Actiniden (actinium tot lawrencium)

De 5f-reeks

Bij de actiniden worden elektronen toegevoegd aan de 5f-subschil, net zoals de lanthaniden de 4f vullen. Het patroon is minder regelmatig omdat de 5f- en 6d-orbitalen dicht bij elkaar in energie liggen: actinium is [Rn] 6d¹ 7s², thorium [Rn] 6d² 7s², uranium [Rn] 5f³ 6d¹ 7s² en plutonium [Rn] 5f⁶ 7s². Bij nobelium en lawrencium is de 5f-subschil vol.

Glenn Seaborg stelde in 1944 de aparte actinidenrij voor. Daarvoor stonden thorium, protactinium en uranium onder hafnium, tantaal en wolfraam.

Radioactiviteit en splijting

Elk actinide is radioactief; geen enkele heeft een stabiele isotoop. Thorium-232 en uranium-238 hebben halfwaardetijden van ongeveer 14 miljard en 4,5 miljard jaar, dus ze zijn er al sinds de vorming van de aarde, maar de zwaardere actiniden vervallen veel sneller. Einsteinium en fermium werden voor het eerst gevonden in het puin van de eerste waterstofbomproef in 1952, en de elementen na fermium kunnen alleen een paar atomen tegelijk worden gemaakt in deeltjesversnellers.

De belangrijkste reactie van actiniden is kernsplijting. Een uranium-235-kern die een neutron opneemt, splitst zich in twee kleinere kernen en geeft daarbij meer neutronen en een grote hoeveelheid energie vrij, bijvoorbeeld uranium-235 + neutron → barium-141 + krypton-92 + 3 neutronen. Die neutronen splijten weer andere kernen in de kettingreactie waarop een kernreactor draait.

Chemische eigenschappen en trends

De actiniden zijn dichte, zilverkleurige metalen die aan de lucht aanslaan. De eerste actiniden hebben veel oxidatietoestanden omdat hun 5f-elektronen gemakkelijk te verwijderen zijn: uranium en plutonium lopen allebei van +3 tot +6. Uranium reageert met fluor tot uraniumhexafluoride (U + 3F₂ → UF₆), een vluchtige verbinding die wordt gebruikt om uranium te verrijken. Vanaf americium gedragen de actiniden zich meer als de lanthaniden, met +3 als belangrijkste oxidatietoestand.

Toepassingen van de actiniden

Uranium dat is verrijkt met uranium-235 is de brandstof van kerncentrales, en plutonium-239 wordt gebruikt in kernwapens en in sommige reactorbrandstoffen. Plutonium-238 geeft bij het vervallen een constante warmte af en voorziet ruimtevaartuigen zoals de Voyager-sondes en de Marsrovers Curiosity en Perseverance van energie. Americium-241 is de stralingsbron in veel rookmelders voor thuis.

Californium-252 is een neutronenbron om reactoren op te starten, en actinium-225 wordt getest tegen sommige vormen van kanker. Omdat ze radioactief en giftig zijn, moeten alle actiniden uiterst voorzichtig worden behandeld.