Actinoide (Actinium bis Lawrencium)

Die 5f-Reihe

Bei den Actinoiden werden Elektronen in die 5f-Unterschale eingebaut, so wie die Lanthanoide die 4f-Unterschale füllen. Das Muster ist weniger regelmäßig, weil die 5f- und 6d-Orbitale energetisch nahe beieinander liegen: Actinium ist [Rn] 6d¹ 7s², Thorium [Rn] 6d² 7s², Uran [Rn] 5f³ 6d¹ 7s² und Plutonium [Rn] 5f⁶ 7s². Bei Nobelium und Lawrencium ist die 5f-Unterschale voll.

Glenn Seaborg schlug 1944 die separate Actinoid-Zeile vor. Davor stellte man Thorium, Protactinium und Uran unter Hafnium, Tantal und Wolfram.

Radioaktivität und Kernspaltung

Jedes Actinoid ist radioaktiv; keines hat ein stabiles Isotop. Thorium-232 und Uran-238 haben Halbwertszeiten von etwa 14 Milliarden und 4,5 Milliarden Jahren und existieren daher seit der Entstehung der Erde, die schwereren Actinoide zerfallen jedoch viel schneller. Einsteinium und Fermium wurden zuerst in den Trümmern des ersten Wasserstoffbombentests 1952 gefunden, und die Elemente nach Fermium lassen sich nur in wenigen Atomen auf einmal in Teilchenbeschleunigern herstellen.

Die wichtigste Reaktion der Actinoide ist die Kernspaltung. Ein Uran-235-Kern, der ein Neutron aufnimmt, zerfällt in zwei kleinere Kerne und setzt weitere Neutronen sowie sehr viel Energie frei, zum Beispiel Uran-235 + Neutron → Barium-141 + Krypton-92 + 3 Neutronen. Diese Neutronen spalten weitere Kerne in der Kettenreaktion, die einen Kernreaktor antreibt.

Chemische Eigenschaften und Trends

Die Actinoide sind dichte, silbrige Metalle, die an der Luft anlaufen. Die frühen Actinoide haben viele Oxidationsstufen, weil sich ihre 5f-Elektronen leicht entfernen lassen: Uran und Plutonium reichen beide von +3 bis +6. Uran reagiert mit Fluor zu Uranhexafluorid (U + 3F₂ → UF₆), einer flüchtigen Verbindung, die zur Anreicherung von Uran dient. Ab Americium verhalten sich die Actinoide eher wie die Lanthanoide, mit +3 als wichtigster Oxidationsstufe.

Verwendung der Actinoide

Mit Uran-235 angereichertes Uran treibt Kernkraftwerke an, und Plutonium-239 wird in Kernwaffen und in manchen Reaktorbrennstoffen verwendet. Plutonium-238 gibt beim Zerfall gleichmäßig Wärme ab und versorgt Raumfahrzeuge wie die Voyager-Sonden und die Mars-Rover Curiosity und Perseverance mit Energie. Americium-241 ist die Strahlungsquelle in vielen Rauchmeldern für den Haushalt.

Californium-252 ist eine Neutronenquelle zum Anfahren von Reaktoren, und Actinium-225 wird gegen einige Krebsarten erprobt. Weil sie radioaktiv und giftig sind, müssen alle Actinoide mit größter Sorgfalt gehandhabt werden.