Aktinoidy (Prvky 7. periódy, f-blok)

Autor: Peter Pančík
Publikované dňa: 02.05.2025

Citácia: PANČÍK, Peter. 2025. Chempedia.sk: Aktinoidy (Prvky 7. periódy, f-blok). [cit. 2025-11-15]. 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.

Je potrebné poznamenať, že zaradenie aktínia (Ac) si vyžaduje vysvetlenie. Hoci jeho elektrónová konfigurácia ([Rn] 6d¹ 7s²) ho formálne neradí medzi f-prvky, v praxi sa k aktinoidom často priraďuje. Dôvodom je jeho pozícia pred sériou 5f prvkov a chemické vlastnosti blízke nasledujúcim členom. Aj IUPAC vo svojich odporúčaniach uvádza termín „aktinoid“ pre celú sériu Ac–Lr, zahŕňajúcu tak pätnásť prvkov.

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

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

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

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

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.

V prípade Fm, Md, No a Lr sa kovový charakter len predpokladá. Tieto prvky nikdy neboli pripravené a izolované ako čistý kov v dostatočnom (makroskopickom) množstve, ktoré by umožnilo priamo skúmať ich kovové vlastnosti. Hoci chemické správanie fermia bolo možné študovať aj s extrémne malými (rádioaktívnymi) množstvami, ani to sa nepodarilo získať ako kov. Preto sa pri týchto prvkoch uvádza poznámka "(nepripravený)" alebo špecifickejšie pre Fm "(nepripravený v čistej forme)"

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

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

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 (K₂(UO₂)₂(VO₄)₂·3H₂O) a autunit (Ca(UO₂)₂(PO₄)₂·10-12H₂O).
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

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.

\( \ce{UF4(s) + 2Ca(s) ->[\Delta] U(s) + 2CaF2(s)} \)

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

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.

\( \ce{^{238}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{239}_{92}U ->[{\beta^-}][{23\,\text{min}}] ^{239}_{93}Np ->[{\beta^-}][{2,3\,\text{dňa}}] ^{239}_{94}Pu} \)

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...).

\( \ce{^{239}_{94}Pu + ^{4}_{2}He -> ^{242}_{96}Cm + ^{1}_{0}n} \)

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

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

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

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

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

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

Tvoria hydridy často nestechiometrického zloženia, napr. ThH₂, UH₃, PuH₂₊ₓ. Sú to reaktívne tuhé látky, často pyroforické.

Soli oxokyselín

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

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).

90 Th

Tórium

Thorium Aktinoidy

Perióda 7

Skupina 4

Objav: Jöns Jacob Berzelius (1828)

Izolácia: Jöns Jacob Berzelius (1829)

T. topenia

1750 °C

T. varu

4788 °C

Kľúčové vlastnosti

Atómová hmotnosť 232.038 u

Atómový polomer 180 pm

Hustota 11724 kg/m³

Elektronegativita 1.30

Ionizačná energia 587 kJ/mol

Elektrónová afinita 112.72 kJ/mol

Elektrónová konfigurácia

Úplná: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰ 5p⁶ 6s² 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6p⁶ 7s² 6d²

Skrátená: [Rn] 7s² 6d²

↑ ↓

↑

↑ ↓

Výskyt v prírode

Vesmír 4.0e-8 %

Slnečná sústava 3.0e-8 %

Meteority 3.9e-6 %

Zemská kôra 0.00060 %

Oceány 4.0e-12 %

Zlúčeniny a minerály

Načítavajú sa molekulárne štruktúry...

euxenit

(Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)₂O₆

monazit

(Ce,La,Th,Nd)PO₄

thorianit

(Th,U)O₂

thorit

ThSiO₄

Načítava sa...

oxid toričitý

ThO₂

Načítavajú sa molekulárne štruktúry...

Základná charakteristika

Objavil ho Jöns Jacob Berzelius v roku 1828, ktorý ho aj ako prvý (v nečistej forme) izoloval v roku 1829.
Je to rádioaktívny, strieborný, pomerne mäkký kov.
Patrí medzi aktinoidy.
Na vzduchu pomaly oxiduje, pri zahriatí horí za vzniku oxidu toričitého (ThO₂).
V prírode sa vyskytuje takmer výlučne ako izotop ²³²Th, ktorý má veľmi dlhý polčas rozpadu (približne 14 miliárd rokov).
Hlavným zdrojom tória sú minerály ako monazit a torit.
Jeho jediný bežný a stabilný oxidačný stav v zlúčeninách je +IV (toričitý).
Tórium je plodným materiálom; záchytom neutrónu sa môže premeniť na štiepiteľný izotop uránu ²³³U, čo je základom tóriového palivového cyklu v jadrovej energetike.
Používa sa v špeciálnych zliatinách (napr. s horčíkom na zlepšenie pevnosti pri vysokých teplotách), v žiaruvzdorných materiáloch (ThO₂ má extrémne vysokú teplotu topenia).
Historicky sa používal ako osvetlenie; dnes sa jeho využitie skúma najmä v kontexte jadrovej energetiky ako alternatíva k uránovému palivu.

Významné zlúčeniny tória

Oxid toričitý

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.

91 Pa

Protaktínium

Protactinium Aktinoidy

Perióda 7

Skupina 5

Objav: Kasimir Fajans a Oswald Helmuth Göhring (1913)

Izolácia: Aristid von Grosse (1934)

Pomenoval: Otto Hahn

T. topenia

1568 °C

T. varu

4027 °C