锕系元素

锕系元素是指原子序数 89～103 的 15 个元素。它们都具有放射性，称放射性元素。在铀以后的 11 个元素（原子序数 93～103）均是在 1940～1962 年用人工核反应制得的，通常又称超铀元素。

锕系元素的电子是否填充在 5f 电子层上，其性质是否与镧系元素相似， 这些问题在历史上有过争论。1944 年，当 96 号元素锔（Cm）人工合成之后， 美国化学家西博格（Seaberg）提出锕系理论，认为锕以后的元素应组成类似于镧系的另一个过渡系列，称锕系元素。90 号钍（Th）和 92 号铀（U）并不属于ⅣB 和ⅥB 族元素。锕系元素增加电子依次填充在 5f 电子亚层上。而当时有人持不同意见，认为钍的氧化态为+4，与 Zr、Hf 相似。铀的氧化态为+6， 与 Mo、W 相似。直到 104 号元素于 1964 年合成后，并证实其性质与 Hf 相似， 锕系理论才得到证实。

10.2.1 锕系元素的电子构型

锕系元素由于原子核的不稳定性，使确定基态价电子结构遇到很大的困难。当锕系理论提出后，确认锕系元素的电子填充在 5f 电子层上，但是 5f 和 6d 的能量要比 4f 和 5d 能量更为接近，而常见锕呈+3 氧化态，Th 呈+4 氧化态，U 呈+6 氧化态，所以究竟哪个元素开始填充 5f 电子，至今并不清楚， 目前公认最可能的结构列于表 10—8。由表 10—8 可知：锕系元素原子的价电子层结构与镧十分相似，锕系元素的电子构型 5f^0-14、6d^0-2、7s²，而镧系 为 4f^0-14、5d^0-1、6s²。它们的主要差别是 5f 轨道的能量和在空间的伸展范围都比 4f 轨道大，因而造成了 5f 和 6d 的能量更接近，而 4f 和 5d 的能量则相差较大。锕系的前一半元素中 Th—Bk 和 f 电子从 5f→6d 跃迁所需能量比镧系中 4f→5d 跃迁所需的能量要小，从而使 5f 电子可以参与成键；也使锕系元素中前面的元素原子（从 Th→Np）具有保持 d 电子的强烈倾向，而 Np 以后的锕系元素的价电子层结构与镧系元素相似。