Плутоний

Плуто́ний (лат. Plutonium, от названия планеты Плутон), Pu (читается «плутоний»), радиоактивный искусственно полученный химический элемент, атомный номер 94. Стабильных нуклидов не имеет. Относится к актиноидам, расположен в IIIB группе, в 7 периоде периодической системы. Электронная конфигурация трех внешних слоев невозбужденного атома 5s2p6d10f66s2p67s2. В соединениях проявляет степени окисления +3, +4 (наиболее устойчива), +5, +6 и +7 (валентности III, IV, V, VI и VII).
Радиус нейтрального атома Pu 0, 160 нм, ионов Pu3+ 0, 0974 нм, Pu4+ 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.
Редактировать

История открытия

Впервые Pu получили в 1940 американские исследователи Г. Сиборг , Э. М. Макмилан, Дж. Кеннеди и А. Валь облучением 238U разогнанными на ускорителе ядрами дейтерия:
23892U + 21H = 23893Np + 21n.
Образующийся 238Np за счет быстрого β−превращения (Т1/2 2, 117 сут) дает 238Pu (α-радиоактивен, Т1/2 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 239Pu облучением нейтронами 238U. К настоящему времени получены 15 изотопов Pu с массовыми числами 232-246. Наиболее устойчивы 244Pu (α-распад, Т1/2 = 8, 26.107 лет) и 242Pu (α-распад, Т1/2 = 3, 76.105 лет).
Редактировать

Нахождение в природе

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

Получение

В настоящее время плутоний (его радионуклид 239Pu в смеси с небольшой примесью 240Pu) 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:
PuF4 + 2Са = 2СаF2 + Pu
Редактировать

Физические и химические свойства

Плутоний — хрупкий серебристый металл.
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/дм3. 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 Pu3+(цвет в растворе сине-фиолетовый), Pu4+(цвет желто-коричневый), PuО2+?, плутоноил-ион (цвет светло-розовый), PuО22+, плутонил-ион (цвет розово-оранжевый). Для ионов Pu4+ и PuО2+ в растворах характерны реакции диспропорционирования:
3Pu4+ + 2Н2О = 2Pu3+ + PuО22+ +4Н+
2PuО2+ + 4Н+ = Pu4+ + PuО22+ + Н2О
Плутоний в степени окисления +7 впервые получили в 1967 советские химики Н. Н.Крот и А. Д.Гельман окислением PuО22+ озоном в щелочной среде.
Плутоний в степени окисления +4 в растворах образует устойчивые комплексы с разными лигандами (с ацетилацетонатом, цитратом, ацетатом).
При действии щелочей на растворы, содержащие Pu4+, 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.
Редактировать

Применение

239Pu используют в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах, при изготовлении плутониевых бомб. Критическая масса 239Pu в виде металла составляет 5, 6 килограмм. Изотоп 239Pu является исходным веществом для получения в ядерных реакторах трансплутониевых элементов (америция, кюрия).
238Pu используют в малогабаритных ядерных источниках электрического тока, используемых в космических исследованиях и стимуляторах сердечной деятельности.
Редактировать

Физиологическое действие

Плутоний и его соединения высокотоксичны. Для 239Pu ПДК в воздухе рабочих помещений 3, 3·10-2 Бк/м3, в воде открытых водоемов 8, 14·10-4 Бк/л.
Редактировать

Дополнительная литература

  • Келлер К. Химия трансурановых элементов. М., 1976.
  • Несмеянов Ан. Н. Радиохимия. М., 1978.
  • Плутоний. Справочник / Под ред. О. Вика (пер. с англ.). М., 1971.
  • Плутоний. Радиационная безопасность. - М.: ИздАТ, 2005.
  • Плутоний в России. Экология, экономика, политика. - М.: Социал.-экол. союз, 1994.
Статья находится в рубриках
Яндекс.Метрика