Actinium

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Actinium, Ac, 89
Elementkategorie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	3, 7, d
Aussehen	silbrig
CAS-Nummer	Vorlage:CASRN
ECHA-InfoCard	Lua-Fehler in Modul:Wikidata, Zeile 1686: attempt to index field 'wikibase' (a nil value) Lua-Fehler in Modul:Wikidata, Zeile 1686: attempt to index field 'wikibase' (a nil value)
Massenanteil an der Erdhülle	6 · 10−14 ppm<ref name="Harry H. Binder">Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.</ref>
Atomar<ref>Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Actinium) entnommen.</ref>
Atommasse	227,0278 u
Atomradius	195 pm
Kovalenter Radius	215 pm
Elektronenkonfiguration	[Rn] 6d1 7s2
1. Ionisierungsenergie	Vorlage:ZahlExp ≈ Vorlage:ZahlExp
2. Ionisierungsenergie	Vorlage:ZahlExp ≈ Vorlage:ZahlExp
3. Ionisierungsenergie	Vorlage:ZahlExp ≈ Vorlage:ZahlExp
4. Ionisierungsenergie	Vorlage:ZahlExp ≈ Vorlage:ZahlExp
5. Ionisierungsenergie	Vorlage:ZahlExp ≈ Vorlage:ZahlExp
Physikalisch<ref>Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Actinium) entnommen.</ref>
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	kubisch flächenzentriert
Dichte	10,07 g/cm3
Schmelzpunkt	1323 K (1050 °C)
Siedepunkt	3573 K (3300 °C)
Molares Volumen	22,55 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	400 kJ·mol−1
Schmelzenthalpie	14 kJ·mol−1
Wärmeleitfähigkeit	12 W·m−1·K−1
Chemisch<ref>Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Actinium) entnommen.</ref>
Oxidationszustände	+3
Normalpotential	−2,13 V (Ac3+ + 3 e− → Ac)
Elektronegativität	1,1 (Pauling-Skala)
Isotope
Weitere Isotope siehe Vorlage:Infobox Chemisches Element/Isotope
Gefahren- und Sicherheitshinweise
	Radioaktiv; Radioaktiv
	GHS-Gefahrstoffkennzeichnung; keine Einstufung verfügbar<ref name="NV">Die von der Radioaktivität ausgehenden Gefahren gehören nicht zu den einzustufenden Eigenschaften nach der GHS-Kennzeichnung. In Bezug auf weitere Gefahren wurde dieses Element entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden. </ref>
	GHS-Gefahrstoffkennzeichnung; keine Einstufung verfügbar<ref name="NV">Die von der Radioaktivität ausgehenden Gefahren gehören nicht zu den einzustufenden Eigenschaften nach der GHS-Kennzeichnung. In Bezug auf weitere Gefahren wurde dieses Element entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden. </ref>
	Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Actinium ist ein radioaktives chemisches Element mit dem Elementsymbol Ac und der Ordnungszahl 89. Im Periodensystem der Elemente steht es in der 3. IUPAC-Gruppe, der Scandiumgruppe. Das Element ist ein Metall und gehört zur 7. Periode, d-Block. Es ist der Namensgeber der Gruppe der Actinoide, der ihm folgenden 14 Elemente.

Geschichte

Datei:Prof. Dr. Friedrich Giesel.jpg

Friedrich Giesel

Für die Entdeckung des Actiniums kommen zwei verschiedene Forscher in Betracht. Der erste ist André-Louis Debierne, ein Mitarbeiter von Pierre und Marie Curie. Er führte 1899 die von den Curies angefangene Trennung von Pechblende über den Kationentrennungsgang weiter und entdeckte in der Ammoniumsulfidgruppe bei der Fällung mit Ammoniak Radioaktivität. Nach der Abtrennung anderer Elemente konnte er schließlich ein Titan-ähnliches, radioaktives Element isolieren.<ref>André-Louis Debierne: Sur une nouvelle matière radio-active. In: Comptes rendus. Band 129, 1899, 129, S. 593–595 (Digitalisat auf Gallica).</ref> Nach weiteren Untersuchungen beschrieb er im nächsten Jahr, dass das radioaktive Element doch nicht dem Titan, sondern eher dem Thorium ähnelte.<ref>André-Louis Debierne: Sur un nouvel élément radio-actif : l’actinium. In: Comptes rendus. Band 130, 1900, S. 906–908 (Digitalisat auf Gallica).</ref> Er benannte das neue Element auf Grund seiner Radioaktivität nach dem griechisch ἀκτίς aktís ‚Strahl‘<ref>Alexander Senning: The Etymology of Chemical Names. De Gruyter, 2019, ISBN 978-3-11-061106-9, S. 246.</ref> Actinium.<ref name="Niese">Siegfried Niese: Die Entdeckung des Actiniums. In: Geschichte der Chemie: Mitteilungen. Band 23, 2013, S. 129-144 (online bei der GDCh, pdf).</ref>

Ab 1902 untersuchte auch Friedrich Giesel, Angestellter der Braunschweiger Firma Buchler, Pechblende, um radioaktive Elemente zu finden. Er trennte dabei durch fraktionierte Kristallisation der Oxalate Thorium und die Seltenen Erden auf. Dabei entdeckte er ein radioaktives Element, das dem Lanthan ähnlich war. Dieses nannte er 1904 nach dem lateinischen emano ‚ausfließen‘ Emanium, da es Radioaktive Strahlung abgab.<ref>F. Giesel: Ueber Radium und radioactive Stoffe. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1902, Band 35, Nummer 3, S. 3608–3611 doi:10.1002/cber.190203503187.</ref><ref>F. Giesel: Ueber den Emanationskörper (Emanium). In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1904, Band 37, Nummer 2, S. 1696–1699 doi:10.1002/cber.19040370280.</ref> In der Folge entstand eine Diskussion darüber, ob die beiden gefundenen Elemente identisch sind. Schließlich organisierte Marie Curie 1904 einen Vergleich von Proben der beiden Elemente. In diesem stellten Otto Hahn und Otto Sackur parallele Versuche mit beiden Elementen an, bei denen sie die Halbwertszeit des Zerfalls maßen. Sie stellten fest, dass die gemessenen Halbwertszeiten von Actinium und Emanium gleich waren und somit wahrscheinlich das gleiche Element sind.<ref>Otto Hahn, Otto Sackur: Die Zerfallsconstante der Emanationen des Emaniums und Actiniums. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1905, Band 38, Nummer 2, S. 1943–1946 doi:10.1002/cber.190503802121.</ref> Seitdem gilt Debierne auf Grund der früheren Entdeckung überwiegend als Entdecker des Actiniums und sein Name Actinium wurde für das Element beibehalten.<ref name="Niese"/>

Allerdings wurden durch die unterschiedliche Chemie der gefundenen Elemente die Gleichheit von Actinium und Emanium immer wieder in Frage gestellt. So untersuchte Bertram Boltwood Actinium-Proben, die sowohl nach Debiernes als auch nach Giesels Beschreibung hergestellt wurden und stellte fest, dass sich nur aus Debiernes Actinium Radium bildete. Er war darum überzeugt, ein neues Element gefunden zu haben, das er Ionium nannte.<ref>B. B. Boltwood: Ionium, a new radio-active element. In: American Journal of Science. 1908, Band s4-25, Nummer 149, S. 365–381 doi:10.2475/ajs.s4-25.149.365.</ref> 1913 konnte George de Hevesy nachweisen, dass Actinium dreiwertige Ionen besitzt und daher zu Lanthan homolog ist.<ref>Georg von Hevesy: Diffusion und Valenz der Radiumelemente. In: Phys. Zeitschrift. Band 14, 1913, S. 1202-1209 (online).</ref><ref name="Niese"/>

Aus heutiger Sicht muss davon ausgegangen werden, dass Debierne kein Actinium, sondern eine Mischung verschiedener Radioisotope isoliert hatte, bei der Thoriumisotop ²³⁰Th dominierte. Weitere Bestandteile der Mischung waren ²²⁷Ac, ²²⁷Th und ²³¹Pa. Auch Ionium entsprach ²³⁰Th. Möglicherweise hat Debierne auch Protactinium von den anderen Bestandteilen abgetrennt. Dabei ist zu beachten, dass die schwache Betastrahlung des Actiniums zur Zeit der Entdeckung noch nicht gemessen werden konnte und nur die Alphastrahlung von Tochterisotopen wie ²²⁷Th oder ²²³Ra detektiert wurde.<ref name="Niese"/>

Gewinnung und Darstellung

Da in Uranerzen nur wenig Actinium vorhanden ist, spielt diese Quelle keine Rolle für die Gewinnung. Technisch wird das Isotop ²²⁷Ac durch Bestrahlung von ²²⁶Ra mit Neutronen in Kernreaktoren hergestellt.

<math>\mathrm{^{226}_{\ 88}Ra\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{227}_{\ 88}Ra\ \xrightarrow[42,2 \ min]{\beta^-} \ ^{227}_{\ 89}Ac}</math>

Die Zeitangaben sind Halbwertszeiten.

Durch den schnellen Zerfall des Actiniums waren stets nur geringe Mengen verfügbar. Die erste künstliche Herstellung von Actinium wurde im Argonne National Laboratory in Chicago durchgeführt.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Das Metall ist silberweiß glänzend<ref name="blueglow" /> und relativ weich.<ref>Frederick Seitz, David Turnbull: Solid state physics: advances in research and applications, Academic Press, 1964, ISBN 0-12-607716-9, S. 289–291 (eingeschränkte Vorschau in der Google-BuchsucheSkriptfehler: Ein solches Modul „Vorlage:GoogleBook“ ist nicht vorhanden.).</ref> Aufgrund seiner starken Radioaktivität leuchtet Actinium im Dunkeln in einem hellblauen Licht.<ref name="blueglow" />

Actinium ist das namensgebende Element der Actinoiden, ähnlich wie Lanthan für die Lanthanoiden. Die Gruppe der Elemente zeigt deutlichere Unterschiede als die Lanthanoide; daher dauerte es bis 1945, bis Glenn T. Seaborg die wichtigsten Änderungen zum Periodensystem von Mendelejew vorschlagen konnte: die Einführung der Actinoide.<ref>Glenn T. Seaborg: „The Transuranium Elements“, in: Science, 1946, 104, Nr. 2704, S. 379–386 (doi:10.1126/science.104.2704.379; PMID 17842184).</ref>

Chemische Eigenschaften

Es ist sehr reaktionsfähig und wird von Luft und Wasser angegriffen, überzieht sich aber mit einer Schicht von Actiniumoxid, wodurch es vor weiterer Oxidation geschützt ist.<ref name="blueglow">Joseph G. Stites, Murrell L. Salutsky, Bob D. Stone: „Preparation of Actinium Metal“, in: J. Am. Chem. Soc., 1955, 77 (1), S. 237–240 (doi:10.1021/ja01606a085).</ref> Das Ac³⁺-Ion ist farblos. Das chemische Verhalten von Actinium ähnelt sehr dem Lanthan. Actinium ist in allen zehn bekannten Verbindungen dreiwertig.<ref>J. J. Katz, W. M. Manning: „Chemistry of the Actinide Elements“, in: Annual Review of Nuclear Science, 1952, 1, S. 245–262 (doi:10.1146/annurev.ns.01.120152.001333).</ref>

Isotope

Bekannt sind 26 Isotope, wovon nur zwei natürlich vorkommen. Das langlebigste Isotop ²²⁷Ac (Halbwertszeit 21,8 Jahre) hat zwei Zerfallskanäle: es ist ein Alpha- und Betastrahler. ²²⁷Ac ist ein Zerfallsprodukt des Uranisotops ²³⁵U und kommt zu einem kleinen Teil in Uranerzen vor. Daraus lassen sich wägbare Mengen ²²⁷Ac gewinnen, die somit ein verhältnismäßig einfaches Studium dieses Elementes ermöglichen. Da sich unter den radioaktiven Zerfallsprodukten einige Gammastrahler befinden, sind aber aufwändige Strahlenschutzvorkehrungen nötig.

Verwendung

Actinium wird zur Erzeugung von Neutronen eingesetzt, die bei Aktivierungsanalysen eine Rolle spielen. Außerdem wird es für die thermoionische Energieumwandlung genutzt.

Beim dualen Zerfall des ²²⁷Ac geht der größte Teil unter Emission von Beta-Teilchen in das Thoriumisotop ²²⁷Th, aber ca. 1 % zerfällt durch Alpha-Emission zu Francium ²²³Fr. Eine Lösung von ²²⁷Ac ist daher als Quelle für das kurzlebige ²²³Fr verwendbar. Letzteres kann dann regelmäßig abgetrennt und untersucht werden.

Sicherheitshinweise

Einstufungen nach der CLP-Verordnung liegen nicht vor, weil diese nur die chemische Gefährlichkeit umfassen und eine völlig untergeordnete Rolle gegenüber den auf der Radioaktivität beruhenden Gefahren spielen. Auch Letzteres gilt nur, wenn es sich um eine dafür relevante Stoffmenge handelt.

Verbindungen

Nur eine geringe Anzahl von Actiniumverbindungen ist bekannt. Mit Ausnahme von AcPO₄ sind sie alle den entsprechenden Lanthanverbindungen ähnlich und enthalten Actinium in der Oxidationsstufe +3.<ref name="j2">Sherman Fried, French Hagemann, W. H. Zachariasen: „The Preparation and Identification of Some Pure Actinium Compounds“, in: J. Am. Chem. Soc., 1950, 72, S. 771–775 (doi:10.1021/ja01158a034).</ref> Insbesondere unterscheiden sich die Gitterkonstanten der jeweiligen Lanthan- und Actinium-Verbindungen nur in wenigen Prozent.<ref name="j2" />

Formel	Farbe	Symmetrie	Raumgruppe	Pearson-Symbol	a (pm)	b (pm)	c (pm)	Z	Dichte, g/cm³
Ac	silber	fcc<ref name="ach">J. D. Farr, A. L. Giorgi, M. G. Bowman, R. K. Money: „The crystal structure of actinium metal and actinium hydride“, in: Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry, 1961, 18, S. 42–47 (doi:10.1016/0022-1902(61)80369-2).</ref>	Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225	cF4	531,1	531,1	531,1	4	10,07
AcH₂		kubisch<ref name="ach" />	Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225	cF12	567	567	567	4	8,35
Ac₂O₃	weiß<ref name="blueglow" />	trigonal<ref name="aco">W. H. Zachariasen: „Crystal Chemical Studies of the 5f-Series of Elements. XII. New Compounds Representing known Structure Types“, in: Acta Crystallographica, 1949, 2, S. 388–390 (doi:10.1107/S0365110X49001016).</ref>	P3m1 (Nr. 164)Vorlage:Raumgruppe/164	hP5	408	408	630	1	9,18
Ac₂S₃		kubisch<ref name="acs">W. H. Zachariasen: „Crystal Chemical Studies of the 5f-Series of Elements. VI. The Ce₂S₃–Ce₃S₄ Type of Structure“, in: Acta Crystallographica, 1949, 2, S. 57–60 (doi:10.1107/S0365110X49000126).</ref>	I43d (Nr. 220)Vorlage:Raumgruppe/220	cI28	778,56	778,56	778,56	4	6,71
AcF₃	weiß<ref name="m71">Gerd Meyer, Lester R. Morss: Synthesis of lanthanide and actinide compounds, Springer, 1991, ISBN 0-7923-1018-7, S. 71 (eingeschränkte Vorschau in der Google-BuchsucheSkriptfehler: Ein solches Modul „Vorlage:GoogleBook“ ist nicht vorhanden.).</ref>	hexagonal<ref name="aco" /><ref name="j2" />	P3c1 (Nr. 165)Vorlage:Raumgruppe/165	hP24	741	741	755	6	7,88
AcCl₃		hexagonal<ref name="accl">W. H. Zachariasen: „Crystal Chemical Studies of the 5f-Series of Elements. I. New Structure Types“, in: Acta Crystallographica, 1948, 1, S. 265–268 (doi:10.1107/S0365110X48000703).</ref><ref name="j2" />	P6₃/m (Nr. 176)Vorlage:Raumgruppe/176	hP8	764	764	456	2	4,8
AcBr₃	weiß<ref name="j2" />	hexagonal<ref name="accl" />	P6₃/m (Nr. 176)Vorlage:Raumgruppe/176	hP8	764	764	456	2	5,85
AcOF	weiß<ref name="m87">Gerd Meyer, Lester R. Morss: Synthesis of lanthanide and actinide compounds, Springer, 1991, ISBN 0-7923-1018-7, S. 87–88 (eingeschränkte Vorschau in der Google-BuchsucheSkriptfehler: Ein solches Modul „Vorlage:GoogleBook“ ist nicht vorhanden.).</ref>	kubisch<ref name="j2" />	Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225		593,1				8,28
AcOCl		tetragonal<ref name="j2" />			424	424	707		7,23
AcOBr		tetragonal<ref name="j2" />			427	427	740		7,89
AcPO₄ · 0,5 H₂O		hexagonal<ref name="j2" />			721	721	664		5,48

Oxide

Actinium(III)-oxid (Ac₂O₃) kann durch Erhitzen des Hydroxids bei 500 °C oder des Oxalats bei 1100 °C im Vakuum erhalten werden. Das Kristallgitter ist isotyp mit den Oxiden der meisten dreiwertigen Seltenerdmetalle.<ref name="j2" />

Halogenide

Actinium(III)-fluorid (AcF₃) kann entweder in Lösung oder durch Feststoffreaktion dargestellt werden. Im ersten Fall gibt man bei Raumtemperatur Flusssäure zu einer Ac³⁺-Lösung und fällt das Produkt aus. im anderen Fall wird Actinium-Metall mit Fluorwasserstoff bei 700 °C in einer Platinapparatur behandelt.

Actinium(III)-chlorid (AcCl₃) wird durch Umsetzung von Actiniumhydroxid oder -oxalat mit Tetrachlormethan bei Temperaturen oberhalb von 960 °C erhalten.<ref name="j2" />

Die Reaktion von Aluminiumbromid und Actinium(III)-oxid führt zum Actinium(III)-bromid (AcBr₃) und Behandlung mit feuchtem Ammoniak bei 500 °C führt zum Oxibromid AcOBr.<ref name="j2" />

Weitere Verbindungen

Gibt man Natriumdihydrogenphosphat (NaH₂PO₄) zu einer Lösung von Actinium in Salzsäure, erhält man weiß gefärbtes Actiniumphosphat (AcPO₄ · 0,5 H₂O); ein Erhitzen von Actinium(III)-oxalat mit Schwefelwasserstoff bei 1400 °C für ein paar Minuten führt zu schwarzem Actinium(III)-sulfid (Ac₂S₃).<ref name="j2" />

Literatur

Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Joseph J. Katz, Jean Fuger (Hrsg.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements, Springer, Dordrecht 2006; ISBN 1-4020-3555-1, S. 18–51 (doi:10.1007/1-4020-3598-5_2).