Neptunium
Нептуний — это радиоактивный актиноидный металл, используемый в качестве прекурсора для плутония-238 в космических энергоустановках.
Нептуний — химический элемент с символом Np и атомным номером 93, классифицируемый как радиоактивный актиноидный металл и первый трансурановый элемент. Его название происходит от Нептуна, планеты, находящейся за Ураном, что параллельно названию урана. Атом нептуния содержит 93 протона и 93 электрона, семь из которых являются валентными. Сам металл серебристого цвета и тускнеет при контакте с воздухом. Он существует в трёх подтверждённых аллотропных формах и обычно проявляет пять степеней окисления, от +3 до +7. Как и другие актиноиды, нептуний радиоактивен, ядовит, пирофорен и имеет тенденцию накапливаться в костях, что делает обращение с ним опасным.
Элемент был впервые синтезирован в 1940 году Эдвином Макмилланом и Филипом Х. Абельсоном в Радиационной лаборатории Беркли после многочисленных ложных заявлений о его открытии. С тех пор большая часть нептуния была получена путём нейтронного облучения урана в ядерных реакторах, в основном как побочный продукт обычной ядерной энергетики. Хотя сам нептуний не имеет текущего коммерческого применения, он служит прекурсором для производства плутония-238, который питает радиоизотопные термоэлектрические генераторы для космических аппаратов. Он также использовался в детекторах высокоэнергетических нейтронов. Самый долгоживущий изотоп, нептуний-237, является побочным продуктом работы реакторов и производства плутония; как этот изотоп, так и нептуний-239 встречаются в следовых количествах в урановых рудах из-за захвата нейтронов и бета-распада.
Физически нептуний — это твёрдый, ковкий металл с модулем объёмного сжатия 118 ГПа, сравнимым с марганцем, и низкой температурой плавления, что объясняется гибридизацией его 5f- и 6d-орбиталей. Его температура кипения экстраполирована по данным давления пара. Три аллотропа элемента — альфа, бета и гамма — демонстрируют различные кристаллические структуры, причём альфа-нептуний является орторомбическим и самым плотным среди всех актиноидов. Химически нептуний образует соединения в степенях окисления от +3 до +7, причём степень +5 наиболее стабильна в растворе, а +4 предпочтительна в твёрдых телах. Это самый тяжёлый актиноид, способный терять все свои валентные электроны в стабильном соединении.
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.
Контекст
Нептуний — это серебристый, радиоактивный актиноидный металл, который тускнеет при контакте с воздухом. Это твёрдый, ковкий элемент с модулем объёмного сжатия, сравнимым с марганцем. Металл существует по меньшей мере в трёх аллотропных формах: орторомбической альфа-фазе, искажённой тетрагональной плотноупакованной бета-фазе и объёмно-центрированной кубической гамма-фазе. Альфа-фаза является самой плотной среди всех актиноидов и пятой по плотности среди природных элементов, проявляя полуметаллические свойства с сильной ковалентной связью и высоким удельным электрическим сопротивлением. Нептуний имеет низкую температуру плавления, аналогичную плутонию, и экстраполированную температуру кипения, которая даёт ему самый широкий диапазон жидкого состояния среди всех элементов. Химически нептуний проявляет пять степеней окисления, от +3 до +7, которые могут сосуществовать в растворе; степень +5 наиболее стабильна в растворе, в то время как степень +4 предпочтительна в твёрдых соединениях. Элемент парамагнитен в чистом виде, но его сплавы демонстрируют разнообразное магнитное поведение, включая ферромагнетизм и характеристики тяжёлых фермионов. Был открыт один сверхпроводник на основе нептуния, NpPd5Al2, что удивило исследователей, учитывая типичный сильный магнетизм соединений нептуния. Нептуний радиоактивен, ядовит, пирофорен и накапливается в костях, что делает обращение с ним опасным. Он был впервые синтезирован в 1940 году в Радиационной лаборатории Беркли Эдвином Макмилланом и Филипом Х. Абельсоном после многочисленных ложных заявлений об открытии. Сегодня большая часть нептуния производится как побочный продукт нейтронного облучения урана в ядерных реакторах. Хотя сам по себе он не имеет коммерческого применения, он служит прекурсором для плутония-238, используемого в радиоизотопных термоэлектрических генераторах для космических аппаратов, и применялся в детекторах высокоэнергетических нейтронов.
Путеводитель
Нептуний — это твёрдый, серебристый, ковкий, радиоактивный актиноидный металл. Он имеет модуль объёмного сжатия 118 ГПа. Металлический нептуний по физической обрабатываемости сходен с ураном. При воздействии воздуха при нормальных температурах он образует тонкий оксидный слой. Нептуний плавится при низкой температуре плавления, а его температура кипения эмпирически не известна. Нептуний встречается по меньшей мере в трёх аллотропах: α-нептуний (орторомбический), β-нептуний (искажённая тетрагональная плотноупакованная) и γ-нептуний (объёмно-центрированная кубическая). Нептуний имеет пять ионных степеней окисления от +3 до +7. Наиболее стабильным состоянием в растворе является +5, но валентность +4 предпочтительна в твёрдых соединениях нептуния. Металлический нептуний очень реакционноспособен. Ионы нептуния склонны к гидролизу и образованию координационных соединений.
Открытие и синтез
Нептуний имеет отличие быть первым идентифицированным трансурановым элементом, имеющим атомный номер 93 и символ Np. Его название следует планетарной конвенции: подобно тому, как уран назван в честь планеты Уран, нептуний чтит Нептун, следующий мир во внешней Солнечной системе. В течение многих лет в научном сообществе циркулировали многочисленные ложные заявления об открытии, прежде чем элемент был окончательно синтезирован в 1940 году Эдвином Макмилланом и Филипом Х. Абельсоном в Радиационной лаборатории Беркли. С тех пор основным промышленным путём получения нептуния является нейтронное облучение урана в ядерных реакторах, причём подавляющее большинство элемента образуется как побочный продукт обычной ядерной энергетики. Помимо реакторного выхода, следовые количества нептуния-237 и нептуния-239 могут быть обнаружены в природных урановых рудах, где они возникают в результате реакций захвата нейтронов с последующим бета-распадом. Самый долгоживущий изотоп, нептуний-237, также является заметным побочным продуктом предприятий по производству плутония.
Физические характеристики и аллотропные формы
Нептуний представляет собой твёрдый, серебристый, ковкий металл, который тускнеет при контакте с воздухом, образуя тонкий оксидный слой, скорость роста которого увеличивается с повышением температуры. Его модуль объёмного сжатия 118 ГПа ставит его жёсткость на один уровень с марганцем, а его обрабатываемость очень близка к урану. Металл плавится при 639 ± 3 °C, что является низким порогом, общим с его соседом плутонием (639,4 °C), — свойство, приписываемое гибридизации 5f- и 6d-орбиталей, которая создаёт направленную связь. Температура кипения никогда не измерялась напрямую; обычно цитируемая цифра 4174 °C является экстраполяцией по данным давления пара. Если это значение верно, нептуний будет иметь диапазон жидкого состояния 3535 K, самый широкий среди всех известных элементов. Подтверждены три аллотропа: альфа-нептуний, орторомбическая фаза, которая является самой плотной среди всех актиноидов и пятой по плотности среди природных элементов, проявляющая полуметаллические черты, такие как сильная ковалентная связь и высокое удельное электрическое сопротивление; бета-нептуний, искажённая тетрагональная плотноупакованная структура; и гамма-нептуний, объёмно-центрированная кубическая форма, которая теряет стабильность под давлением. Тройная точка бета/гамма/жидкость находится при 725 °C и 3200 МПа.
Химическая универсальность и электронная структура
Атом нептуния несёт 93 электрона, расположенных в конфигурации [Rn] 5f4 6d1 7s2, что отклоняется от простого предсказания правила Ауфбау, поскольку подоболочки 5f, 6d и 7s находятся достаточно близко по энергии, чтобы один электрон мог занимать 6d-орбиталь. Семь из этих электронов являются валентными. В химических соединениях нептуний проявляет пять степеней окисления от +3 до +7, все из которых могут сосуществовать одновременно в растворе. Это самый тяжёлый актиноид, способный терять все валентные электроны в стабильном соединении. Степень +5 доминирует в водном растворе, в то время как +4 является предпочтительной валентностью в твёрдофазных соединениях нептуния. Сам металл очень реакционноспособен, и его ионы легко подвергаются гидролизу и образуют координационные комплексы. В сплавах 5f-электроны порождают богатый спектр магнитного поведения: чистый нептуний парамагнитен, NpAl3 ферромагнитен, NpGe3 не проявляет магнитного упорядочения, а NpSn3 может квалифицироваться как материал с тяжёлыми фермионами. Примечательно, что сплав NpPd5Al2 проявляет сверхпроводимость при 4,9 K, что является удивительным результатом, учитывая, что сильный магнетизм обычно подавляет сверхпроводимость.
Практические роли и переработка ядерного топлива
Несмотря на свою известность в ядерной науке, нептуний в настоящее время не имеет прямого коммерческого применения. Его наиболее значимая практическая роль — это прекурсор для плутония-238, изотопа, который питает радиоизотопные термоэлектрические генераторы, обеспечивающие электроэнергией космические аппараты дальнего космоса. Нептуний также находит применение в детекторах, предназначенных для идентификации высокоэнергетических нейтронов. Самый долгоживущий изотоп, нептуний-237, производится как побочный продукт как в ядерных энергетических реакторах, так и при производстве плутония, и сохраняется в окружающей среде как долгоживущий радиоактивный отход. Чтобы решить эту проблему, исследователи активно изучают сплавы нептуния с ураном, америцием, плутонием, цирконием и железом с целью трансмутации устойчивого Np-237 в изотопы с более коротким периодом полураспада, которые могли бы служить полезным ядерным топливом. Эта стратегия переработки позволила бы одновременно снизить радиотоксичную нагрузку реакторных отходов и извлечь энергию из материала, который в противном случае простаивает. Внутренние опасности элемента, включая радиоактивность, пирофорность, накопление в костях и общую токсичность, делают каждый этап обращения и исследования сплавов сложной задачей безопасности.
More in Химия и материалы
Заметили ошибку?
Исправления от читателей сразу попадают в нашу очередь на проверку. Предложить правку · Как собираются источники для этого сайта