Плутоний металл или неметалл

Обновлено: 07.01.2025

Плутоний — радиоактивный химический элемент группы актиноидов, широко использовавшийся в производстве ядерного оружия (т. н. «оружейный плутоний»), а также (экспериментально) в качестве ядерного топлива для атомных реакторов гражданского и исследовательского назначения. Первый искусственный элемент, полученный в доступных для взвешивания количествах (1942 г.).

В таблице справа приведены основные свойства α-Pu — основной аллотропной модификации плутония при комнатной температуре и нормальном давлении.

История плутония

Изотоп плутония 238 Pu был впервые искусственно получен 23 февраля 1941 года группой американских ученых во главе с Гленном Сиборгом путем облучения ядер урана дейтронами. Примечательно, что только после искусственного получения плутоний был обнаружен в природе: в ничтожно малых количествах 239 Pu обычно содержится в урановых рудах как продукт радиоактивного превращения урана.

Нахождение плутония в природе

В урановых рудах в результате захвата нейтронов (например, нейтронов из космического излучения) ядрами урана образуется нептуний ( 239 Np), продуктом β-распада которого и является природный плутоний-239. Однако плутоний образуется в таких микроскопических количествах (0,4—15 частей Pu на 10 12 частей U), что о его добыче из урановых руд не может быть и речи.

Происхождение названия плутоний

Эта планета, элементы орбиты которой Ловелл рассчитал еще в 1915 году, и была обнаружена на фотографических снимках, полученных 21, 23 и 29 января 1930 г. астрономом К. Томбо в обсерватории Флагстафф (США). Планету назвали Плутоном. По имени этой планеты, расположенной в солнечной системе за Нептуном, был назван плутонием 94-й элемент, искусственно полученный в конце 1940 г. из ядер атомов урана группой американских ученых во главе с Г. Сиборгом.

Физические свойства плутония

Существует 15 изотопов плутония — В наибольших количествах получаются изотопы с массовыми числами от 238 до 242:

238 Pu -> (период полураспада 86 лет, альфа-распад) -> 234 U,

Этот изотоп используется почти исключительно в РИТЭГ космического назначения, например, на всех аппаратах, улетавших дальше орбиты Марса.

239 Pu -> (период полураспада 24 360 лет, альфа-распад) -> 235 U,

Этот изотоп наиболее подходит для конструирования ядерного оружия и ядерных реакторов на быстрых нейтронах.

240 Pu -> (период полураспада 6580 лет, альфа-распад) -> 236 U, 241 Pu -> (период полураспада 14.0 лет, бета-распад) -> 241 Am, 242 Pu -> (период полураспада 370 000 лет, альфа-распад) -> 238 U

Эти три изотопа серьёзного промышленного значения не имеют, но получаются, как побочные продукты, при получении энергии в ядерных реакторах на уране, путём последовательного захвата нескольких нейтронов ядрами урана-238. Изотоп 242 по ядерным свойствам наиболее похож на уран-238. Америций-241, получавшийся при распаде изотопа 241, использовался в детекторах дыма.

Плутоний интересен тем, что от температуры затвердевания до комнатной претерпевает шесть фазовых переходов, больше, чем любой другой химический элемент. При последнем плотность увеличивается скачком на 11%, в результате, отливки из плутония растрескиваются. Стабильной при комнатной температуре является альфа-фаза, характеристики которой и приведены в таблице. Для применения более удобной является дельта-фаза, имеющая меньшую плотность, и кубическую объёмно-центрированную решётку. Плутоний в дельта-фазе весьма пластичен, в то время, как альфа-фаза хрупкая. Для стабилизации плутония в дельта-фазе применяется легирование трёхвалентными металлами (в первых ядерных зарядах использовался галлий).

Применение плутония

Первый ядерный заряд на основе плутония был взорван 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо (испытание под кодовым названием «Тринити»).

Биологическая роль плутония

Плутоний высокотоксичен; ПДК для 239 Pu в открытых водоемах и воздухе рабочих помещений составляет соответственно 81,4 и 3,3*10 −5 Бк/л. Большинство изотопов плутония обладают высокой величиной плотности ионизации и малой длиной пробега частиц, поэтому его токсичность обусловлена не столько его химическими свойствами (вероятно, в этом отношении плутоний токсичен не более, чем другие тяжелые металлы), сколько ионизирующим действием на окружающие ткани организма. Плутоний относится к группе элементов с особо высокой радиотоксичностью. В организме плутоний производит большие необратимые изменения в скелете, печени, селезенке, почках, вызывает рак. Максимально допустимое содержание плутония в организме не должно превышать десятых долей микрограмма.

Художественные произведения связанные с темой плутоний

— Из плутония состоял заряд атомной бомбы, взорванной террористами в Денвере, США, в произведении Тома Клэнси «Все страхи мира»

— Кэндзабуро Оэ «Записки пинчранера»

— В 2006 году компанией «Beacon Pictures» был выпущен фильм «Плутоний-239» ( «Pu-239» )

Плутоний (элемент)

Плуто́ний — радиоактивный химический элемент группы актиноидов, широко использовавшийся в производстве ядерного оружия (т. н. «оружейный плутоний»), а также (экспериментально) в качестве ядерного топлива для атомных реакторов гражданского и исследовательского назначения. Первый искусственный элемент, полученный в доступных для взвешивания количествах (1942 г.).

Содержание

История

Изотоп плутония 238 Pu впервые искусственно получен 23.02.1941 года группой американских ученых во главе с Г. Сиборгом путем облучения ядер урана дейтронами. Примечательно, что только после искусственного получения плутоний был обнаружен в природе: в ничтожно малых количествах 239 Pu обычно содержится в урановых рудах как продукт радиоактивного превращения урана.

Нахождение в природе

Происхождение названия

В 1930 году астрономический мир был взбудоражен замечательной новостью: открыта новая планета, о существовании которой давно говорил Персиваль Ловелл, астроном, математик и автор фантастических очерков о жизни на Марсе. На основе многолетних наблюдений за движениями Урана и Нептуна Ловелл пришел к заключению, что за Нептуном в солнечной системе должна быть еще одна, девятая планета, отстоящая от Солнца в сорок раз дальше, чем Земля. Эта планета, элементы орбиты которой Ловелл рассчитал еще в 1915 году, и была обнаружена на фотографических снимках, полученных 21, 23 и 29 января 1930 г. астрономом К. Томбо в обсерватории Флагстафф (США). Планету назвали Плутоном [1] . По имени этой планеты, расположенной в солнечной системе за Нептуном, был назван плутонием 94-й элемент, искусственно полученный в конце 1940 г. из ядер атомов урана группой американских ученых во главе с Г. Сиборгом.

Физические свойства

Существует 15 изотопов плутония - В наибольших количествах получаются изотопы с массовыми числами от 238 до 242:

Применение

Первый ядерный заряд на основе плутония был взорван 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо (испытание под кодовым названием "Тринити").

Биологическая роль

Плутоний

Радиус нейтрального атома Pu 0, 160 нм, ионов Pu 3+ 0, 0974 нм, Pu 4+ 0, 0896 нм, Pu 5+ 0, 087 нм, Pu 6+ 0, 081 нм. Энергия ионизации нейтрального атома 5, 71 эВ. Электроотрицательность по Полингу 1, 2.

История открытия

Впервые Pu получили в 1940 американские исследователи Г. Сиборг , Э. М. Макмилан, Дж. Кеннеди и А. Валь облучением 238 U разогнанными на ускорителе ядрами дейтерия:

Образующийся 238 Np за счет быстрого β−превращения (Т_1/2 2, 117 сут) дает 238 Pu (α-радиоактивен, Т_1/2 87, 74 года). Из опасения создания ядерного оружия в годы Второй мировой войны сведения о получении плутония были опубликовали только в 1946. В 1942 американские физики получили 239 Pu облучением нейтронами 238 U. К настоящему времени получены 15 изотопов Pu с массовыми числами 232-246. Наиболее устойчивы 244 Pu (α-распад, Т_1/2 = 8, 26.10 7 лет) и 242 Pu (α-распад, Т_1/2 = 3, 76.10 5 лет).

В природе встречается в ничтожных количествах в урановых рудах ( 239 Pu), он образуется из урана под действием нейтронов, источником которых является спонтанное деление ядер U и космическое излучение.

Получение

В настоящее время плутоний (его радионуклид 239 Pu в смеси с небольшой примесью 240 Pu) получают из продуктов облучения урана в ядерных реакторах. При отделении плутония от урана и нептуния используют различия в устойчивости степеней окисления +4, +5 и +6 для Pu (наиболее устойчив в растворе в степени окисления +4), Np (наиболее устойчив в растворе в степени окисления +5) и U (наиболее устойчив в растворе в степени окисления +6). Мировое производство плутония составляет несколько десятков тонн в год.

Для получения металлического плутония тетрафторид PuF₄ или трихлорид плутония PuCl₃ восстанавливают магнием или кальцием при нагревании:

Физические и химические свойства

До температуры плавления, 640°C, существует в шести полиморфных модификациях: α, β, γ, δ, δ' (иногда обозначается η) и ε. Каждое полиморфное превращение сопровождается перестройкой атомов плутония в кристаллической решетке и изменением плотности (кроме превращения модификаций δ δ'). При 320-480°C плутоний не расширяется, как другие металлы, а сжимается.

Устойчивая при температурах до 122°C α-модификация имеет моноклинную решетку, с а = 0, 6183 нм, в = 0, 4822 нм и с = 0, 1, 096 нм, угол 101, 79°. Плотность Pu при 20°C 19, 86 кг/дм 3 . Температура кипения 3352°C.

Компактный плутоний медленно окисляется на воздухе, порошок загорается при нагревании до 300°C. Медленно взаимодействует с водой. Легко растворяется в соляной, фосфорной и хлорной кислотах, пассивируется концентрированными серной, уксусной и азотной кислотами. В щелочах не растворяется.

При прокаливании на воздухе соединений плутония (кроме фторида) образуется диоксид PuO₂. Восстановление водородом при нагревании или нагревание диоксида в вакууме дает Pu₂O₃. Получены оксиды плутония переменных составов PuO₂-Pu₂O₃.

Плутоний реагирует с галогенами. С фтором образует фториды PuF₆, PuF₄, PuF₃. Для остальных галогенов получены тригалогениды составов PuX₃. Получены также оксигалогениды составов PuOX и соединения Pu с S, P, Si и другими неметаллами.

В кислых водных растворах Pu существует в виде катионов Pu 3+ (цвет в растворе сине-фиолетовый), Pu 4+ (цвет желто-коричневый), PuО₂ +? , плутоноил-ион (цвет светло-розовый), PuО₂ 2+ , плутонил-ион (цвет розово-оранжевый). Для ионов Pu 4+ и PuО₂ + в растворах характерны реакции диспропорционирования:

Плутоний в степени окисления +4 в растворах образует устойчивые комплексы с разными лигандами (с ацетилацетонатом, цитратом, ацетатом).

При действии щелочей на растворы, содержащие Pu 4+ , выпадает осадок гидроксида плутония Pu(OH)₄·xH₂O, обладающий основными свойствами. При действии щелочей на растворы солей, содержащих PuO₂ + , выпадает амфотерный гидроксид PuO₂OH. Ему отвечают соли — плутониты, например, Na₂Pu₂O₆.

При добавлении щелочи к раствору соли Pu(VI) образуются соли плутониевых кислот плутонаты типа Na₂PuO₄ и полиплутонаты.

Стандартный окислительный потенциал пары Pu(IV)/Pu(III) +0, 982 B, пары Pu(V)/Pu(IV) +1, 170 B, пары Pu(VI)/Pu(IV) +1, 043 B, пары Pu(VI)/Pu(III) +1, 023 B.

239 Pu используют в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах, при изготовлении плутониевых бомб. Критическая масса 239 Pu в виде металла составляет 5, 6 килограмм. Изотоп 239 Pu является исходным веществом для получения в ядерных реакторах трансплутониевых элементов (америция, кюрия).

238 Pu используют в малогабаритных ядерных источниках электрического тока, используемых в космических исследованиях и стимуляторах сердечной деятельности.

Физиологическое действие

Плутоний и его соединения высокотоксичны. Для 239 Pu ПДК в воздухе рабочих помещений 3, 3·10 -2 Бк/м 3 , в воде открытых водоемов 8, 14·10 -4 Бк/л.

Pu, искусственно полученный радиоактивный химический элемент, атомный номер 94; относится к актиноидам (См. Актиноиды). Открыт в 1940—41 американскими учёными Г. Сиборгом, Э. Макмилланом, Дж. Кеннеди и А. Валем, которые получили изотоп 238 Pu в результате облучения урана ядрами тяжёлого водорода — дейтонами. Назван в честь планеты Плутон, как и предшественники П. в таблице Менделеева — уран и нептуний, названия которых также произошли от планет Урана и Нептуна. Известны изотопы П. с массовыми числами от 232 до 246. Следы изотопов 247 Pu и 255 Pu обнаружены в пыли, собранной после взрывов термоядерных бомб. Самым долгоживущим изотопом П. является α-радиоактивный 244 Pu (период полураспада T_1/2 около 7,5․102 лет). Величины T_1/2 всех изотопов П. много меньше возраста Земли, и поэтому весь первичный П. (существовавший на нашей планете при её формировании) полностью распался. Однако ничтожные количества 239 Pu постоянно образуются при β-распаде 239 Np, который, в свою очередь, возникает при ядерной реакции урана с нейтронами (например, нейтронами космического излучения). Поэтому следы П. обнаружены в урановых рудах.

Из всех изотопов П. наиболее важен α-радиоактивный 239 Pu (T_1/2 = 2,4․10 4 лет). Ядра 239 Pu способны к цепной реакции деления под действием нейтронов, поэтому 239 Pu можно использовать как источник атомной энергии (энергия, освобождающаяся при расщеплении 1 г 239 Pu, эквивалентна теплоте, выделяющейся при сгорании 4000 кг угля). В СССР первые опыты по получению 239 Pu были начаты в 1943—44 под руководством академиков И. В. Курчатова и В. Г. Хлопина. Впервые П. в СССР был выделен из облученного нейтронами урана в 1945. В предельно сжатые сроки были выполнены обширные исследования свойств П., и в 1949 в СССР начал работать первый завод по радиохимическому выделению П.

Промышленное производство 239 Pu основано на взаимодействии ядер 238 U с нейтронами в ядерных реакторах. Последующее отделение Pu от U, Np и высокорадиоактивных продуктов деления осуществляют радиохимическими методами (соосаждением, экстракцией, ионным обменом и др.). Металлический П. обычно получают восстановлением PuF₃, PuF₄ или PuO₂ парами бария, кальция или лития. Как делящийся материал, 239 Pu используют в атомных реакторах и в атомных и термоядерных бомбах. Изотоп 238 Pu применяют для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 лет и более. Такие батарейки могут применяться, например, в генераторах тока, стимулирующих работу сердца.

Лит.: Бэгли К., Плутоний и его сплавы, пер. с англ., М., 1958; Вдовенко В. М. и Курчатов Б. В., Первый советский плутоний, «Радиохимия», 1968, т. 10, в. 6, с. 696; Плутоний. Справочник, под ред. О. Вика, пер. с англ., т. 1—2, М., 1971—73. См. также лит. при ст. Актиноиды.

Плутоний в организме. П. концентрируется морскими организмами: его коэффициент накопления (т. е. отношение концентраций в организме и во внешней среде) для водорослей составляет 1000—9000, для планктона (смешанного) — около 2300, для моллюсков — до 380, для морских звёзд — около 1000, для мышц, костей, печени и желудка рыб — 5, 570, 200 и 1060 соответственно. Наземные растения усваивают П. главным образом через корневую систему и накапливают его до 0,01% от своей массы. В организме человека П. задерживается преимущественно в скелете и печени, откуда почти не выводится (особенно из костей). Наиболее токсичный 239 Pu вызывает нарушения кроветворения, остеосаркомы, рак лёгких. С 70-х гг. 20 в. доля П. в радиоактивном загрязнении (См. Радиоактивное загрязнение) биосферы возрастает (так, облученность морских беспозвоночных за счёт П. становится больше, чем за счёт 90 Sr и 137 Cs).

Лит.: Проблемы токсикологии плутония, М., 1969: Радиоактивные вещества и кожа. (Метаболизм и дезактивация), М., 1972: Uranium, Plutonium, Transplutonis Elements B.—Hdlb.—N. Y., 1973.

Читайте также: