Актинид
-
Актиниды и их свойства
- Актиниды — это группа из 14 металлических химических элементов с атомными номерами от 89 до 102.
- Включают актиний, нобелий, лоуренсий и другие элементы.
- Актиний и нобелий являются элементами f-блока, лоуренсий — d-блока.
- Актиниды имеют большие атомные и ионные радиусы и широкий спектр физических свойств.
- Все актиниды радиоактивны и используются в ядерных реакторах и оружии.
-
История открытия и синтеза
- Актиниды были открыты в 1789 году с открытием урана и в 1827 году с открытием тория.
- Актиний был открыт в 1899 году Андре-Луи Дебьерном, но его открытие было поставлено под сомнение.
- Синтез актинидов включает облучение нейтронами и ускоренными заряженными частицами.
-
Классификация и свойства
- Актиниды делятся на трансурановые и трансплутониевые элементы.
- Трансурановые элементы следуют за ураном, трансплутониевые — за плутонием.
- Актиниды имеют изменчивую валентность и радиоактивны.
- Актиниды используются в ядерных реакторах, оружии и других технологиях.
-
Открытие актиния и протактиния
- Актиний был обнаружен благодаря излучению дочерних продуктов.
- Чистый актиний был получен в 1950 году.
- Протактиний был выделен в 1900 году и назван бревием, затем переименован в протоактиний.
- В 1949 году название сокращено до протактиния.
-
Открытие нептуния и трансурановых элементов
- Нептуний открыт в 1940 году.
- Трансурановые элементы синтезируются в ядерных реакторах.
- Первые изотопы америция и кюрия синтезированы в 1944 году.
-
Открытие эйнштейния и фермия
- Эйнштейний и фермий обнаружены в 1952-1953 годах.
- Исследования держались в секрете до 1955 года.
- Первые значительные количества эйнштейния получены в 1961 году.
-
Синтез менделевия и лоуренсия
- Первый изотоп менделевия синтезирован в 1965 году.
- Первый изотоп лоуренсия синтезирован в 1965 году.
-
Изотопы актиния и протактиния
- Известно 33 изотопа актиния и 28 изотопов протактиния.
- Актиний-225 и актиний-228 используются в прикладных целях.
- Протактиний-231 и протактиний-233 наиболее важны.
-
Изотопы урана и нептуния
- Известно 27 изотопов урана и 25 изотопов нептуния.
- Наиболее важные изотопы урана: 233U и 238U.
- Наиболее важные изотопы нептуния: 237Np и 239Np.
-
Изотопы плутония и америция
- Известно 20 изотопов плутония и 18 изотопов америция.
- Наиболее стабильные изотопы плутония: 244Pu.
- Наиболее важные изотопы америция: 241Am и 243Am.
-
Изотопы кюрия
- Известно 19 изотопов кюрия.
- Наиболее доступные изотопы кюрия: 242Cm и 244Cm.
-
Изотопы кюрия
- 246Cm и 248Cm имеют длительный период полураспада и удобны для химических исследований.
- 247Cm имеет самый длительный срок службы среди изотопов кюрия, но не образуется в больших количествах.
-
Изотопы берклия
- 249Bk доступен в больших количествах, имеет короткий период полураспада и испускает мягкие β-частицы.
- 247Bk является альфа-излучателем с длительным периодом полураспада, но трудно получить в заметных количествах.
-
Изотопы калифорния
- 253Cf является β-излучателем, остальные — α-излучателями.
- 249Cf имеет длительный период полураспада, слабое спонтанное деление и сильное γ-излучение.
-
Изотопы эйнштейния
- 253Es является α-излучателем с коротким периодом полураспада и слабым γ-излучением.
- 254Es образуется при длительном нейтронном облучении.
-
Изотопы фермия
- 254Fm, 255Fm и 256Fm являются α-излучателями с коротким периодом полураспада.
- 257Fm может накапливаться при длительном и сильном облучении.
-
Изотопы менделевия
- 256Md является α-излучателем с периодом полураспада 77 минут.
- 258Md имеет период полураспада 53 дня.
-
Изотопы нобелия и лоуренсия
- 255No и 256Lr имеют короткий период полураспада.
- 259No имеет период полураспада около 1 часа.
- 266Lr имеет период полураспада 11 часов.
-
Образование в ядерных реакторах
- Реакции захвата нейтронов и радиоактивное превращение влияют на количество нуклидов.
- Альфа-распад практически не играет роли в энергетическом реакторе.
-
Распространение в природе
- Торий и уран являются наиболее распространенными актиноидами.
- Уран встречается в земной коре в виде оксидов, торий — в виде минералов.
- Актиний и протактиний присутствуют в ураносодержащих минералах.
- Нептуний и плутоний присутствуют в природе в незначительных количествах.
-
Добыча
- Извлечение актинидов представляет собой сложный процесс.
- Используются фториды актинидов, которые восстанавливаются с помощью кальция, магния или бария.
-
Извлечение тория
- Торий извлекается из монацита с помощью азотной кислоты и трибутилфосфата.
- Редкоземельные примеси отделяются повышением рН сульфатного раствора.
- Гидроксид тория растворяется в азотной кислоте и очищается экстракцией органическими растворителями.
- Металлический торий отделяется от оксида, хлорида или фторида взаимодействием с кальцием.
-
Извлечение урана
- Уран извлекается из руд различными способами, включая сжигание и обработку азотной кислотой.
- Карбонатный метод используется для извлечения урана из руд, богатых минералами.
- Полимерные смолы используются для разделения урана.
- Плутоний извлекается из облученного урана с помощью азотной кислоты и восстановителей.
-
Свойства актинидов
- Актиниды обладают сходными свойствами с лантаноидами, заполняя электронные оболочки 5f.
- Актиний является первым элементом, использующим оболочку 5f в соединениях.
- Актиниды мягкие, серебристые, радиоактивные и парамагнитные.
- Все актиниды пирофорны и имеют несколько кристаллических фаз.
-
Химические свойства актинидов
- Актиниды обладают высокой реакционной способностью с галогенами и халькогенами.
- Актиний химически схож с лантаном, но менее реакционноспособен.
- Торий активен в химическом отношении, его соединения бесцветны и слабо гидролизуются.
- Протактиний имеет два валентных состояния, +5 стабильно, +4 легко окисляется.
- Уран имеет валентность от 3 до 6, наиболее стабильна шестивалентная форма.
-
Соединения урана (VI)
- Слабые окислители
- Содержат линейную «уранильную» группу UO2+2
- Образуют прочные комплексы с лигандами-донорами кислорода
-
Соединения урана (IV)
- Восстановительные свойства
- Легко окисляются кислородом воздуха
-
Соединения урана (III)
- Очень сильные восстановители
- Образуют металлоорганические соединения
-
Нептуний
- Валентные состояния от 3 до 7
- Наиболее стабильное состояние +5
- Высокая реакционная способность
-
Плутоний
- Образует оксидную пленку на воздухе
-
Америций
- Валентные состояния от 2 до 6
- Наиболее стабильная валентность 3
- Образует стабильные твердые соединения
-
Другие актиниды
- Валентность 3 доминирует до лоуренсия
- Кюрий может быть четырехвалентным
- Берклий имеет валентность +3 и +4
-
Окислительно-восстановительный потенциал
- Увеличивается от урана до америция
- Актиниды образуют гидриды и карбиды
-
Оксиды и гидроксиды
- Амфотерные оксиды AnO3
- Основные оксиды An2O3, AnO2 и An2O5
- Диоксид тория имеет высокую температуру плавления
-
Соли
- Легко вступают в реакцию с галогенами
- Гексафторид урана используется для разделения изотопов
- Соли актинидов легко гидролизуются
-
Приложения
- Используются в ядерном оружии и ядерной энергетике
- Уран-235 является важным изотопом для ядерной энергетики
- Торий-232 и уран-233 также перспективны для ядерной энергетики
-
Контроль ядерной реакции
- Скорость ядерной реакции контролируется стержнями из бора или кадмия или борной кислотой.
- Реакторы-размножители используют быстрые нейтроны для производства плутония.
-
Испускание нейтронов и синтез актиноидов
- Испускание нейтронов важно для поддержания цепной реакции и синтеза актиноидов.
- Уран-239 преобразуется в плутоний-239, который также способен к самопроизвольному делению.
-
Применение плутония
- Плутоний-239 использовался в ядерном оружии из-за простоты расщепления и доступности.
- Плутоний-238 имеет меньшую критическую массу и выделяет тепло, но дорог.
- Плутоний-238 используется в термобарьерах и кардиостимуляторах.
-
Актиний и его свойства
- Актиний-227 используется как источник нейтронов и в термоэлектрических генераторах.
- 228Ac используется как индикатор радиоактивности и источник гамма-излучения.
-
Токсичность актинидов
- Актиний и протактиний накапливаются в организме и могут быть токсичными.
- Плутоний оседает в легких, печени и костях, вызывая длительное облучение.
-
Проблемы и перспективы
- Высокая радиотоксичность актинидов вызывает озабоченность.
- Необходимы стабильные и долговечные материалы для безопасного хранения и утилизации актинидов.