Плутоний

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.

Впервые Pu получили в 1940 году 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 (Т_1/2 2, 117 сут) дает ²³⁸Pu (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 ²³⁹Pu облучением нейтронами ²³⁸U. К настоящему времени получены 15 изотопов Pu с массовыми числами 232-246. Наиболее устойчивы ²⁴⁴Pu (α-распад, Т_1/2 = 8, 26.10⁷ лет) и ²⁴²Pu (α-распад, Т_1/2 = 3, 76.10⁵ лет).

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.

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

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 году 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.

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.

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.

Авторы: С.С. Бердоносов, П.С. Бердоносов