Лантаноиды и актиноиды что это такое простыми словами
Лантаноиды и актиноиды
Лантаноиды и актиноиды располагаются в третьей побочной группе Периодической системы. Эти элементы следуют в таблице сразу после лантана и актиния и поэтому их называют соответственно лантаноиды и актиноиды. В короткой форме Периодической системы Д.И. Менделеева они вынесены в два последних ряда. Они относятся к f-элементам.
У в атомах лантаноидов и актиноидов происходит заполнение соответственно 4f- и 5f-подуровней.
Лантаноиды очень сходны по химическим свойствам. Близость свойств соединений лантаноидов обусловлена тем, что застройка внутренней 4f-оболочки атомов мало сказывается на состоянии валентных электронов. В образовании химической связи 4f-электроны лантаноидов обычно не принимают участия.
В пределах одного периода с возрастанием порядкового номера размеры атомов элементов уменьшаются. Подобная закономерность наблюдается не только для элементов главных подгрупп, но, за немногими исключениями, и для элементов побочных подгрупп. Такое же уменьшение радиусов атомов имеет место и в случае лантаноидов (лантаноидное сжатие).
Как и в случае лантаноидов, у элементов семейства актиноидов происходит заполнение третьего снаружи электронного слоя (подуровня 5f); строение же наружного и, как правило, предшествующего электронных слоев остается неизменным. Это служит причиной близости химических свойств актиноидов. Однако различие в энергетическом состоянии электронов, занимающих 5f- и 6d-подуровни в атомах актиноидов, еще меньше, чем соответствующая разность энергий в атомах лантаноидов. Поэтому у первых членов семейства актиноидов 5f-электроны легко переходят на подуровень 6d и могут принимать участие в образовании химических связей. В результате от тория до урана наиболее характерная степень окисления элементов возрастает от +4 до +6. При дальнейшем продвижении по ряду актиноидов происходит энергетическая стабилизация 5f-состоянии, а возбуждение электронов на 6d-подуровень требует большей затраты энергии. Вследствие этого от урана до кюрия наиболее характерная степень окисления элементов понижается от +6 до +3 (хотя для нептуния и плутония получены соединения со степенью окисления этих элементов +6 и +7). Берклий и следующие за ним элементы во всех своих соединениях находятся в степени окисления +3.
Ø Свойства лантаноидов.
В ряду Се—Lu в изменении плотности, температур плавления и кипения проявляется внутренняя периодичность, т. е. указанные свойства металлов подсемейства церия изменяются с такой же последовательностью, как и у металлов подсемейства тербия (табл.1 ).
Лантаноиды и актиноиды
Близость свойств соединений лантаноидов. Серебристо-белые металлы. Оксиды и гидроксиды лантаноидов. Соли лантаноидов. Свойства актиноидов. Высокая химическая активность. f-элементы в природе и их применение. Деление ядер.
Лантаноиды и актиноиды располагаются в третьей побочной группе Периодической системы. Эти элементы следуют в таблице сразу после лантана и актиния и поэтому их называют соответственно лантаноиды и актиноиды. В короткой форме Периодической системы Д.И. Менделеева они вынесены в два последних ряда. Они относятся к f-элементам.
У в атомах лантаноидов и актиноидов происходит запол-нение соответственно 4f- и 5f-подуровней.
Лантаноиды очень сходны по хими-ческим свойствам. Близость свойств соединений лантаноидов обусловлена тем, что застройка внутренней 4f-оболочки атомов мало сказывается на со-стоянии валентных электронов. В образовании химической связи 4f-электроны лантаноидов обычно не принимают участия.
В пределах одного периода с возрастанием поряд-кового номера размеры атомов элементов уменьшаются. Подобная закономер-ность наблюдается не только для элементов главных подгрупп, но, за немно-гими исключениями, и для элементов побочных подгрупп. Такое же уменьше-ние радиусов атомов имеет место и в случае лантаноидов (лантаноидное сжатие).
Как и в случае лантаноидов, у элементов семейства актиноидов происходит заполнение третьего снаружи электронного слоя (подуровня 5f); строение же наружного и, как правило, предшествующего электронных слоев остается неизменным. Это служит причи-ной близости химических свойств актиноидов. Однако различие в энергетическом состоянии электронов, занимающих 5f— и 6d-подуровни в атомах актиноидов, еще меньше, чем соответствующая разность энергий в атомах лантаноидов. Поэтому у первых членов семейства актиноидов 5f-электроны легко переходят на подуровень 6d и могут принимать участие в образовании химических связей. В результате от тория до урана наиболее характерная степень окисления элементов возрастает от +4 до +6. При дальнейшем продвижении по ряду актиноидов происходит энергетическая ста-билизация 5f-состоянии, а возбуждение электронов на 6d-подуровень требует большей затраты энергии. Вследствие этого от урана до кюрия наиболее характерная степень окисления элементов понижается от +6 до +3 (хотя для нептуния и плутония полу-чены соединения со степенью окисления этих элементов +6 и +7). Берклий и следующие за ним элементы во всех своих соединениях находятся в степени окисления +3.
Ш Свойства лантаноидов.
В ряду Се—Lu в изменении плотности, температур плавления и кипения проявляется внутренняя перио-дичность, т. е. указанные свойства металлов подсемей-ства церия изменяются с такой же последовательно-стью, как и у металлов подсемейства тербия (табл.1 ).
Физические свойства лантаноидов
Температуры плавления в этом ряду возрастают, исключение составляют только европий и иттербий. Они имеют также относительно более низкие, чем у остальных элементов, температуры кипения.
Карбиды, нитриды и гидриды лантаноидов взаимодействуют с водой с образованием гидроксида и соответственно ацетилена или различных углеводородов, аммиака и водорода.
Они хорошо взаимодействуют с разбавленными растворами НС1, HN03 и H2S04.
В растворах фосфор-ной и плавиковой кислот лантаноиды устойчивы, так как образуют защитные пленки малорастворимых со-лей. В водных растворах щелочей лантаноиды не рас-творяются. Химическая активность элементов в ряду Се—Lu несколько снижается, что связано с умень-шением радиусов их атомов и ионов.
Оксиды и гидроксиды лантаноидов растворяются в кислотах (кроме HF и Н3Р04).
Некоторые лантанои-ды имеют, помимо характеристической, еще степени окисления +4 и +2. Среди лантаноидов, проявляющих степень окисления +4, выделяется церий. Относительно более стабильные соединения в степени окисления +2 дает европий.
Гидроксид церия Се(ОН)4 при взаимодействии с кислотами-восстано-вителями образует соли со степенью окисления це-рия +3:
Катодным восстановлением сульфатов Э(+3) получены белый EuSO4, светло-зеленый YbSO4, и красный SmSO4.
Все производные лантаноидов в степени окисления +2 являются восстановителями, например :
Ш Свойства актиноидов
Из актиноидов наибольшее значение имеют лишь торий, уран и плутоний. Поэтому рассмотрим их более подробно.
Физические свойства некоторых актиноидов
Для остальных актиноидов характерны следующие степени окисления :
протоактиний +4, +5 и +6
нептуний и плутоний наиболее характерна степень окисления +3 и
+4, получены соединения со степенями
америций и кюрий наиболее характерна степень окисления +3,
имеются соединения со степенью окисления
берклий следующие наиболее характерна степень окисления +3.
Актиноиды, подобно лантаноидам, характеризуют-ся высокой химической активностью. В высокодисперсном состоянии Th, U и Pu активно погло-щают водород, образуя нестехиометрические металлоподобные соединения, состав которых приближается к ЭНз. Термическое разложение UH3 можно ис-пользовать для получения особо чистого водорода.
При нагревании в присутствии кислорода эти металлы образуют’ оксиды: бесцветный ТhO2, темно-коричневый UO2, желто-коричневый РuO2.
Гидроксиды Э(ОН)3 малорастворимы в воде и имеют основный характер. Гидроксиды Э(ОН)4 имеют основный характер и также нерастворимы в воде
При действии на уран избытка фтора образуется гексафторид UF6 бесцветное, легко возгоняющееся кристаллическое вещество (давление его пара 101 кПа при 56,5 °С). Это единственное соединение урана, сущест-вующее в газообразном состоянии при низкой температуре. Данное обстоя-тельство имеет большое практическое значение, поскольку разделение изо-топов 235 U и 238 U (с целью получения атомной энергии) осуществляют с по-мощью процессов, протекающих в газовой фазе (центрифугирование, газовая диффузия). При растворении в воде UF6 гидролизуется
Тетрафторид UF4 получают действием HF на UО2.
Аналогичными свойствами обладают гексафториды нептуния и плутония.
При нагревании уран активно взаимодействует с азотом, серой и другими элементными веществами.
Для соединений актиноидов чрезвычайно характер-ны реакции диспропорционирования. Например, ион пятивалентного плутония РuО2 + в водном растворе диспропорционирует на ионы трехвалентного и шести-валентного плутония:
Многие соли актиноидов хорошо растворимы в различных органических растворителях, не смешиваю-щихся с водой. На этом основана экстракция соеди-нений актиноидов органическими веществами из вод-ных растворов. Экстракционные процессы нашли широкое применение в технологии выделения и разделения, близких по свойствам актиноидов.
В природе лантаноиды очень рас-сеяны и в свободном виде не встречаются, а лишь в; сочетании друг с другом или с лантаном и иттрием. При отделении рассматриваемых элементов друг от друга большие трудности возникают ввиду чрезвычай-ного сходства свойств лантаноидов. Содержание лан-тана и лантаноидов в земной коре составляет 0,01 %’ (масс), т. е. примерно такое же, как меди. Наиболее распространены гадолиний, церий и неодим, наиболее редко гольмий, тулий и лютеций.
Очень редко встречается радиоактивный элемент прометий. Впервые он выделен в 1947 г. из продуктов деления урана в ядерном реакторе.
Лантаноиды обычно получают электролизом рас-плавленных хлоридов или фторидов. Они могут быть также получены металлотермическим способом при восстановлении фторидов или хлоридов активными металлами.
Оксиды гадолиния, самария и европия входят в состав защитных керамических покрытий от тепловых нейтронов в ядерных реакторах. Соединения ланта-ноидов входят в состав красок, лаков, люминофоров (светящиеся составы), катализаторов.
Все актиноиды радиоактивны. За период существо-вания Земли большинство из них полностью распа-лось и в настоящее время в природе не встречаются. Поэтому их получают искусственно. Существование в природе тория, протактиния и урана объясняется тем, что они имеют сравнительно стабильные изотопы, т.е. изотопы с большим периодом полураспада.
Промышленным источником тория служат монацитовые пески. Они также являются сырьем для полу-чения редкоземельных элементов. Известны богатые по содержанию минералы торит ThSi04 и торианит (Th,U)02. Однако они редко встречаются в природе и не образуют больших скоплений.
Протактиний чрезвычайно рассеянный элемент. Его добывают из отходов переработки урана. Однако в настоящее время изотоп протактиния-231 синтези-руют искусственным путем в ядерных реакторах. Та-ким способом его получают в больших количествах, чем из уранового сырья.
В настоящее время в различных странах мира су-ществует хорошо налаженное производство актиноид-ных металлов в следующих масштабах (за один год):
Нептуний Десятки килограм- Калифор- Доли грамма
Плутоний Тонны Эйнштей- Доли миллиграмма
Америций Десятки килограм- ний
мов Фермий Миллиарды атомов
Кюрий Килограммы Менделевий Тысячи атомов
Из актиноидов наибольшее применение нашли уран и плутоний. Дело в том, что ядра двух изотопов урана ( 235 U и 233 U), а также двух изотопов плутония ( 239 Рu и 241 Рu) при захвате нейтрона способны де-литься на два осколка, причем в каждом акте ядер-ного деления, наряду с осколками, делящееся ядро испускает два или три нейтрона. Благодаря этому ста-новится возможным не только продолжение начавшегося деления ядер, но и ла-винообразное его нараста-ние (рис. 1).
Деление ядер связано с огромным выделением энер-гии. Так, при делении урана-235 происходит выделе-ние около 75 млн. кДж энергии на 1 г урана. Это обусловило использование урана и плутония в качестве ядерного горючего в атомных энергетических установках и в качестве взрывчатого вещества в атом-ных бомбах.
Для взрыва ядерного материала необходимо такое развитие цепного процесса, при котором выделив-шаяся
4. Используемая литература.
4. Глинка Н.Л. Общая химия.- Л.: Химия, 1975.
Подобные документы
Общая характеристика лантаноидов. Характеристика основных соединений лантаноидов. Бинарные соединения. Оксиды. Сульфиды. Многоэлементные соединения. Гидроксиды. Комплексные соединения. Получение лантаноидов и их применение.
курсовая работа [56,9 K], добавлен 05.10.2003
Семейство лантана и лантаноидов, особенности их физических и химических свойств. История открытия, способы получения, применение лантана и его соединений. Строение электронных оболочек атомов лантана и лантаноидов. Аномальные валентности лантаноидов.
реферат [71,7 K], добавлен 18.01.2010
Свойства редкоземельных элементов или лантаноидов. Основные константы и свойства неодима. Распространенность в природе и природные изотопы. Разделение редкоземельных элементов. Взаимодействие с галогенами. Основные комплексные соединения неодима.
реферат [22,0 K], добавлен 06.08.2011
Оксиды, кислоты, основания, амфотерность, соли. Оксиды в трех агрегатных состояниях: в твердом, жидком и газообразном. Химические свойства кислот. Соляная кислота и хлороводород. Амфотерные оксиды и гидроксиды. Химические свойства солей.
шпаргалка [73,6 K], добавлен 11.09.2003
Общая характеристика металлов. Элементы I группы Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. Оксиды и пероксиды щелочных металлов. Гидроксиды. Элементы главной II группы: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra. Переходные металлы. Хром, железо, цынк, медь и их соединения.
реферат [29,5 K], добавлен 18.05.2006
Физические и химические свойства и электронное строение атома олова и его соединений с водородом, галогеном, серой, азотом, углеродом и кислородом. Оксиды и гидроксиды олова. Окислительно-восстановительные процессы. Электрохимические свойства металла.
курсовая работа [149,5 K], добавлен 06.07.2015
Изучение основных реакций, обусловливающих формирование молекулярной цепи полиизопрена, и их количественная оценка. Участие молекул мономера и непредельных фрагментов полиизопрена в определении концентрации активных центров в процессе полимеризации.
реферат [513,2 K], добавлен 18.03.2010
Как распространены оксидные соединения в природе. Какие оксиды образуют природные минералы. Химические свойства диоксида углерода, углекислого газа, карбона (II) оксида, красного, магнитного и бурого железняков, оксида хрома (III), оксида кальция.
презентация [1,7 M], добавлен 19.02.2017
Физические и химические свойства хлора. Химическая активность, соединение с другими элементами, распространенность в природе в чистом виде и в соединениях. Биологическое значение и применение хлора. Основная форма поступления в организм – хлорид натрия.
презентация [942,9 K], добавлен 09.12.2012
Реакция лития, натрия, калия с водой. Изучение физических и химических свойств бинарных кислородных соединений. Важнейшие соединения щелочноземельных металлов. Окислительно-восстановительные свойства пероксидов. Применение металлорганических соединений.
презентация [94,3 K], добавлен 07.08.2015
Актиноиды
| Актиноиды | |
|---|---|
 Металлический уран | |
| Состав группы | торий, протактиний, уран, нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий, лоуренсий |
| Период открытия | XVIII век (уран) — XX век (лоуренсий) |
| Нахождение в природе | очень малое |
| Электронная конфигурация | |
| Нахождение группы в электронных блоках | f-блок |
| Токсичность | высокорадиоактивные элементы |
Актиноиды (актиниды) — семейство, состоящее из 15 радиоактивных химических элементов III группы 7-го периода периодической системы с атомными номерами 89—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 |
Содержание
Изучение и синтез
Подобно лантаноидам, актиноиды 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. По сравнению с лантаноидами, которые (кроме прометия) 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, протактиний, актиний и только потом сверхредкие кюрий, америций, нептуний, берклий и калифорний.
В настоящее время для получения изотопов трансплутониевых элементов (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 (испускание нейтронов, деление).
От актиния до нептуния
Первыми открытыми актиноидами были уран и торий. Уран открыл М. Клапрот в 1789 году в урановой смоляной руде (название элемента происходит от названия планеты Уран). М. Клапрот, восстанавливая углём жёлтый оксид урана, добыл чёрное вещество, которое ошибочно принял за металл. Только через 60 лет французский исследователь Эжен 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 (1827 год). Детально изучил этот элемент Й. Берцелиус; он же назвал его в честь скандинавского бога грома и молнии — Тора (1828 год).
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.
| Получение трансурановых элементов | ||
|---|---|---|
| Элемент | Год открытия | Способ получения |
| Нептуний | 1940 | Бомбардировка 238 U нейтронами |
| Плутоний | 1941 | Бомбардировка 238 U дейтронами |
| Америций | 1944 | Бомбардировка 239 Pu нейтронами |
| Кюрий | 1944 | Бомбардировка 239 Pu α-частицами |
| Берклий | 1949 | Бомбардировка 241 Am α-частицами |
| Калифорний | 1950 | Бомбардировка 242 Cm α-частицами |
| Эйнштейний | 1952 | Обнаружен в продуктах термоядерного взрыва |
| Фермий | 1952 | Обнаружен в продуктах термоядерного взрыва |
| Менделевий | 1955 | Бомбардировка 253 Es α-частицами |
| Нобелий | 1965 | Бомбардировка 243 Am ядрами 15 N |
| Лоуренсий | 1961—1971 | Бомбардировка 252 Cf ядрами 10 B и др. |
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 возбуждённых изомерных состояний некоторых его нуклидов. Наиболее стабильным является изотоп актиния 227 Ac, который имеет период полураспада T½ = 21,77 года.
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 возбуждённых изомерных состояния некоторых его нуклидов. Наиболее стабилен нуклид 231 Pa, период полураспада которого равен 3,28⋅10 4 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.
Актиноиды на протяжении последних десятилетий досконально изучались Г. Сиборгом и его школой. При участии Сиборга был произведён синтез большинства трансурановых элементов.
От плутония
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:
При дальнейшем поглощении нейтронов 239 Pu превращается в 241 Pu, который вследствие β-распада переходит в 241 Am.
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
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:
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 245 Cf. С помощью аналогичной реакции из америция-241 был получен берклий-244.
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 (Томсон, 1949 год) и калифорния (Томсон, 1950 год). Весовые количества данных элементов были выделены значительно позже, в 1958 году (Кеннингем и Томсон), а первое соединение калифорния (CfOCl) получено лишь в 1960 году (Кеннингем и Уолмен).
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 физика Э. Ферми, внёсшего большой вклад в развитие современной теоретической и экспериментальной физики. Первые весовые (субмикрограммовые) количества эйнштейния выделены в 1961 году Кеннингемом и сотрудниками. Фермий и более ТПЭ с бо́льшими порядковыми номерами до настоящего времени не получены в весовых количествах.
Первый изотоп менделевия 256 Md был синтезирован в феврале 1955 года (Г. Сиборг и сотрудники) 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 256 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 (в основном калифорния-252) ионами бора-10 и бора-11; массовое число этого изотопа не было точно установлено (возможно, 258 или 259) на тот момент. Более надёжно идентифицирован изотоп лоуренсия 256 Lr, синтезированный в 1965 году Г. Флёровым с помощью нуклидов 243 Am и 18 O.
Изотопы
| Ядерные свойства важнейших изотопов трансплутониевых элементов | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Изотоп | Период полураспада | Вероятность спонтанного деления, % | Энергия излучения, МэВ (выход, в %) | Удельная активность | ||
| α | γ | α, β-частицы, Бк/кг | деления, Бк/кг | |||
| 241 Am | 432,2(7) лет | 4,3(18)⋅10 −10 | 5,485 (84,8) 5,442 (13,1) 5,388 (1,66) | 0,059 (35,9) 0,026 (2,27) | 1,27⋅10 14 | 546,1 |
| 243 Am | 7,37(4)⋅10 3 лет | 3,7(2)⋅10 −9 | 5,275 (87,1) 5,233 (11,2) 5,181 (1,36) | 0,074 (67,2) 0,043 (5,9) | 7,39⋅10 12 | 273,3 |
| 242 Cm | 162,8(2) суток | 6,2(3)⋅10 −6 | 6,069 (25,92) 6,112 (74,08) | 0,044 (0,04) 0,102 (4⋅10 −3 ) | 1,23⋅10 17 | 7,6⋅10 9 |
| 244 Cm | 18,10(2) года | 1,37(3)⋅10 −4 | 5,762 (23,6) 5,804 (76,4) | 0,043 (0,02) 0,100 (1,5⋅10 −3 ) | 2,96⋅10 15 | 4,1⋅10 9 |
| 245 Cm | 8,5(1)⋅10 3 лет | 6,1(9)⋅10 −7 | 5,529 (0,58) 5,488 (0,83) 5,361 (93,2) | 0,175 (9,88) 0,133 (2,83) | 6,35⋅10 12 | 3,9⋅10 4 |
| 246 Cm | 4,76(4)⋅10 3 лет | 0,02615(7) | 5,343 (17,8) 5,386 (82,2) | 0,045 (19) | 1,13⋅10 13 | 2,95⋅10 9 |
| 247 Cm | 1,56(5)⋅10 7 лет | — | 5,267 (13,8) 5,212 (5,7) 5,147 (1,2) | 0,402 (72) 0,278 (3,4) | 3,43⋅10 9 | — |
| 248 Cm | 3,48(6)⋅10 5 лет | 8,39(16) | 5,034 (16,52) 5,078 (75) | — | 1,40⋅10 11 | 1,29⋅10 10 |
| 249 Bk | 330(4) суток | 4,7(2)⋅10 −8 | 5,406 (1⋅10 −3 ) 5,378 (2,6⋅10 −4 ) | 0,32 (5,8⋅10 −5 ) | 5,88⋅10 16 | 2,76⋅10 7 |
| 249 Cf | 351(2) год | 5,0(4)⋅10 −7 | 6,193 (2,46) 6,139 (1,33) 5,946 (3,33) | 0,388 (66) 0,333 (14,6) | 1,51⋅10 14 | 7,57⋅10 5 |
| 250 Cf | 13,08(9) года | 0,077(3) | 5,988 (14,99) 6,030 (84,6) | 0,043 | 4,04⋅10 15 | 3,11⋅10 12 |
| 251 Cf | 900(40) лет | ? | 6,078 (2,6) 5,567 (0,9) 5,569 (0,9) | 0,177 (17,3) 0,227 (6,8) | 5,86⋅10 13 | — |
| 252 Cf | 2,645(8) года | 3,092(8) | 6,075 (15,2) 6,118 (81,6) | 0,042 (1,4⋅10 −2 ) 0,100 (1,3⋅10 −2 ) | 1,92⋅10 16 | 6,14⋅10 14 |
| 254 Cf | 60,5(2) суток | ≈100 | 5,834 (0,26) 5,792 (5,3⋅10 −2 ) | — | 9,75⋅10 14 | 3,13⋅10 17 |
| 253 Es | 20,47(3) суток | 8,7(3)⋅10 −6 | 6,540 (0,85) 6,552 (0,71) 6,590 (6,6) | 0,387 (0,05) 0,429 (8⋅10 −3 ) | 9,33⋅10 17 | 8,12⋅10 10 |
| 254 Es | 275,7(5) суток | −6 | 6,347 (0,75) 6,358 (2,6) 6,415 (1,8) | 0,042 (100) 0,034 (30) | 6,9⋅10 16 | — |
| 255 Es | 39,8(12) суток | 0,0041(2) | 6,267 (0,78) 6,401 (7) | — | 4,38⋅10 17 (β) 3,81⋅10 16 (α) | 1,95⋅10 13 |
| 255 Fm | 20,07(7) ч | 2,4(10)⋅10 −5 | 7,022 (93,4) 6,963 (5,04) 6,892 (0,62) | 0,00057 (19,1) 0,081 (1) | 2,27⋅10 19 | 5,44⋅10 12 |
| 256 Fm | 157,6(13) мин | 91,9(3) | 6,872 (1,2) 6,917 (6,9) | — | 1,58⋅10 20 | 1,4⋅10 19 |
| 257 Fm | 100,5(2) суток | 0,210(4) | 6,752 (0,58) 6,695 (3,39) 6,622 (0,6) | 0,241 (11) 0,179 (8,7) | 1,87⋅10 17 | 3,93⋅10 14 |
| 256 Md | 77(2) мин | — | 7,142 (1,84) 7,206 (5,9) | — | 3,53⋅10 20 | — |
| 257 Md | 5,52(5) ч | — | 7,074 (14) | 0,371 (11,7) 0,325 (2,5) | 8,17⋅10 19 | — |
| 258 Md | 51,5(3) суток | — | 6,73 | — | 3,64⋅10 17 | — |
| 255 No | 3,1(2) мин | — | 8,312 (1,16) 8,266 (2,6) 8,121 (27,8) | 0,187 (3,4) | 8,78⋅10 21 | — |
| 259 No | 58(5) мин | — | 7,455 (9,8) 7,500 (29,3) 7,533 (17,3) | — | 4,63⋅10 20 | — |
| 256 Lr | 27(3) с | 22 | — | |||
| 257 Lr | 646(25) мс | — | 8,796 (18) 8,861 (82) | — | 1,54⋅10 24 | — |
К 1982 году было известно 24 изотопа актиния, на данный момент известны 31 изотоп актиния и ещё 8 возбуждённых изомерных состояний некоторых его нуклидов. В природе были найдены три изотопа — 225 Ac, 227 Ac и 228 Ac, остальные получаются искусственным путём. На практике применяют три природных изотопа. Актиний-225 является членом радиоактивного ряда нептуния; был впервые обнаружен в 1947 году в качестве продукта распада урана-233. Если выдержать 1 г урана-233 в течение года, то активность образовавшегося в образце 225 Ac составит 1,8⋅10 6 распадов в минуту. Данный нуклид является α-излучателем с периодом полураспада 10 сут. Актиний-225 по сравнению с актинием-228 менее доступен, но в практическом отношении как радиоактивный индикатор является более перспективным.
Актиний-227 — член радиоактивного ряда урана-актиния. Встречается во всех урановых рудах, однако в малых количествах. На 1 г урана при радиоактивном равновесии приходится всего 2⋅10 −10 г 227 Ac. Период полураспада изотопа 227 Ac составляет 21,77 лет.
Из изотопов протактиния известны 29 нуклидов с массовыми числами 212—240 и 3 возбуждённых изомерных состояния некоторых его нуклидов. Из этого количества только два нуклида — 231 Pa и 234 Pa — встречаются в природе, остальные — синтезируются. Продолжительность жизни всех изотопов, за исключением протактиния-231, невелика. С практической точки зрения наиболее важными являются долгоживущий изотоп 231 Pa и искусственный 233 Pa. Протактиний-233 является промежуточным продуктом при получении урана-233, он же является наиболее доступным среди других искусственных изотопов протактиния. По своим физическим свойствам (период полураспада, энергия γ-излучения и др.) является удобным веществом для химических исследований. Благодаря данному изотопу было получено очень много ценных химических сведений по химии протактиния. Радиационная активность протактиния-233 составляет около 20 000 Ки. Протактиний-233 является β-излучателем с периодом полураспада 26,97 дня.
Уран имеет 25 его изотопов с массовыми числами 217—242. Для урана известно наличие 6 изомерных состояний некоторых его нуклидов. В природе в заметных количествах уран находится в виде трёх изотопов — 234 U, 235 U и 238 U. Из всех остальных важнейшим является 233 U, который получается как конечный продукт превращений при облучении 232 Th замедленными нейтронами. Ядро 233 U обладает эффективным поперечным сечением деления на тепловых нейтронах, по сравнению с 235 U. Из большинства изотопов урана наиболее удобным для изучения химических свойств считается уран-238, так как период полураспада составляет 4,4⋅10 9 лет.
В наше время известно 19 изотопов нептуния с массовыми числами от 225 до 244. Для работы с изотопами обычно применяются долгоживущий 237 Np (T½=2,20⋅10 6 лет) и короткоживущие 239 Np, 238 Np. Важнейшим из них является нептуний-237. Данный изотоп наиболее пригоден для исследования физических и химических свойств. Спектр данного изотопа является очень сложным и состоит из более 20 моноэнергетических линий. Применение больших количеств 239 Np в химической лаборатории осложняется его высокой радиоактивностью.
Для большинства нуклидов нептуния с массовым числом от 231 до 241 разброс в значениях периода полураспада составляет от 7,3 мин ( 240m Np) до 2,2⋅10 6 лет.
Для изотопов америция на данный момент известно 16 нуклидов с массовыми числами от 232 до 248. Важнейшими из них являются 241 Am и 243 Am, оба являются альфа-излучателями; имеют мягкое, но интенсивное γ-излучение; оба они могут быть получены в изотопически чистом виде. Химические свойства америция были изучены в основном на 241 Am, однако в дальнейшем стали доступны весовые количества 243 Am, который более удобен для химических исследований, так как почти в 20 раз менее активен, чем америций-241. Недостатком изотопа 243 Am является наличие короткоживущего дочернего изотопа нептуния-239, с которым приходится считаться при определении по γ-активности.
На данный момент известно 19 изотопов кюрия. Наиболее доступные из них — 242 Cm, 244 Cm являются α-излучателями, но имеют гораздо меньшие, чем у изотопов америция, периоды полураспада. У этих изотопов почти отсутствует γ-излучение, но зато заметным являются спонтанное деление и связанное с ним испускание нейтронов. Более долгоживущие изотопы кюрия( 245—248 Cm, все α-излучатели) образуются в виде смеси при облучении нейтронами плутония или америция. В этой смеси при не очень продолжительном облучении преобладает кюрий-246, а затем начинает накапливаться кюрий-248. Оба эти изотопа, особенно 248 Cm, имеют большие периоды полураспада и гораздо более удобны для проведения химических исследований, чем 242 Cm и 244 Cm; однако они также обладают довольно большой скоростью спонтанного деления. Наиболее живущий изотоп кюрия — 247 Cm — не образуется в больших количествах из-за сильного деления на тепловых нейтронах.
Для берклия известно 14 его изотопов с массовыми числами 238—252. Единственный доступный из них в больших количествах — 249 Bk имеет сравнительно малый период полураспада (330 дней) и испускает в основном мягкие β-частицы, неудобные для регистрации. У него имеется также слабое альфа-излучение (1,45⋅10 −3 % по отношению к β-излучению), которое иногда используется для определения этого изотопа. Известен долгоживущий изотоп берклия-247 с периодом полураспада 1380 лет, имеющий альфа-излучение, но пока он не получен в весовых количествах. Образование изотопа при нейтронном облучении плутония не происходит из-за β-стабильности изотопов кюрия с массовым числом меньше 248.
Изотопы калифорния с массовыми числами 237—256 образуются в ядерном реакторе, как и другие. Изотоп калифорния-253 является β-излучателем, а все остальные — α-излучателями. Кроме того, изотопы с чётными массовыми числами ( 250 Cf, 252 Cf и 254 Cf) характеризуются большой скоростью спонтанного деления, особенно изотоп калифорния-254, у которого 99,7 % распадов происходит путём спонтанного деления. Стоит отметить изотоп калифорния-249, который обладает довольно большим периодом полураспада (352 года) и слабым спонтанным делением. У этого изотопа имеется и сильное γ-излучение, которое может значительно облегчить его идентификацию. Изотоп 249 Cf не получается в больших количествах в ядерном реакторе вследствие медленного β-распада материнского изотопа 249 Bk и большого сечения взаимодействия с нейтронами, однако он может быть накоплен в изотопически чистом виде как продукт β-распада предварительно выделенного 249 Bk. Калифорний, выделенный из облучённого в реакторе плутония, содержит в основном изотопы 250 Cf и 252 Cf (при большом интегральном потоке нейтронов преобладает 252 Cf), и работа с ним затруднена из-за мощного нейтронного излучения.
| Характеристики некоторых равновесных пар изотопов ТПЭ | ||||
|---|---|---|---|---|
| Материнский изотоп | T½ | Дочерний изотоп | T½ | ВУРР |
| 243 Am | 7370 лет | 239 Np | 2,35 дня | 47,3 дня |
| 245 Cm | 8265 лет | 241 Pu | 14 лет | 129 лет |
| 247 Cm | 1,64⋅10 7 лет | 243 Pu | 4,95 часа | 7,2 дня |
| 254 Es | 270 дней | 250 Bk | 3,2 часа | 35,2 часа |
| 255 Es | 39,8 дня | 255 Fm | 22 часа | 5 дней |
| 257 Fm | 79 дней | 253 Cf | 17,6 дня | 49 дней |
Известно 16 изотопов изотопов эйнштейния с массовыми числами от 241 до 257. Наиболее доступным из его изотопов является 253 Es — α-излучатель с периодом полураспада 20,47 дней, имеющий относительное слабое γ-излучение и небольшую по сравнению с изотопами калифорния скорость спонтанного деления. При более длительном облучении в реакторе образуется также долгоживущий 254 Es (T½=275,5 дней).
Из изотопов фермия известно 19 нуклидов с массовыми числами от 242—260. Изотопы 254 Fm, 255 Fm, 256 Fm являются α-излучателями с короткими периодами полураспада (часы) и поэтому не могут быть выделены в весовых количествах. Но при более длительном и мощном облучении можно, по-видимому, ожидать накопления заметных количеств долгоживущего изотопа фермия-257 (T½=100 дней). Все изотопы фермия, в том числе и 257 Fm, характеризуются очень большими скоростями спонтанного деления.
Для менделевия известно 15 нуклидов с массовыми числами от 245 до 260. Все исследования свойств изотопов менделевия проводились с 256 Md, который распадается главным образом путём электронного захвата (α-излучение ≈ 10 %) с периодом полураспада 77 минут. Известен долгоживущий изотоп 258 Md (T½=53 дня), он также является альфа-излучателем. Оба эти изотопа получают из изотопов эйнштейния (соответственно 253 Es и 255 Es), поэтому возможность получения изотопов менделевия ограничивается количеством имеющегося эйнштейния.
Долгоживущие изотопы нобелия имеют малые периоды полураспада; по аналогии, все последующие после актиноидов элементы имеют все меньшие (местами) периоды полураспада. Для этого элемента известно 11 его нуклидов с массовыми числами от 250 до 260, и 262. Изучение химических свойств нобелия и лоуренсия проводились с изотопами 255 No (T½=3 мин.) и 256 Lr (T½=35 сек.). Наиболее долгоживущий 259 No (Т½≈1,5 часа) синтезирован в 1970 году в городе Оук-Ридж, США.
Распространение в природе
Торий и уран имеют самую высокую распространённость среди актиноидов; их атомные кларки равны 3⋅10 −4 % и 2⋅10 −5 % соответственно. В земной коре уран встречается в виде минеральной формы уранинита — U3O8 (смоляная руда, урановая смолка), а также карнотита — KUO2VO4·3H2O, отенита — Ca(UO2)2(PO4)2·nH2O и др. Два последних минерала имеют жёлтый цвет. Уран содержится также почти во всех минеральных формах редкоземельных минералов (фергюсонит, самарскит, эвксенит и др.).
Уран в природе встречается в виде изотопов 238 U (99,2739 %), 235 U (0,7204 %) и 234 U (0,0057 %). Из них 238 U имеет наибольший период полураспада (T½ = 4,51⋅10 9 лет).
Лидирующие по добыче урана страны:
Уран принадлежит к числу редких и рассеянных элементов. Содержание в земной коре урана составляет примерно 2⋅10 −4 %. Общие запасы урана исчисляются миллионами тонн. Из минеральных форм урана известно около 200 минералов, большинство из них относится к оксидам переменного состава (см. выше: карнотит, отенит).
Наиболее богатыми торием минералами являются торианит (ThO2), торит (ThSiO4), монацит, шералит ((Th, Ca, Ce)(PO4,SiO4)), торогумит (Th(SiO4)1−x(OH)4x). Торий, также как и уран, сопровождается с минеральными формами почти всех редкоземельных элементов. Богатые месторождения монацитовых песков находятся в Индии, Бразилии, Австралии, Африке, Канаде, США и на Цейлоне.
Распространение актиния в земной коре очень мало (атомный кларк 5⋅10 −15 %). Подсчитано, что общее распространение актиния в земной коре составляет 2600 т, в то время как, например, содержание радия равно 40 млн т. Актиний содержится в таких природных материалах, как сульфидные, силикатные, кислородсодержащие минералы; в природной воде — в ещё меньших количествах, по сравнению с урановыми рудами. Содержание актиния в большинстве природных объектов соответствует изотопному равновесию материнских изотопов 235 U. Повышенным содержанием данного элемента обладают такие минералы, как молибденит, халькопирит, касситерит, кварц, пиролюзит и др. Актиний характеризуется невысокой миграционной способностью и перемещением, то есть распространение актиния меньше по сравнению с ураном.
Более распространённым является протактиний, атомный кларк которого 10 −12 %. Протактиний был найден в урановой руде в 1913 году К. Фаянсом и О. Герингом. Общее содержание протактиния в земной коре (литосфере) в соответствии с содержанием урана (изотопы протактиния образуются при распаде 235 U) составляет 4,4⋅10 7 т. Содержание в горных породах вулканического происхождения составляет 0,8⋅10 −6 г/т, а в железных метеоритах 0,02⋅10 −6 г/т.
Период полураспада самого долгоживущего изотопа 237 Np ничтожно мал по сравнению с возрастом Земли, поэтому в природных минералах нептуний практически не встречается. На Земле его нуклиды могут образоваться практически лишь с помощью ядерных реакций. Нептуний находится в минералах как промежуточный продукт распада других изотопов.
