Aktinoidi

Järjestysluku	Alkuaine	Merkki
89	Aktinium	Ac
90	Torium	Th
91	Protaktinium	Pa
92	Uraani	U
93	Neptunium	Np
94	Plutonium	Pu
95	Amerikium	Am
96	Curium	Cm
97	Berkelium	Bk
98	Kalifornium	Cf
99	Einsteinium	Es
100	Fermium	Fm
101	Mendelevium	Md
102	Nobelium	No
103	Lawrencium	Lr

Aktinoidit ovat alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä joukko peräkkäisiä jakson 7 alkuaineita, joiden järjestysluku on 89–103, aktiniumista lawrenciumiin. Lawrenciumia lukuun ottamatta ne kaikki kuuluvat jaksollisen järjestelmän f-lohkoon. Aktinoidit ovat kaikki radioaktiivisia metalleja, mutta kemiallisesti ne ovat samankaltaisia skandiumin, yttriumin ja lantanoidien kanssa.

Korkean järjestysluvun aktinoidit amerikiumista lähtien ovat synteettisiä eli niitä ei ole maapallolla luonnonvaraisina. Sarjan alkupäänkin alkuaineista luonnossa esiintyy runsaasti vain uraania ja toriumia. Aktinoideja voidaan valmistaa keinotekoisesti pommittamalla raskaita alkuaineita neutroneilla ydinreaktoreissa tai muilla hiukkasilla hiukkaskiihdyttimissä. Uraania ja plutoniumia käytetään paitsi voimaloissa myös ydinaseissa, ja ydinräjähdys voi tuottaa myös muita sarjan alkuaineita. Aktinoidien isotoopeista suurimman osan puoliintumisaika on lyhyt.

Aktinoidit, samoin kuin lantanoidit, merkitään usein jaksollisen järjestelmän alle omille riveilleen. Aktinoidista käytetään myös nimitystä aktinidi, mutta IUPAC pitää muotoa aktinoidit suositeltavampana, koska idi-päätteellä merkitään tavallisesti anioneja eli negatiivisia ioneita.

Ominaisuudet

Aktinoidien elektroniverhon rakenne

Lantanoidien tavoin aktinoidit ovat sisäsiirtymäaineita. Jokaisella on 86 elektronia järjestäytyneenä samoin kuin viimeisellä niitä edeltävällä jalokaasulla, radonilla, ja näiden lisäksi kolme elektronia, jotka sijoittuvat eri tavoin uloimmille 6d ja 7s -atomiorbitaaleille. Nämä toimivat pääasiallisina valenssielektroneita, jotka osallistuvat kemiallisten sidosten muodostumiseen. Alkuaineen järjestysluvun kasvaessa uusi elektroni sijoittuu aktinoideilla atomin kolmanneksi uloimman eli 5. kuoren f-orbitaalille. Nämä sisemmät 5f-elektronit pääasiassa erottavat eri aktinoidit toisistaan. Ne eivät juurikaan vaikuta alkuaineen kemiallisiin ominaisuuksiin tai osallistu sidosten muodostumiseen.

Hapetusluvut

Uraanisuolojen vesiliuoksia hapetusluvuilla III– VI

Neptuniumsuolojen vesiliuoksia hapetusluvuilla III– VII

Monessa suhteessa aktinoidit muistuttavatkin lantanoideja. Ne kaikki ovat metalleja. Kaikki aktinoidit voivat lantanoidien tapaan esiintyä yhdisteissään hapetusluvulla III. Aktiniumilla tämä onkin ainoa hapetusaste. Myös sarjan loppupään alkuaineilla kaliforniumista eteenpäin III on pääasiallisin hapetusluku; tosin ainakin fermiumille, mendeleviumille ja nobeliumille tunnetaan II hapetusluvun yhdisteitä, ja nobeliumin liuoksille nämä ovatkin poikkeuksellisesti vakaampia kuin III.

Sarjan alkupään alkuaineista muutamilla ovat kuitenkin korkeammat hapetusluvut pysyvämpiä, esimerkiksi toriumilla IV, protaktiniumilla V, uraanilla IV ja jopa VI. Tämä antaa niille jossakin määrin myös ryhmien 4, 5 ja 6 alkuaineita muistuttavia ominaisuuksia. Esimerkiksi uraani muistuttaa eräiltä ominaisuuksiltaan ryhmään 6 kuuluvia kromia, molybdeenia ja volframia. Tämän vuoksi, ja koska uraania raskaampia alkuaineita eli transuraaneja ei 1900-luvun alkuvuosina tunnettu, aktinoidit tunnistettiinkin vasta 1940-luvulta alkaen lantanoideja vastaavaksi erityiseksi alkuaineryhmäkseen. Ensimmäinen löydetty transuraani oli neptunium (1940), jota valmistettiin pommittamalla metallista uraania neutroneilla. Aikaisemmin torium, protaktinium ja uraani olivatkin jaksollisessa järjestelmässä sijoitettu ryhmiin 4–6, hafniumin, tantaalin ja volframin alapuolelle. Aktinoidien käsitteen esitti Glenn Seaborg 1944 ja se on nykyään yleisesti hyväksytty tapa järjestellä nämä alkuaineet jaksolliseen järjestelmään.

Kemialliset ominaisuudet

Aktinoidien ionisäde on hyvin suuri. Lantanoidien tavoin aktinoideillekin on tyypillistä ionien värillisyys, ionisäteen pieneneminen järjestysluvun kasvaessa ja kaksoissuolat.

Fysikaaliset ominaisuudet

Puhtaassa muodossaan aktinoidit ovat tyypillisiä metalleja. Ne ovat yleensä väriltään hopeisia tai valkoisia ja tummuvat ilmassa. Ne ovat pehmeitä ja niitä voidaan muotoilla, venyttää, takoa sekä seostaa muihin metalleihin. Toriumin kovuus on samaa luokkaa kuin pehmeän teräksen, joten siitä voidaan muotoilla levyjä tai vetää sitä langaksi. Joitain aktinoideja taas voi leikata veitsellä. Sarjan loppupään alkuaineita fermiumista alkaen ei ole koskaan pystytty valmistamaan makroskooppisia määriä, joten niiden tarkkoja fysikaalisia ominaisuuksia ei tunneta.

Aktinoidien tiheys on yleensä suuri. Torium on puoliksi niin tiheää kuin uraani tai plutonium, mutta on näitä kovempaa. Kaikki aktinoidit ovat radioaktiivisia sekä paramagneettisia ja johtavat sähköä ainakin jonkin verran. Aktinoidit ovat pyroforisia hienoksi jauhettuina. Kaikilla paitsi aktiniumilla on useita allotrooppisia muotoja: plutoniumilla peräti kuusi, kun taas uraanilla, neptuniumilla ja kaliforniumilla kolme.

Yhdisteet

Oksidit

Monet aktinoidit voivat muodostaa useita oksideja, kuten An₂O₃, AnO₂, An₂O₅ ja AnO₃. Aktiniumille tunnetaan kuitenkin vain yksi oksidi: aktinium(III)oksidi (Ac₂O₃).

Toriumdioksidi (ThO₂) on valkoinen heijastava materiaali, jonka sulamispiste on kaikista oksideista korkein (3390 °C).

Protaktiniumille tunnetaan protaktinium(IV)oksidi (PaO₂), joka on mustaa, ja protaktinium(V)oksidi (Pa₂O₅), joka on valkoista.

Uraanin oksideja ovat muun muassa uraanidioksidi (UO₂), uraanitrioksidi (UO₃) ja triuraanioktaoksidi (U₃O₈).

Plutonium, neptunium ja amerikium muodostavat kaksi oksidia: An₂O₃ ja AnO₂. Neptuniumtrioksidi ei ole stabiili yhdiste, vaan ainoastaan Np₃O₈ on kyetty syntetisoimaan. Plutoniumdioksidia voidaan käyttää ydinpolttoaineena MOX-polttoaineissa yhdessä uraanidioksidin kanssa. Sitä käytetään myös radioisotooppisissa termosähkögeneraattoreissa esimerkiksi avaruusluotainten voimanlähteenä.

Hydroksidit

Uraanitrioksidi (UO₃) on amfoteerinen ja muodostaa useita hydroksideja, joista pysyvin on uranyylihydroksidi (UO₂(OH)₂).

Neptuniumhydroksidia (Np(OH)₃) ei ole onnistuttu syntetisoimaan. Plutoniumhydroksidi (Pu(OH)₃) on väriltään sinistä, amerikiumhydroksidi (Am(OH)₃) pinkkiä ja curiumhydroksidi (Cm(OH)₃) on kellertävää tai väritöntä. Myös Bk(OH)₃ ja Cf(OH)₃ tunnetaan, kuten myös hapetusluvun IV hydroksidit neptuniumille, plutoniumille ja amerikiumille sekä V hydroksidit neptuniumille ja amerikiumille. Aktinoidien hydroksideilla ei ole kovin paljon käyttöä, mutta niitä on tutkittu etsittäessä ydinjätteen käsittelymenetelmiä.

Esiintyminen luonnossa

Aktinoidit ovat siitä erikoisia, että ne muodostavat 15 alkuaineen sarjan, joista yhdelläkään ei ole pysyviä isotooppeja, vaan kaikki aktinoidien isotoopit ovat radioaktiivisia. Tämän vuoksi vain muutamaa sarjan alkupään kevyttä alkuainetta, kuten toriumia ja uraania, löytyy luonnosta. Kolmella maapallolta löytyvällä aktinoidien isotoopilla (²³²Th, ²³⁵U ja ²³⁸U) on hyvin pitkät, miljardien vuosien puoliintumisajat. Näiden uskotaan olleen olemassa maapallon syntyessä. Myös joitakin näiden hajoamistuotteita esiintyy luonnollisesti, mutta niiden puoliintumisajat ovat paljon lyhyempiä.

Aktinium, torium, protaktinium ja uraani ovat ainoat aktinoidit, joita esiintyy luonnollisesti mainittavia määriä. Loput aktinoidit, joita usein kutsutaan transuraaneiksi, ovat ihmisen valmistamia joko pommittamalla luonnosta löytyviä aktinoideja neutroneilla reaktoreissa tai raskailla ioneilla (varautuneilla hiukkasilla) hiukkaskiihdyttimissä, kuten syklotroneissa.

Uraanin jälkeiset aktinoidit eivät esiinny luonnossa (muuta kuin joissain tapauksissa hivenmäärissä), koska niiden isotooppien pysyvyys vähenee järjestysluvun kasvaessa ja mahdollisesti ydinreaktioiden tuottamat määrät häviävät ennen kuin niitä ehtii kerääntyä ympäristöön. Plutoniumin isotooppia ²⁴⁴Pu saattaa olla hivenmääriä luonnossa.

Tuotanto ja eristäminen

Mineraaleista luonnossa esiintyvät aktinoidit erotetaan liuotinuutolla ja ioninvaihdolla.

Uraani-238 on uraanin pysyvin isotooppi, jonka puoliintumisaika on 4,5×10⁹ vuotta. Uraania louhitaan yleisesti kallioperästä ydinvoimaloita varten. Plutonium-239:n puoliintumisaika on 24 400 vuotta ja sitä tuotetaan reaktoreissa tonneittain, mutta raskaampia aktinoideja, kuten nobeliumia ja lawrenciumia, tuotetaan vain muutamia atomeja kerrallaan.

Käyttökohteita

Amerikium-241 käytetään palovaroittimissa. Tumma sisempi rengas on amerikiumia, jota ympäröi alumiini.

Plutoniumia raskaammilla aktinoideilla ei ole juurikaan käyttöä puhtaan tutkimuksen ulkopuolella. Joitain niistä on käytetty sähkön ja lämmön tuottamiseen avaruusluotaimissa ja neutronilähteinä. Joillain aktinoidien isotoopeilla, kuten ²⁵²Cf, on käyttöä syövän sädehoidossa.

Amerikiumdioksidia isotooppina ²⁴¹Am on käytetty palovaroittimissa. Tällainen aktinoidien käyttö kotitalouden tavaroissa on hyvin poikkeuksellista.

Katso myös

• Transaktinoidi
• Jatkettu jaksollinen järjestelmä

Lähteet

• Morss, Lester R. et al. (toim.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements. (3. painos) Dordrecht: Springer, 2006. ISBN 1402035985 Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
• Lehto, Jukka & Hou, Xiaolin: Chemistry and Analysis of Radionuclides. Weinheim: Wiley-VCH, 2011. ISBN 978-3-5276-3302-9 Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
• Greenwood, N. N. & Earnshaw, A.: Chemistry of the Elements. (2. painos) Oxford: Elsevier Ltd, 1997. ISBN 978-0-7506-3365-9 Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
• Mäkitie, Antti & Kivinen, Osmo: Kemia. Otava, 1988. ISBN 951-1-10136-6

Aiheesta muualla

• Los Alamos National Laboratory, Actinide Research Quarterly