Відмінності між версіями «Нептуній»

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
[очікує на перевірку][очікує на перевірку]
Рядок 80: Рядок 80:
 
== Нептуній в природі ==
 
== Нептуній в природі ==
 
Період напіврозпаду найстабільнішого ізотопу нептунію — трохи більше 2 мільйонів років, тому будь-яка його кількість, що існувала при утворенні Землі (що відбулося 4,5 мільярди років тому), вже розпалася. Втім, невелика кількість нептунію може утворюватись у уранових рудах наступним чином: нейтрони, що утворюються при спонтанному поділі ядра урану, можуть, взаємодіючи з оточуючим ураном, викликати його перетворення на нептуній. Розпад і утворення нептунію знаходяться у динамічній рівновазі. Експерименти показують, що відношення кількості нептунію до урану в породі може досягати 10<sup>-12</sup>.<ref name="radchem"></ref> Загальна кількість урану в земній корі становить близько 1.3×10<sup>14</sup> тонн<ref>[http://profbeckman.narod.ru/Uran.files/Glava3.pdf УРАН В ПРИРОДНЫХ СРЕДАХ]{{ref-ru}}</ref>, тому кількість природнього нептунію може становити десятки тонн.
 
Період напіврозпаду найстабільнішого ізотопу нептунію — трохи більше 2 мільйонів років, тому будь-яка його кількість, що існувала при утворенні Землі (що відбулося 4,5 мільярди років тому), вже розпалася. Втім, невелика кількість нептунію може утворюватись у уранових рудах наступним чином: нейтрони, що утворюються при спонтанному поділі ядра урану, можуть, взаємодіючи з оточуючим ураном, викликати його перетворення на нептуній. Розпад і утворення нептунію знаходяться у динамічній рівновазі. Експерименти показують, що відношення кількості нептунію до урану в породі може досягати 10<sup>-12</sup>.<ref name="radchem"></ref> Загальна кількість урану в земній корі становить близько 1.3×10<sup>14</sup> тонн<ref>[http://profbeckman.narod.ru/Uran.files/Glava3.pdf УРАН В ПРИРОДНЫХ СРЕДАХ]{{ref-ru}}</ref>, тому кількість природнього нептунію може становити десятки тонн.
  +
  +
Також, велика кількість нептунію потрапила в навколишнє середовище під час атмосферних ядерних випробовувань — за оцінками, близько 2,5 тонн<ref name="radchem"></ref>.
   
 
== Отримання ==
 
== Отримання ==

Версія за 21:31, 10 листопада 2018

Нептуній (Np)
Атомний номер 93
Зовнішній вигляд простої речовини сріблястий метал
Властивості атома
Атомна маса (молярна маса) 237,048 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома 130 пм
Енергія іонізації (перший електрон) 604,5 кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація [Rn] 5f4 6d1 7s2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус 190[1] пм
Радіус іона

(+4e) 95 пм

(+3e) 110 пм
Електронегативність (за Полінгом) 1,36
Електродний потенціал Np←Np4+ -1,30В
Np←Np3+ -1,79В
Np←Np2+ -0,3В
Ступені окиснення 7, 6, 5, 4, 3
Термодинамічні властивості
Густина 20,25 г/см³
Молярна теплоємність 13,7[2] Дж/(К·моль)
Теплопровідність 6,3 Вт/(м·К)
Температура плавлення 913 К
Теплота плавлення 9,6 кДж/моль
Температура кипіння 4447[3] К
Теплота випаровування 336 кДж/моль
Молярний об'єм 21,1 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки орторомбічна
Період ґратки 4,720 Å
Відношення с/а n/a
Температура Дебая n/a К
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 Nh Fl Mc Lv Ts Og
* 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
Нептуній у Вікісховищі?

Нептуній — хімічний елемент з атомним номером 93, актиноїд, перший трансурановий елемент. Названий на честь планети Нептун. Позначається символом Np. Усі ізотопи нептунію радіоактивні, тому він практично не зустрічається в природі. Штучний нептуній утворюється як побічний продукт при роботі ядерних реакторів. Щороку виробляється близько п'яти тонн нептунію.[4]Нептуній був уперше отриманий Е. М. Макмілланом і Ф. Г. Абельсоном у 1940 році у процесі обстрілювання урану нейтронами.

Відомо 20 ізотопів нептунію, найбільш стабільний з яких, нептуній-237, має період напіврозпаду 2,144 мільйона років.[5]

Фізичні властивості

Куля з нептунію-237 у чашках із збагаченого урану(чорний)

Нептуній — сріблястий, дуже важкий, порівнянно м'який метал. За фізичними властивостями подібний до урану. Критична маса нептунію-237 — 60 кілограмів.[6] Основний кінцевий продукт розпаду цього ізотопу — Талій-205, а не свинець, як у урану або плутонію (на практиці можна вважати, що ряд закінчується вісмутом-209, що має період напіврозпаду більш ніж 1019 років).

Нептуній, як і плутоній, має порівняно низьку температуру плавлення — 644°C (причиною цього є гібридизація 5f і 6d орбіталей [7]), а випаровується при 4174 °C, що робить його елементом з найширшим температурним діапазоном рідкого стану.[3]

Як і інші метали, нептуній є провідником з питомим опором 1.2×10-6 Ом·м[1]. Відомий надпровідник, що містить у своєму складі нептуній — NpPd5Al2.[3]

На повітрі нептуній швидко вкривається тонкою оксидною плівкою, а дрібнодисперсний нептуній може самозайматись. [8]

Як і плутоній, і америцій, чистий нептуній — парамагнетик.[9] При цьому сполуки нептунію можуть бути феромагнетиками, антиферомагнетиками.[10] Існує три алотропні модифікації нептунію, що позначаються літерами α, β і γ.[11]

Модифікація Тип ґратки Постійні ґратки(Ǻ) Густина (г/см3)
α Орторомбічна a=6.663 b=4.723 c=4.887 20.45
β Тетрагональна a=4.897 c=3.388 19.36
γ Об'ємноцентрована кубічна a=3.518 18

Перехід α→β відбувається при 555 К і має ентальпію переходу 4730 Дж/моль, перехід β→γ відбувається при 856 К і має ентальпію переходу 2990 Дж/моль. Потрійна точка β-фази, γ-фази і рідини реалізується за температури 998 К і тиску 3200 МПа.

Історія

Хибні повідомлення про відкриття

У 1934 році Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі відкрили явище штучної радіоактивності — при опроміненні альфа-частинками, що їх випромінював радіоактивний полоній, бору, алюмінію і магнію, ті, в свою чергу, починали випромінювати позитрони, і до того ж емісія позитронів продовжувалося і після припинення опромінення альфа-частинками, спадаючи експоненційно. Це явище правильно було пояснене тим, що альфа частинка, проникаючи в ядро, зливалася з ним, утворюючи штучні нестабільні ядра[12].

Проте бомбардування вольфраму, золота і свинцю не дала результатів, що було пов'язане з тим, що важкі ядра мають високий позитивний заряд, і відштовхують альфа-частинки. Того ж року, група фізиків з Римського університету на чолі з Енріко Фермі почала серію експериментів з опромінення елементів нейтронами, відкритими за два роки до того. Нейтрони не мають електричного заряду, а тому можуть легко проникати в будь-які ядра. Перші експерименти з опроміненням фтору завершилися успіхом, і Фермі перейшов до експериментів з більш важкими елементами, аж до найважчого відомого тоді елементу, урану. Очікувалося, що уран, захопивши нейтрон, зазнає бета-розпаду, і перетвориться на елемент номер 93.

У опроміненому урані дійсно виникала наведена радіоактивність, а експерименти показали, що радіоактивний елемент з періодом напіврозпаду 13 хвилин, хімічно є подібним до ренію (а у той час вважалося, що елемент 93 є хімічним аналогом ренію). Для того щоб підтвердити, що цей елемент є елементом 93, Фермі розчинив уран, а потів видалив з розчину усі елементи з атомними масами від 82 до 92. Радіоактивність зберіглася, тому виникла впевненість, що новий елемент знайдено.[13] Проте подальші експерименти поставили цей факт під сумнів, тому що при опроміненні урану виникали ізотопи елементів, легших за свинець. Врешті решт, у 1938 році Отто Ган, Ліза Майтнер і Фріц Штрассман[en] показали, що поглинання нейтрону викликає поділ ядра урану на легкі радіоактивні ізотопи.

Відкриття

У 1940 році група Едвіна Макміллана працювала на циклотроні в Берклі. У своєму експерименті, вони розганяли ядра дейтерію, пучок яких падав на берілієву мішень, породжуючи інтенсивний (у мільйони разів інтенсивніший, ніж у дослідах Фермі) потік нейтронів, яким опромінювали кілька листків папіросного паперу, перший з яких було вкрито ураном. Легкі уламки, що утворювалися при поділі ядра опроміненого урану, мали достатню енергію щоб вилетіти з паперу і осісти на інших листках. За радіоактивністю окремих листків Макмілан міг визначити енергії уламків. Проте, дослідивши перший листок він помітив, що окрім урану-239 з періодом напіврозпаду у 23 хвилини, на ньому був присутній ще один елемент, з періодом напіврозпаду 2,3 доби. Оскільки він не вилетів з листка, можна було припустити, що цей ізотоп є доволі важким, і не є продуктом поділу ядра урану. Макмілан, з допомогою Филипа Абельсона, змогли показати, що цей елемент є хімічно близьким до урану, а пізніше, що він є ізотопом нового елементу, що утворювався при бета-розпаді урану-239.[13].

Пізніше, у 1942, Сіборг і Артур Валь[en] змогли зібрати більш стійкий ізотоп, нептуній-237. [14]

Походження назви

У 1934 Італія, де працював Фермі, знаходилася під владою Муссоліні. Фашисти багато інвестували у роботу Фермі, щоб продемонструвати вищість італійської науки, тому зажадали назви "муссоліній" для нового елементу[15], проте потім цю ідею було відкликано, щоб уникнути асоціацій швидкорозпадаючогося елементу з самим дуче[16]. Для елементу 93 було запропоновано назву "аузоній".

Крім Фермі, у той же час кілька інших дослідників повідомили про відкриття нового елементу. Так, чеський інженер Одонер Коблік у 1934 році виділив з уранової смолки осад, який він ідентифікував як елемент з масою 240, і запропонував для нього назву "богемій". У 1938 році Голубей і Кошуа заявили про відкриття нового елементу після рентгенівського дослідження монациту і бетафіту, і запропонували для нього назву "сікваніум". [17] Усі ці відкриття в подальшому не підтвердилися.

Назву нептуній запропонував Макміллан, бо новий елемент йшов за ураном, так само як планета Нептун, у Сонячній системі йде планетою Уран[13]

Символ Np для для позначення нептунію був затверджений у 1948 році за пропозицією Сіборга.[18]

Нептуній в природі

Період напіврозпаду найстабільнішого ізотопу нептунію — трохи більше 2 мільйонів років, тому будь-яка його кількість, що існувала при утворенні Землі (що відбулося 4,5 мільярди років тому), вже розпалася. Втім, невелика кількість нептунію може утворюватись у уранових рудах наступним чином: нейтрони, що утворюються при спонтанному поділі ядра урану, можуть, взаємодіючи з оточуючим ураном, викликати його перетворення на нептуній. Розпад і утворення нептунію знаходяться у динамічній рівновазі. Експерименти показують, що відношення кількості нептунію до урану в породі може досягати 10-12.[11] Загальна кількість урану в земній корі становить близько 1.3×1014 тонн[19], тому кількість природнього нептунію може становити десятки тонн.

Також, велика кількість нептунію потрапила в навколишнє середовище під час атмосферних ядерних випробовувань — за оцінками, близько 2,5 тонн[11].

Отримання

Нептуній утворюється у кількох типах ядерних реакцій. Нептуній 237, 238 і 239 утврюються у ядерних реакторах за наступними схемами[11]:

[20]

Ізотопи 235 і 236 отримуються на циклотронах, шляхом зіткнень ядер урану з протонами та ядрами дейтерію[11]:

Потенціал до накопичення має тільки ізотоп 237, що виробляється у великій кількості, і має значний період напіврозпаду. Нептуній складає близько 0,05% відпрацьованого ядерного палива. [21]

Література

Примітки