Aktinoid (značka An^[1]) je pomenovanie pre člena skupiny chemických prvkov, nachádzajúceho sa v 7. perióde periodickej tabuľky prvkov za aktíniom s protónovým číslom 90 až 103, teda prvky tórium až lawrencium.^[1][2][3][4] Pre podobnosť chemických vlastností však býva do skupiny zaraďované aj samotné aktínium.^[1][2][3][4]

V periodickej tabuľke sa umiestňujú v osobitnej sekcii, rovnako ako lantanoidy nachádzajúce sa o periódu vyššie. Prvý prvok aktinoidového radu je tórium a aktínium spoločne so skandiom, ytriom a lantánom je zaradené medzi prechodné prvky do tretej skupiny.^[2] Používajú sa aj varianty usporiadania tak, že prvým prvkom skupiny je samotné aktínium a naopak lawrencium je umiestnené do bloku d v rámci vyššie uvedenej skupiny prvkov vzácnych zemín.^[2][5] Vyčlenenie, taktiež aj samotné pomenovanie skupiny bolo zavedené v 40. rokoch 20. storočia na základe publikácií amerického chemika Glenna T. Seaborga.^[6] Dovtedy sa známe aktinoidy (tórium, protaktínium a urán) umiestňovali v periodickej tabuľke pod hafnium, tantal a volfrám, vzhľadom na podobnosť oxidačných stupňov a zlúčenín.^[7]

Všetky aktinoidy sú prirodzene rádioaktívne.^[8] V prírode sa vo väčších (priemyselne ťažiteľných) množstvách vyskytujú len prvky urán a tórium, ktorých izotopy ²³⁸U, ²³⁵U a ²³²Th majú polčasy rozpadu rádovo miliardy rokov.^[8] V stopových množstvách sa na Zemi vyskytujú aj aktínium a protaktínium, ale len ako produkty rozpadu uránu/tória, nakoľko žiaden z ich izotopov nemá tak dlhý polčas rozpadu by mohli existovať od vzniku Zeme. Ostatné prvky skupiny boli pripravené umelo.^[9][8]

Hlavná oblasť využitia aktinoidov súvisí s ich rádioaktivitou, izotopy uránu ²³³U a ²³⁵U, ako aj izotop plutónia ²³⁹Pu sa používajú ako palivo/zdroj neutrónov pri riadenej reťazovej štiepnej reakcii v jadrových elektrárňach. Rovnako sú však používané aj ako zdroj neutrónov reťazovej reakcie jadrových zbraní. Izotop ²³⁸Pu sa používa ako zdroj termoelektrickej energie pre medziplanetárne sondy, rovnako aj ako zdroj energie pre kardiostimulátory.^[3]

História

Pred rokom 1940 boli známe len prvky aktínium, tórium, protaktínium a urán. Najstarší objavený aktinoid je urán, ako nový prvok ho objavil, aj keď čistý urán nezískal, nemecký chemik M. H. Klaproth v roku 1789 v smolinci. Smolinec nechal rozpustiť v kyseline dusičnej, roztok následne zneutralizoval hydroxidom sodným a získal žltú zlúčeninu (pravdepodobne diuránan sodný). Túto zlúčeninu redukoval drevným uhlím a ako produkt dostal čiernu látku, o ktorej sa mylne domnieval, že pripravil nový prvok. Pomenoval ho podľa tiež nedávno objavenej planéty Urán.^[3] Čistý urán sa podarilo vyrobiť až o 60 rokov neskôr francúzskemu chemikovi Eugène-Melchiorovi Péligotovi rovnakou metódou, ako bolo izolované tórium.^[3]

Z neznámeho minerálu pochádzajúceho z Nórska izoloval v 1827 Nemec Friedrich Wöhler oxid toričitý.^[10] To, že ide o oxid nového prvku, zistil o rok neskôr švédsky chemik Jöns Jakob Berzelius, ktorý nadviazal na prácu Wöhlera. Oxid detailnejšie opísal a pomenoval ho, vzhľadom na pôvod minerálu, podľa jedného z hlavných vikingských bohov Thorovi. Čisté tórium Berzelius neskôr vyrobil redukciou chloridu toričitého draslíkom.

Aktínium bolo objavené v roku 1899 francúzskym chemikom André-Louisom Debiernom, ktorý spolupracoval s manželmi Marie a Pierre Curie. Nový prvok objavil v zvyškoch smolinca po extrakcii rádia, kde sa v stopových množstvách vyskytuje ako člen rozpadového radu.^[11] Nezávisle od Debierneho aktínium objavil aj Nemec Friedrich Oskar Giesel v roku 1902. Pomenovanie je odvodené od gréckeho slova actinos – lúč vzhľadom na rádioaktivitu prvku.^[2]

Posledný aktinoid vyskytujúci sa v prírode protaktínium odseparoval ako silne rádioaktívny materiál z uránu v roku 1900 Willam Crokes, no nebol schopný ho presnejšie popísať a nazval ho jednoducho urán-X.^[11] Až v roku 1913 Kazimierz Fajans a Oswald Göhring urán-X bližšie popísali a pomenovali ho brevium (z lat. brevis – krátky) vzhľadom na krátku dobu života izotopu ²³⁴Pa (niekoľko hodín).^[11] Izotop s dlhším polčasom rozpadu ²³¹Pa bol izolovaný v Nemecku Ottom Hahnom a Lisou Meitnerovou, súbežne aj pracovnou skupinou v Spojenom kráľovstve vedenou Frederickom Soddym a následne došlo k premenovaniu prvku na protaktínium (z g. protos – predchodca aktínia).^[3]

Syntéza nových prvkov

Začiatkom 20. storočia vládlo v chemickej obci presvedčenie, že periodická tabuľka končí prvkom 92 – uránom. Objav neutrónu Jamesom Chadwickom v roku 1932, prvá syntéza prvkov bombardovaním iných prvkov alfa časticami Frédéricom Joliot-Curiem a Irène Joliotovou-Curieovou v roku 1934 a publikácie talianskeho fyzika Enrica Fermiho z prvej polovice 30. rokov, že pri ostreľovaní atómov ťažších prvkov neutrónmi dochádza k ich záchytu, následnej emisii beta žiarenia spojenej so zvýšením protónového čísla prvku, viedli k pokusom s ostreľovaním uránu ²³⁸U so snahou o syntézu prvku 93.^[4] Snahy však dlho neprinášali vytúžený efekt, až v roku 1940 sa Američanom Edwinovi McMillanovi a Philipovi Abelsonovi z University of California, Berkeley podarila syntéza nového prvku podľa reakcie:^[12]

${\displaystyle {}_{92}^{238}{\textrm {U}}+{}_{0}^{1}{\textrm {n}}{\xrightarrow {}}_{92}^{239}{\textrm {U}}{\xrightarrow{\beta ^{-}}}{}_{93}^{239}{\textrm {Np}}{\xrightarrow{\beta ^{-}}}{}_{94}^{239}{\textrm {Pu}}{\xrightarrow{\alpha }}}$

Prvok bol pomenovaný ako neptúnium, podľa planéty Neptún (analogicky tak ako nasleduje v Slnečnej sústave planéta Neptún za Uránom, tak nasleduje prvok neptúnium za uránom v periodickej tabuľke). V roku 1952 boli stopové množstvá neptúnia identifikované aj v rudách uránu, kde vzniká ako produkt vyššie uvedenej reakcie.^[3]

Syntéza ďalších prvkov nedala na seba dlho čakať. Už McMillan s Abelsonom pozorovali, že ²³⁹Np emisiou ß^- žiarenia prechádza na prvok s protónovým číslom 94 s hmotnosťou 239, ale neboli schopní ho bližšie popísať. Koncom roka 1940 však skupina s Glennom Seaborgom a McMillanom pripravila prvok 94 bombardovaním uránu deuterónmi.

${\displaystyle {}_{92}^{238}{\textrm {U}}+{}_{1}^{2}{\textrm {H}}{\xrightarrow {}}_{93}^{238}{\textrm {Np}}+2{}_{0}^{1}{\textrm {n}}{\xrightarrow{\beta ^{-}}}{}_{94}^{238}{\textrm {Pu}}}$

Prvok dostal meno plutónium Pu, podľa Pluta (opäť analogicky podľa vtedajšieho poradia planét v Slnečnej sústave, kde Pluto nasleduje za Neptúnom). V roku 1941 bolo synteticky pripravených už 0,5 μg plutónia a v roku 1948 boli namerané stopové množstvá ²³⁹Pu v prírode.^[3] Popis chemických vlastností plutónia zároveň potvrdil koncepciu rozpracovanú Seaborgom, že aktinoidy sú jedna skupina, nakoľko plutónium sa chemicky podobalo skôr uránu ako osmiu, pod ktoré by bolo v tradičnej koncepcii zaradené.

Syntéza prvkov nachádzajúcich sa za plutóniom pokračovala rýchlo a v laboratóriách univerzity v Berkeley boli v rokoch 1944 až 1955 ohlásené objavy prvkov 95 až 100, teda amerícium, curium, berkélium, kalifornium, einsteinium a fermium bombardovaním ľahších aktinoidov deutériom, resp. iónmi hélia.^[13] Plutónium sa v súčasnosti získava podľa reakcie

${\displaystyle {}_{92}^{238}{\textrm {U}}+{}_{0}^{1}{\textrm {n}}{\xrightarrow {}}_{92}^{239}{\textrm {U}}{\xrightarrow{\beta ^{-}}}{}_{93}^{239}{\textrm {Np}}{\xrightarrow{\beta ^{-}}}{}_{94}^{239}{\textrm {Pu}}}$

v jadrových reaktoroch v tonových množstvách.^[7] Postupným ožarovaním ²³⁹Pu možno získať až izotop ²⁵²Cf, ale výťažok je v porovnaní s množstvom použitého plutónia veľmi malý, len 0,3 % z východiskového izotopu.^[7] Výťažky sa dajú zvýšiť vyššou intenzitou toku neutrónov, no v jadrových reaktoroch sa to vzhľadom na bezpečnosť dosahuje veľmi obťažne. Pri výbuchu jadrovej bomby sa neutrónový tok zvýši rádovo, čo viedlo k objavu prvkov einsteinium a fermium, ktoré boli prvýkrát detegované ako produkty termonukleárnej reakcie pri teste prvej vodíkovej bomby v roku 1952 a až neskôr boli pripravené syntézou v cyklotróne v laboratóriu.^[7][3][13]

S narastajúcim protónovým číslom bola syntéza prvkov ťažšia, hlavným problémom bolo dostatočné množstvo východzieho prvku, ktorý by mohol byť bombardovaný neutrónmi/deutériom/iónmi hélia. Už prvok 101, neskôr pomenovaný mendelévium na počesť ruského chemika Mendelejeva, tvorcu periodickej tabuľky, bol prvýkrát syntetizovaný v počte len 17 atómov. Namiesto jadier hélia sa tak v urýchľovačoch začali na bombardovanie používať ťažšie ióny.^[14] Objav prvku 102 nobélium bol ohlásený medzinárodnou skupinou v pracujúcou v medzinárodnom Nobelovom inštitúte v Štokholme a aj keď sa neskôr ukázalo, že išlo o omyl a syntéza prvku bola priznaná skupine vedenej Georgijom Nikolajevičom Fljerovom v Spojenom ústave jadrového výskumu v Dubne (Sovietsky zväz, terajšie Rusko),^[3] názov bol ponechaný. Posledný aktinoid – lawrencium bol syntetizovaný paralelne bombardovaním uránu iónmi bóru v Berkeley a bombardovaním amerícia iónmi kyslíka v Dubne.^[3]

Izotopy

V súčasnosti je známych približne 250 izotopov aktinoidov,^[15] všetky z nich sú rádioaktívne. Najdlhší polčas rozpadu má ²³²Th – 14 miliárd rokov, čo je viac ako existencia Zeme, takže sa vyskytuje v prírode. Okrem tória sa v prírode nachádzajú aj dva izotopy uránu: ²³⁸U s polčasom rozpadu 4,7 miliardy rokov a ²³⁴U (245 tisíc rokov). K dlho žijúcim izotopom patria aj ²³⁶Np, ²³⁷Np, ²³⁹Pu, ²⁴²Pu, ²⁴⁴Pu, ²⁴⁷Cm a ²⁴⁸Cm.^[15]

Vlastnosti

Fyzikálne vlastnosti

Aktinoidy sú striebroleské kovy s vysokou hustotou, pomerne mäkké (najtvrdším aktinoidom je tórium), s dobrou tepelnou a elektrickou vodivosťou. Pri aktinoidoch sa časté alotropické modifikácie, s výnimkou kalifornia, vyskytujú vo viacerých kryštalických formách, napr. plutónium samotné v rozmedzí izbovej teploty až teploty topenia (641 °C) prechádza cez sedem rozličných kryštálových fáz.^[2] Takáto vysoká variabilita odzrkadľuje nepravidelnosti v kovových polomeroch, ktoré sa zasa odvíjajú od variability počtu elektrónov umiestnených na hladinách vodivostných pásov v kovovej väzbe.^[4]

Charakteristickou vlastnosťou aktinoidov je nestabilita atómových jadier a z nej vyplývajúca rádioaktivita. Pri rozpade najčastejšie emitujú častice alfa^[1] (kladne nabité jadrá hélia), no jadrá niektorých aktinoidov sa záchytom neutrónu spontánne rozpadajú na jadrá ľahších prvkov za emisie voľných neutrónov, pričom tieto neutróny sú znova zachytávané a spôsobujú rozpad ďalších jadier a tak dochádza k reťazovej štiepnej reakcii.^[1] Prirodzená rádioaktivita tória a uránu je zdrojom vlastného tepla Zeme.^[4]

Rádioaktivita má vplyv aj na kryštálovú štruktúru aktinoidov.^[2] Napr. ²³⁹Pu sa rozpadá na častice alfa a izotop ²³⁵U s energiami 5 MeV, a 86 keV, ktoré sa pohybujú na vzdialenosť 10 μm. Ako sa tieto častice pohybujú v kovovej mriežke, vytesňujú atómy plutónia z pozícií, čím sa vytvárajú početné frenkelove defekty. Každý rozpad má za následok vytvorenie približne 2 600 frenkelových dier a za 20 rokov si každý atóm plutónia vymení pozíciu.^[2] Rovnako aj pri analýze štruktúry kryštálových mriežok röntgenovým žiarením dochádza k postupnému klesaniu intenzity difrakcie lúčov s časom. Tento jav je dobre pozorovateľný pri kryštáloch amerícia.^[2]

Absorpčné spektrá sú podobné ako u lantanoidov, skladajú sa z úzkych pásov vo viditeľnej časti spektra a priľahlej infračervenej, resp. ultrafialovej oblasti. Intenzita spektrálnych pásov, odpovedajúcich prechodom elektrónov medzi hladinami 5fⁿ je však vyššia ako u obdobných pásov lantanoidov.^[16]