Торій

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Торій
Торій (Th)
Атомний номер 90
Зовнішній вигляд
простої речовини
сірий, м'який,
ковкий , в'язкий ,
радіоактивний метал
Властивості атома
Атомна маса
(молярна маса)
232,0381 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома 180 пм
Енергія іонізації
(перший електрон)
670,4(6,95) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація [Rn] 6d2 7s2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус 165 пм
Радіус іона (+4e) 102 пм
Електронегативність
(за Полінгом)
1,3
Електродний потенціал
Ступені окиснення 4
Термодинамічні властивості
Густина 11,78 г/см³
Питома теплоємність 0,113 Дж/(K моль)
Теплопровідність (54,0) Вт/(м К)
Температура плавлення 2028 K
Теплота плавлення 16,11 кДж/моль
Температура кипіння 5060 K
Теплота випаровування 513,7 кДж/моль
Молярний об'єм 19,8 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки кубічна
гранецентрована
Період ґратки 5,080 Å
Відношення c/a n/a
Температура Дебая 100,00 K
Періодична система елементів
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

То́рій (лат. Thorium), Th — радіоактивний хімічний елемент, перший член сімейства актиноїдів, що входять до III групи періодичної системи Менделєєва; атомний номер 90, атомна маса 232,038; сріблясто-білий пластичний метал.[1] Стійкий до окиснення у чистому вигляді, але повільно тьмяніє із часом — до темного кольору. Повільно взаємодіє із водою. Легко деформується на холоді; механічні властивості торію сильно залежать від його чистоти, тому межа міцності при розтягуванні торію варіює від 150 до 290 Мн/м² (15-29 кгс/мм²), твердість за Бринелем від 450 до 700 Мн/м² (45-70 кгс/мм²). Конфігурація зовнішніх електронів атома Th 6d 27s2.

На повітрі при кімнатній температурі торій окиснюється трохи, покриваючись захисною плівкою чорного кольору; вище 400°С швидко окиснюється ThO2 - єдиний оксид, який плавиться при 3200°С і має високу хімічну стійкість.[1]

Природний торій містить один ізотоп 232Th із періодом напіврозпаду 14 млрд років.

Радіоактивність - основна причина цікавості до торію, оскільки цей тугоплавкий, але не міцний і нестійкий до корозії метал, одразу після відкриття не становив інтересу як конструкційний матеріал.

Історія[ред.ред. код]

1828 року видатному шведському хіміку І.Я.Берцеліусу надіслали рідкісний мінерал, який тепер називають торитом (ThSiO4). Видатний хімік виділив оксид (торит містить до 77% ThO2) і впевнившись, що це окис нового елементу, надав йому назву торій на честь наймогутнішого скандинавського божества Тора.

Відновивши калієм фтористу сполуку нового елементу Берцеліус отримав сірий металічний порошок, як пізніше з'ясувалося - дуже забруднений домішками. Ці домішки призвели до цілої низки помилок під час опису властивостей торію.

Чистий препарат торію було отримано лише 1882 року іншим видатним шведським хіміком - Ларсом Фредериком Нільсоном.

У 19 столітті застосування торію обмежувалося тільки його оксидом (ThO2). Ця сполука із температурою плавлення 3300 °C — найвищою серед усіх оксидів. Спочатку з нього пробували робити тиглі для виплавки матеріалів, але попри тугоплавкість ця речовина розчиняється у деяких металах і таким чином забруднює їх, тому вони мають обмежене застосування. Поширення набули сітки з оксиду торію у газових ліхтарях, які у той час (за відсутності електричного освітлення) були основним джерелом світла на вулицях міст.

1898 року Марія Склодовська-Кюрі та незалежно і майже одночасно з нею німецький вчений Ґергард Шмідт виявили радіоактивність торію.

Глибокі досліди радіоактивності торію вже на початку дали неочікувані результати. У той час як радіоактивність урану була постійною та незалежною від будь-яких зовнішніх факторів, радіоактивність торію відрізнялася дивною непостійністю. Двоє тоді ще молодих професорів університету Мак-Гілла в Монреалі — Ернест Резерфорд та Р.Б.Оуенс — на початку робіт із торієм були дуже здивовані, коли після ретельного провітрювання приміщення радіоактивність торію стала майже непомітною!

Вони висунули природнє припущення, що під час розпаду виникає радіоактивний продукт у вигляді газу. Він отримав назву еманація торію або торон, його було знайдено та вивчено і наразі він більше відомий як ізотоп радону 220Rn.

Невдовзі у тій же лабораторії Фредерік Содді виділив із розчину торієвої солі ще один новий радіоактивний продукт торій-X. Його знаходили скрізь, де був торій, але після відокремлення інтенсивність його випромінювання швидко падала. Менш ніж за чотири дні вона зменшувалася удвічі і продовжувала зменшуватися надалі у повній відповідності з геометричною прогресією. Так у фізику увійшло поняття період напіврозпаду. Пізніше було встановлено, що торій-X являє собою ізотоп радію 224Ra із порівняно коротким часом життя (3,6 доби).

Послідовність розпадів у ряду торію

Вивчивши численні продукти перетворень торію, Резерфорд встановив зв'язок між ними та на підставі цих досліджень 1903 року запропонував схему послідовних розпадів радіоактивного ряду торію.

Розповсюдження[ред.ред. код]

Торій - характерний елемент верхньої частини земної кори гранітного шару і осадочної оболонки, де його в середньому міститься відповідно 1,8-10-3% і 1,3-10-3% за масою. Торій порівняно слабомігруючий елемент; в основному він бере участь у магматичних процесах, накопичуючись у гранітах, лужних породах і пегматитах. Здатність до концентрації слабка. Відомо 12 власних мінералів торію. Торій міститься в монациті, уранініті, цирконі, апатиті, ортиті та ін. Основне промислове джерело торій – монацитові розсипи (морські і континентальні). У природних водах міститься особливо мало торію: у прісній воді 2·10-9%, у морській воді 1·10-9%. Він дуже слабо мігрує в біосфері і гідротермальних розчинах.[1]

Крім вже згаданого ториту (ThSiO4) мінералом торію є також торіаніт (Th,U)O2, що містить від 45% до 93% ThO2. Але ці мінерали надзвичайно рідкісні і, хоча вони мають промислове значення, іх частка у виробництві торію незначна. Найвідоміше родовище ураноторіаніту розташоване на острові Мадагаскар.

Значні кількості торію містяться у монациті. Загалом його формулу пишуть як (Ce,La)PO4, але крім церію та лантану монацит містить багато рідкоземельних елементів, і, зокрема, - торій. У деяких родовищах вміст його оксиду може сягати чверті.

Отримання[ред.ред. код]

Виділення торію з таких руд є надзвичайно складним. Це зумовлено тим, що монацит містить рідкоземельні метали, що дуже подібні до торію та між собою за хімічними властивостями. Наразі для цього використовують екстракцію. Найчастіше це роблять за допомогою трибутилфосфату.

Одержують ThO2 термічним розкладанням нітрату, оксалату або гідроокису торію з воднем, при температурах вище 200°С торій реагує з утворенням порошкоподібних гідридів ThH2, ThH3 та ін. складу. У вакуумі при температурі 700-800°С з торію можна видалити весь водень. При нагріванні в азоті вище 800°С утворюються нітриди ThN і Th2NЗ, які розкладаються водою з виділенням аміаку. З вуглецем утворює два карбіди - ThC і ThC2; вони розкладаються водою з виділенням метану і ацетилену. Сульфіди ThS, Th2S3, Th7S12, ThS2 можуть бути одержані при нагріванні металу з парами сірки (600-800°С). Торій реагує з фтором при кімнатній температурі, з рештою галогенів при нагріванні з утворенням галогенідів типу ThX4 (де X – галоген). Найважливіше промислове значення з галогенідів мають фторид ThF4 і хлорид ThC14. Фторид одержують дією HF на ThO2 при підвищених температурах; хлорид – хлоруванням суміші ThO2 з вугіллям при підвищених температурах.

Торій добувається головним чином з монацитових концентратів, в яких він міститься у вигляді фосфату. Промислове значення мають два способи розкриття (розкладання) таких концентратів:
  1) обробка концентрованою сірчаною кислотою при 200°С (сульфатизація);
  2) обробка розчинами лугу при 140°С.

 У сірчанокислі розчини продуктів сульфатизації переходять всі рідкоземельні елементи, торій і фосфорна кислота. При доведенні рН такого розчину до 1 осаджується фосфат торію; осад відділяють і розчиняють в азотній кислоті, а потім нітрат торію екстрагують органічним розчинником, з якого торій легко вимивається у вигляді комплексних сполук. При лужному розкритті концентратів в осаді залишаються гідроокиси всіх металів, а в розчин переходить тринатрій фосфат. Осад відділяють і розчиняють в соляній кислоті; знижуючи рН цього розчину до 3,6-5, оточують торій у вигляді гідроокису. З виділених і очищених сполук торію одержують ThO2, ThC14 і ThF4, основні початкові речовини для виробництва металевого торію метало-термічними методами або електролізом розплавлених солей. До метало-термічних методів належать: відновлення ThO2 кальцієм за наявності СаС12 в атмосфері аргону при 1100-1200°С, відновлення ThC14 магнієм при 825-925°С і відновлення ThF4 кальцієм за наявності 2nC12 з отриманням сплаву торію і подальшим відділенням цинку нагріванням сплаву у вакуумній печі при 1100°С. У всіх випадках одержують торій у формі порошку або губки. Електроліз розплавлених солей ведеться з електролітів, що містять ThC14 і МаС1, або ванн, що складаються з суміші ThF4, КаС1, КС1. Торій виділяється на катоді у вигляді порошку, відокремлюваного потім від електроліту обробкою водою або розбавленими лугами. Для отримання компактного торію застосовують метод порошкової металургії (спікання заготовок проводять у вакуумі при 1100-1350°С) або плавку в індукційних вакуумних печах у тиглях з ZrO2 або ВеО. Для отримання торію особливо високої чистоти використовують метод термічної дисоціації лодиду торію.[1]

Застосування[ред.ред. код]

Завдяки постійній швидкості радіоактивного розпаду та наявності у матеріалах материнських та дочірніх ізотопів торій використовують для виміру геологічного віку порід та скам'янілостей. Відповідну ідею висловив П'єр Кюрі ще у 1904 році.

Також торій використовують:

  • у авіаційно-космічному конструюванні як легуючий елемент для магнію, що помітно збільшує міцність та жаростійкість його сплавів.
  • для легування вольфраму, що поліпшує його структуру. Добавка 0,8-1% ThO2 до вольфраму стабілізує структуру ниток ламп розжарювання (нитки розжарювання ламп, електроди)
  • як каталізатор у процесах крекінгу нафти, виробництва азотних добрив та органічного синтезу.
  • як добавка до скла, що збільшує показник його заломлення та зменшує дисперсію. Це має застосування у високоякісних лінзах для фотокінокамер та наукових інструментів.
  • Торій і його сполуки широко застосовують у складі каталізаторів в органічному синтезі, для легування магнієвих і ін. сплавів, які набули великого значення в реактивній авіації і ракетній техніці. Металевий торій використовується в торієвих реакторах.

Використання як ядерного палива[ред.ред. код]

Торій не може бути ядерним паливом безпосередньо. Але під дією нейтронів (наприклад, у ядерних реакторах) відбуваються такі ядерні реакції:

  • 232Th + n → 233Th → 233Pa + e-
  • 233Pa → 233U + e-

Отриманий у результаті ізотоп урану 233U є чудовим ядерним пальним, що за деякими показниками перевищує традиційний 235U.

Біологічна роль[ред.ред. код]

Біологічної ролі торій не має, у біосфері не зустрічається. Якщо потрапляє до шлунку людини (у звичайному вигляді та у вигляді більшості сполук) виводиться з організму. Небезпечним є потрапляння до складу крові.

Примітки[ред.ред. код]

  1. а б в г Любич О.Й., Пчелінцев В.О. Фізичні основи металургії кольорових і рідкоземельних металів: Навч. посібник. — Суми: Вид-во СумДУ, 2009 ISBN 978-966-657-255-7 с.209 - 212

Література[ред.ред. код]