Atomski broj plutonijuma. Mendeljejevljev periodni sistem elemenata je plutonijum. Kako doći do plutonijuma

Dom

Plutonijum, element broj 94, otkrili su Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy i Arthur Wahl 1940. godine na Berkeleyju bombardiranjem uranijumske mete deuteronima iz ciklotrona od šezdeset inča. U maju 1940. svojstva plutonijuma je predvidio Lewis Turner.

U decembru 1940. otkriven je izotop plutonijuma Pu-238, sa vremenom poluraspada od ~90 godina, a godinu dana kasnije usledio je važniji Pu-239 sa vremenom poluraspada od ~24.000 godina.

Pu-239 je prisutan u prirodnom uranijumu u obliku tragova (količina je jedan dio na 1015 on nastaje kao rezultat hvatanja neutrona od strane jezgra U-238). Ekstremno male količine Pu-244 (najdugovječniji izotop plutonijuma, sa vremenom poluraspada od 80 miliona godina) pronađene su u rudi cerijuma, očigledno zaostalom od formiranja Zemlje. Postoji ukupno 15 poznatih izotopa plutonijuma, od kojih su svi radioaktivni. Najznačajniji za dizajn:
nuklearno oružje
Pu238 -> (86 godina, alfa raspad) -> U234
Pu239 -> (24,360 godina, alfa raspad) -> U235
Pu240 -> (6580 godina, alfa raspad) -> U236
Pu241 -> (14,0 godina, beta raspad) -> Am241

Pu242 -> (370.000 godina, alfa raspad) -> U238 Fizička svojstva plutonijuma Plutonijum je veoma težak srebrnast metal, sveže rafiniran, sjajan poput nikla. Izuzetno je elektronegativan, hemijski aktivni element

, mnogo više od uranijuma. Brzo blijedi stvarajući prelivni film (poput iridescentnog uljnog filma), u početku svijetložut, a na kraju postaje tamnoljubičast. Ako je oksidacija prilično jaka, na površini se pojavljuje maslinasto zeleni prah oksida (PuO2). Plutonijum lako oksidira i brzo korodira čak i u prisustvu male vlage. Čudno, ali postaje zarđalo u atmosferi inertni gas

Plutonijum ima četiri valencije, III-VI. Dobro se otapa samo u vrlo kiselim medijima, kao što su azotna ili hlorovodonična kiselina; Plutonijumove soli lako hidroliziraju u kontaktu sa neutralnim ili alkalnim rastvorima, stvarajući nerastvorljivi plutonijum hidroksid. Koncentrirane otopine plutonija su nestabilne zbog radiolitičke razgradnje koja dovodi do taloženja.

Zbog svoje radioaktivnosti, plutonijum je topao na dodir. Veliki komad plutonijuma u termoizolovanoj ljusci zagreva se na temperaturu koja prelazi tačku ključanja vode.

Basic fizička svojstva plutonijum:
Tačka topljenja: 641 °C;
Tačka ključanja: 3232 °C;
Gustina: 19,84 (u alfa fazi).

Plutonijum ima mnoga specifična svojstva. Ima najnižu toplotnu provodljivost od svih metala, najnižu električnu provodljivost, sa izuzetkom mangana (prema drugim izvorima, još uvek je najniži od svih metala). U svojoj tečnoj fazi je najviskozniji metal.

Kada se temperatura promijeni, plutonij trpi najozbiljnije i neprirodne promjene gustoće. Plutonijum ima šest različitih faza (kristalnih struktura) u čvrstom obliku, više od bilo kojeg drugog elementa (zapravo, strožim terminima, ima ih sedam). Neki prijelazi između faza su praćeni dramatičnim promjenama u volumenu. U dvije od ovih faza - delta i delta prime - plutonij ima jedinstveno svojstvo skupljanja kako temperatura raste, au ostalima ima izuzetno visok temperaturni koeficijent ekspanzije. Kada se rastopi, plutonijum se skuplja, omogućavajući neotopljenom plutonijumu da pluta. U svom najgušćem obliku, alfa fazi, plutonijum je šesti najgušći element (teži su samo osmijum, iridijum, platina, renijum i neptunijum). U alfa fazi, čisti plutonijum je krhak, ali postoje fleksibilne legure.

Izotop plutonijuma 238 Pu je prvi put veštački dobijen 23. februara 1941. godine od strane grupe američkih naučnika predvođenih G. Seaborgom zračenjem jezgara uranijuma deuteronima. Tek tada je u prirodi otkriven plutonijum: 239 Pu se obično nalazi u zanemarljivim količinama u rude uranijuma kao produkt radioaktivne transformacije uranijuma. Plutonijum je prvi veštački element dobijen u količinama dostupnim za vaganje (1942) i prvi čija je proizvodnja započela u industrijskoj skali.
Ime elementa nastavlja astronomsku temu: nazvan je po Plutonu, drugoj planeti nakon Urana.

Boravak u prirodi, primanje:

U rudama urana, kao rezultat hvatanja neutrona (na primjer, neutrona iz kosmičkog zračenja) jezgrima urana, nastaje neptunijum (239 Np), proizvod b- čiji je raspad prirodni plutonijum-239. Međutim, plutonijum se formira u takvim mikroskopskim količinama (0,4-15 delova Pu na 10 12 delova U) da ne dolazi u obzir njegovo izvlačenje iz ruda uranijuma.
Plutonijum se dobija u nuklearnih reaktora. U snažnim tokovima neutrona dešava se ista reakcija kao i u uranijumskim rudama, ali je stopa formiranja i akumulacije plutonija u reaktoru mnogo veća - milijardu milijardi puta. Za reakciju pretvaranja balastnog uranijuma-238 u energetski plutonijum-239 stvaraju se optimalni (u okviru prihvatljivih) uslovi.
Plutonijum-244 se takođe nakupio u nuklearnom reaktoru. Izotop elementa br. 95 - americij, 243 Am, uhvativši neutron, pretvorio se u americij-244; americijum-244 se transformisao u kurijum, ali je u jednom od 10 hiljada slučajeva došlo do prelaska u plutonijum-244. Preparat plutonijum-244 težak samo nekoliko milionitih delova grama izolovan je iz mešavine americijuma i kurijuma. Ali bili su dovoljni da se odredi poluživot ovog zanimljivog izotopa - 75 miliona godina. Kasnije je rafiniran i ispostavilo se da je jednak 82,8 miliona godina. Godine 1971. pronađeni su tragovi ovog izotopa u mineralu rijetke zemlje bastnäsite. 244 Pu je najdugovječniji od svih izotopa transuranijumskih elemenata.

Fizička svojstva:

Srebrno-bijeli metal, ima 6 alotropnih modifikacija. Tačka topljenja 637°C, tačka ključanja - 3235°C. Gustina: 19,82 g/cm3.

Hemijska svojstva:

Plutonijum je sposoban da reaguje sa kiseonikom i formira oksid(IV), koji, kao i svih prvih sedam aktinida, ima slab osnovni karakter.
Pu + O 2 = PuO 2
Reaguje sa razblaženom sumpornom, hlorovodoničnom, perhlornom kiselinom.
Pu + 2HCl(p) = PuCl 2 + H 2 ; Pu + 2H 2 SO 4 = Pu(SO 4) 2 + 2H 2
Ne reaguje sa azotnom i koncentrovanom sumpornom kiselinom. Valencija plutonijuma varira od tri do sedam. Hemijski, najstabilnija (a samim tim i najčešća i najviše proučavana) jedinjenja su četvorovalentni plutonijum. Razdvajanje aktinida sličnih hemijskih svojstava - uranijuma, neptunijuma i plutonijuma - može se zasnivati ​​na razlici u svojstvima njihovih tetra- i heksavalentnih jedinjenja.

Najvažnije veze:

Plutonijum(IV) oksid, PuO 2 , ima slab osnovni karakter.
...
...

primjena:

Plutonijum se široko koristio u proizvodnji nuklearnog oružja (tzv. „plutonijum za oružje”). Prva nuklearna naprava na bazi plutonijuma detonirana je 16. jula 1945. na poligonu Alamogordo (test kodnog naziva Trinity).
Koristi se (eksperimentalno) kao nuklearno gorivo za nuklearne reaktore u civilne i istraživačke svrhe.
Plutonijum-242 je važan kao "sirovina" za relativno brzo nakupljanje viših transuranijumskih elemenata u nuklearnim reaktorima. Ako se plutonijum-239 ozrači u konvencionalnom reaktoru, tada će biti potrebno oko 20 godina da se akumuliraju mikrogramske količine, na primjer, California-251 iz grama plutonijuma. Plutonijum-242 nije fisilan na termičke neutrone, i jeste velike količine mogu biti ozračeni u intenzivnim neutronskim tokovima. Stoga se u reaktorima svi elementi od kalifornija do einsteinijuma „izrađuju“ od ovog izotopa i akumuliraju u težinskim količinama.

Kovalenko O.A.
HF Tjumenski državni univerzitet

Izvori:
„Štetno hemikalije: Radioaktivne supstance" Directory L. 1990, str. 197
Rabinovich V.A., Khavin Z.Ya. "Kratki hemijski priručnik" L.: Hemija, 1977. str. 90, 306-307.
I.N. Beckman. Plutonijum. (udžbenik, 2009.)

Poznato je 15 izotopa plutonijuma. Najvažniji od njih je Pu-239 s vremenom poluraspada od 24.360 godina. Specifična težina plutonijuma je 19,84 na temperaturi od 25°C. Metal počinje da se topi na temperaturi od 641°C i ključa na 3232°C. Njegova valencija je 3, 4, 5 ili 6.

Metal ima srebrnastu nijansu i postaje žut kada je izložen kiseoniku. Plutonijum je hemijski reaktivan metal i lako se otapa u koncentrovanoj hlorovodoničnoj kiselini, perhlornoj kiselini i jodovodonoj kiselini. Tokom raspadanja, metal oslobađa toplotnu energiju.

Plutonijum je drugi otkriveni transuranski aktinid. U prirodi se ovaj metal može naći u malim količinama u rudama uranijuma.

Plutonijum je otrovan i zahteva pažljivo rukovanje. Najfisivniji izotop plutonijuma korišten je kao nuklearno oružje. Konkretno, korišten je u bombi koja je bačena na japanski grad Nagasaki.

Ovo je radioaktivni otrov koji se nakuplja u koštanoj srži. Nekoliko nesreća, neke sa smrtnim ishodom, dogodilo se dok su eksperimentirali na ljudima radi proučavanja plutonijuma. Važno je da plutonijum ne dostigne kritičnu masu. U rastvoru, plutonijum formira kritičnu masu brže nego u čvrstom stanju.

Atomski broj 94 znači da su svi atomi plutonijuma 94. U vazduhu, plutonijum se formira na površini metala. Ovaj oksid je piroforan, pa će plutonijum koji tinja treperiti poput pepela.

Postoji šest alotropnih oblika plutonijuma. Sedmi oblik se pojavljuje na visokom nivou.

IN vodeni rastvor plutonijum menja boju. Različite nijanse pojavljuju se na površini metala dok oksidira. Proces oksidacije je nestabilan i boja plutonijuma se može naglo promeniti.

Za razliku od većine supstanci, plutonijum postaje gušći kada se topi. U rastopljenom stanju ovaj element je moćniji od drugih metala.

Metal se koristi u radioaktivnim izotopima u termoelektričnim generatorima koji rade svemirski brodovi. Koristi se u proizvodnji elektronskih srčanih stimulatora.

Udisanje isparenja plutonijuma je opasno po zdravlje. U nekim slučajevima to može uzrokovati rak pluća. Udahnuti plutonijum ima metalni ukus.

Otkrili su ga 1940-41. američki naučnici G. Seaborg, E. McMillan, J. Kennedy i A. Wahl, koji su dobili izotop 238 Pu kao rezultat zračenja uranijuma jezgrima teški vodonik- Daytons. Nazvan po planeti Pluton, kao i prethodnici Plutonijuma u periodnom sistemu - uranijum i neptunijum, čija su imena takođe došla od planeta Urana i Neptuna. Poznati izotopi plutonijuma sa maseni brojevi od 232 do 246. Tragovi izotopa 247 Pu i 255 Pu pronađeni su u prašini prikupljenoj nakon eksplozija termonuklearnih bombi. Najdugovječniji izotop plutonijuma je α-radioaktivni 244 Pu (vrijeme poluraspada T ½ oko 7,5 10 7 godina). T ½ vrijednosti svih izotopa plutonijuma su brojne manje godina Zemlja, a samim tim i sav primordijalni plutonijum (koji je postojao na našoj planeti tokom njenog formiranja) potpuno se raspao. Međutim, male količine 239 Pu se konstantno formiraju tokom β-raspada 239 Np, što se, zauzvrat, događa tokom nuklearne reakcije uranijuma s neutronima (na primjer, neutroni iz kosmičkog zračenja). Stoga se tragovi plutonijuma nalaze u rudama uranijuma.

Plutonijum je sjajni bijeli metal, na temperaturama od sobne temperature do 640°C (t pl) i postoji u šest alotropskih modifikacija. Alotropske transformacije plutonija praćene su naglim promjenama gustoće. Jedinstvena karakteristika metalni plutonijum je da se kada se zagreje od 310 do 480°C ne širi, kao drugi metali, već se skuplja. Konfiguracija tri vanjske elektronske ljuske atoma Pu je 5s 2 5p 6 5d 10 5f 6 6s 2 6p 2 7s 2. Hemijska svojstva plutonijuma su na mnogo načina slična svojstvima njegovih prethodnika u periodnom sistemu - uranijuma i neptunija. Plutonijum stvara jedinjenja sa oksidacionim stanjima od +2 do +7. Poznati su oksidi PuO, Pu 2 O 3, PuO 2 i faza promenljivog sastava Pu 2 O 3 - Pu 4 O 7. U jedinjenjima sa halogenima plutonijum obično pokazuje oksidaciono stanje +3, ali su poznati i halogenidi PuF 4, PuF 6 i PuCl 4. U rastvorima plutonijum postoji u oblicima Pu 3+, Pu 4+, PuO 2 (plutonil jon), PuO 2+ (plutonil jon) i PuO s 3-, što odgovara oksidacionim stanjima od +3 do +7. Ovi joni (osim PuO 3-5) mogu biti u rastvoru istovremeno u ravnoteži. Ioni plutonijuma svih oksidacionih stanja skloni su hidrolizi i formiranju kompleksa.

Od svih izotopa plutonijuma, najvažniji je α-radioaktivni 239 Pu (T ½ = 2,4 10 4 godine). Jezgra 239 Pu su sposobna za lančanu reakciju fisije pod uticajem neutrona, pa se 239 Pu može koristiti kao izvor atomske energije (energija oslobođena tokom fisije 1 g 239 Pu je ekvivalentna toploti koja se oslobađa tokom sagorevanja od 4000 kg uglja). U SSSR-u su prvi eksperimenti na proizvodnji 239 Pu počeli 1943-44. godine pod vodstvom akademika I.V.Khlopina. Po prvi put u SSSR-u, plutonijum je izolovan iz uranijuma ozračenog neutronima 1945. godine. Opsežna proučavanja svojstava plutonijuma obavljena su u izuzetno kratkom vremenu, a 1949. godine u SSSR-u je počela sa radom prva fabrika za radiohemijsko odvajanje plutonijuma.

Industrijska proizvodnja 239 Pu temelji se na interakciji jezgri 238 U sa neutronima u nuklearnim reaktorima. Naknadno odvajanje Pu od U, Np i visoko radioaktivnih fisionih produkata vrši se radiohemijskim metodama (koprecipitacija, ekstrakcija, jonska izmjena i druge). Metalni plutonijum se obično dobija redukcijom PuF 3 , PuF 4 ili PuCO 2 sa parom barijuma, kalcijuma ili litijuma. Kao fisijski materijal, 238 Pu se koristi u nuklearnim reaktorima i u nuklearnim i termonuklearne bombe. Izotop 238 Pu koristi se za proizvodnju atomskih električnih baterija, čiji vijek trajanja doseže 5 godina ili više. Takve baterije se mogu koristiti, na primjer, u strujnim generatorima koji stimuliraju srce.

Plutonijum u telu. Plutonijum je koncentrisan morski organizmi: njegov koeficijent akumulacije (tj. odnos koncentracija u tijelu i u spoljašnje okruženje) za alge je 1000-9000, za plankton (mješoviti) - oko 2300, za mekušce - do 380, za morske zvijezde- oko 1000, za mišiće, kosti, jetru i želudac ribe - 5, 570, 200 i 1060, respektivno. Kopnene biljke apsorbuju plutonijum uglavnom kroz korijenski sistem i akumuliraju ga do 0,01% svoje mase. U ljudskom organizmu plutonijum se zadržava uglavnom u kosturu i jetri, odakle se gotovo i ne izlučuje (posebno iz kostiju). Najtoksičniji 239 Pu uzrokuje hematopoetske poremećaje, osteosarkome i rak pluća. Od 70-ih godina 20. stoljeća udio plutonijuma u radioaktivnoj kontaminaciji biosfere raste (dakle, zračenje morskih beskičmenjaka zbog plutonijuma postaje veće nego zbog 90 Sr i 137 Cs).

Plutonijum- radioaktivan hemijski element grupa aktinida, koja se široko koristi u proizvodnji nuklearno oružje(tzv. „plutonijum za oružje”), a također (eksperimentalno) kao nuklearno gorivo za nuklearne reaktore u civilne i istraživačke svrhe. Prvi umjetni element dobiven u količinama dostupnim za vaganje (1942.).

Tabela sa desne strane pokazuje glavna svojstva α-Pu, glavne alotropne modifikacije plutonijuma na sobnoj temperaturi i normalnom pritisku.

Istorija plutonijuma

Izotop plutonijuma 238 Pu je prvi put veštački proizveden 23. februara 1941. godine od strane grupe američkih naučnika predvođenih Glennom Seaborgom zračenjem jezgara. uranijum deuteroni. Važno je napomenuti da je tek nakon umjetne proizvodnje plutonij otkriven u prirodi: u zanemarljivim količinama, 239 Pu se obično nalazi u uranovim rudama kao proizvod radioaktivne transformacije uranijuma.

Pronalaženje plutonijuma u prirodi

U rudama urana, kao rezultat hvatanja neutrona (na primjer, neutrona iz kosmičkog zračenja) jezgrima urana, neptunijum(239 Np), čiji je proizvod β-raspada prirodni plutonijum-239. Međutim, plutonijum se formira u takvim mikroskopskim količinama (0,4-15 delova Pu na 10 12 delova U) da ne dolazi u obzir njegovo izvlačenje iz ruda uranijuma.

Porijeklo imena plutonijum

Godine 1930. astronomski svijet je bio uzbuđen divnom viješću: otkrićem nova planeta, o čijem postojanju već dugo govori Percival Lovell, astronom, matematičar i autor fantastičnih eseja o životu na Marsu. Na osnovu višegodišnjih zapažanja kretanja Uran I Neptun Lovell je došao do zaključka da iza Neptuna u solarni sistem mora postojati još jedna, deveta planeta, četrdeset puta udaljenija od Sunca od Zemlje.

Ovu planetu, čije je orbitalne elemente Lovell izračunao još 1915. godine, otkrio je na fotografijama koje je 21., 23. i 29. januara 1930. godine napravio astronom K. Tombaugh u opservatoriji Flagstaff ( USA) . Planeta je dobila ime Pluton. 94. element, veštački dobijen krajem 1940. godine iz jezgara, dobio je ime po ovoj planeti koja se nalazi u Sunčevom sistemu iza Neptuna. atomi uranijum grupa američkih naučnika predvođena G. Seaborgom.

Fizička svojstva plutonijum

Postoji 15 izotopa plutonijuma - B najveće količine dobijaju se izotopi masenih brojeva od 238 do 242:

238 Pu -> (poluživot 86 godina, alfa raspad) -> 234 U,

Ovaj izotop se koristi gotovo isključivo u RTG-ovima u svemirske svrhe, na primjer, na svim vozilima koja su letjela izvan orbite Marsa.

239 Pu -> (poluživot 24,360 godina, alfa raspad) -> 235 U,

Ovaj izotop je najpogodniji za izgradnju nuklearnog oružja i nuklearnih reaktora na brzim neutronima.

240 Pu -> (poluživot 6580 godina, alfa raspad) -> 236 U, 241 Pu -> (poluživot 14,0 godina, beta raspad) -> 241 Am, 242 Pu -> (poluživot 370 000 godina, alfa -raspad) -> 238 U

Ova tri izotopa nemaju ozbiljan industrijski značaj, ali se dobijaju kao nusproizvodi kada se energija proizvodi u nuklearnim reaktorima na uranijumu, kroz sekvencijalno hvatanje nekoliko neutrona od strane jezgara uranijuma-238. Izotop 242 je po nuklearnim svojstvima najsličniji uranijum-238. Americij-241, nastao raspadom izotopa 241, korišten je u detektorima dima.

Plutonijum je zanimljiv jer prolazi kroz šest faznih prelaza od temperature očvršćavanja do sobne temperature, više nego bilo koji drugi hemijski element. Kod potonjeg, gustoća se naglo povećava za 11%, kao rezultat toga, plutonijski odljevci pucaju. Alfa faza je stabilna na sobnoj temperaturi, čije su karakteristike date u tabeli. Za primjenu je prikladnija delta faza, koja ima manju gustoću, i kubičnu tijelo centriranu rešetku. Plutonijum u delta fazi je veoma duktilan, dok je alfa faza krhka. Za stabilizaciju plutonija u delta fazi koristi se dopiranje trovalentnim metalima (galijum je korišten u prvim nuklearnim nabojima).

Primjena plutonijuma

Prvi nuklearni uređaj na bazi plutonijuma detoniran je 16. jula 1945. na poligonu Alamogordo (test kodnog naziva Trinity).

Biološka uloga plutonijuma

Plutonijum je veoma toksičan; Maksimalna dozvoljena koncentracija za 239 Pu u otvorenim vodnim tijelima i zraku radnih prostorija je 81,4 odnosno 3,3 * 10 −5 Bq/l. Većina izotopa plutonijuma ima visoku gustinu jonizacije i kratku dužinu putanje čestica, tako da je njegova toksičnost posledica ne toliko njegovih hemijskih svojstava (plutonijum verovatno nije toksičniji u tom pogledu od drugih teških metala), već pre zbog jonizujućeg efekta. na okolna tjelesna tkiva. Plutonijum spada u grupu elemenata sa posebno visokom radiotoksičnošću. U tijelu, plutonij proizvodi velike ireverzibilne promjene na kosturu, jetri, slezeni, bubrezima i uzrokuje rak. Maksimalni dozvoljeni sadržaj plutonijuma u organizmu ne bi trebalo da prelazi desetinke mikrograma.

Umjetnička djela vezana za temu plutonijum

- Plutonijum je korišten za mašinu De Lorean DMC-12 u filmu Povratak u budućnost kao gorivo za akumulator fluksa za putovanje u budućnost ili prošlost.

— Punjenje se sastojalo od plutonijuma atomska bomba, dignut u zrak od strane terorista u Denveru, SAD, u Tom Clancyjevom filmu "Svi strahovi svijeta"

— Kenzaburo Oe “Notes of a Pinch Runner”

— 2006. godine, Beacon Pictures je objavio film Plutonijum-239 ( "Pu-239")