Neptunium
ネプツニウムは、宇宙船の電源用プルトニウム238の前駆体として使用される放射性アクチニド金属です。
ネプツニウムは、記号Np、原子番号93の化学元素であり、放射性アクチニド金属、そして最初の超ウラン元素に分類されます。その名称は、ウランにちなんだ命名と同様に、天王星の外側の惑星である海王星に由来します。ネプツニウムの原子は93個の陽子と93個の電子を持ち、そのうち7個が価電子です。金属自体は銀白色で、空気にさらされると変色します。3つの確認された同素体が存在し、通常+3から+7までの5つの酸化状態を示します。他のアクチニドと同様に、ネプツニウムは放射性、有毒、発火性があり、骨に蓄積しやすいため、その取り扱いは危険を伴います。
この元素は、1940年にバークレー放射線研究所のエドウィン・マクミランとフィリップ・H・アベルソンによって初めて合成されました。それ以前には多くの誤った発見の主張がありました。それ以来、ほとんどのネプツニウムは原子炉内でのウランの中性子照射によって生成され、主に従来の原子力発電の副産物として生じます。ネプツニウム自体には現在のところ商業的な用途はありませんが、宇宙船用の放射性同位体熱電変換器に電力を供給するプルトニウム238を生成するための前駆体として機能します。また、高エネルギー中性子の検出器にも使用されてきました。最も長寿命の同位体であるネプツニウム237は、原子炉やプルトニウム製造の副産物です。この同位体とネプツニウム239は、中性子捕獲とベータ崩壊により、ウラン鉱石中に微量ながら存在します。
物理的には、ネプツニウムは硬くて展性のある金属で、体積弾性率は118 GPaとマンガンに匹敵し、5f軌道と6d軌道の混成に起因する低い融点を持ちます。その沸点は蒸気圧データから外挿されています。この元素の3つの同素体（アルファ、ベータ、ガンマ）は異なる結晶構造を示し、アルファ-ネプツニウムは斜方晶系で、すべてのアクチニドの中で最も密度が高くなっています。化学的には、ネプツニウムは+3から+7の酸化状態の化合物を形成し、溶液中では+5状態が最も安定で、固体では+4状態が好まれます。ネプツニウムは、安定な化合物中で全ての価電子を失うことができる最も重いアクチニドです。
Quick Facts
- Atomic number
- 93
- Element category
- Actinide
- Discoverers
- Edwin McMillan and Philip H. Abelson
- Discovery location
- Berkeley Radiation Laboratory
Facts from the source article.
背景と経緯
ネプツニウムは、空気にさらされると変色する銀白色の放射性アクチニド金属です。マンガンに匹敵する体積弾性率を持つ、硬くて展性のある元素です。この金属は、少なくとも3つの同素体、すなわち斜方晶系のアルファ相、歪んだ正方晶最密充填のベータ相、体心立方晶のガンマ相で存在します。アルファ相はすべてのアクチニドの中で最も密度が高く、天然に存在する元素の中で5番目に密度が高く、強い共有結合と高い電気抵抗率を持つ半金属的特性を示します。ネプツニウムはプルトニウムと同様に低い融点を持ち、外挿された沸点により、あらゆる元素の中で最も広い液体範囲を持ちます。化学的には、ネプツニウムは+3から+7までの5つの酸化状態を示し、これらは溶液中で共存できます。+5状態は溶液中で最も安定ですが、+4状態は固体化合物で好まれます。この元素は純粋な形では常磁性ですが、その合金は強磁性や重い電子系特性など、多様な磁気挙動を示します。ネプツニウム化合物の典型的な強い磁性を考えると驚くべきことに、ネプツニウムベースの超伝導体NpPd5Al2が発見されています。ネプツニウムは放射性、有毒、発火性があり、骨に蓄積するため、取り扱いは危険です。1940年にバークレー放射線研究所でエドウィン・マクミランとフィリップ・H・アベルソンによって、多くの誤った発見の主張の後に初めて合成されました。現在、ほとんどのネプツニウムは原子炉内でのウランの中性子照射の副産物として生成されています。それ自体に商業的用途はありませんが、宇宙船用の放射性同位体熱電変換器に使用されるプルトニウム238の前駆体として機能し、高エネルギー中性子検出器にも使用されてきました。
読者ガイド
ネプツニウムは、硬く、銀白色で、展性のある放射性アクチニド金属です。体積弾性率は118 GPaです。ネプツニウム金属は、物理的加工性においてウランと類似しています。常温で空気にさらされると、薄い酸化物層を形成します。ネプツニウムは低い融点で融解し、その沸点は実験的には知られていません。ネプツニウムは少なくとも3つの同素体、α-ネプツニウム（斜方晶系）、β-ネプツニウム（歪んだ正方晶最密充填）、γ-ネプツニウム（体心立方晶）で見られます。ネプツニウムは+3から+7までの5つのイオン酸化状態を持ちます。溶液中で最も安定な状態は+5ですが、固体のネプツニウム化合物では+4の原子価が好まれます。ネプツニウム金属は非常に反応性が高いです。ネプツニウムのイオンは加水分解や配位化合物の形成を起こしやすいです。
発見と合成
ネプツニウムは、原子番号93、記号Npを持つ、同定された最初の超ウラン元素としての特徴を持ちます。その名称は惑星の命名規則に従っています。ウランが惑星天王星にちなんで名付けられたのと同様に、ネプツニウムは太陽系のさらに外側の世界である海王星に敬意を表しています。長年にわたり、科学界では多くの誤った発見の主張が流布していましたが、1940年にバークレー放射線研究所のエドウィン・マクミランとフィリップ・H・アベルソンによってこの元素は最終的に合成されました。その画期的な発見以来、ネプツニウムの主要な工業的製造経路は原子炉内でのウランの中性子照射であり、圧倒的多数のネプツニウムは従来の原子力発電の偶発的な副産物として生じています。原子炉からの生成物に加えて、ネプツニウム237とネプツニウム239の微量は天然ウラン鉱石中でも検出可能であり、これらは中性子捕獲反応とそれに続くベータ崩壊によって生じます。最も長寿命の同位体であるネプツニウム237は、プルトニウム製造施設の顕著な副産物でもあります。
物理的特性と同素体
ネプツニウムは、硬く、銀白色で、展性のある金属であり、空気に触れると変色し、温度上昇とともに成長が加速する薄い酸化物層を形成します。その体積弾性率118 GPaは、剛性がマンガンと同程度であることを示し、その加工性はウランと非常によく似ています。この金属は639 ± 3 °Cで融解し、これは隣接するプルトニウムの639.4 °Cと共通する低い閾値であり、5f軌道と6d軌道の混成が方向性のある結合を生み出すことに起因する特性です。沸点は直接測定されたことはなく、一般的に引用される4174 °Cという値は蒸気圧データからの外挿です。この値が正しければ、ネプツニウムの液体範囲は3535 Kとなり、これは既知の元素の中で最も広い範囲となります。3つの同素体が確認されています。アルファ-ネプツニウムは斜方晶系で、すべてのアクチニドの中で最も密度が高く、天然に存在する元素の中で5番目に密度が高く、強い共有結合と高い電気抵抗率などの半金属的特性を示します。ベータ-ネプツニウムは、歪んだ正方晶最密充填構造です。ガンマ-ネプツニウムは、圧力下で不安定になる体心立方晶構造です。ベータ/ガンマ/液体の三重点は、725 °C、3200 MPaにあります。
化学的多様性と電子構造
ネプツニウム原子は93個の電子を持ち、[Rn] 5f4 6d1 7s2の配置を持ちます。この配置は単純なAufbau則の予測から逸脱しており、これは5f、6d、7s副殻のエネルギーが十分に近く、1つの電子が6d軌道を占めることができるためです。これらの電子のうち7個が価電子として機能します。化学化合物において、ネプツニウムは+3から+7にわたる5つの酸化状態を示し、これらすべてが溶液中で同時に共存できます。ネプツニウムは、安定な化合物中で全ての価電子を失うことができる最も重いアクチニドです。+5状態は水溶液中で優勢ですが、+4は固相のネプツニウム化合物で好まれる原子価です。金属自体は非常に反応性が高く、そのイオンは容易に加水分解を受け、配位錯体を形成します。合金形態では、5f電子が磁気挙動の豊富なスペクトルを生み出します。純粋なネプツニウムは常磁性、NpAl3は強磁性、NpGe3は磁気秩序を示さず、NpSn3は重い電子系材料の可能性があります。注目すべきことに、合金NpPd5Al2は4.9 Kで超伝導を示します。これは、強い磁性が通常超伝導を抑制するため、驚くべき結果です。
実用的役割と核燃料リサイクル
核科学におけるその重要性にもかかわらず、ネプツニウムには現在のところ直接的な商業的用途はありません。その最も重要な実用的役割は、深宇宙探査機に電力を供給する放射性同位体熱電変換器を動かす同位体であるプルトニウム238の前駆体としてのものです。ネプツニウムはまた、高エネルギー中性子を識別するように設計された検出器にも使用されています。最も長寿命の同位体であるネプツニウム237は、原子力発電炉とプルトニウム製造の両方で副産物として生成され、長寿命の廃棄物核種として環境中に残留します。これに対処するため、研究者たちはウラン、アメリシウム、プルトニウム、ジルコニウム、鉄とのネプツニウム合金を積極的に研究しており、頑固なNp-237をより短寿命の同位体に変換し、有用な核燃料として利用できるようにすることを目指しています。このリサイクル戦略は、同時に原子炉廃棄物の放射線毒性負荷を低減し、さもなければ遊休状態にある材料からエネルギーを回収することになります。この元素に固有の危険性（放射性、発火性、骨への蓄積、一般的な毒性）は、取り扱いと合金研究のあらゆる段階を困難な安全上の課題としています。