštalická látka, ktorá ľahko sublimuje na plyn. Je kľúčová pre obohacovanie uránu metódou plynnej centrifugácie. Je veľmi reaktívny a korozívny.
Uranylový katión a jeho soli link
Uranylový katión (UO₂²⁺) je lineárny katión [O=U=O]²⁺ (U má stav +VI). Tvorí stabilné a často žlto sfarbené soli (napr. dusičnan uranylu UO₂(NO₃)₂). Je to najbežnejšia forma uránu vo vodných roztokoch v oxidačných podmienkach.
- Je to rádioaktívny, strieborný, pomerne mäkký kov.
- V prírode sa vyskytuje takmer výlučne ako izotop ²³²Th s veľmi dlhým polčasom rozpadu (14 mld. rokov).
- Jeho jediný bežný oxidačný stav je +IV.
- Je plodným materiálom – záchytom neutrónu sa môže premeniť na štiepiteľný ²³³U (tóriový palivový cyklus).
| Vesmír | 4.0e-8 % |
|
| Slnečná sústava | 3.0e-8 % |
|
| Meteority | 3.9e-6 % |
|
| Zemská kôra | 0.00060 % |
|
| Oceány | 4.0e-12 % |
|
Oxid toričitý link
Oxid toričitý (ThO₂) je biely prášok s extrémne vysokou teplotou topenia (cca 3300 °C). V minulosti sa používal v plynových pančuškách (jemných sieťkach potiahnutých ThO₂, ktoré po zahriatí plameňom intenzívne svietili). Dnes sa používa v špeciálnej vysokoteplotnej keramike a ako katalyzátor.
- Bol prvým objaveným transuránom (umelo pripravený).
- Je to strieborný kov, chemicky reaktívny.
- Vyrába sa v jadrových reaktoroch ako vedľajší produkt pri výrobe Pu.
- Vykazuje širokú škálu oxidačných stavov (+3 až +7), ióny majú rôzne farby.
- Najstabilnejší izotop je ²³⁷Np (t1/2 = 2,14 mil. rokov).
- Známe sú oxidy (napr. oxid neptúničitý, NpO₂) a prchavý fluorid neptúnový (NpF₆).
- Je to rádioaktívny, striebrolesklý kov, ktorý na vzduchu rýchlo tmavne.
- Pripravuje sa umelo, najmä z ²³⁸U v jadrových reaktoroch.
- Má komplexnú chémiu s oxidačnými stavmi od +II po +VII (najbežnejšie +III, +IV, +V, +VI).
- Vykazuje šesť alotropických modifikácií v pevnom stave.
- Izotop ²³⁹Pu je štiepiteľný a je kľúčovým materiálom pre jadrové zbrane a jadrové palivo (MOX).
- Izotop ²³⁸Pu je silný alfa žiarič používaný ako zdroj tepla v RTG pre vesmírne sondy.
Oxid plutoničitý link
Oxid plutoničitý (PuO₂) je chemicky veľmi stabilný žiaruvzdorný keramický materiál. Je hlavnou formou plutónia používanou ako jadrové palivo (najmä MOX) a na dlhodobé skladovanie.
- Je to syntetický, striebristo-biely, relatívne mäkký rádioaktívny kov.
- Vyrába sa v jadrových reaktoroch ožarovaním Pu.
- Vykazuje oxidačné stavy +3 (najbežnejší), +4, +5, +6.
- Izotop ²⁴¹Am (t1/2 = 432 rokov) je najdôležitejší, používa sa v ionizačných detektoroch dymu (ako oxid američitý, AmO₂).
- Je to syntetický, striebristý, intenzívne rádioaktívny kov.
- Vyrába sa ožarovaním Pu v reaktoroch.
- Bežný oxidačný stav je +3 (Cm³⁺), známy je aj stav +4.
- Izotopy ²⁴²Cm a ²⁴⁴Cm sa používajú ako zdroje tepla v RTG.
Známe zlúčeniny curia link
Medzi známe zlúčeniny patria čierny oxid curičitý (CmO₂) a belavý oxid curitý (Cm₂O₃). Pripravené boli aj bezfarebné trihalogenidy ako fluorid curitý (CmF₃) a chlorid curitý (CmCl₃).
- Je to syntetický, predpokladá sa striebristý, reaktívny kov.
- Vyrába sa ožarovaním Am alebo Cm (miligramové množstvá).
- V roztoku existuje v oxidačných stavoch +3 a +4.
- Používa sa ako terč na výrobu ťažších prvkov.
Známe zlúčeniny berkélia link
Boli pripravené oxidy ako hnedý oxid berkeličitý (BkO₂) a žltozelený oxid berkelitý (Bk₂O₃). Z halogenidov sú známe zelený chlorid berkelitý (BkCl₃), žltozelený fluorid berkelitý (BkF₃) a tiež fluorid berkeličitý (BkF₄).
- Je to syntetický rádioaktívny kov.
- Vyrába sa ožarovaním Bk alebo ľahších aktinoidov v reaktoroch (miligramové množstvá).
- Vykazuje oxidačné stavy +3 (najbežnejší), +4 (napr. v CfO₂) a +2 (napr. v CfCl₂).
- Izotop ²⁵²Cf je unikátny zdroj neutrónov vďaka spontánnemu štiepeniu.
- Využíva sa pri spúšťaní reaktorov, v rádioterapii a pri analýze materiálov.
- Je to syntetický, striebristý, vysoko rádioaktívny kov.
- Objavené v troskách po výbuchu H-bomby. Vyrába sa ožarovaním Cf (mikrogramové množstvá).
- Jeho štúdium je náročné kvôli intenzívnej rádioaktivite a rýchlemu rozpadu.
- Prevažuje oxidačný stav +3, dostupný je aj stav +2.
- Používa sa ako terč na výrobu mendelévia.
- Je to syntetický, vysoko rádioaktívny kov (nepripravený v čistej forme).
- Objavené spolu s Es. Je najťažším prvkom vyrobiteľným v reaktoroch (pikogramové množstvá).
- Prevažuje oxidačný stav +3, dostupný je aj stav +2.
- Nemá využitie mimo výskumu.
- Je to syntetický, vysoko rádioaktívny kov (nepripravený).
- Prvý prvok pripravený a identifikovaný atóm po atóme (bombardovaním Es).
- Prevažuje oxidačný stav +III, známy je aj +II a potenciálne +I.
- Nemá využitie mimo výskumu.
- Je to syntetický, vysoko rádioaktívny kov (nepripravený).
- Vyrába sa bombardovaním ľahších aktinoidov ťažkými iónmi.
- Chemicky anomálne – najstabilnejší oxidačný stav vo vode je +II (kvôli stabilnej konfigurácii 5f¹⁴), stav +III je silne oxidujúci.
- Nemá využitie mimo výskumu.
- Je to syntetický, vysoko rádioaktívny kov (nepripravený).
- Je posledným aktinoidom.
- Vyrába sa bombardovaním Cf iónmi bóru alebo Bk iónmi kyslíka.
- Chemicky sa správa ako typický trojmocný prvok (+III), podobne ako lutécium.
- Nemá využitie mimo výskumu.
