Химия - Актиноиды

01 марта 2011


Оглавление:
1. Актиноиды
2. Изотопы
3. Распространение в природе
4. Получение
5. Cвойства
6. Соединения
7. Применение
8. Токсичность
9. Галерея изображений



Актиноиды — семейство, состоящее из 14 радиоактивных химических элементов III группы 7-го периода периодической системы с атомными номерами 90—103.

Данная группа состоит из тория, протактиния, урана, нептуния, плутония, америция, кюрия, берклия, калифорния, эйнштейния, фермия, менделевия, нобелия и лоуренсия. Актиний часто для удобства сравнения рассматривается вместе с этими элементами, однако к актиноидам он не относится. Термин «актиноиды» был предложен Виктором Гольдшмидтом в 1937 году.

** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Изучение и синтез

Атомная бомба, сброшенная на Нагасаки, имела плутониевый заряд.

Подобно лантаноидам, aктиноиды образуют семейство схожих по свойствам элементов. Из актиноидов выделяют две пересекающиеся группы: «трансурановые элементы» — все следующие в таблице Менделеева за ураном элементы и «трансплутониевые элементы» — все следующие за плутонием. Обе группы не ограничиваются указанными рамками и при указании приставки «транс-» могут включать в себя следующие за лоуренсием элементы — резерфордий и т. д. Это обусловлено тем, что такие элементы синтезируются в чрезвычайно малых количествах. По сравнению с лантаноидами, которые обнаружены в природе в заметных количествах, актиноиды труднее синтезировать. Но есть и исключения, например, легче всех синтезировать или найти в природе уран и торий, затем следуют плутоний, америций, актиний, протактиний и нептуний.

Получение трансурановых элементов
Элемент Год открытия Способ получения
Нептуний 1940 Бомбардировка U нейтронами
Плутоний 1941 Бомбардировка U дейтронами
Америций 1944 Бомбардировка Pu нейтронами
Кюрий 1944 Бомбардировка Pu α-частицами
Берклий 1949 Бомбардировка Am α-частицами
Калифорний 1950 Бомбардировка Cm α-частицами
Эйнштейний 1952 Обнаружен в продуктах термоядерного взрыва
Фермий 1952 Обнаружен в продуктах термоядерного взрыва
Менделевий 1955 Бомбардировка Es α-частицами
Нобелий 1965 Бомбардировка Am ядрами N
Лоуренсий 1961—1971 Бомбардировка Cf ядрами B и др.

В настоящее время для получения изотопов ТПЭ используются два основных способа: облучение более лёгких элементов нейтронами или ускоренными заряженными частицами. Первый способ является практически наиболее важным, так как только в ядерных реакторах при облучении исходного материала большим потоком нейтронов возможно получить весовые количества трансплутониевых элементов. Преимущество второго способа в том, что он позволяет получать следующие за плутонием элементы, и нейтронодефицитные изотопы, которые не образуются при нейтронном облучении.

В 1962—1966 годах в США была произведена попытка синтеза трансплутониевых изотопов посредством 6 подземных ядерных взрывов — «Анакостиа», «Кеннебек», «Энчови», «Пар», «Барбел» и «Цикламен». Для изучения продуктов взрыва использовались небольшие образцы пород, добытые из зоны взрыва сразу же после его проведения. При этом не удалось обнаружить изотопы тяжёлых элементов с массовым числом больше 257, хотя для них были предсказаны в то время относительно большие величины T½ для α-распада. Возможно, это произошло потому, что атомы с большой скоростью спонтанно делились, или из-за другого характера распада промежуточных изотопов.

От актиния до нептуния

Первыми открытыми актиноидами были уран и торий. Уран открыл М. Клапрот в 1789 году в урановой смоляной руде. М. Клапрот, восстанавливая углём жёлтый оксид урана, добыл чёрное вещество, которое ошибочно принял за металл. Только через 60 лет французский исследователь Эжен Мелькиор Пелиго  изучил его и понял, что это вещество — диоксид урана. Тогда же была неправильно вычислена атомная масса — 120. Только Д. И. Менделеев в 1872 году на основании открытого им закона уточнил атомную массу урана — 240. Экспериментально эту величину подтвердил в 1882 году К. Циммерман.

Торий открыл Ф. Вёлер в минерале, который был найден в Норвегии. Детально изучил этот элемент Й. Берцелиус; он же назвал его в честь скандинавского бога грома и молнии — Тора.

Актиний был открыт в 1899 году помощником М. Склодовской-Кюри А. Дебьерном в отходах от переработки урановой смолки, из которой предварительно были удалены радий и полоний; он был выявлен во фракции, в которой при переработке руды концентрируются лантаноиды. Название элемента «актиний» происходит от лат. actis — луч, сияние. Данный металл был открыт не по его собственному излучению, а по излучению дочерних продуктов распада.

Из-за высокого сходства актиния и лантана и незначительного распространения актиния долгое время не удавалось выделить его в чистом виде. Чистый актиний был добыт лишь в 1950 году. Для элемента на данный момент известны 31 изотоп с массовыми числами 206—236 и 8 возбужденных изомерных состояний некоторых его нуклидов. Наиболее стабильным является изотоп актиния Ac, который имеет период полураспада T½ = 21,77 года.

Отто Ган — «отец ядерной химии».

В 1917 году долгоживущий изотоп протактиния открыли О. Ган и Л. Мейтнер. Название «протактиний» означает, что атом этого элемента способен образовывать актиний. На данный момент известны 29 изотопов протактиния с массовыми числами 212—240 и 3 возбужденных изомерных состояния некоторых его нуклидов. Наиболее стабилен нуклид Pa, период полураспада которого равен 3,28×10 лет.

Большинство трансурановых элементов уже в достаточной мере изучены, но говорить о производственных количествах данных элементов, исключая плутоний и америций, и их соединений не приходится.

Первым предположил существование трансурановых элементов Энрико Ферми, что явилось результатом ряда его экспериментов в 1934 году.

Синтез изотопа нептуния Np, который провели в 1940 г. Э. Мак-Миллан и Ф. Абельсон, положил начало открытию трансурановых элементов. В последующие года был произведен ядерный синтез других изотопов нептуния.

Актиноиды на протяжении последних десятилетий досконально изучались Г. Сиборгом и его школой. При участии Сиборга был произведён синтез большинства трансурановых элементов.

От плутония

Гленн Теодор Сиборг с сотрудниками впервые синтезировал плутоний в Беркли. Он посвятил изучению актиноидов большую часть жизни.

Трансурановые элементы в природе практически не встречаются. Для их получения используют ядерные реакции, которые проходят в ядерных реакторах. Так, например, уран-238 в реакторе под действием нейтронов частично преобразуется в плутоний-239. При этом происходят следующие реакции:

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

При дальнейшем поглощении нейтронов Pu превращается в Pu, который вследствие β-распада переходит в Am.

Таким способом Энрико Ферми с сотрудниками в первом в мире реакторе «Чикагская поленница-1» впервые получил значительные количества плутония-239, которые были использованы для создания ядерного оружия.

Актиноиды с наибольшими порядковыми номерами получены при бомбардировании ядер урана, плутония, кюрия или калифорния ионами азота, кислорода, углерода, неона, бора на ускорителях тяжёлых ионов. Так, один из первых методов синтеза нобелия — бомбардировка мишени из урана-238 ядрами неона-22 в реакции

~\mathrm{{}_{~92}^{238}{}U+{}_{10}^{22}{}Ne \longrightarrow {}_{102}^{256}{}No+4{}_0^1{}n}.

Первые изотопы ТПЭ — америций-241 и кюрий-242 — были синтезированы в 1944 году Г. Сиборгом, Джеймсом и А. Гиорсо. Изотопы кюрия были получены при бомбардировке ядер плутония-239 ионами гелия с энергией 32 МэВ:

~\mathrm{{}_{~94}^{239}{}Pu+{}_2^4{}He \longrightarrow {}_{~96}^{242}{}Cm+{}_0^1{}n}.

Также изотопы америция-241 и кюрия-242 были выделены из плутония, облучённого нейтронами в реакторе, где они образовались в результате ядерных превращений.

При бомбардировании кюрия-242 α-частицами образуется изотоп калифорния Cf. С помощью аналогичной реакции из америция-241 был получен берклий-244.

Энрико Ферми — один из величайших экспериментаторов, первооткрыватель трансурановых элементов, отец ядерной программы США.

В 1945 году Кеннингем впервые выделил твёрдое соединение одного из ТПЭ — гидроксид америция. В течение последующих 3—4 лет были накоплены миллиграммовые количества америция и микрограммовые количества кюрия, что позволило, в результате облучения америция и кюрия, синтезировать изотопы берклия и калифорния. Весовые количества данных элементов были выделены значительно позже, в 1958 году, а первое соединение калифорния получено лишь в 1960 году.

Эйнштейний и фермий были выделены группой американских учёных из Калифорнийского университета, Аргоннской национальной лаборатории и Лос-Аламосской научной лаборатории в 1952—1953 годах из продуктов термоядерного взрыва «Майк», произведённого 1 ноября 1952 года. В результате мгновенного облучения урана-238 большим потоком нейтронов, возникшим при термоядерном взрыве, образовались тяжёлые изотопы урана, в том числе уран-253 и уран-255, при β-распаде которых в конечном итоге образовались изотопы эйнштейния-253 и фермия-255. Эйнштейний был найден группой американских учёных во главе с А. Гиорсо в 1952 году и назван в честь великого физика — А. Эйнштейна. Фермий впервые был идентифицирован американским учёным А. Гиорсо в 1953 году в виде изотопа фермия-255, указанного выше. Фермий назван в честь итальянского физика Э. Ферми, внёсшего большой вклад в развитие современной теоретической и экспериментальной физики. Первые весовые количества эйнштейния выделены в 1961 году Кеннингемом и сотрудниками. Фермий и более ТПЭ с большими порядковыми номерами до настоящего времени не получены в весовых количествах.

Первый изотоп менделевия Md был синтезирован в феврале 1955 года при облучении эйнштейния-253 ионами гелия. Для синтеза следующих за менделевием элементов пришлось использовать новый метод — облучение ядер урана и трансурановых элементов тяжёлыми многозарядными ионами. Ввиду исключительно малого выхода и коротких периодов полураспада изотопов трансменделевиевых элементов, синтезируемых в этих реакциях, их идентификация оказалась очень сложной и не всегда надёжной. Как правило, в первых работах по синтезу элементов с Z⩾102 полученные изотопы идентифицировались чисто физическими методами, по характеру излучения и дочерним продуктам распада.

Попытки получения изотопов нобелия велись с 1957 года, но первым надёжным результатом следует считать синтез изотопа нобелия No, который был проведён Г. Флёровым в 1963 году. Для получения данного изотопа использовался неон-22.

В 1961 году А. Гиорсо и сотрудниками был получен первый изотоп лоуренсия путём облучения калифорния ионами бора-10 и бора-11; массовое число этого изотопа не было точно установлено на тот момент. Более надёжно идентифицирован изотоп лоуренсия Lr, синтезированный в 1965 году Г. Флёровым с помощью нуклидов Am и O.



Просмотров: 17341


<<< Мезоторий