Нептуній

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
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
CMNS: 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]

Історія[ред. | ред. код]

Хибні повідомлення про відкриття[ред. | ред. код]

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[6].

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 збереглася, тому виникла впевненість, що новий елемент знайдено[7]. 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 показали, що поглинання нейтрону викликає поділ ядра урану на легкі радіоактивні ізотопи.

Відкриття[ред. | ред. код]

60-дюймовий циклотрон, на якому працював Макміллан

У 1940 році група Едвіна Макміллана працювала на циклотроні в Берклі. У своєму експерименті, вони розганяли ядра дейтерію, пучок яких падав на берилієву 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[8].

Пізніше, у 1942, Сіборг і Артур Валь[en] змогли зібрати більш стійкий ізотоп, нептуній-237.[9]

Походження назви[ред. | ред. код]

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[10], проте потім цю ідею було відкликано, щоб уникнути асоціацій швидкорозпадаючогося елементу з самим дуче[11]. 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»[12]. У 1938 році Голубей і Кошуа заявили про відкриття нового елементу після рентгенівського дослідження монациту і бетафіту, і запропонували для нього назву «сікваніум»[13]. 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[8].

Символ Np для позначення нептунію був затверджений у 1948 році за пропозицією Сіборга.[14]

Фізичні властивості[ред. | ред. код]

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

Нептуній — сріблястий, дуже важкий, порівняно м'який метал. За фізичними властивостями подібний до урану. Критична маса нептунію-237 — 60 кілограмів.[15] 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). Питома радіоактивність — 1,5 мільйона α-розпадів за хвилину на мг.[16]

Нептуній, як і плутоній, має порівняно низьку температуру плавлення — 644 °C (причиною цього є гібридизація 5f і 6d орбіталей [17]), 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.[18]

Як і плутоній, і америцій, чистий нептуній — парамагнетик[19]. При цьому сполуки нептунію можуть бути феромагнетиками, антиферомагнетиками.[20] Існує три алотропні модифікації нептунію, що позначаються літерами α, β і γ.[21]

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.

Хімічні властивості[ред. | ред. код]

Розчини іонів нептунію різних ступенів окиснення

У нептунія у хімічних реакціях беруть участь електрони 7s-, 6d- і 5f- орбіталей[22]. Завдяки цьому, нептуній може мати ступені окиснення +2, +3, +4, +5, +6 і +7. Нептуній є хімічно активним, швидко окислюється в нормальних умовах, а вже при 50 °C взаємодіє з воднем. Нептуній легко взаємодіє з галогенами і повільно — з азотом. Відомі два оксиди нептунію — NpO2 Np2O5, численні галогеніди (хлориди, броміди, йодиді, фториди)[23], гідрид, карбід, силіцид, нітрид і фосфід[24] нептунію. Нептуній утворює численні сульфіди — NpS, NpS3,Np2S5,Np3S5,Np2S3,Np3S4[25]. Також існують різноманітні органометалічні сполуки з нептунієм[26]. У розчині нептуній може мати усі ступені окиснення від +3 до +7. Відповідні іони мають вигляд Np3+, Np4+, NpO2+, NpO22+, NpO53-[27].

Нептуній в природі[ред. | ред. код]

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[28]. Загальна кількість урану в земній корі становить близько 1,3×1014 тонн[29], тому кількість природного нептунію може становити десятки тонн.

Також, велика кількість нептунію потрапила в навколишнє середовище під час атмосферних ядерних випробовувань — за оцінками, близько 2,5 тонн[28].

Отримання[ред. | ред. код]

Синтез[ред. | ред. код]

Нептуній утворюється у кількох типах ядерних реакцій. Нептуній 237, 238 і 239 утворюються у ядерних реакторах за наступними схемами[21]:

[30]

Ізотопи 235 і 236 отримуються на циклотронах, шляхом зіткнень ядер урану з протонами та ядрами дейтерію[31]:

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.[32]

Очищення[ред. | ред. код]

Відпрацьоване ядерне паливо розділяється на компоненти у багатоступеневому комплексному процесі, що називається Пьюрекс-процесс[en] (Plutonium Uranium Refining by Extraction). Одним з його результатів є виділення нептунієвої складової, що відбувається шляхом його екстракції за допомогою трибутилфосфату[en] ((CH3CH2CH2CH2O)3PO)[33].

Використання[ред. | ред. код]

Нептуній наразі не має комерційного застосування, проте використовується у наукових та військових цілях з метою отримання плутонію, а також для детекторів швидких нейтронів. Теоретично, нептуній може використовуватися як основний елемент ядерної зброї, проте наразі не відомо про існування таких варіантів атомних бомб[34]

Література[ред. | ред. код]

Примітки[ред. | ред. код]

  1. а б Technical data for Neptunium(англ.)
  2. Heat Capacities of Plutonium and Neptunium(англ.)
  3. а б в Neptunium(англ.)
  4. Neptunium 237 and Americium: World Inventories and Proliferation Concerns (англ.)
  5. Isotope data for neptunium-237 in the Periodic Table(англ.)
  6. Штучна радіоактивність
  7. Петрянов-Соколов, 1983, с. 350.
  8. а б Петрянов-Соколов, 1983, с. 352.
  9. Seaborg Announces Fissionable Neptunium(англ.)
  10. From mussolinium to the atom bomb(англ.)
  11. Even Enrico Makes Mistakes… Архівовано 10 листопад 2018 у Wayback Machine.(англ.)
  12. Валь, Боннер, 1954, с. 177.
  13. Fontani, Costa, Orna, 2015, с. 327.
  14. Report of the National Academy of Sciences(англ.)
  15. Criticality of a 2" Np Sphere(англ.)
  16. Валь, Боннер, 1954, с. 178.
  17. Bonnelle, Spector, 2015, с. 66.
  18. The Element of the Month — Neptunium(англ.)
  19. Bonnelle, Spector, 2015, с. 47.
  20. MAGNETIC AND ELECTRONIC PROPERTIES OF NEPTUNIUM AND PLUTONIUM COMPOUNDS(англ.)
  21. а б Yoshida, Johnson, Kimura, Krsul, 2010, с. 718.
  22. Несмеянов, 1978, с. 350.
  23. Yoshida, Johnson, Kimura, Krsul, 2010, с. 736.
  24. Несмеянов, 1978, с. 351.
  25. Yoshida, Johnson, Kimura, Krsul, 2010, с. 739.
  26. Yoshida, Johnson, Kimura, Krsul, 2010, с. 750.
  27. Yoshida, Johnson, Kimura, Krsul, 2010, с. 754.
  28. а б Yoshida, Johnson, Kimura, Krsul, 2010, с. 704.
  29. УРАН В ПРИРОДНЫХ СРЕДАХ(рос.)
  30. реакція (n, 2n) означає, що у ядро влітає нейтрон, воно переходить у збуджений стан і випускає два нейтрони
  31. Yoshida, Johnson, Kimura, Krsul, 2010, с. 702.
  32. Destruction of long-lived radioactive waste(англ.)
  33. Yoshida, Johnson, Kimura, Krsul, 2010, с. 710.
  34. The Element of the Month — Neptunium