Радиоактивные металлы

Радиоактивные металлы

 

Уран, радий, торий, нептуний, плутоний , берклий, франций, эйнштейний, технеций и многие другие – все это радиоактивные металлы. Это такие металлы, которые обладают способностью превращаться в другие химические элементы, получая при этом гамма-кванты.

Уран

Уран (устар. ура́ний) — металл светло-серого цвета, легко поддается обработке, сравнительно мягкий, на воздухе темнеет, покрываясь пленкой оксида, химический элемент с атомным номером 92 в периодической системе, атомная масса 238,029; обозначается символом U (лат. Uranium), относится к семейству актиноидов. Уран широко распространён в природе. Кларк урана составляет 0,0003 % (вес.), концентрация в морской воде 3 мкг/л. Количество урана в слое литосферы толщиной 20 км оценивается в 1,3×1014 т. Основная масса урана находится в кислых породах с высоким содержанием кремния. Значительная масса урана сконцентрирована в осадочных породах, особенно обогащённых органикой. В больших количествах как примесь уран присутствует в ториевых и редкоземельных минералах

 

История: Ещё в древнейшие времена (I век до нашей эры) природная окись урана использовалась для изготовления жёлтой глазури для керамики. Исследования урана развивались, и в 1789 году немецкий натурфилософ и химик Мартин Генрих Клапрот восстановил извлечённую из саксонской смоляной руды золотисто-жёлтую «землю» до чёрного металлоподобного вещества (которое было названо в честь самой далёкой тогда известной планеты «Уран»). Пятьдесят лет уран Клапрота числился металлом. Только в 1841 г. французский химик Эжен Мелькиор Пелиго доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, уран Клапрота не элемент, а оксид UO2. В 1840 г. Пелиго удалось получить настоящий уран — тяжёлый металл серо-стального цвета — и определить его атомный вес. В 1899 г. Резерфорд обнаружил, что излучение урановых препаратов неоднородно, что есть два вида излучения — альфа - и бета-лучи. Они несут различный электрический заряд; далеко не одинаковы их пробег в веществе и ионизирующая способность. Чуть позже, в мае 1900 г., Поль Вийар открыл третий вид излучения — гамма-лучи. Эрнест Резерфорд провёл в 1907 г. первые опыты по определению возраста минералов при изучении радиоактивных урана и тория. В 1939—1940 гг. Ю. Б. Харитон и Я. Б. Зельдович впервые теоретически показали, что при небольшом обогащении природного урана ураном-235 можно создать условия для непрерывного деления атомных ядер, то есть придать процессу цепной характер.

 

Свойства: Уран — очень тяжёлый, серебристо-белый глянцеватый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Уран имеет три аллотропные формы: альфа-U  (призматическая, стабильна до 667,7 °C), бета-U (четырёхугольная, стабильна от 667,7 °C до 774,8 °C), гамма-U (с объёмно центрированной кубической структурой, существующей от 774,8 °C до точки плавления).

Уран может проявлять  степени окисления от +III до +VI. Соединения урана(III) образуют неустойчивые растворы красного цвета и являются сильными восстановителями:

 

4UCl3 + 2H2O → 3UCl4 + UO2 + H2↑

 

Соединения урана(IV) являются наиболее устойчивыми и образуют водные растворы зелёного цвета.

Соединения урана(V) неустойчивы  и легко диспропорционируют в  водном растворе:

 

2UO2Cl → UO2Cl2 + UO2

 

Химически уран очень активный металл. Быстро окисляясь на воздухе, он покрывается радужной пленкой  оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150—175 °C, образуя U3O8. При 1000 °C уран соединяется  с азотом, образуя жёлтый нитрид урана. Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой, а также при мелком измельчении порошка урана. Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, образуя четырёхвалентные соли, зато не взаимодействует со щелочами. Уран вытесняет водород из неорганических кислот и солевых растворов таких металлов, как ртуть, серебро, медь, олово, платина и золото. При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться. Уран имеет четыре степени окисления — III—VI. Шестивалентные соединения включают в себя триокись урана (окись уранила) UO3 и хлорид уранила (уранилхлорид) UO2Cl2. Тетрахлорид урана UCl4 и диоксид урана UO2 — примеры четырёхвалентного урана. Вещества, содержащие четырёхвалентный уран, обычно нестабильны и обращаются в шестивалентные при длительном пребывании на воздухе. Ураниловые соли, такие как уранилхлорид, распадаются в присутствии яркого света или органики.

 

Изотопы: Природный уран состоит из смеси трёх изотопов: 238U (изотопная распространённость 99,2745 %, период полураспада T1/2 = 4,468×109 лет), 235U (0,7200 %, T1/2 = 7,04×108 лет) и 234U (0,0055 %, T1/2 = 2,455×105 лет)[8]. Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в состав радиоактивного ряда 238U.

Радиоактивность природного урана обусловлена в основном изотопами 238U и 234U, в равновесии их удельные активности равны. Удельная активность изотопа 235U в природном уране  в 21 раз меньше активности 238U.

На данный момент известно 23 искусственных радиоактивных изотопа  урана с массовыми числами  от 217 до 242. Наиболее долгоживущий из них  — 233U (T1/2 = 1,59×105лет) получается при облучении  тория-232 нейтронами и способен к  делению под воздействием тепловых нейтронов.

Изотопы урана 238U и 235U являются родоначальниками двух радиоактивных  рядов. Конечными элементами этих рядов  являются изотопы свинца 206Pb и 207Pb.

В природных условиях распространены в основном изотопы 234U: 235U : 238U = 0,0054 : 0,711 : 99,283. Половина радиоактивности  природного урана обусловлена изотопом 234U. Изотоп 234U образуется за счёт распада 238U.

 

Применение:

-Ядерное топливо

Наибольшее применение имеет  изотоп урана 235U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная  реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии. Выделение  изотопа U235 из природного урана —  сложная технологическая проблема (см. разделение изотопов).

Изотоп U238 способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими  нейтронами, эту его особенность  используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией).

В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом 238U может  превращаться в 239Pu, который затем  используется как ядерное топливо.

Уран-233, искусственно получаемый в реакторах из тория (торий-232 захватывает  нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233), может в  будущем стать распространённым ядерным топливом для атомных  электростанций (уже сейчас существуют реакторы, использующие этот нуклид в  качестве топлива, например KAMINI в Индии) и производства атомных бомб (критическая  масса около 16 кг).

Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

-Тепловыделяющая способность урана

1 тонна обогащенного урана  по тепловыделяющей способности  равна 1 миллиону 350 тоннам нефти  или природного газа.

-Геология

-Небольшая добавка урана  придаёт красивую жёлто-зелёную флуоресценцию стеклу ( Урановое стекло)

-Уранат натрия Na2U2O7 использовался как жёлтый пигмент в живописи.

-Соединения урана применялись как краски для живописи по фарфору и для керамических глазурей и эмалей (окрашивают в цвета: жёлтый, бурый, зелёный и чёрный, в зависимости от степени окисления).

-Некоторые соединения урана светочувствительны.

-В начале XX века уранилнитрат широко применялся для усиления негативов и окрашивания (тонирования) позитивов (фотографических отпечатков) в бурый цвет.

-Карбид урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония применяется в качестве топлива для ядерных реактивных двигателей (рабочее тело — водород + гексан).

-Сплавы железа и обеднённого урана (уран-238) применяются как мощные магнитострикционные материалы.

- в качестве сердечников для бронебойных снарядов. Большая плотность (в три раза тяжелее стали), делает закалённую урановую болванку чрезвычайно эффективным средством для пробивания брони, аналогичным по эффективности более дорогому и ненамного более тяжёлому вольфраму. Тяжёлый урановый наконечник также изменяет распределение масс в снаряде, улучшая его аэродинамическую устойчивость.

Радий

Радий — элемент главной подгруппы второй группы, седьмого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 88. Обозначается символом Ra (лат. Radium). Простое вещество радий -  блестящий щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета, быстро тускнеющий на воздухе. Обладает высокой химической активностью. Радиоактивен; наиболее устойчив нуклид 226Ra (период полураспада около 1600 лет). Радий довольно редок. За прошедшее с момента его открытия время — более столетия — во всём мире удалось добыть всего только 1,5 кг чистого радия. Одна тонна урановой смолки, из которой супруги Кюри получили радий, содержит лишь около 0,0001 г радия-226. Весь природный радий является радиогенным — возникает при распаде урана-238, урана-235 или тория-232; из четырёх найденных в природе наиболее распространённым и долгоживущим изотопом (период полураспада 1602 года).

 

История: Французские ученые Пьер и Мария Кюри обнаружили, что отходы, остающиеся после выделения урана из урановой руды (урановая смолка, добывавшаяся в городе Иоахимсталь, Чехия), более радиоактивны, чем чистый уран. Из этих отходов супруги Кюри после нескольких лет интенсивной работы выделили два сильно радиоактивных элемента: полоний и радий.

 

Свойства: Радий при нормальных условиях представляет собой блестящий белый металл, на воздухе темнеет (вероятно, вследствие образования нитрида радия). Реагирует с водой. Ведёт себя подобно барию и стронцию, но более химически активен. Обычная степень окисления — +2. Гидроксид радия Ra(OH)2 — сильное, коррозионное основание. Сульфат радия практически не растворим в воде.

 

Изотопы: Известны 25 изотопов радия. Изотопы 223Ra, 224Ra, 226Ra, 228Ra встречаются в природе, являясь членами радиоактивных рядов. Остальные изотопы могут быть получены искусственным путём. Радиоактивные свойства некоторых изотопов радия.

 

Свойства: Радий при нормальных условиях представляет собой блестящий белый металл, на воздухе темнеет (вероятно, вследствие образования нитрида радия). Реагирует с водой. Ведёт себя подобно барию и стронцию, но более химически активен. Обычная степень окисления — +2. Гидроксид радия Ra(OH)2 — сильное, коррозионное основание. Сульфат радия практически не растворим в воде.

 

Применение:

В настоящее время радий  иногда используют в компактных источниках нейтронов, для этого небольшие  его количества сплавляются с  бериллием. Под действием альфа-излучения (ядер гелия-4) из бериллия выбиваются нейтроны: 9Be + 4He → 12C + 1n.

В медицине радий используют как источник радона для приготовления  радоновых ванн (хотя в настоящее  время их полезность оспаривается). Кроме того, радий применяют для  кратковременного облучения при  лечении злокачественных заболеваний  кожи, слизистой оболочки носа, мочеполового тракта.

Однако в настоящее  время существует множество более  подходящих для этих целей радионуклидов  с нужными свойствами, которые  получают на ускорителях или в  ядерных реакторах, например, 60Co (T1/2 = 5,3 года), 137Cs (T1/2 = 30,2 года), 182Ta (T1/2 = 115 сут.), 192Ir (T1/2 = 74 сут.), 198Au (T1/2 = 2,7 сут.) и т. д.

 Отопление радием: камин 21 века. Французская карточка 1910 года

До 70-х годов XX века радий  часто использовался для изготовления светящихся красок постоянного свечения (для разметки циферблатов авиационных  и морских приборов, специальных  часов и других приборов), однако сейчас его обычно заменяют менее  опасными изотопами: тритием (T1/2 = 12,3 года) или 147Pm (T1/2 = 2,6 года). Опасность таких  приборов состоит в том что  они не содержали предупреждающей  маркировки, выявить их можно только дозиметрами. Радий чрезвычайно радиотоксичен. В организме он ведёт себя подобно кальцию — около 80 % поступившего в организм радия накапливается в костной ткани. Большие концентрации радия вызывают остеопороз, самопроизвольные переломы костей и злокачественные опухоли костей и кроветворной ткани. Опасность представляет также радон — газообразный радиоактивный продукт распада радия.

Преждевременная смерть Марии  Кюри произошла вследствие хронического отравления радием, так как в то время опасность облучения ещё  не была осознана.

Торий

Торий — элемент III группы таблицы Менделеева, принадлежащий к актиноидам; тяжёлый слаборадиоактивный металл. Открыт в 1815 г. Берцелиусом.  Торий был назван его первооткрывателем по имени бога грома Тора в скандинавской мифологии.

 

Изотопы: На данный момент известны 30 изотопов тория и еще 3 возбуждённых изомерных состояния некоторых его нуклидов.

Только один из нуклидов тория (торий-232) обладает достаточно большим  периодом полураспада по отношению  к возрасту Земли, поэтому практически  весь природный торий состоит  только из этого нуклида. Некоторые  из его изотопов могут определяться в природных образцах в следовых количествах, так как входят в  радиоактивные ряды радия, актиния  и тория:

-радиоактиний 227Th

-радиоторий 228Th

-ионий 230Th

-уран Y 231Th

-уран X1 234Th

Наиболее стабильными  изотопами являются 232Th (период полураспада  составляет 14,05 миллиардов лет), 230Th (75 380 лет), 229Th (7 340 лет), 228Th (1,9116 года). Оставшиеся изотопы имеют периоды полураспада  менее 30 дней (большинство из них  имеют периоды полураспада менее 10 минут)

 

Свойства: Серебристо-белый пластичный металл, образует сплавы со многими металлами. Температура плавления – 1750° С, температура кипения – 4200° С, плотность – 7,24 г/см3, при температуре ниже 1,4 К становится сверхпроводником.

Торий весьма реакционноспособен – быстро тускнеет на воздухе, в  кипящей воде покрывается пленкой ThO2. Мелкодисперсный металлический  торий вспыхивает на воздухе из-за энергичного окисления. Торий растворим  в разбавленных минеральных кислотах: соляной, азотной, серной; концентрированной  азотной кислотой он пассивируется, не реагирует со щелочами. Наиболее устойчивая степень окисления у Th(IV), есть и соединения с более  низкой степенью окисления: Th(II)I2 и Th(III)I3. При участии ионов щелочных металлов соединения тория легко образуют двойные соли K2[Th(NO3)6], Na2[Th(SO4)3], а также  смешанные оксиды К2ТhO3. В водных растворах ионы тория образуют гидрокса-ионы [Th(OH)3]+, [Th2(OH)2]6+, [Th4(OH)12]4+