Acest metal este numit prețios, dar nu pentru frumusețea sa, ci pentru caracterul de neînlocuit. În tabelul periodic al lui Mendeleev, acest element ocupă celula numărul 94. Cu el oamenii de știință își pun cele mai mari speranțe și plutoniul îl numesc cel mai periculos metal pentru umanitate.
Plutoniu: descriere
În aparență, este un metal alb-argintiu. Este radioactiv și poate fi reprezentat sub formă de 15 izotopi cu timpi de înjumătățire diferit, de exemplu:
- Pu-238 – aproximativ 90 de ani
- Pu-239 – aproximativ 24 de mii de ani
- Pu-240 – 6580 ani
- Pu-241 – 14 ani
- Pu-242 – 370 mii ani
- Pu-244 – aproximativ 80 de milioane de ani
Acest metal nu poate fi extras din minereu, deoarece este un produs al transformării radioactive a uraniului.
Cum se obține plutoniul?
Producția de plutoniu necesită fisiunea uraniului, care se poate face doar în reactoare nucleare. Dacă vorbim despre prezența elementului Pu în scoarța terestră, atunci pentru 4 milioane de tone de minereu de uraniu va exista doar 1 gram de plutoniu pur. Și acest gram se formează prin captarea naturală a neutronilor de către nucleele de uraniu. Astfel, pentru a obține acest combustibil nuclear (de obicei izotopul 239-Pu) într-o cantitate de câteva kilograme, este necesară realizarea unui proces tehnologic complex într-un reactor nuclear.
Proprietățile plutoniului
Plutoniul metal radioactiv are următoarele proprietăți fizice:
- densitate 19,8 g/cm3
- punctul de topire – 641°C
- punctul de fierbere – 3232°C
- conductivitate termică (la 300 K) – 6,74 W/(m K)
Plutoniul este radioactiv, motiv pentru care este cald la atingere. Mai mult, acest metal se caracterizează prin cea mai scăzută conductivitate termică și electrică. Plutoniul lichid este cel mai vâscos dintre toate metalele existente.
Cea mai mică modificare a temperaturii plutoniului duce la o schimbare instantanee a densității substanței. În general, masa plutoniului este în continuă schimbare, deoarece nucleele acestui metal sunt într-o stare de fisiune constantă în nuclee mai mici și neutroni. Masa critică a plutoniului este numele dat masei minime a unei substanțe fisionabile la care fisiunea (o reacție nucleară în lanț) rămâne posibilă. De exemplu, masa critică a plutoniului de calitate pentru arme este de 11 kg (pentru comparație, masa critică a uraniului foarte îmbogățit este de 52 kg).
Uraniul și plutoniul sunt principalii combustibili nucleari. Pentru a obține plutoniu în cantități mari, se folosesc două tehnologii:
- iradierea cu uraniu
- iradierea elementelor transuraniu obținute din combustibilul uzat
Ambele metode presupun separarea plutoniului și uraniului ca rezultat al unei reacții chimice.
Pentru a obține plutoniu-238 pur, se utilizează iradierea cu neutroni a neptuniului-237. Același izotop este implicat în crearea plutoniului-239 de calitate pentru arme; în special, este un produs de degradare intermediară. 1 milion de dolari este prețul pentru 1 kg de plutoniu-238.
Descrierea plutoniului
Plutoniu(Plutoniul) este un element chimic greu argintiu, un metal radioactiv cu număr atomic 94, care este reprezentat în tabelul periodic prin simbolul Pu.
Acest element chimic activ electronegativ aparține grupului de actinide cu o masă atomică de 244,0642 și, la fel ca neptuniul, care și-a primit numele în onoarea planetei cu același nume, această substanță chimică își datorează numele planetei Pluto, încă de la predecesori. ale elementului radioactiv din tabelul periodic al elementelor chimice al lui Mendeleev sunt și neptuniu, care au fost, de asemenea, numite după planetele cosmice îndepărtate din galaxia noastră.
Originea plutoniului
Element plutoniu a fost descoperit pentru prima dată în 1940 la Universitatea din California de un grup de radiologi și cercetători științifici G. Seaborg, E. McMillan, Kennedy, A. Walch când bombarda o țintă de uraniu de la un ciclotron cu deuteroni - nuclee grele de hidrogen.
În decembrie același an, oamenii de știință au descoperit izotop de plutoniu– Pu-238, al cărui timp de înjumătățire este de peste 90 de ani și s-a constatat că sub influența reacțiilor chimice nucleare complexe se produce inițial izotopul neptunium-238, după care izotopul este deja format plutoniu-238.
La începutul anului 1941, oamenii de știință au descoperit plutoniu 239 cu o perioadă de decădere de 25.000 de ani. Izotopii plutoniului pot avea conținut diferit de neutroni în nucleu.
Un compus pur al elementului a fost obținut abia la sfârșitul anului 1942. De fiecare dată când oamenii de știință radiologi au descoperit un nou izotop, au măsurat întotdeauna timpul de înjumătățire al izotopilor.
În prezent, izotopii de plutoniu, dintre care sunt 15 în total, diferă în ceea ce privește durata de timp jumătate de viață. Cu acest element sunt asociate mari speranțe și perspective, dar, în același timp, temeri serioase ale umanității.
Plutoniul are o activitate semnificativ mai mare decât, de exemplu, uraniul și este una dintre cele mai scumpe substanțe importante din punct de vedere tehnic și semnificative de natură chimică.
De exemplu, costul unui gram de plutoniu este de câteva ori mai mare decât un gram, , sau alte metale la fel de valoroase.
Producția și extracția plutoniului este considerată costisitoare, iar costul unui gram de metal în vremea noastră rămâne cu încredere la aproximativ 4.000 de dolari SUA.
Cum se obține plutoniul? Producția de plutoniu
Producerea elementului chimic are loc în reactoare nucleare, în interiorul cărora uraniul este divizat sub influența unor procese chimice și tehnologice complexe, interdependente.
Uraniul și plutoniul sunt principalele componente ale producției de combustibil atomic (nuclear).
Dacă este necesară obținerea unei cantități mari de element radioactiv, se utilizează metoda de iradiere a elementelor transuranice, care poate fi obținută din combustibil nuclear uzat și iradierea uraniului. Reacțiile chimice complexe permit separarea metalului de uraniu.
Pentru a obține izotopi, și anume plutoniu-238 și plutoniu-239 de calitate pentru arme, care sunt produse intermediare de degradare, se folosește iradierea neptuniului-237 cu neutroni.
O mică fracțiune de plutoniu-244, care este cel mai longeviv izotop datorită timpului său lung de înjumătățire, a fost descoperită în minereul de ceriu, care este probabil păstrat de la formarea planetei noastre Pământ. Acest element radioactiv nu se găsește în mod natural în natură.
Proprietățile fizice de bază și caracteristicile plutoniului
Plutoniul este un element chimic radioactiv destul de greu, cu o culoare argintie, care strălucește doar atunci când este purificat. Nuclear masa de plutoniu metalic egal cu 244 a. mânca.
Datorită radioactivității sale ridicate, acest element este cald la atingere și se poate încălzi până la o temperatură care depășește temperatura de fierbere a apei.
Plutoniul, sub influența atomilor de oxigen, se întunecă rapid și devine acoperit cu o peliculă subțire irizată de galben deschis inițial, apoi o nuanță bogată sau maro.
Cu oxidare puternică, pe suprafața elementului are loc formarea de pulbere de PuO2. Acest tip de metal chimic este supus unor procese puternice de oxidare și coroziune chiar și la niveluri scăzute de umiditate.
Pentru a preveni coroziunea și oxidarea suprafeței metalice, este necesară o instalație de uscare. Fotografie cu plutoniu poate fi vizualizat mai jos.
Plutoniul este un metal chimic tetravalent; se dizolvă bine și rapid în substanțe iodhidrice și medii acide, de exemplu, în acid cloric.
Sărurile metalice sunt rapid neutralizate în medii cu reacție neutră, soluții alcaline, formând în același timp hidroxid de plutoniu insolubil.
Temperatura la care se topește plutoniul este de 641 de grade Celsius, punctul de fierbere este de 3230 de grade.
Sub influența temperaturilor ridicate, apar modificări nenaturale ale densității metalului. În forma sa, plutoniul are diverse faze și are șase structuri cristaline.
În timpul tranziției între faze, apar modificări semnificative ale volumului elementului. Elementul capătă cea mai densă formă în a șasea fază alfa (ultima etapă a tranziției), în timp ce singurele lucruri mai grele decât metalul în această stare sunt neptuniul și radiul.
Când este topit, elementul suferă o comprimare puternică, astfel încât metalul poate pluti pe suprafața apei și a altor medii lichide neagresive.
În ciuda faptului că acest element radioactiv aparține grupului de metale chimice, elementul este destul de volatil, iar atunci când se află într-un spațiu închis pe o perioadă scurtă de timp, concentrația sa în aer crește de câteva ori.
Principalele proprietăți fizice ale metalului includ: gradul scăzut, nivelul de conductivitate termică a tuturor elementelor chimice existente și cunoscute, nivelul scăzut de conductivitate electrică; în stare lichidă, plutoniul este unul dintre cele mai vâscoase metale.
Este de remarcat faptul că orice compuși ai plutoniului sunt toxici, otrăvitori și prezintă un pericol grav de radiație pentru corpul uman, care apare din cauza radiațiilor alfa active, prin urmare toate lucrările trebuie efectuate cu cea mai mare grijă și numai în costume speciale cu protecție chimică. .
Puteți citi mai multe despre proprietățile și teoriile despre originea unui metal unic în carte Obruchev „Plutonia”" Autorul V.A. Obruchev invită cititorii să se cufunde în lumea uimitoare și unică a țării fantastice Plutonia, care este situată adânc în măruntaiele Pământului.
Aplicații ale plutoniului
Elementul chimic industrial este de obicei clasificat în plutoniu de calitate pentru arme și de calitate pentru reactor („de calitate energetică”).
Astfel, pentru producția de arme nucleare, dintre toți izotopii existenți, este permisă utilizarea numai a plutoniului 239, care nu trebuie să conțină mai mult de 4,5% plutoniu 240, deoarece este supus fisiunii spontane, ceea ce complică semnificativ producția de proiectile militare. .
Plutoniu-238 este utilizat pentru operarea surselor de radioizotopi de dimensiuni mici de energie electrică, de exemplu, ca sursă de energie pentru tehnologia spațială.
Cu câteva decenii în urmă, plutoniul era folosit în medicină în stimulatoare cardiace (dispozitive pentru menținerea ritmului cardiac).
Prima bombă atomică creată în lume avea o încărcătură de plutoniu. Plutoniu nuclear(Pu 239) este solicitat ca combustibil nuclear pentru a asigura funcționarea reactoarelor de putere. Acest izotop servește și ca sursă pentru producerea elementelor de transplutoniu în reactoare.
Dacă comparăm plutoniul nuclear cu metalul pur, izotopul are parametri metalici mai mari și nu are faze de tranziție, deci este utilizat pe scară largă în procesul de obținere a elementelor combustibile.
Oxizii izotopului Plutoniu 242 sunt, de asemenea, solicitați ca sursă de energie pentru unitățile, echipamentele și barele de combustibil letale în spațiu.
Plutoniu de calitate pentru arme este un element care se prezintă sub forma unui metal compact care conține cel puțin 93% izotopul Pu239.
Acest tip de metal radioactiv este utilizat în producția de diferite tipuri de arme nucleare.
Plutoniul de calitate pentru arme este produs în reactoare nucleare industriale specializate care funcționează cu uraniu natural sau slab îmbogățit ca urmare a captării neutronilor.
Plutoniul a fost descoperit la sfârșitul anului 1940 la Universitatea din California. A fost sintetizat de McMillan, Kennedy și Wahl prin bombardarea oxidului de uraniu (U 3 O 8) cu nuclee de deuteriu (deuteroni) foarte accelerate într-un ciclotron. Ulterior s-a constatat că această reacție nucleară produce mai întâi izotopul de scurtă durată neptunium-238 și din acesta plutoniu-238 cu un timp de înjumătățire de aproximativ 50 de ani. Un an mai târziu, Kennedy, Seaborg, Segre și Wahl au sintetizat un izotop mai important, plutoniul-239, prin iradierea uraniului cu neutroni foarte accelerați într-un ciclotron. Plutoniul-239 se formează din degradarea neptuniului-239; emite raze alfa și are un timp de înjumătățire de 24.000 de ani. Compusul de plutoniu pur a fost obținut pentru prima dată în 1942. Apoi s-a cunoscut că există plutoniu natural găsit în minereurile de uraniu, în special în minereurile depozitate în Congo.
Denumirea elementului a fost propusă în 1948: McMillan a numit primul element transuranic neptunium datorită faptului că planeta Neptun este prima dincolo de Uranus. Prin analogie, au decis să numească elementul 94 plutoniu, deoarece planeta Pluto este a doua după Uranus. Pluto, descoperit în 1930, și-a primit numele de la numele zeului Pluto, conducătorul lumii interlope în mitologia greacă. La începutul secolului al XIX-lea. Clark a propus denumirea elementului bariu plutoniu, derivând acest nume direct din numele zeului Pluto, dar propunerea sa nu a fost acceptată.
Există 15 izotopi cunoscuți ai plutoniului. Cel mai important dintre acestea este Pu-239 cu un timp de înjumătățire de 24.360 de ani. Greutatea specifică a plutoniului este de 19,84 la o temperatură de 25°C. Metalul începe să se topească la o temperatură de 641°C și fierbe la 3232°C. Valența sa este 3, 4, 5 sau 6.
Metalul are o nuanță argintie și devine galben atunci când este expus la oxigen. Plutoniul este un metal reactiv chimic și se dizolvă ușor în acid clorhidric concentrat, acid percloric și acid iodhidric. În timpul degradarii, metalul eliberează energie termică.
Plutoniul este a doua actinidă transuranică descoperită. În natură, acest metal poate fi găsit în cantități mici în minereurile de uraniu.
Plutoniul este otrăvitor și necesită o manipulare atentă. Cel mai fisionabil izotop al plutoniului a fost folosit ca armă nucleară. În special, a fost folosit într-o bombă care a fost aruncată asupra orașului japonez Nagasaki.
Aceasta este o otravă radioactivă care se acumulează în măduva osoasă. Mai multe accidente, unele fatale, au avut loc în timpul experimentelor pe oameni pentru a studia plutoniul. Este important ca plutoniul să nu atingă masa critică. În soluție, plutoniul formează o masă critică mai repede decât în stare solidă.
Numărul atomic 94 înseamnă că toți atomii de plutoniu sunt 94. În aer, plutoniul se formează pe suprafața metalului. Acest oxid este piroforic, așa că plutoniul mocnit va pâlpâi ca cenușa.
Există șase forme alotrope de plutoniu. A șaptea formă apare la înălțime.
Într-o soluție apoasă, plutoniul își schimbă culoarea. Pe suprafața metalului apar diverse nuanțe pe măsură ce acesta se oxidează. Procesul de oxidare este instabil și culoarea plutoniului se poate schimba brusc.
Spre deosebire de majoritatea substanțelor, plutoniul devine mai dens atunci când este topit. În stare topită, acest element este mai puternic decât alte metale.
Metalul este folosit în izotopii radioactivi din generatoarele termoelectrice care alimentează navele spațiale. Este utilizat în producția de stimulatoare cardiace electronice.
Inhalarea vaporilor de plutoniu este periculoasă pentru sănătate. În unele cazuri, acest lucru poate provoca cancer pulmonar. Plutoniul inhalat are un gust metalic.
| Plutoniu | |
|---|---|
| Numar atomic | 94 |
| Aspectul unei substanțe simple | |
| Proprietățile atomului | |
| Masă atomică (Masă molară) |
244,0642 a. e.m. (/mol) |
| Raza atomică | ora 151 |
| Energie de ionizare (primul electron) |
491,9(5,10) kJ/mol (eV) |
| Configuratie electronica | 5f 6 7s 2 |
| Proprietăți chimice | |
| Raza covalentă | n/a pm |
| Raza ionică | (+4e) 93 (+3e) 108 pm |
| Electronegativitatea (după Pauling) |
1,28 |
| Potențialul electrodului | Pu←Pu 4+ -1.25V Pu←Pu 3+ -2.0V Pu←Pu 2+ -1,2V |
| Stări de oxidare | 6, 5, 4, 3 |
| Proprietățile termodinamice ale unei substanțe simple | |
| Densitate | 19,84 /cm³ |
| Capacitate de căldură molară | 32,77 J/(mol) |
| Conductivitate termică | (6,7) cu (·) |
| Temperatură de topire | 914 |
| Căldura de topire | 2,8 kJ/mol |
| Temperatura de fierbere | 3505 |
| Căldura de vaporizare | 343,5 kJ/mol |
| Volumul molar | 12,12 cm³/mol |
| Rețea cristalină dintr-o substanță simplă | |
| Structură cu zăbrele | monoclinic |
| Parametrii rețelei | a=6,183 b=4,822 c=10,963 β=101,8 |
| raport c/a | — |
| Debye temperatura | 162 |
Plutoniu- un element chimic radioactiv din grupa actinidelor, utilizat pe scară largă în producție arme nucleare(așa-numitul „plutoniu de calitate pentru arme”) și, de asemenea, (experimental) ca combustibil nuclear pentru reactoare nucleare în scopuri civile și de cercetare. Primul element artificial obținut în cantități disponibile pentru cântărire (1942).
Tabelul din dreapta arată principalele proprietăți ale α-Pu, principala modificare alotropică a plutoniului la temperatura camerei și presiunea normală.
Istoria plutoniului
Izotopul plutoniului 238 Pu a fost produs artificial pentru prima dată pe 23 februarie 1941 de un grup de oameni de știință americani conduși de Glenn Seaborg prin iradierea nucleelor. uraniu deuteroni. Este de remarcat faptul că numai după producția artificială a fost descoperit plutoniul în natură: în cantități neglijabile, 239 Pu se găsește de obicei în minereurile de uraniu ca produs al transformării radioactive a uraniului.
Găsirea plutoniului în natură
În minereurile de uraniu, ca urmare a captării neutronilor (de exemplu, neutroni din radiația cosmică) de către nucleele de uraniu, neptuniu(239 Np), al cărui produs de descompunere β este plutoniul-239 natural. Cu toate acestea, plutoniul se formează în cantități atât de microscopice (0,4-15 părți Pu per 10 12 părți U), încât extracția sa din minereurile de uraniu este exclusă.
originea numelui plutoniu
În 1930, lumea astronomică a fost entuziasmată de vești minunate: fusese descoperită o nouă planetă, despre a cărei existență vorbise de mult timp de Percival Lovell, astronom, matematician și autor de eseuri fantastice despre viața pe Marte. Bazat pe mulți ani de observații de mișcare UranusȘi Neptun Lovell a ajuns la concluzia că dincolo de Neptun în sistemul solar ar trebui să existe o altă planetă, a noua, de patruzeci de ori mai departe de Soare decât Pământ.
Această planetă, ale cărei elemente orbitale le-a calculat Lovell în 1915, a fost descoperită în fotografiile făcute pe 21, 23 și 29 ianuarie 1930 de astronomul K. Tombaugh la Observatorul Flagstaff ( STATELE UNITE ALE AMERICII) . Planeta a fost numită Pluton. Cel de-al 94-lea element, obținut artificial la sfârșitul anului 1940 din nuclee, a primit numele acestei planete, situată în sistemul solar dincolo de Neptun. atomi uraniu un grup de oameni de știință americani conduși de G. Seaborg.
Proprietăți fizice plutoniu
Există 15 izotopi de plutoniu - Izotopii cu numere de masă de la 238 la 242 sunt produși în cele mai mari cantități:
238 Pu -> (timp de înjumătățire 86 ani, dezintegrare alfa) -> 234 U,
Acest izotop este folosit aproape exclusiv în RTG-uri în scopuri spațiale, de exemplu, pe toate vehiculele care au zburat dincolo de orbita lui Marte.
239 Pu -> (timp de înjumătățire 24.360 ani, dezintegrare alfa) -> 235 U,
Acest izotop este cel mai potrivit pentru construcția de arme nucleare și reactoare nucleare cu neutroni rapidi.
240 Pu -> (timp de înjumătățire 6580 ani, dezintegrare alfa) -> 236 U, 241 Pu -> (timp de înjumătățire 14,0 ani, dezintegrare beta) -> 241 Am, 242 Pu -> (timp de înjumătățire 370.000 de ani, alfa -degradare) -> 238 U
Acești trei izotopi nu au o semnificație industrială serioasă, dar sunt obținuți ca subproduse atunci când energia este produsă în reactoare nucleare folosind uraniu, prin captarea secvențială a mai multor neutroni de către nucleele de uraniu-238. Izotopul 242 este cel mai asemănător în proprietăți nucleare cu uraniul-238. Americiul-241, produs de degradarea izotopului 241, a fost folosit în detectoarele de fum.
Plutoniul este interesant deoarece suferă șase tranziții de fază de la temperatura sa de solidificare la temperatura camerei, mai mult decât orice alt element chimic. Cu acesta din urmă, densitatea crește brusc cu 11%, ca urmare, piesele turnate de plutoniu se fisurează. Faza alfa este stabilă la temperatura camerei, ale cărei caracteristici sunt date în tabel. Pentru aplicare, faza delta, care are o densitate mai mică, și o rețea cubică centrată pe corp este mai convenabilă. Plutoniul din faza delta este foarte ductil, în timp ce faza alfa este fragilă. Pentru stabilizarea plutoniului în faza delta se folosește dopajul cu metale trivalente (găliul a fost folosit în primele încărcări nucleare).
Aplicații ale plutoniului
Primul dispozitiv nuclear pe bază de plutoniu a fost detonat pe 16 iulie 1945 la locul de testare Alamogordo (test cu nume de cod Trinity).
Rolul biologic al plutoniului
Plutoniul este foarte toxic; Concentrația maximă admisă pentru 239 Pu în corpurile de apă deschise și aerul camerelor de lucru este de 81,4 și, respectiv, 3,3 * 10 −5 Bq/l. Majoritatea izotopilor plutoniului au o densitate mare de ionizare și o lungime scurtă a particulelor, astfel încât toxicitatea sa se datorează nu atât proprietăților sale chimice (plutoniul nu este probabil mai toxic în acest sens decât alte metale grele), ci mai degrabă efectului ionizant. asupra țesuturilor corporale din jur. Plutoniul aparține unui grup de elemente cu radiotoxicitate deosebit de ridicată. În organism, plutoniul produce modificări mari ireversibile la nivelul scheletului, ficatului, splinei, rinichilor și provoacă cancer. Conținutul maxim admis de plutoniu în organism nu trebuie să depășească zecimi de microgram.
Lucrări de artă legate de temă plutoniu
- Plutoniul a fost folosit pentru mașina De Lorean DMC-12 din filmul Back to the Future ca combustibil pentru un acumulator de flux pentru a călători în viitor sau în trecut.
— Încărcarea bombei atomice detonate de teroriști în Denver, SUA, în „All the Fears of the World” a lui Tom Clancy a fost făcută din plutoniu.
- Kenzaburo Oe „Notele unui alergător de ciupire”
— În 2006, Beacon Pictures a lansat filmul Plutonium-239 ( "Pu-239")
