Actinium

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

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 (Vorlage: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 (Vorlage: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 Vorlage:DOI.</ref><ref>F. Giesel: Ueber den Emanationskörper (Emanium). In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1904, Band 37, Nummer 2, S. 1696–1699 Vorlage:DOI.</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 Vorlage:DOI.</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 Vorlage:DOI.</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 (Vorlage:Google Buch).</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>	Vorlage:Raumgruppe	cF4	531,1	531,1	531,1	4	10,07
AcH2		kubisch<ref name="ach" />	Vorlage:Raumgruppe	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>	Vorlage:Raumgruppe	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>	Vorlage:Raumgruppe	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 (Vorlage:Google Buch).</ref>	hexagonal<ref name="aco" /><ref name="j2" />	Vorlage:Raumgruppe	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" />	Vorlage:Raumgruppe	hP8	764	764	456	2	4,8
AcBr3	weiß<ref name="j2" />	hexagonal<ref name="accl" />	Vorlage:Raumgruppe	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 (Vorlage:Google Buch).</ref>	kubisch<ref name="j2" />	Vorlage:Raumgruppe		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).

Weblinks

• Vorlage:RömppOnline

Einzelnachweise

<references />