89, Actinium (Ac)

gr. actina = Strahl

Das Element Actinium:

         
  Ba La Ce  
  Ra Ac Th  
   
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Actinium (Nukleosynthese): Actinium kommt mit zwei Isotopen natürlich vor. Nimmt man die Produkte der inzwischen bis auf Bi-209 erloschenen Neptunium-Zerfallsreihe hinzu, kommt noch ein drittes hinzu. Aus dem Zerfall des U-235 wird das Isotop Ac-227, aus dem des Th-232 das Isotop Ac-228 als Zwischenprodukt gebildet. Beim Zerfall von Np-237 käme noch Ac-225 hinzu.

Die Actinium-Radiogenese:
227Ac-Genese:
(Uran-Actinium-Reihe)

235U → 227Ac + 2α + 3β- + 9,20 MeV
(Summe aller Zerfälle)

98,62%: 227Ac → 227Th + β- + 0,045 MeV
1,38%: 227Ac → 223Fr + α + 5,04 MeV
(T½ = 21,77 a)

228Ac-Genese:
(Thorium-Reihe)

232Th → 228Ac + α + β- + 4,13 MeV
(Summe aller Zerfälle)

228Ac → 228Th + β- + 2,12 MeV
(T½ = 6,15 m)



Primordial während Supernovae gebildetes Actinium ist aufgrund seiner geringen Halbwertzeit bereits nach 220 Jahren (zehnfache Halbwertzeit) praktisch vollständig zerfallen.
Vorkommen von Actinium: Aufgrund seiner geringen Halbwertzeit kommt Actinium ausschließlich in uranhaltigen Mineralien vor, wo es mit dem Uran im säkularen Gleichgewicht liegt. So enthalten 1 Tonne Uranpechblende gerade einmal 4,3 mg Actinium im UO2-Anteil. In Thorium-Erzen ist der Anteil an Actinium-228 mit 43 ng pro Tonne im ThO2-Anteil bedeutungslos. Beide Erze können nicht zur Gewinnung des Actiniums oder seiner Verbindungen herangezogen werden, da die Isolierung sehr kostspielig ist; André Debierne hat jedoch das Element auf diesem Wege entdeckt.

Actiniumhaltige Mineralien

Thorianit, ThO2[1]

Uraninit, Pechblende, UO2[2]


Auf der Erde gehört Aktinium folglich zu den seltensten Elementen überhaupt; mit durchschnittlich 6,1•10-17 g/kg Materie der Erdhülle (Erdkruste + 16 km Atmosphäre + Weltmeere) rangiert das Metall in seiner Häufigkeit auf Platz 88 vor Neptunium und hinter Polonium. Es ist damit das siebtseltenste Element. Da es grundsätzlich im säkularen Gleichgewicht mit Uran liegt, ist auch seine Verbreitung im Universum ähnlich gering.
Actinium-Gewinnung: Actinium in Form des Nuklids 227Ac wird ausschließlich kernchemisch im Reaktor aus 226Ra durch Neutronenbeschuss erbrütet; wohingegen - wie bei Entstehung bereits beschrieben - eine Isolierung der in Uranerzen vorkommenden Mikromengen keine Rolle bei der Gewinnung spielen können. Hierzu wird das Radium on Form von Radiumcarbonat (RaCO3) für einen Zeitraum von etwa einem Jahr im Reaktor mit Neutronen bestrahlt.
Gewinnung von Actinium-227 aus Radium-226:

226Ra + n → 227Ra + 4,56 MeV
227Ra → 227Ac + β- + 1,33 MeV (τ½ = 42,2 Minuten)


Nach dem Bestrahlen wird das Actinium vom verbliebenen Radium und anderen Spalt- und Brutprodukten durch Fällen als Oxalat abgetrennt, und mittels Ionenaustauscher von ebenfalls entstandenen Radionukliden der Lanthanoide abgetrennt und isoliert. Auf diese Weise können Mengen im Milligramm- bis Gramm-Bereich des Elements erhalten werden.
Chemie von Actinium: Actinium schließt sich in seinem chemischen Verhalten eng an sein leichteres Homologes Lanthan, aber auch an seinen linken Nachbarn im Periodensystem, Radium an: Actinium zählt zu den stark elektropositiven Elementen. Verschiedene Quellen äßern sich dazu stellenweise recht unterschiedlich. Da das Metall sehr stark radioaktiv strahlt (1g hat eine Aktivität von 2,7•1015) ist eine Untersuchung der Chemie mit hohen Gefahren verbunden. Actinium reagiert ausschließlich zu Verbindungen, in welchen es die Oxidationsstufe +3 betätigt, womit es sich an das Lanthan anschließt.

Reaktion mit Wasser: Actinium sollte ähnlich Barium mit Wasser reagieren: Es würde sich dementsprechend lebhaft mit stark exothermer Reaktion unter Wasserstoffentwicklung zu Actiniumhydroxid umsetzen. Da das Metall eine Dichte von rd. 10 g/cm3 aufweist, wird es wahrscheinlich nicht an der Wasseroberfläche schwimmen können, und sich demgemäß auch kaum entzünden können. Das gelöste Actiniumhydroxid reagiert stark basisch; obgleich es sich nur wenig in Wasser löst (0,73 mg/L) hat die gesättigte Lösung einen pH-Wert von ca. 9. (Im Vergleich hierzu hat eine gesättigte Aluminiumhydroxid-Lösung einen pH-Wert von 7).

Reaktion an der Luft. Actiniummetall ist schon aufgrund seiner starken Radioaktivität und der damit verbundenen Eigenerwärung weniger stabil gegenüber Oxidation als vergleichsweise Lanthan oder Barium. Es wird sich infolge dessen direkt mit einer Oxidschicht überziehen. Bei relativ gelindem Erhitzen (weniger als auf 150°C) wird sich das Metall selbst entzünden. Wahrscheinlich zeigt es, wie auch Radium, Barium und Lanthan eine Flammenfärbung, so dass das emittierte Licht beim Verbrennen eine Farbe hat (rot?).

Reaktionen gegenüber Nichtmetallen verlaufen mit ähnlicher Heftigkeit wie beim Lanthan: Mit den Halogenen Fluor und Chlor erfolgt eine Umsetzung bereits bei Zimmertemperatur, mit Brom und Iod nach dem Erhitzen. Es werden dabei salzartige, in Wasser mit Ausnahme von AcF3 gut lösliche Verbindungen gebildet, die infolge Hydrolyse sauer reagieren. Sie sind dabei hydrolytisch deutlich weniger gespalten, als vergleichbare Lanthanverbindungen. (Siehe hierzu bei Yttrium). Actinium(III)-Ionen sind die am wenigsten hydrolytisch gespaltenen Kationen mit der Ladung +3 im ganzen Periodensystem. Ähnliche Reaktionen wie mit den Halogenen sind auch mit Schwefel oder Phosphor zu erwarten; hier entstehen beim Erhitzen unter Feuererscheinung farbige, jedoch ebenfalls eher ionisch aufgebaute Sulfide (Phosphide), die sich mit Wasser zu Schwefelwasserstoff (bzw. Phosphan) und Actiniumhydroxid zersetzen.

Komplexchemie: Die bevorzugte Koordinationszahl des Actinium-Ions Ac3+ ist 8 oder 9; z.B. Ac(H2O)93+ oder Ac(CO3)5(H2O)37-. Dabei sind Komplexe mit Liganden, die als harte Lewis-Basen fungieren weniger beständig, als entsprechende Lanthan-Komplexe: So existieren beispielsweise keine stabilen Hydroxo- oder Fluorido-Komplexe des Actiniums mehr.

Löslichkeit der Salze: Das Actiniumsulfat, Actiniumchromat und das Actiniumoxalat sind schwerer löslich als die entsprechenden Lanthanverbindungen, während Actiniumfluorid und Actiniumhydroxid demgemäß leichter löslich sind.
Verwendung von Actinium und seinen Verbindungen : Das Metall oder seine Verbindungen haben heutzutage kaum Verwendungsmöglichkeiten, da sie in fast allen Fällen durch andere, billigere Stoffe ersetzt werden können.

  • Betastrahlenquelle: Aufgrund der immens starken Radioaktivität wurde Ac-227 früher gerne als Betastrahlenquelle benutzt. In dieser Anwendung ist Actinium jedoch heute durch billiger zu gewinnende Nuklide, die auf Spaltabfällen von Kernreaktoren gewonnen werden können, verdrängt worden.

  • Franciumquelle. Da Actinium-227 zu rd. 1,4% durch α-Zerfall zu Francium-223 zerfällt, ist dies eine relativ bequeme Möglichkeit Mikromengen des seltenen Alkalimetalls zu erhalten. (Siehe dort).
Biologische Bedeutung von Actinium: Aufgrund der starken Radioaktivität des Actiniums kann das Element keine biologische Rolle spielen: Kleinste Mengen wirken lokal stark zerstörend auf Gewebe und insbesondere die DNA der Zellkerne.
Quellen: [1] Bildquelle: Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[2] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Jedrzej Pelka. Das Bild wurde vom Urheber als gemeinfrei veröffentlicht.