Tor -Thorium

Tor,  90 tys
Mała (3 cm) ampułka z małym (5 mm) kwadratem metalu w środku
Tor
Wymowa / ˈ θ ɔːr i ə m / ​( THOR -ee-əm )
Wygląd srebrzyste, często z czarnym nalotem
Standardowa masa atomowa Ar, std (Th) 232.0377(4)
Tor w układzie okresowym
Wodór Hel
Lit Beryl Bor Węgiel Azot Tlen Fluor Neon
Sód Magnez Aluminium Krzem Fosfor Siarka Chlor Argon
Potas Wapń Skand Tytan Wanad Chrom Mangan Żelazo Kobalt Nikiel Miedź Cynk Gal German Arsen Selen Brom Krypton
Rubid Stront Itr Cyrkon Niob molibden Technet Ruten Rod Paladium Srebro Kadm Ind Cyna Antymon Tellur Jod Ksenon
Cez Bar Lantan Cer Prazeodym Neodym promet Samar Europ Gadolin Terb Dysproz Holmium Erb Tul Iterb Lutet Hafn Tantal Wolfram Ren Osm Iryd Platyna Złoto Rtęć (pierwiastek) Tal Prowadzić Bizmut Polon Astatin Radon
Francium Rad Aktyn Tor Protaktyn Uran Neptun Pluton Ameryk Kiur Berkel Kaliforn Einsteina Ferm Mendelew Nobel Wawrzyńca Rutherford Dubnium Seaborgium Bohrium Hass Meitnerium Darmsztadt Rentgen Kopernik Nihon Flerow Moskwa Livermorium Tennessine Oganesson
Ce

Th

(Uqq)
aktyntorprotaktyn
Liczba atomowa ( Z ) 90
Grupa grupa nie dotyczy
Okres okres 7
Blok   f-blok
Konfiguracja elektronów [ Rn ] 6d 2 7s 2
Elektrony na powłokę 2, 8, 18, 32, 18, 10, 2
Właściwości fizyczne
Faza STP solidny
Temperatura topnienia 2023  K ​(1750 °C, ​3182 °F)
Temperatura wrzenia 5061 K (4788 °C, ​8650 °F)
Gęstość (w pobliżu  rt ) 11,7 g/ cm3
Ciepło stapiania 13,81  kJ/mol
Ciepło parowania 514 kJ/mol
Molowa pojemność cieplna 26,230 J/(mol·K)
Ciśnienie pary
P  (Pa) 1 10 100 1 tys 10 tys 100 tys
T  (K) 2633 2907 3248 3683 4259 5055
Właściwości atomowe
Stany utleniania +1, +2, +3, +4 (słabo zasadowy tlenek)
Elektroujemność Skala Paulinga: 1,3
Energie jonizacji
Promień atomowy empiryczny: 179,8  pm
Promień kowalencyjny 206±6 pm
Kolorowe linie w zakresie spektralnym
Linie widmowe toru
Inne właściwości
Naturalne występowanie pierwotny
Struktura krystaliczna sześcian skupiony na twarzy (fcc)
Czołocentryczna sześcienna struktura krystaliczna dla toru
Prędkość dźwięku cienki pręt 2490 m/s (przy 20 °C)
Rozszerzalność cieplna 11,0 µm/(m⋅K) (przy 25 °C)
Przewodność cieplna 54,0 W/(m⋅K)
Rezystancja 157 nΩ⋅m (przy 0°C)
Zamawianie magnetyczne paramagnetyczny
Molowa podatność magnetyczna 132,0 × 10 -6  cm 3 /mol (293 K)
Moduł Younga 79 GPa
Moduł ścinania 31 GPa
Moduł objętościowy 54 GPa
Współczynnik Poissona 0,27
Twardość Mohsa 3,0
Twardość Vickersa 295-685 MPa
Twardość Brinella 390–1500 MPa
Numer CAS 7440-29-1
Historia
Nazywanie po Thorze , nordyckim bogu piorunów
Odkrycie Jöns Jakob Berzelius (1829)
Główne izotopy toru
Izotop Obfitość Okres półtrwania ( t 1/2 ) Tryb zaniku Produkt
227 _ namierzać 18,68 dnia α 223 Ra
228 Ty namierzać 1,9116 lat α 224 Ra
229 _ namierzać 7917 lat α 225 Ra
230 tys 0,02% 75400 lat α 226 Ra
231 _ namierzać 25,5 godz β 231 Pa
232 _ 99,98% 1,405×10 10  lat α 228 Ra
234 _ namierzać 24,1 dnia β 234 pa
 Kategoria: Tor
| Bibliografia

Tor jest słabo radioaktywnym metalicznym pierwiastkiem chemicznym o symbolu Th i liczbie atomowej 90. Tor jest srebrzysty i matowieje na czarno, gdy jest wystawiony na działanie powietrza, tworząc dwutlenek toru ; jest umiarkowanie miękki i plastyczny oraz ma wysoką temperaturę topnienia . Tor jest elektrododatnim aktynowcem , którego chemia jest zdominowana przez stopień utlenienia +4 ; jest dość reaktywny i może zapalić się w powietrzu, gdy jest drobno podzielony.

Wszystkie znane izotopy toru są niestabilne. Najbardziej stabilny izotop, 232 Th , ma okres półtrwania 14,05 miliarda lat, czyli mniej więcej w wieku wszechświata ; rozpada się bardzo powoli poprzez rozpad alfa , rozpoczynając łańcuch rozpadu nazwany szeregiem toru, który kończy się na stabilnym 208 Pb . Na Ziemi tor i uran są jedynymi istotnie radioaktywnymi pierwiastkami, które nadal występują naturalnie w dużych ilościach jako pierwiastki pierwotne . Szacuje się, że tor występuje w skorupie ziemskiej w ponad trzykrotnie większej ilości niż uran i jest on głównie rafinowany z piasków monazytowych jako produkt uboczny wydobywania metali ziem rzadkich .

Tor został odkryty w 1828 roku przez norweskiego mineraloga-amatora Mortena Thrane'a Esmarka i zidentyfikowany przez szwedzkiego chemika Jönsa Jacoba Berzeliusa , który nazwał go na cześć Thora , nordyckiego boga piorunów. Jego pierwsze zastosowania powstały pod koniec XIX wieku. Radioaktywność toru była powszechnie znana w pierwszych dekadach XX wieku. W drugiej połowie wieku tor został zastąpiony w wielu zastosowaniach z powodu obaw o jego radioaktywność.

Tor jest nadal używany jako pierwiastek stopowy w elektrodach spawalniczych TIG , ale powoli jest zastępowany w terenie przez różne składy. Był to również materiał w wysokiej klasy optyce i oprzyrządowaniu naukowym, używanym w niektórych lampach próżniowych do transmisji oraz jako źródło światła w płaszczach gazowych , ale te zastosowania stały się marginalne. Sugerowano, że zastępuje uran jako paliwo jądrowe w reaktorach jądrowych i zbudowano kilka reaktorów z torem . Tor jest również stosowany do wzmacniania magnezu , powlekania drutu wolframowego w sprzęcie elektrycznym, kontrolowania wielkości ziarna wolframu w lampach elektrycznych , tyglach wysokotemperaturowych i okularach, w tym soczewkach aparatu i instrumentów naukowych. Inne zastosowania toru obejmują ceramikę żaroodporną, silniki lotnicze i żarówki . Nauka o oceanach wykorzystała stosunek izotopów 231 Pa/ 230 Th do zrozumienia starożytnego oceanu.

Właściwości luzem

Tor jest umiarkowanie miękkim, paramagnetycznym , jasnym, srebrzystym, radioaktywnym metalem aktynowcem. W układzie okresowym leży na prawo od aktynu , na lewo od protaktynu i poniżej ceru . Czysty tor jest bardzo plastyczny i, jak zwykle w przypadku metali, może być walcowany na zimno , kształtowany i ciągniony . W temperaturze pokojowej tor metaliczny ma sześcienną strukturę kryształu sześcienną; ma dwie inne formy, jedną w wysokiej temperaturze (ponad 1360 ° C; sześcienny skoncentrowany na ciele) i drugą pod wysokim ciśnieniem (około 100 GPa; czworokątny skoncentrowany na ciele ).

Metaliczny tor ma moduł objętościowy (miara odporności materiału na ściskanie) 54  GPa , mniej więcej taki sam jak cyny (58,2 GPa). Aluminium wynosi 75,2 GPa; miedź 137,8 GPa; a stal miękka to 160-169 GPa. Tor jest tak twardy jak miękka stal , więc po podgrzaniu można go zwijać w arkusze i wciągać w drut.

Tor ma prawie połowę mniejszą gęstość niż uran i pluton i jest od nich twardszy. Staje się nadprzewodzący poniżej 1,4  K . Temperatura topnienia toru wynosząca 1750 °C jest wyższa zarówno od temperatury aktynu (1227 °C), jak i protaktynu (1568 °C). Na początku okresu 7 , od franu do toru, temperatury topnienia pierwiastków wzrastają (jak w innych okresach), ponieważ liczba zdelokalizowanych elektronów każdego atomu wzrasta z jednego we frans do czterech w torze, co prowadzi do większego przyciągania między te elektrony i jony metali wraz ze wzrostem ich ładunku od jednego do czterech. Po torze pojawia się nowy trend spadkowy temperatur topnienia od toru do plutonu , gdzie liczba elektronów f wzrasta z około 0,4 do około 6: trend ten jest spowodowany rosnącą hybrydyzacją orbitali 5f i 6d oraz powstawaniem kierunkowych wiązania powodujące bardziej złożone struktury krystaliczne i osłabione wiązania metaliczne. (Liczba elektronów f dla metalicznego toru nie jest liczbą całkowitą ze względu na nakładanie się 5f-6d). Wśród aktynowców aż do kalifornu , które można badać w ilościach co najmniej miligramowych, tor ma najwyższe temperatury topnienia i wrzenia, a drugi -najniższa gęstość; tylko aktyn jest lżejszy. Temperatura wrzenia toru wynosząca 4788 °C jest piątą najwyższą spośród wszystkich pierwiastków o znanych temperaturach wrzenia.

Właściwości toru różnią się znacznie w zależności od stopnia zanieczyszczenia próbki. Głównym zanieczyszczeniem jest zwykle dwutlenek toru ThO 2 ); nawet najczystsze próbki toru zwykle zawierają około jednej dziesiątej procenta dwutlenku. Eksperymentalne pomiary jego gęstości dają wartości od 11,5 do 11,66 g/cm 3 : są one nieco niższe niż teoretycznie oczekiwana wartość 11,7 g/cm 3 obliczona na podstawie parametrów sieci toru , być może z powodu mikroskopijnych pustych przestrzeni tworzących się w metalu podczas jego odlewania . Wartości te leżą między wartościami sąsiednich aktyn (10,1 g/cm 3 ) i protaktyn (15,4 g/cm 3 ), co jest częścią trendu wśród wczesnych aktynowców.

Tor może tworzyć stopy z wieloma innymi metalami. Dodanie niewielkich ilości toru poprawia wytrzymałość mechaniczną magnezu , a stopy torowo-aluminiowe są rozważane jako sposób przechowywania toru w proponowanych przyszłych reaktorach jądrowych wykorzystujących tor. Tor tworzy mieszaniny eutektyczne z chromem i uranem i jest całkowicie mieszalny zarówno w stanie stałym , jak i ciekłym z lżejszym kongenerowanym cerem.

Izotopy

Wszystkie pierwiastki z wyjątkiem dwóch, aż do bizmutu (pierwiastek 83) mają izotop, który jest praktycznie stabilny we wszystkich celach („klasycznie stabilny”), z wyjątkiem technetu i prometu (pierwiastki 43 i 61). Wszystkie pierwiastki od polonu (pierwiastek 84) są wymiernie radioaktywne . 232 Th jest jednym z dwóch nuklidów poza bizmutem (drugi to 238 U ), których okres półtrwania mierzony jest w miliardach lat; jego okres półtrwania wynosi 14,05 miliarda lat, około trzy razy więcej niż wiek Ziemi i nieco dłuższy niż wiek wszechświata . Cztery piąte toru obecnego podczas formowania się Ziemi przetrwało do chwili obecnej. 232 Th jest jedynym izotopem toru występującym w ilościach w przyrodzie. Jego stabilność przypisuje się zamkniętej podpowłoce jądrowej z 142 neutronami. Tor ma charakterystyczny ziemski skład izotopowy, o masie atomowej 232,0377(4). Jest to jeden z zaledwie czterech pierwiastków radioaktywnych (wraz z bizmutem, protaktynem i uranem), które występują na Ziemi w wystarczająco dużych ilościach, aby można było określić standardową masę atomową.

Jądra toru są podatne na rozpad alfa, ponieważ silne siły jądrowe nie są w stanie pokonać elektromagnetycznego odpychania między ich protonami. Rozpad alfa 232 Th inicjuje łańcuch rozpadów 4n, który obejmuje izotopy o liczbie masowej podzielnej przez 4 (stąd nazwa; nazywana jest również szeregiem toru od jego przodka). Ten łańcuch kolejnych rozpadów alfa i beta rozpoczyna się rozpadem 232 Th do 228 Ra i kończy się przy 208 Pb. Każda próbka toru lub jego związków zawiera śladowe ilości tych potomków, którymi są izotopy talu , ołowiu , bizmutu, polonu, radonu , radu i aktynu. Próbki naturalnego toru można oczyszczać chemicznie w celu wyekstrahowania użytecznych nuklidów potomnych, takich jak 212Pb , który jest stosowany w medycynie nuklearnej do leczenia raka . 227Th (emiter alfa z okresem półtrwania 18,68 dni) może być również stosowany w leczeniu raka, takim jak ukierunkowane alfa terapie . 232 Th również bardzo rzadko ulega spontanicznemu rozszczepieniu , a nie rozpadowi alfa, i pozostawił na to dowody w swoich minerałach (jako uwięziony gaz ksenonowy utworzony jako produkt rozszczepienia), ale częściowy okres półtrwania tego procesu jest bardzo duży i wynosi ponad 10 21  lat i dominuje rozpad alfa.

Prezentacja kulowo-strzałkowa serii rozpadów toru
Łańcuch rozpadu 4 n 232 Th, powszechnie nazywany „serią toru”

Scharakteryzowano 30 radioizotopów , których liczba masowa waha się od 209 do 238. Po 232 Th najbardziej stabilne z nich (z odpowiednimi okresami półtrwania) to 230 Th (75 380 lat), 229 Th (7 340 lat), 228 Th ( 1,92 roku), 234 tys. (24,10 dnia) i 227 tys (18,68 dnia). Wszystkie te izotopy występują w naturze jako śladowe izotopy promieniotwórcze ze względu na ich obecność w łańcuchach rozpadu 232 Th, 235 U, 238 U i 237 Np : ostatni z nich jest od dawna wymarły ze względu na krótki okres półtrwania (2,14). milionów lat), ale jest stale wytwarzany w niewielkich śladach z wychwytywania neutronów w rudach uranu. Wszystkie pozostałe izotopy toru mają okres półtrwania krótszy niż trzydzieści dni, a większość z nich ma okres półtrwania krótszy niż dziesięć minut.

W głębokich wodach morskich izotop 230 Th stanowi do 0,04% naturalnego toru. Dzieje się tak, ponieważ jego rodzic 238 U jest rozpuszczalny w wodzie, ale 230 Th jest nierozpuszczalny i wytrąca się w osadzie. Rudy uranu o niskim stężeniu toru można oczyszczać w celu wytworzenia próbek toru o wielkości grama, których ponad jedna czwarta to izotop 230 Th, ponieważ 230 Th jest jedną z córek 238 U. Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) przeklasyfikowano tor jako pierwiastek binuklidowy w 2013 r.; dawniej uważano go za pierwiastek jednojądrowy .

Tor ma trzy znane izomery jądrowe (lub stany metastabilne), 216m1 Th, 216m2 Th i 229m Th. 229m Th ma najniższą znaną energię wzbudzenia spośród wszystkich izomerów, mierzoną jako7,6 ± 0,5 eV . Jest tak niski, że gdy przechodzi przemianę izomeryczną , emitowane promieniowanie gamma znajduje się w zakresie ultrafioletowym .

Różne izotopy toru są chemicznie identyczne, ale mają nieco inne właściwości fizyczne: na przykład oczekuje się, że gęstość czystego 228 Th, 229 Th, 230 Th i 232 Th wynosi odpowiednio 11,5, 11,6, 11,6 i 11,7 g/cm 3 . Oczekuje się, że izotop 229 Th będzie rozszczepialny przy masie krytycznej 2839 kg, chociaż w przypadku stalowych reflektorów wartość ta może spaść do 994 kg. 232 Th nie jest rozszczepialny, ale jest płodny , ponieważ może zostać przekształcony w rozszczepialny 233 U przez wychwytywanie neutronów, a następnie rozpad beta.

Datowanie radiometryczne

Dwie metody datowania radiometrycznego wykorzystują izotopy toru: datowanie uranowo-torowe , oparte na rozpadzie 234U do 230 Th , oraz datowanie jonowo-torowe , które mierzy stosunek 232 Th do 230 Th. Opierają się one na fakcie, że 232 Th jest pierwotnym radioizotopem, ale 230 Th występuje tylko jako pośredni produkt rozpadu w łańcuchu rozpadu 238 U. Datowanie uranowo-torowe jest procesem stosunkowo krótkozasięgowym ze względu na krótkie okresy półtrwania 234 U i 230 Th w stosunku do wieku Ziemi: towarzyszy temu również proces siostrzany polegający na rozpadzie alfa z 235 U na 231 Th, który bardzo szybko staje się dłużej żyjącym 231 Pa, a proces ten jest często wykorzystywany do sprawdź wyniki datowania uranowo-torowego. Datowanie uranowo-torowe jest powszechnie stosowane do określania wieku materiałów z węglanu wapnia , takich jak naciek lub koral , ponieważ uran jest lepiej rozpuszczalny w wodzie niż tor i protaktyn, które są selektywnie wytrącane w osadach dna oceanicznego , gdzie mierzone są ich proporcje. Schemat ma zasięg kilkuset tysięcy lat. Datowanie jonowo-torowe jest procesem pokrewnym, który wykorzystuje nierozpuszczalność toru (zarówno 232 Th, jak i 230 Th), a tym samym jego obecność w osadach oceanicznych do datowania tych osadów poprzez pomiar stosunku 232 Th do 230 Th. Obie te metody datowania zakładają, że proporcja 230 Th do 232 Th jest stała w okresie tworzenia się warstwy osadu, że osad nie zawierał już toru przed wkładem z rozpadu uranu i że tor nie może migrować w warstwie osadu.

Chemia

Atom toru ma 90 elektronów, z czego cztery to elektrony walencyjne . Cztery orbitale atomowe są teoretycznie dostępne dla elektronów walencyjnych: 5f, 6d, 7s i 7p. Pomimo położenia toru w bloku f układu okresowego, ma on anomalną konfigurację elektronową [Rn]6d 2 7s 2 w stanie podstawowym, ponieważ podpowłoki 5f i 6d we wczesnych aktynowcach są bardzo zbliżone pod względem energii, tym bardziej niż podpowłoki 4f i 5d lantanowców: podpowłoki toru 6d mają niższą energię niż jego podpowłoki 5f, ponieważ jego podpowłoki 5f nie są dobrze osłonięte przez wypełnione podpowłoki 6s i 6p i są zdestabilizowane. Wynika to z efektów relatywistycznych , które stają się silniejsze w dolnej części układu okresowego, w szczególności relatywistycznej interakcji spin-orbita . Bliskość poziomów energii 5f, 6d i 7s toru powoduje, że tor prawie zawsze traci wszystkie cztery elektrony walencyjne i występuje w najwyższym możliwym stopniu utlenienia +4. Różni się to od kongenerowanego ceru lantanowców, w którym +4 jest również najwyższym możliwym stanem, ale +3 odgrywa ważną rolę i jest bardziej stabilny. Tor jest znacznie bardziej podobny do metali przejściowych, cyrkonu i hafnu, niż do ceru pod względem energii jonizacji i potencjałów redoks, a co za tym idzie również chemii: to zachowanie podobne do metalu przejściowego jest normą w pierwszej połowie serii aktynowców.

Struktura krystaliczna fluorytu
Dwutlenek toru ma strukturę krystaliczną fluorytu .
Cz 4+ : __   / O 2- : __

Pomimo anomalnej konfiguracji elektronowej dla gazowych atomów toru, metaliczny tor wykazuje znaczące zaangażowanie 5f. Hipotetyczny stan metaliczny toru, który miał konfigurację [Rn]6d 2 7s 2 z orbitalami 5f powyżej poziomu Fermiego, powinien być sześciokątnie ciasno upakowany , jak tytan, cyrkon i hafn z grupy 4 , a nie sześcienny, ponieważ faktycznie jest. Rzeczywistą strukturę krystaliczną można wyjaśnić tylko wtedy, gdy przywołuje się stany 5f, co dowodzi, że tor jest metalurgicznie prawdziwym aktynowcem.

Związki czterowartościowego toru są zwykle bezbarwne lub żółte, podobnie jak związki srebra lub ołowiu, ponieważ jon Th 4+ nie ma elektronów 5f ani 6d. Chemia toru jest zatem w dużej mierze chemią metalu elektrododatniego tworzącego pojedynczy jon diamagnetyczny o stabilnej konfiguracji gazu szlachetnego, co wskazuje na podobieństwo między torem a pierwiastkami z głównej grupy bloku s. Tor i uran są najlepiej zbadanymi pierwiastkami promieniotwórczymi, ponieważ ich radioaktywność jest na tyle niska, że ​​nie wymaga specjalnej obsługi w laboratorium.

Reaktywność

Tor jest metalem wysoce reaktywnym i elektrododatnim. Przy standardowym potencjale redukcyjnym -1,90 V dla pary Th 4+ /Th jest nieco bardziej elektrododatni niż cyrkon lub aluminium. Drobno rozdrobniony tor metaliczny może wykazywać piroforyczność , samorzutnie zapalając się w powietrzu. Po podgrzaniu w powietrzu wióry toru zapalają się i płoną jasnym białym światłem, wytwarzając dwutlenek. W masie reakcja czystego toru z powietrzem jest powolna, chociaż korozja może wystąpić po kilku miesiącach; większość próbek toru jest zanieczyszczona dwutlenkiem w różnym stopniu, co znacznie przyspiesza korozję. Takie próbki powoli matowieją, stając się szare i ostatecznie czarne na powierzchni.

W standardowej temperaturze i ciśnieniu tor jest powoli atakowany przez wodę, ale nie rozpuszcza się łatwo w większości popularnych kwasów, z wyjątkiem kwasu solnego , w którym rozpuszcza się pozostawiając czarną nierozpuszczalną pozostałość ThO(OH,Cl)H. Rozpuszcza się w stężonym kwasie azotowym zawierającym niewielką ilość katalitycznych jonów fluorkowych lub fluorokrzemianowych ; jeśli ich nie ma, może wystąpić pasywacja azotanem, tak jak w przypadku uranu i plutonu.

Struktura krystaliczna tetrafluorku toru
Struktura krystaliczna tetrafluorku toru
Th 4+ : __   / F : __

Związki nieorganiczne

Większość dwuskładnikowych związków toru z niemetalami można wytworzyć przez wspólne ogrzewanie elementów. W powietrzu tor spala się, tworząc ThO 2 , który ma strukturę fluorytu . Dwutlenek toru jest materiałem ogniotrwałym o najwyższej temperaturze topnienia (3390 °C) spośród wszystkich znanych tlenków. Jest nieco higroskopijny i łatwo reaguje z wodą i wieloma gazami; łatwo rozpuszcza się w stężonym kwasie azotowym w obecności fluoru.

Po podgrzaniu w powietrzu dwutlenek toru emituje intensywne niebieskie światło; światło staje się białe, gdy ThO 2 miesza się z jego lżejszym homologicznym dwutlenkiem ceru ( CeO 2 , ceria): jest to podstawa jego wcześniejszego powszechnego zastosowania w osłonach gazowych . Płomień nie jest potrzebny do tego efektu: w 1901 odkryto, że gorący płaszcz gazowy Welsbacha (wykorzystujący ThO 2 z 1% CeO 2 ) pozostawał w „pełnym blasku” po wystawieniu na zimną, nierozpaloną mieszaninę palnego gazu i powietrza. Światło emitowane przez dwutlenek toru ma większą długość fali niż emisja ciała doskonale czarnego oczekiwana od żarzenia w tej samej temperaturze, efekt zwany kandoluminescencją . Dzieje się tak, ponieważ ThO 2  : Ce działa jak katalizator rekombinacji wolnych rodników , które w dużym stężeniu pojawiają się w płomieniu, których dewzbudzenie uwalnia duże ilości energii. Dodatek 1% dwutlenku ceru, tak jak w płaszczach gazowych, potęguje efekt poprzez zwiększenie emisyjności w widzialnym obszarze widma; a ponieważ cer, w przeciwieństwie do toru, może występować na wielu stopniach utlenienia, jego ładunek, a tym samym widoczna emisyjność, będzie zależeć od obszaru płomienia, w którym się znajduje (ponieważ takie regiony różnią się składem chemicznym, a zatem stopniem utleniania lub redukcji). .

Kilka dwuskładnikowych chalkogenków toru i oksychalkogenów toru jest również znanych z siarką , selenem i tellurem .

Wszystkie cztery tetrahalogenki toru są znane, podobnie jak niektóre niskowartościowe bromki i jodki: wszystkie tetrahalogenki to 8-koordynacyjne związki higroskopijne, które łatwo rozpuszczają się w rozpuszczalnikach polarnych, takich jak woda. Znanych jest również wiele pokrewnych jonów polihalogenkowych. Tetrafluorek toru ma jednoskośną strukturę krystaliczną, taką jak tetrafluorek cyrkonu i tetrafluorek hafnu , gdzie jony Th 4+ są skoordynowane z jonami F w nieco zniekształconych kwadratowych antypryzmatach . Inne tetrahalogenki mają zamiast tego geometrię dwunastościenną. Niższe jodki ThI 3 (czarny) i ThI 2 (złoty) można również otrzymać przez redukcję tetrajodku metalicznym torem: nie zawierają Th(III) i Th(II), ale zamiast tego zawierają Th 4+ i mogą być wyraźniej sformułowane jako związki elektrydowe . Wiele wieloskładnikowych halogenków z metalami alkalicznymi, barem , talem i amonem jest znanych z fluorków, chlorków i bromków toru. Na przykład po potraktowaniu fluorkiem potasu i kwasem fluorowodorowym Th4 + tworzy kompleksowy anion ThF2-
6
, który wytrąca się jako nierozpuszczalna sól , K2ThF6 .

Borki, węgliki, krzemki i azotki toru są materiałami ogniotrwałymi, takimi jak uran i pluton, i dlatego zwróciły uwagę jako możliwe paliwa jądrowe . Wszystkie cztery cięższe pniktogeny ( fosfor , arsen , antymon i bizmut) również tworzą dwuskładnikowe związki toru. Znane są również germanki toru. Tor reaguje z wodorem, tworząc wodorki toru ThH 2 i Th 4 H 15 , z których ten ostatni jest nadprzewodnikiem poniżej 7,5–8 K; w standardowej temperaturze i ciśnieniu przewodzi prąd elektryczny jak metal. Wodorki są niestabilne termicznie i łatwo rozkładają się pod wpływem powietrza lub wilgoci.

Struktura torocenu
Struktura cząsteczki kanapkowej torocenu

Związki koordynacyjne

W kwaśnym roztworze wodnym tor występuje jako tetra-dodatni jon wodny [Th(H 2 O) 9 ] 4+ , ​​który ma trójkątną pryzmatyczną geometrię cząsteczek : przy pH < 3 roztwory soli toru są zdominowane przez ten kation. Jon Th 4+ jest największym z tetradodatnich jonów aktynowców iw zależności od liczby koordynacyjnej może mieć promień od 0,95 do 1,14 Å. Jest dość kwaśny ze względu na wysoki ładunek, nieco silniejszy niż kwas siarkawy : dlatego ma tendencję do ulegania hydrolizie i polimeryzacji (choć w mniejszym stopniu niż Fe 3+ ), głównie do [Th 2 (OH) 2 ] 6+ w roztworach przy pH 3 lub niższym, ale w bardziej alkalicznym roztworze polimeryzacja jest kontynuowana aż do utworzenia i wytrącenia galaretowatego wodorotlenku Th(OH) 4 (chociaż osiągnięcie równowagi może zająć tygodnie, ponieważ polimeryzacja zwykle zwalnia przed wytrącaniem). Jako twardy kwas Lewisa , Th4 + faworyzuje twarde ligandy z atomami tlenu jako donorami: kompleksy z atomami siarki jako donorami są mniej stabilne i bardziej podatne na hydrolizę.

Wysokie liczby koordynacyjne są regułą dla toru ze względu na jego duże rozmiary. Pentahydrat azotanu toru był pierwszym znanym przykładem liczby koordynacyjnej 11, tetrahydrat szczawianu ma liczbę koordynacyjną 10, a borowodorek (po raz pierwszy wytworzony w Projekcie Manhattan ) ma liczbę koordynacyjną 14. Te sole toru są znane z wysokiej rozpuszczalności w wodzie i polarnym rozpuszczalniki organiczne.

Znanych jest wiele innych nieorganicznych związków toru z anionami wieloatomowymi, takich jak nadchlorany , siarczany , siarczyny , azotany, węglany, fosforany , wanadany , molibdeniany i chromiany oraz ich formy uwodnione. Są one ważne w oczyszczaniu toru i unieszkodliwianiu odpadów promieniotwórczych, ale większość z nich nie została jeszcze w pełni scharakteryzowana, zwłaszcza jeśli chodzi o ich właściwości strukturalne. Na przykład azotan toru jest wytwarzany w reakcji wodorotlenku toru z kwasem azotowym: jest rozpuszczalny w wodzie i alkoholach i jest ważnym produktem pośrednim w oczyszczaniu toru i jego związków. Kompleksy toru z organicznymi ligandami, takimi jak szczawian , cytrynian i EDTA , są znacznie bardziej stabilne. W naturalnych wodach zawierających tor, organiczne kompleksy toru zwykle występują w stężeniach o rzędy wielkości wyższych niż kompleksy nieorganiczne, nawet gdy stężenia ligandów nieorganicznych są znacznie większe niż stężenia ligandów organicznych.

Struktura cząsteczki fortepian-stołek (η8-C8H8)ThCl2(THF)2
Struktura cząsteczki fortepian-stołek ( η 8 -C 8 H 8 )ThCl 2 (THF) 2

Związki organotorowe

Większość prac nad związkami organotorowymi skupiała się na kompleksach cyklopentadienylowych i cyklooktatetraenylach . Podobnie jak wiele wczesnych i średnich aktynowców (aż do ameryku , a także oczekiwanego dla kiuru ), tor tworzy kompleks cyklooktatetraenidowy: żółty Th(C 8 H 8 ) 2 , torocen . Jest izotypowy z bardziej znanym, analogicznym związkiem uranu, uranocenem . Można go wytworzyć w reakcji K2C8H8 z tetrachlorkiem toru w tetrahydrofuranie (THF) w temperaturze suchego lodu lub w reakcji tetrafluorku toru z MgC8H8 . Jest niestabilny w powietrzu i rozkłada się w wodzie lub w temperaturze 190°C. Znane są również związki typu half-sandwich, takie jak (η8-C8H8)ThCl2(THF)2 , który ma strukturę stołka fortepianowego i jest wytwarzany w reakcji torocenu z tetrachlorkiem toru w tetrahydrofuranie .

Najprostszymi cyklopentadienylami są Th(C5H5 ) 3 i Th ( C5H5 ) 4 : znanych jest wiele pochodnych. Ten pierwszy (który ma dwie formy, jedną fioletową i jedną zieloną) jest rzadkim przykładem toru na formalnym stopniu utlenienia +3; w pochodnej występuje formalny stopień utlenienia +2. Pochodną chlorkową [ Th(C5H5 ) 3Cl ] wytwarza się przez ogrzewanie tetrachlorku toru z użyciem ograniczającego K( C5H5 ) ( można również stosować inne jednowartościowe cyklopentadienyle) . Pochodne alkilowe i arylowe są otrzymywane z pochodnej chlorkowej i zostały wykorzystane do badania natury wiązania sigma Th-C .

Inne związki organotorowe nie są dobrze zbadane. Tetrabenzylotor, Th ( CH2C6H5 ) i tetraallilotor, Th ( C3H5 ) 4 znane , ale ich struktura nie została określona. Rozkładają się powoli w temperaturze pokojowej. Tor tworzy trygonalny pryzmatyczny anion jednokanałowy [Th(CH3 ) 7 ] 3- , heptametylotoran, który tworzy sól [Li(tmeda)] 3 [ThMe 7 ] (tmeda= Me 2 NCH 2 CH 2 NMe 2 ). Chociaż jedna grupa metylowa jest przyłączona tylko do atomu toru (odległość Th-C 257,1 pm), a pozostałe sześć łączy atomy litu i toru (odległość Th-C 265,5-276,5 pm), zachowują się one jednakowo w roztworze. Tetrametylotor, Th(CH 3 ) 4 , nie jest znany, ale jego addukty są stabilizowane przez ligandy fosfinowe .

Występowanie

Tworzenie

232 Th jest pierwotnym nuklidem, istniejącym w swojej obecnej formie od ponad dziesięciu miliardów lat; powstał podczas procesu r , który prawdopodobnie zachodzi w supernowych i fuzji gwiazd neutronowych . Te gwałtowne wydarzenia rozrzuciły go po całej galaktyce. Litera „r” oznacza „szybkie wychwytywanie neutronów” i występuje w supernowych z zapadaniem się jąder, w których jądra o ciężkich ziarnach, takie jak 56 Fe , szybko wychwytują neutrony, podbiegając do linii kroplowej neutronów , ponieważ neutrony są wychwytywane znacznie szybciej niż powstałe nuklidy mogą ulec rozpadowi beta z powrotem w kierunku stabilności. Wychwytywanie neutronów to jedyny sposób, w jaki gwiazdy mogą syntetyzować pierwiastki poza żelazem, ze względu na zwiększone bariery kulombowskie , które utrudniają interakcje między naładowanymi cząsteczkami przy wysokich liczbach atomowych, oraz fakt, że fuzja poza 56 Fe jest endotermiczna . Z powodu nagłej utraty stabilności powyżej 209 Bi, proces r jest jedynym procesem gwiezdnej nukleosyntezy, który może wytworzyć tor i uran; wszystkie inne procesy są zbyt wolne, a pośrednie jądra alfa ulegają rozpadowi, zanim przechwycą wystarczającą liczbę neutronów, aby dotrzeć do tych pierwiastków.

Histogram szacowanych obfitości 83 pierwiastków pierwotnych w Układzie Słonecznym
Szacunkowe liczebności 83 pierwiastków pierwotnych w Układzie Słonecznym, wykreślone w skali logarytmicznej . Tor o liczbie atomowej 90 jest jednym z najrzadszych pierwiastków.

We wszechświecie tor należy do najrzadszych pierwiastków pierwotnych, ponieważ jest jednym z dwóch pierwiastków, które można wytworzyć tylko w procesie r (drugim jest uran), a także dlatego, że powoli rozpada się od w momencie jej powstania. Jedynymi pierwiastkami pierwotnymi rzadszymi od toru są tul , lutet , tantal i ren, pierwiastki o nieparzystej liczbie tuż przed trzecim szczytem obfitości procesu r wokół ciężkich metali z grupy platynowców, a także uranu. W odległej przeszłości obfitości toru i uranu zostały wzbogacone przez rozpad izotopów plutonu i kuru, a tor w stosunku do uranu został wzbogacony o rozpad 236 U do 232 Th i naturalne zubożenie 235 U, ale źródła te od dawna ponieważ zepsuły się i już nie przyczyniają się.

W skorupie ziemskiej tor występuje znacznie obficiej: w ilości 8,1  części na milion (ppm) jest jednym z najobficiej występujących pierwiastków ciężkich, prawie tak obfity jak ołów (13 ppm) i bardziej obfity niż cyna ( 2,1 ppm). Dzieje się tak, ponieważ tor prawdopodobnie tworzy minerały tlenkowe, które nie zatapiają się w rdzeniu; jest klasyfikowany jako litofil . Powszechne związki toru są również słabo rozpuszczalne w wodzie. Tak więc, mimo że pierwiastki ogniotrwałe występują w Ziemi w takiej samej względnej liczebności, jak w całym Układzie Słonecznym, w skorupie jest łatwiej dostępny tor niż metale ciężkie z grupy platynowców.

Ciepło wytwarzane przez rozpad K-40, Th-232, U-235, U-238 w Ziemi w czasie
Ciepło radiogeniczne z rozpadu 232 Th (fiolet) jest głównym składnikiem wewnętrznego bilansu cieplnego Ziemi . Spośród czterech głównych nuklidów dostarczających to ciepło, 232 Th urosło, aby zapewnić najwięcej ciepła, podczas gdy pozostałe rozpadały się szybciej niż tor.

Na ziemi

Tor jest 41. najobficiej występującym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej. Naturalny tor to zwykle prawie czysty 232 Th, który jest najdłużej żyjącym i najbardziej stabilnym izotopem toru, którego okres półtrwania jest porównywalny z wiekiem wszechświata. Jej radioaktywny rozpad jest największym pojedynczym czynnikiem przyczyniającym się do wewnętrznego ciepła Ziemi ; innymi głównymi wkładami są krótkożyjące pierwotne radionuklidy, które mają 238 U, 40 K i 235 U w porządku malejącym ich udziału. (W czasie formowania się Ziemi, 40 K i 235 U miały znacznie większy wkład ze względu na ich krótkie okresy półtrwania, ale rozkładały się one szybciej, pozostawiając dominujący wkład 232 Th i 238 U). stopniowe zmniejszanie się zawartości toru w Ziemi: planeta ma obecnie około 85% ilości występującej podczas formowania się Ziemi. Inne naturalne izotopy toru żyją znacznie krócej; z nich tylko 230 Th jest zwykle wykrywalne, występuje w równowadze świeckiej ze swoim rodzicem 238 U i stanowi co najwyżej 0,04% naturalnego toru.

Tor występuje tylko jako pomniejszy składnik większości minerałów iz tego powodu uważano go wcześniej za rzadki. Gleba zwykle zawiera około 6 ppm toru.

W naturze tor występuje na stopniu utlenienia +4 wraz z uranem(IV), cyrkonem (IV), hafnem(IV) i cerem(IV), a także ze skandem , itrem i trójwartościowymi lantanowcami, które mają podobne właściwości jonowe . promienie . Ze względu na radioaktywność toru, zawarte w nim minerały są często metamiczne (amorficzne), a ich struktura krystaliczna została uszkodzona przez promieniowanie alfa wytwarzane przez tor. Skrajnym przykładem jest ekanit , (Ca,Fe,Pb) 2 (Th,U)Si 8 O 20 , który ze względu na zawarty w nim tor prawie nigdy nie występuje w postaci niemetamtycznej.

Monacyt (głównie fosforany różnych pierwiastków ziem rzadkich) jest najważniejszym handlowym źródłem toru, ponieważ występuje w dużych złożach na całym świecie, głównie w Indiach, Afryce Południowej, Brazylii, Australii i Malezji . Zawiera średnio około 2,5% toru, chociaż niektóre złoża mogą zawierać do 20%. Monazyt to niereaktywny chemicznie minerał występujący w postaci żółtego lub brązowego piasku; jego niska reaktywność utrudnia wydobycie z niego toru. Allanit (głównie krzemiany-wodorotlenki różnych metali) może zawierać od 0,1 do 2% toru, a cyrkon (głównie krzemian cyrkonu , ZrSiO 4 ) do 0,4% toru.

Dwutlenek toru występuje jako rzadki minerał torianit . Ze względu na swoją izotypowość z dwutlenkiem uranu , te dwa powszechnie stosowane dwutlenki aktynowców mogą tworzyć roztwory w stanie stałym, a nazwa minerału zmienia się w zależności od zawartości ThO2 . Toryt (głównie krzemian toru , ThSiO4 ) również ma wysoką zawartość toru i jest minerałem, w którym po raz pierwszy odkryto tor. W minerałach krzemianowych toru Th 4+ i SiO4−
4
jony są często zastępowane przez M 3+ (gdzie M= Sc, Y lub Ln) i fosforany ( PO3−
4
) odpowiednio. Ze względu na dużą nierozpuszczalność dwutlenku toru, po uwolnieniu tor zwykle nie rozprzestrzenia się szybko w środowisku. Jon Th 4+ jest rozpuszczalny, zwłaszcza w glebach kwaśnych iw takich warunkach stężenie toru może osiągnąć 40 ppm.

Historia

Thor wznoszący młot w walce z gigantami
Walka Thora z gigantami (1872) Mårten Eskil Winge ; Thor , nordycki bóg piorunów, wznosi swój młot Mjölnir w walce z gigantami .

Błędny raport

W 1815 roku szwedzki chemik Jöns Jacob Berzelius przeanalizował niezwykłą próbkę gadolinitu z kopalni miedzi w Falun w środkowej Szwecji. Zauważył zaimpregnowane ślady białego minerału, który ostrożnie uznał za ziemię ( tlenek we współczesnej nomenklaturze chemicznej) nieznanego pierwiastka. Berzelius odkrył już dwa pierwiastki, cer i selen , ale raz popełnił publiczny błąd, ogłaszając nowy pierwiastek, gan , który okazał się być tlenkiem cynku . Berzelius prywatnie nazwał domniemany pierwiastek „tor” w 1817 roku i jego rzekomy tlenek „thorina” po Thorze , nordyckim bogu piorunów. W 1824 roku, po odkryciu kolejnych złóż tego samego minerału w Vest-Agder w Norwegii, wycofał swoje odkrycia, ponieważ minerał (później nazwany ksenotimem ) okazał się być w większości ortofosforanem itru .

Odkrycie

W 1828 roku Morten Thrane Esmark znalazł czarny minerał na wyspie Løvøya w okręgu Telemark w Norwegii. Był norweskim księdzem i mineralogem amatorem , który studiował minerały w Telemarku, gdzie pełnił funkcję wikariusza . Najciekawsze okazy, takie jak ten, często wysyłał swojemu ojcu Jensowi Esmarkowi , znanemu mineralogowi i profesorowi mineralogii i geologii na Królewskim Uniwersytecie Fryderyka w Christianii (dziś Oslo ). Starszy Esmark ustalił, że nie jest to znany minerał i wysłał próbkę do Berzeliusa do zbadania. Berzelius ustalił, że zawiera nowy pierwiastek. Opublikował swoje odkrycia w 1829 roku, po wyizolowaniu zanieczyszczonej próbki przez redukcję KThF 5 metalicznym potasem . Berzelius ponownie użył nazwy poprzedniego rzekomego odkrycia pierwiastka i nazwał minerał źródłowy torytem.

Jöns Jacob Berzelius
Jöns Jacob Berzelius , który jako pierwszy zidentyfikował tor jako nowy pierwiastek

Berzelius dokonał wstępnej charakterystyki nowego metalu i jego związków chemicznych: poprawnie ustalił, że stosunek masowy tor-tlen w tlenku toru wynosi 7,5 (jego rzeczywista wartość jest zbliżona do tego, ~7,3), ale przyjął, że nowy pierwiastek jest dwuwartościowy zamiast czterowartościowego, iw ten sposób obliczono, że masa atomowa była 7,5 razy większa od masy tlenu (120 amu ); w rzeczywistości jest 15 razy większy. Ustalił, że tor jest metalem bardzo elektrododatnim , wyprzedzającym cer i cyrkon pod względem elektropozytywności. Po raz pierwszy metaliczny tor wyizolowali w 1914 roku holenderscy przedsiębiorcy Dirk Lely Jr. i Lodewijk Hamburger.

Wstępna klasyfikacja chemiczna

W układzie okresowym pierwiastków opublikowanym przez Dymitra Mendelejewa w 1869 roku tor i pierwiastki ziem rzadkich zostały umieszczone poza głównym korpusem tablicy, na końcu każdego pionowego okresu po metalach ziem alkalicznych . Odzwierciedlało to ówczesne przekonanie, że tor i metale ziem rzadkich są dwuwartościowe. Wraz z późniejszym uznaniem, że pierwiastki ziem rzadkich są w większości trójwartościowe, a tor czterowartościowy, Mendelejew w 1871 roku przeniósł cer i tor do grupy IV, która zawierała również współczesną grupę węglową (grupa 14) i grupę tytanową (grupa 4), ponieważ ich maksymalne utlenienie stan był +4. Cer został wkrótce usunięty z głównego korpusu stołu i umieszczony w oddzielnej serii lantanowców; tor pozostał w grupie 4, ponieważ miał podobne właściwości do jego rzekomych lżejszych kongenerów w tej grupie, takich jak tytan i cyrkon.

Pierwsze zastosowania

płaszcz gazowy
II wojna światowa płaszcz gazowy z dwutlenkiem toru

Chociaż tor odkryto w 1828 r., jego pierwsze zastosowanie datuje się dopiero w 1885 r., kiedy austriacki chemik Carl Auer von Welsbach wynalazł płaszcz gazowy , przenośne źródło światła, które wytwarza światło z rozżarzonego tlenku toru po podgrzaniu przez spalanie paliw gazowych. Później znaleziono wiele zastosowań toru i jego związków, w tym ceramiki, lamp łukowych, tygli żaroodpornych oraz katalizatorów przemysłowych reakcji chemicznych, takich jak utlenianie amoniaku do kwasu azotowego.

Radioaktywność

Radioaktywność toru po raz pierwszy zaobserwował w 1898 r. niemiecki chemik Gerhard Carl Schmidt , a później, niezależnie, polsko-francuska fizyk Marie Curie . Był to drugi pierwiastek, który okazał się radioaktywny, po odkryciu radioaktywności w uranie w 1896 r. przez francuskiego fizyka Henri Becquerela . Począwszy od 1899 roku nowozelandzki fizyk Ernest Rutherford i amerykański inżynier elektryk Robert Bowie Owens badali promieniowanie toru; wstępne obserwacje wykazały, że jest ona bardzo zróżnicowana. Ustalono, że te zmiany pochodzą od krótko żyjącej gazowej córki toru, którą uznali za nowy pierwiastek. Ten pierwiastek nazywa się teraz radonem i jest jedynym z rzadkich pierwiastków promieniotwórczych odkrytych w przyrodzie jako córka toru, a nie uranu.

Po uwzględnieniu wkładu radonu Rutherford, współpracujący obecnie z brytyjskim fizykiem Frederickiem Soddy , wykazał, w jaki sposób tor rozkłada się w ustalonym tempie w czasie na szereg innych pierwiastków w pracach datowanych na lata 1900-1903. Ta obserwacja doprowadziła do zidentyfikowania okres półtrwania jako jeden z wyników eksperymentów z cząstkami alfa, które doprowadziły do ​​powstania teorii rozpadu radioaktywności . Biologiczny efekt promieniowania odkryto w 1903 roku. Nowo odkryte zjawisko promieniotwórczości wzbudziło zainteresowanie zarówno naukowców, jak i ogółu społeczeństwa. W latach dwudziestych radioaktywność toru była promowana jako lek na reumatyzm , cukrzycę i impotencję seksualną . W 1932 r. większość z tych zastosowań została zakazana w Stanach Zjednoczonych po federalnym dochodzeniu w sprawie zdrowotnych skutków radioaktywności. 10 000 osób w Stanach Zjednoczonych otrzymało wstrzyknięcie toru podczas diagnozy rentgenowskiej; później okazało się, że cierpią na problemy zdrowotne, takie jak białaczka i nieprawidłowe chromosomy. Zainteresowanie publiczne radioaktywnością spadło pod koniec lat 30. XX wieku.

Glenn T. Seaborg
Glenn T. Seaborg , który ustalił lokalizację toru w bloku f

Dalsza klasyfikacja

Aż do końca XIX wieku chemicy jednogłośnie zgadzali się, że tor i uran były najcięższymi członkami odpowiednio grupy 4 i grupy 6 ; istnienie lantanowców w szóstym rzędzie uznano za jednorazowy przypadek. W 1892 r. brytyjski chemik Henry Bassett postulował utworzenie drugiego, wyjątkowo długiego rzędu układu okresowego pierwiastków, aby pomieścić znane i nieodkryte pierwiastki, uznając tor i uran za analogiczne do lantanowców. W 1913 duński fizyk Niels Bohr opublikował teoretyczny model atomu i jego orbitali elektronowych, który wkrótce zyskał szeroką akceptację. Model wskazywał, że siódmy rząd układu okresowego powinien mieć również wypełnienie f-powłokami przed powłokami d, które zostały wypełnione w pierwiastkach przejściowych, tak jak szósty rząd z lantanowcami poprzedzającymi metale przejściowe 5d. Istnienie drugiego wewnętrznego szeregu przejściowego, w postaci aktynowców, nie zostało zaakceptowane, dopóki nie ustalono podobieństwa ze strukturami elektronowymi lantanowców; Bohr zasugerował, że wypełnienie orbitali 5f może zostać opóźnione po uranie.

Dopiero wraz z odkryciem pierwszych pierwiastków transuranowych , które od plutonu mają dominujące stopnie utlenienia +3 i +4, jak lantanowce, zdano sobie sprawę, że aktynowce rzeczywiście wypełniają orbitale f, a nie orbitale d, z chemia podobna do metali przejściowych wczesnych aktynowców jest wyjątkiem, a nie regułą. W 1945 roku, kiedy amerykański fizyk Glenn T. Seaborg i jego zespół odkryli pierwiastki transuranowe americium i curium, zaproponował koncepcję aktynowców , zdając sobie sprawę, że tor był drugim członkiem serii aktynowców bloku f analogicznej do lantanowców, zamiast być cięższy kongener hafnu w czwartym rzędzie bloku d.

Wycofywania

W latach 90. większość zastosowań, które nie zależą od radioaktywności toru, szybko spadła ze względu na kwestie bezpieczeństwa i ochrony środowiska, ponieważ znaleziono odpowiednie, bezpieczniejsze zamienniki. Pomimo swojej radioaktywności pierwiastek był nadal używany do zastosowań, w których nie można było znaleźć odpowiednich alternatyw. W badaniu przeprowadzonym w 1981 r. przez Oak Ridge National Laboratory w Stanach Zjednoczonych oszacowano, że używanie płaszcza gazowego toru w każdy weekend byłoby bezpieczne dla człowieka, ale nie dotyczyło to dawki otrzymywanej przez ludzi produkujących płaszcze lub gleb wokół niektórych zakłady produkcyjne. Niektórzy producenci przeszli na inne materiały, takie jak itr. Jeszcze w 2007 r. niektóre firmy nadal produkowały i sprzedawały płaszcze z toru bez podawania odpowiednich informacji o swojej radioaktywności, a niektóre nawet fałszywie twierdziły, że są nieradioaktywne.

Energia atomowa

Indian Point Energy Center
Indian Point Energy Center ( Buchanan, Nowy Jork , Stany Zjednoczone), siedziba pierwszego na świecie reaktora toru

Tor był używany jako źródło zasilania w skali prototypowej. Najwcześniejszy reaktor na torze został zbudowany w Indian Point Energy Center w Buchanan w stanie Nowy Jork w 1962 roku. Chiny mogą być pierwszymi, którzy mają szansę na komercjalizację tej technologii. Krajem o największych szacunkowych rezerwach toru na świecie są Indie , które mają nieliczne zasoby uranu. W latach pięćdziesiątych Indie dążyły do ​​osiągnięcia niezależności energetycznej dzięki swojemu trzyetapowemu programowi energetyki jądrowej . W większości krajów uranu było stosunkowo dużo, a rozwój reaktorów na torze był powolny; w XX wieku zbudowano trzy reaktory w Indiach i dwanaście w innych miejscach. Badania na dużą skalę rozpoczęły się w 1996 roku przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej w celu zbadania wykorzystania reaktorów toru; rok później Departament Energii Stanów Zjednoczonych rozpoczął badania. Alvin Radkowsky z Uniwersytetu w Tel Awiwie w Izraelu był głównym projektantem Shippingport Atomic Power Station w Pensylwanii, pierwszego amerykańskiego reaktora cywilnego do hodowli toru. Założył konsorcjum do rozwoju reaktorów toru, w skład którego weszły inne laboratoria: Raytheon Nuclear Inc. i Brookhaven National Laboratory w Stanach Zjednoczonych oraz Instytut Kurczatowa w Rosji.

W XXI wieku potencjał toru do ograniczania proliferacji jądrowej i jego charakterystyka odpadów doprowadziły do ​​ponownego zainteresowania cyklem paliwowym toru. Indie prognozują, że do 2050 r. zaspokoją nawet 30% swojego zapotrzebowania na energię elektryczną dzięki energii jądrowej opartej na torze . W lutym 2014 r. Bhabha Atomic Research Center (BARC) w Bombaju w Indiach zaprezentował swój najnowszy projekt „nuklearnej nowej generacji”. reaktora”, który spala tor jako rudę paliwa, nazywając go zaawansowanym reaktorem na ciężką wodę (AHWR). W 2009 roku przewodniczący indyjskiej Komisji Energii Atomowej powiedział, że Indie mają „długoterminowy cel, jakim jest uniezależnienie się od energii w oparciu o ogromne zasoby toru”.

Bronie nuklearne

Kiedy po raz pierwszy wyprodukowano gramowe ilości plutonu w Projekcie Manhattan , odkryto , że niewielki izotop ( 240 Pu ) uległ znacznemu spontanicznemu rozszczepieniu , co postawiło pod znakiem zapytania wykonalność broni jądrowej zasilanej plutonem . Podczas gdy zespół z Los Alamos rozpoczął prace nad bronią typu implozyjnego w celu obejścia tego problemu, zespół z Chicago omawiał rozwiązania konstrukcyjne reaktora. Eugene Wigner zaproponował wykorzystanie plutonu zanieczyszczonego 240 Pu do napędzania konwersji toru do 233 U w specjalnym reaktorze konwertorowym. Postawiono hipotezę, że 233 U będzie wtedy nadawał się do użycia w broni typu pistoletowego, chociaż wyrażono obawy dotyczące skażenia z 232 U. Postęp w broni implozyjnej był wystarczający, a konwerter ten nie był dalej rozwijany, ale konstrukcja miała ogromny wpływ na rozwój energetyki jądrowej. Był to pierwszy szczegółowy opis wysoce wzbogaconego reaktora chłodzonego wodą i moderowanego wodą, podobnego do przyszłych morskich i komercyjnych reaktorów energetycznych.

Podczas zimnej wojny Stany Zjednoczone badały możliwość wykorzystania 232 Th jako źródła 233 U do użycia w bombie atomowej ; wystrzelili bombę testową w 1955 roku. Doszli do wniosku, że bomba 233 U byłaby bardzo potężną bronią, ale miała niewiele trwałych „przewag technicznych” nad współczesnymi bombami uranowo-plutonowymi, zwłaszcza że 233 U jest trudny do wyprodukowania w izotopowo czysta forma.

Metaliczny tor został użyty w przypadku promieniowania co najmniej jednego projektu broni jądrowej wdrożonej przez Stany Zjednoczone ( W71 ).

Produkcja

Dolna granica szacunkowa rezerw toru w tysiącach ton , 2014
Kraj Rezerwy
Indie 1070
Brazylia 632
Australia 595
Stany Zjednoczone 595
Egipt 380
indyk 374
Wenezuela 300
Kanada 172
Rosja 155
Afryka Południowa 148
Chiny 100
Norwegia 87
Grenlandia 86
Finlandia 60,5
Szwecja 50
Kazachstan 50
Inne kraje 1,725
Razem na świecie 6579,5

Niski popyt sprawia, że ​​kopalnie wydobywające sam tor nie są opłacalne i prawie zawsze wydobywa się go z pierwiastków ziem rzadkich, które same mogą być produktami ubocznymi produkcji innych minerałów. Obecna zależność produkcji od monazytu wynika z tego, że tor jest w dużej mierze wytwarzany jako produkt uboczny; inne źródła, takie jak toryt, zawierają więcej toru i mogą być z łatwością wykorzystane do produkcji, jeśli popyt wzrośnie. Obecna wiedza na temat rozmieszczenia zasobów toru jest słaba, ponieważ niski popyt doprowadził do stosunkowo niewielkich wysiłków poszukiwawczych. W 2014 roku światowa produkcja koncentratu monazytu, z którego pozyskiwany miał być tor, wyniosła 2700 ton.

Wspólną drogą produkcji toru jest koncentracja minerałów toru; ekstrakcja toru z koncentratu; oczyszczanie toru; i (opcjonalnie) konwersję do związków, takich jak dwutlenek toru.

Stężenie

Istnieją dwie kategorie minerałów toru do wydobycia toru: pierwotne i wtórne. Pierwotne osady występują w kwaśnych magmach granitowych i pegmatytach. Są skoncentrowane, ale niewielkich rozmiarów. Osady wtórne występują w ujściach rzek w granitowych rejonach górskich. W tych złożach tor jest wzbogacany wraz z innymi minerałami ciężkimi. Stężenie początkowe zmienia się w zależności od rodzaju depozytu.

W przypadku złóż pierwotnych pegmatyty źródłowe, które zwykle pozyskuje się w wyniku eksploatacji górniczej, dzielone są na drobne części, a następnie poddawane flotacji . Węglany metali ziem alkalicznych można usunąć po reakcji z chlorowodorem ; następnie następuje zagęszczanie , filtracja i kalcynacja. Rezultatem jest koncentrat o zawartości pierwiastków ziem rzadkich do 90%. Materiały wtórne (takie jak piaski przybrzeżne) podlegają separacji grawitacyjnej. Następuje separacja magnetyczna z serią magnesów o rosnącej sile. Monazyt otrzymany tą metodą może mieć nawet 98% czystości.

Produkcja przemysłowa w XX wieku polegała na obróbce gorącym, stężonym kwasem siarkowym w naczyniach żeliwnych, a następnie selektywnym strącaniu przez rozcieńczanie wodą, jak w kolejnych etapach. Metoda ta opierała się na specyfice techniki i wielkości ziarna koncentratu; Zaproponowano wiele alternatyw, ale tylko jedna okazała się skuteczna ekonomicznie: mineralizacja alkaliczna gorącym roztworem wodorotlenku sodu. Jest to droższe niż oryginalna metoda, ale zapewnia wyższą czystość toru; w szczególności usuwa fosforany z koncentratu.

Trawienie kwasem

Fermentacja kwasem jest procesem dwuetapowym, w którym stosuje się do 93% kwasu siarkowego w temperaturze 210–230 °C. Najpierw dodaje się kwas siarkowy w ilości przekraczającej 60% masy piasku, zagęszczając mieszaninę reakcyjną w miarę powstawania produktów. Następnie dodaje się dymiący kwas siarkowy i mieszaninę utrzymuje się w tej samej temperaturze przez kolejne pięć godzin w celu zmniejszenia objętości roztworu pozostałego po rozcieńczeniu. Stężenie kwasu siarkowego dobiera się na podstawie szybkości reakcji i lepkości, które zwiększają się wraz ze stężeniem, chociaż lepkość opóźnia reakcję. Podwyższenie temperatury również przyspiesza reakcję, ale należy unikać temperatur 300 °C i wyższych, ponieważ powodują one tworzenie się nierozpuszczalnego pirofosforanu toru. Ponieważ rozpuszczanie jest bardzo egzotermiczne, piasek monazytowy nie może być zbyt szybko dodany do kwasu. Odwrotnie, w temperaturach poniżej 200 °C reakcja nie przebiega wystarczająco szybko, aby proces był praktyczny. Aby zapewnić, że nie tworzą się osady blokujące reaktywną powierzchnię monazytu, masa użytego kwasu musi być dwukrotnie większa niż masa piasku, zamiast 60%, których można by oczekiwać po stechiometrii. Mieszanina jest następnie schładzana do 70 °C i rozcieńczana dziesięciokrotnie większą objętością zimnej wody, tak że wszelkie pozostałości monacytu opadają na dno, podczas gdy pierwiastki ziem rzadkich i tor pozostają w roztworze. Tor można następnie oddzielić przez wytrącenie go jako fosforan przy pH 1,3, ponieważ pierwiastki ziem rzadkich nie wytrącają się do pH 2.

Trawienie alkaliczne

Fermentację alkaliczną przeprowadza się w 30–45% roztworze wodorotlenku sodu w temperaturze około 140 °C przez około trzy godziny. Zbyt wysoka temperatura prowadzi do powstania słabo rozpuszczalnego tlenku toru i nadmiaru uranu w filtracie, a zbyt niskie stężenie alkaliów prowadzi do bardzo powolnej reakcji. Te warunki reakcji są raczej łagodne i wymagają piasku monazytowego o wielkości cząstek poniżej 45 μm. Po filtracji placek filtracyjny zawiera tor i pierwiastki ziem rzadkich jako ich wodorotlenki, uran jako diuranian sodu oraz fosforan jako fosforan trisodowy . Po schłodzeniu poniżej 60 °C krystalizuje on dekahydrat fosforanu trisodowego; Zanieczyszczenia uranowe w tym produkcie zwiększają się wraz z ilością dwutlenku krzemu w mieszaninie reakcyjnej, co powoduje konieczność rekrystalizacji przed zastosowaniem komercyjnym. Wodorotlenki rozpuszcza się w temperaturze 80 °C w 37% kwasie solnym. Odsączenie pozostałych osadów, a następnie dodanie 47% wodorotlenku sodu powoduje wytrącenie toru i uranu przy pH około 5,8. Należy unikać całkowitego wysuszenia osadu, ponieważ powietrze może utleniać cer od +3 do +4 stopnia utlenienia, a powstały cer(IV) może uwalniać wolny chlor z kwasu solnego. Przy wyższym pH ponownie wytrącają się pierwiastki ziem rzadkich. Osady są neutralizowane przez pierwotny roztwór wodorotlenku sodu, chociaż większość fosforanów musi najpierw zostać usunięta, aby uniknąć wytrącania fosforanów metali ziem rzadkich. Do oddzielenia toru i uranu można również zastosować ekstrakcję rozpuszczalnikową przez rozpuszczenie powstałego placka filtracyjnego w kwasie azotowym. Obecność wodorotlenku tytanu jest szkodliwa, ponieważ wiąże tor i zapobiega jego całkowitemu rozpuszczeniu.

Oczyszczenie

W zastosowaniach jądrowych potrzebne są wysokie stężenia toru. W szczególności, stężenia atomów o wysokim przekroju wychwytywania neutronów muszą być bardzo niskie (na przykład stężenia gadolinu muszą być niższe niż jedna część wagowa na milion). Wcześniej w celu uzyskania wysokiej czystości stosowano wielokrotne rozpuszczanie i rekrystalizację. Obecnie stosuje się procedury ekstrakcji ciekłym rozpuszczalnikiem obejmujące selektywne kompleksowanie Th4 + . Na przykład, po trawieniu alkalicznym i usunięciu fosforanu, powstałe kompleksy nitratowe toru, uranu i metali ziem rzadkich można rozdzielić przez ekstrakcję fosforanem tributylu w nafcie .

Nowoczesne aplikacje

Zastosowania toru niezwiązane z radioaktywnością spadają od lat 50. XX wieku z powodu obaw środowiskowych, w dużej mierze wynikających z radioaktywności toru i produktów jego rozpadu.

Większość zastosowań toru wykorzystuje jego dwutlenek (czasami nazywany w przemyśle „torią”), a nie metal. Ten związek ma temperaturę topnienia 3300 ° C (6000 ° F), najwyższą ze wszystkich znanych tlenków; tylko kilka substancji ma wyższe temperatury topnienia. Pomaga to związkowi pozostać w stanie stałym w płomieniu i znacznie zwiększa jasność płomienia; jest to główny powód stosowania toru w osłonach lamp gazowych . Wszystkie substancje emitują energię (świecenie) w wysokich temperaturach, ale światło emitowane przez tor jest prawie w całości w zakresie widzialnym , stąd jasność płaszczy toru.

Energia, częściowo w postaci światła widzialnego, jest emitowana, gdy tor jest wystawiony na działanie samego źródła energii, takiego jak promień katodowy, ciepło lub światło ultrafioletowe . Ten efekt ma dwutlenek ceru, który efektywniej przekształca światło ultrafioletowe w światło widzialne, ale dwutlenek toru daje wyższą temperaturę płomienia, emitując mniej światła podczerwonego . Tor w płaszczach, choć nadal powszechny, od końca lat 90. jest stopniowo zastępowany itrem. Zgodnie z przeglądem z 2005 r. przeprowadzonym przez Narodową Radę Ochrony Radiologicznej w Wielkiej Brytanii „chociaż [torowane płaszcze gazowe] były powszechnie dostępne kilka lat temu, już ich nie ma”. Tor jest również używany do wytwarzania tanich trwałych generatorów jonów ujemnych , takich jak w pseudonaukowych bransoletkach zdrowotnych.

Podczas wytwarzania żarzących się włókien, rekrystalizacja wolframu jest znacznie obniżona przez dodanie niewielkich ilości dwutlenku toru do proszku spiekania wolframu przed rozciąganiem włókien. Niewielki dodatek toru do termokatod wolframowych znacznie zmniejsza pracę elektronów; w rezultacie elektrony są emitowane w znacznie niższych temperaturach. Tor tworzy na powierzchni wolframu warstwę o grubości jednego atomu. Funkcja pracy z powierzchni toru jest obniżona prawdopodobnie z powodu pola elektrycznego na granicy toru i wolframu utworzonego z powodu większej elektropozytywności toru. Od lat dwudziestych torowane druty wolframowe są używane w lampach elektronicznych oraz w katodach i antykatodach lamp rentgenowskich i prostowników. Dzięki reaktywności toru z tlenem atmosferycznym i azotem, tor działa również jako pochłaniacz zanieczyszczeń w rurkach próżniowych. Wprowadzenie tranzystorów w latach 50. znacznie zmniejszyło to zastosowanie, ale nie całkowicie. Dwutlenek toru jest stosowany w spawaniu łukowym wolframowym (GTAW) w celu zwiększenia wytrzymałości elektrod wolframowych w wysokich temperaturach i poprawy stabilności łuku. W tym przypadku tlenek toru jest zastępowany innymi tlenkami, takimi jak cyrkon, cer i lantan .

Dwutlenek toru znajduje się w ceramice żaroodpornej , takiej jak wysokotemperaturowe tygle laboratoryjne , jako składnik podstawowy lub jako dodatek do dwutlenku cyrkonu . Stop 90% platyny i 10% toru jest skutecznym katalizatorem utleniania amoniaku do tlenków azotu, ale został zastąpiony stopem 95% platyny i 5% rodu ze względu na lepsze właściwości mechaniczne i większą trwałość.

Trzy soczewki od pożółkłych do przezroczystych od lewej do prawej
Pożółkła soczewka z dwutlenku toru (po lewej), podobna soczewka częściowo odżółknięta przez promieniowanie ultrafioletowe (w środku) i soczewka bez żółknięcia (po prawej)

Dodany do szkła dwutlenek toru pomaga zwiększyć jego współczynnik załamania światła i zmniejszyć dyspersję . Szkło takie znajduje zastosowanie w wysokiej jakości obiektywach do aparatów i instrumentów naukowych. Promieniowanie z tych soczewek może je przyciemniać i żółknąć z upływem lat, co prowadzi do degradacji filmu, ale zagrożenie dla zdrowia jest minimalne. Pożółkłe soczewki można przywrócić do ich pierwotnego bezbarwnego stanu przez długą ekspozycję na intensywne promieniowanie ultrafioletowe. Dwutlenek toru został od tego czasu zastąpiony w tym zastosowaniu tlenkami metali ziem rzadkich, takimi jak lantan , ponieważ zapewniają one podobne efekty i nie są radioaktywne.

Tetrafluorek toru jest stosowany jako materiał przeciwodblaskowy w wielowarstwowych powłokach optycznych. Jest przezroczysty dla fal elektromagnetycznych o długości fali w zakresie 0,350–12 µm, który obejmuje światło bliskie ultrafioletowi, widzialne i średnie podczerwone . Jego promieniowanie jest spowodowane przede wszystkim cząsteczkami alfa, które można łatwo zatrzymać cienką warstwą wierzchnią z innego materiału. Zamienniki dla tetrafluorku toru są opracowywane od 2010 roku, w tym trifluorek lantanu .

Stopy Mag-Thor (zwane także torowanym magnezem) znalazły zastosowanie w niektórych zastosowaniach lotniczych, chociaż takie zastosowania zostały wycofane z powodu obaw o radioaktywność.

Potencjalne wykorzystanie energii jądrowej

Głównym źródłem energii jądrowej w reaktorze jest rozszczepienie nuklidu indukowane neutronami; syntetyczne jądra rozszczepialne 233 U i 239 Pu mogą być hodowane z wychwytywania neutronów przez naturalnie występujące nuklidy 232 Th i 238 U. 235 U występuje naturalnie i jest również rozszczepialny. W cyklu paliwowym toru, płodny izotop 232 Th jest bombardowany przez powolne neutrony , ulegając wychwytywaniu neutronów do postaci 233 Th, która przechodzi dwa kolejne rozpady beta, aż do uzyskania najpierw 233 Pa , a następnie rozszczepialnego 233 U:

232
90
Cz
+ 3n →233
90
Cz
+ γ + 2nβ 21,8 min 233
91
Rocznie
+ nβ 27,0 dni 233
92
U
α1,60 × 105
tak
237 Np
↑.
231 U 232 U ↔. 233 U ↔. 234 U ↔. 235 jednostek ↔. 236 U 237 jedn
↑. ↑. ↑.
231 Pa 232 Pa 233 pa 234 pa
↑. ↑.
230 tys 231 _ 232 _ 233 _
  • Nuklidy oznaczone kursywą na żółtym tle mają okres półtrwania poniżej 30 dni
  • Nuklidy zaznaczone pogrubioną czcionką mają okres półtrwania ponad 1 000 000 lat
  • Nuklidy w czerwonych ramkachrozszczepialne

233 U jest materiałem rozszczepialnym i może być używany jako paliwo jądrowe w taki sam sposób jak 235 U lub 239 Pu . Kiedy 233 U ulega rozszczepieniu jądrowemu, emitowane neutrony mogą uderzać w dalsze jądra 232 Th, kontynuując cykl. Jest to zgodne z cyklem paliwowym uranu w reaktorach prędkich powielających, w których 238 U ulega wychwytywaniu neutronów, aby stać się 239 U, rozpadając się beta do najpierw 239 Np, a następnie rozszczepialnego 239 Pu.

Zalety

Tor jest bardziej obfity niż uran i może dłużej zaspokajać światowe zapotrzebowanie na energię. Nadaje się szczególnie do wykorzystania jako materiał płodny w reaktorach na sól stopioną .

232 Th absorbuje neutrony łatwiej niż 238 U, a 233 U ma większe prawdopodobieństwo rozszczepienia po wychwytywaniu neutronów (92,0%) niż 235 U (85,5%) lub 239 Pu (73,5%). Uwalnia również średnio więcej neutronów po rozszczepieniu. Pojedyncze wychwytywanie neutronów przez 238 U wytwarza odpady transuranowe wraz z rozszczepialnym 239 Pu, ale 232 Th wytwarza te odpady dopiero po pięciu wychwytach, tworząc 237 Np. Taka liczba wychwytów nie występuje w przypadku 98-99% jąder 232 Th, ponieważ produkty pośrednie 233 U lub 235 U ulegają rozszczepieniu i wytwarza się mniej długożyciowych transuranów. Z tego powodu tor jest potencjalnie atrakcyjną alternatywą dla uranu w paliwach mieszanych tlenków , aby zminimalizować wytwarzanie transuranów i zmaksymalizować niszczenie plutonu .

Paliwa z toru zapewniają bezpieczniejszy i lepiej działający rdzeń reaktora, ponieważ dwutlenek toru ma wyższą temperaturę topnienia, wyższą przewodność cieplną i niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej . Jest bardziej stabilny chemicznie niż dwutlenek uranu powszechnie stosowany obecnie jako paliwo, ponieważ utlenia się do okttlenku triuranu ( U 3 O 8 ), stając się znacznie mniej gęsty.

Niedogodności

Zużyte paliwo jest trudne i niebezpieczne w obróbce, ponieważ wiele potomków 232 Th i 233 U jest silnymi emiterami gamma. Wszystkie metody produkcji 233 U skutkują zanieczyszczeniami 232 U , albo z reakcji pasożytniczych knock-out (n,2n) na 232 Th, 233 Pa lub 233 U, które powodują utratę neutronu, albo z podwójnego wychwytywania 230 neutronów Th, zanieczyszczenie naturalne 232 Th:

230
90
Cz
+ n →231
90
Cz
+ γ β 25,5 godz 231
91
Rocznie
α3,28 × 104
tak
­231
91
Rocznie
+ n →232
91
Rocznie
+ γ β 1,3 dnia 232
92
U
α69 lat

232 U sam w sobie nie jest szczególnie szkodliwy, ale szybko rozpada się, wytwarzając silny emiter gamma 208 Tl . ( 232 Th ma ten sam łańcuch rozpadu, ale jego znacznie dłuższy okres półtrwania oznacza, że ​​produkowane ilości 208 Tl są znikome). Te zanieczyszczenia 232 U sprawiają, że 233 U jest łatwy do wykrycia i niebezpieczny w pracy, a ich niepraktyczność separacja ogranicza możliwości proliferacji jądrowej z wykorzystaniem 233 U jako materiału rozszczepialnego. 233 Pa ma stosunkowo długi okres półtrwania 27 dni i duży przekrój do wychwytywania neutronów. Jest to więc trucizna neutronowa : zamiast gwałtownie rozpadać się do użytecznego 233 U, znaczna ilość 233 Pa przekształca się w 234 U i zużywa neutrony, obniżając wydajność reaktora . Aby tego uniknąć, 233 Pa jest ekstrahowane ze strefy aktywnej reaktorów ze stopionymi solami toru podczas ich pracy, tak że nie ma szans na wychwycenie neutronu i rozpada się tylko do 233 U.

Napromieniowanie 232 Th neutronami, a następnie jego przetwarzanie, musi zostać opanowane, zanim te zalety zostaną zrealizowane, a to wymaga bardziej zaawansowanej technologii niż cykl paliwowy uranu i plutonu; badania w tej dziedzinie są kontynuowane. Inni powołują się na niską opłacalność cyklu paliwowego toru: Międzynarodowa Agencja Energii Jądrowej przewiduje, że cykl toru nigdy nie będzie opłacalny, podczas gdy uran jest dostępny w obfitości – sytuacja, która może się utrzymywać „w nadchodzących dziesięcioleciach”. Izotopy wytwarzane w cyklu paliwowym toru w większości nie są transuranowe, ale niektóre z nich są nadal bardzo niebezpieczne, takie jak 231 Pa, który ma okres półtrwania 32 760 lat i jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do długoterminowej radiotoksyczności zużytego materiału jądrowego paliwo.

Zagrożenia

Płaszcz toru zainstalowany nad małym pędem trawy
Eksperyment nad wpływem promieniowania (z niespalonego płaszcza gazowego toru) na kiełkowanie i wzrost nasion tymotki łąkowej

Radiologiczny

Naturalny tor rozpada się bardzo powoli w porównaniu z wieloma innymi materiałami radioaktywnymi, a emitowane promieniowanie alfa nie może przeniknąć przez ludzką skórę. W rezultacie przenoszenie niewielkich ilości toru, takich jak te w płaszczach gazowych, jest uważane za bezpieczne, chociaż używanie takich przedmiotów może stwarzać pewne ryzyko. Narażenie na aerozol toru, taki jak zanieczyszczony kurz, może prowadzić do zwiększonego ryzyka raka płuc , trzustki i krwi , ponieważ promieniowanie alfa może przeniknąć do płuc i innych narządów wewnętrznych. Wewnętrzne narażenie na tor prowadzi do zwiększonego ryzyka chorób wątroby .

Produkty rozpadu 232 Th obejmują bardziej niebezpieczne radionuklidy, takie jak rad i radon. Chociaż stosunkowo niewiele z tych produktów powstaje w wyniku powolnego rozpadu toru, właściwa ocena radiologicznej toksyczności 232 Th musi uwzględniać udział jego potomków, z których niektóre są niebezpiecznymi emiterami promieniowania gamma i które szybko się gromadzą. po początkowym rozpadzie 232 Th z powodu braku długożyciowych nuklidów wzdłuż łańcucha rozpadu. Ponieważ niebezpieczne pochodne toru mają znacznie niższe temperatury topnienia niż dwutlenek toru, ulatniają się za każdym razem, gdy płaszcz jest podgrzewany do użytku. W pierwszej godzinie użytkowania uwalniane są duże frakcje potomnych toru 224 Ra, 228 Ra, 212 Pb i 212 Bi. Większość dawki promieniowania przez zwykłego użytkownika pochodzi z wdychania radu, co skutkuje dawką promieniowania do 0,2  milisiwertów na użycie, około jednej trzeciej dawki podtrzymywanej podczas mammografii .

Niektóre agencje ds. bezpieczeństwa jądrowego wydają zalecenia dotyczące stosowania płaszczy z toru i zgłaszają obawy dotyczące bezpieczeństwa ich produkcji i utylizacji; dawka promieniowania z jednego płaszcza nie jest poważnym problemem, ale z wielu płaszczy zgromadzonych w fabrykach czy na składowiskach tak.

Biologiczny

Tor jest bezwonny i bez smaku. Toksyczność chemiczna toru jest niska, ponieważ tor i jego najpowszechniejsze związki (głównie dwutlenek) są słabo rozpuszczalne w wodzie, wytrącając się przed dostaniem się do organizmu w postaci wodorotlenku. Niektóre związki toru są chemicznie umiarkowanie toksyczne , zwłaszcza w obecności silnych jonów kompleksotwórczych, takich jak cytrynian, które przenoszą tor do organizmu w postaci rozpuszczalnej. Jeśli przedmiot zawierający tor został przeżuty lub zassany, traci on do organizmu 0,4% toru i 90% swoich niebezpiecznych córek. Trzy czwarte toru, który przeniknął do organizmu, gromadzi się w szkielecie . Wchłanianie przez skórę jest możliwe, ale nie jest prawdopodobnym sposobem narażenia. Niska rozpuszczalność toru w wodzie oznacza również, że wydalanie toru przez nerki i kał jest raczej powolne.

Testy wchłaniania toru przez pracowników zajmujących się przetwarzaniem monazytu wykazały poziomy toru przekraczające zalecane limity w ich ciałach, ale nie stwierdzono niekorzystnego wpływu na zdrowie przy tych umiarkowanie niskich stężeniach. Nie zaobserwowano jeszcze żadnej toksyczności chemicznej w przewodzie tchawiczo-oskrzelowym i płucach w wyniku narażenia na tor. Osoby pracujące ze związkami toru są narażone na zapalenie skóry . Objawy mogą pojawić się nawet po trzydziestu latach od spożycia toru. Tor nie ma znanej roli biologicznej.

Chemiczny

Sproszkowany tor jest piroforyczny: zapala się samoistnie w powietrzu. W 1964 r. Departament Spraw Wewnętrznych Stanów Zjednoczonych wymienił tor jako „surowy” w tabeli zatytułowanej „Zapalanie i wybuchowość proszków metali”. Jego temperaturę zapłonu podano jako 270 °C (520 °F) dla chmur pyłu i 280 °C (535°F) dla warstw. Jego minimalne stężenie wybuchowe podano jako 0,075 uncji/stopę sześcienną (0,075 kg/m 3 ); minimalna energia zapłonu dla pyłu (nie submikronowego) została wymieniona jako 5  mJ .

W 1956 roku wybuch Sylvania Electric Products miał miejsce podczas ponownego przetwarzania i spalania szlamu toru w Nowym Jorku w Stanach Zjednoczonych. Dziewięć osób zostało rannych; jeden zmarł z powodu powikłań spowodowanych oparzeniami trzeciego stopnia .

Drogi ekspozycji

Tor występuje w bardzo małych ilościach na całym świecie, chociaż większe ilości występują w niektórych częściach: przeciętny człowiek zawiera około 40  mikrogramów toru i zazwyczaj spożywa trzy mikrogramy dziennie. Większość narażenia na tor następuje poprzez wdychanie pyłu; część toru jest dostarczana z pożywieniem i wodą, ale ze względu na jego niską rozpuszczalność ekspozycja ta jest znikoma.

Narażenie jest zwiększone w przypadku osób mieszkających w pobliżu złóż toru lub składowisk odpadów radioaktywnych, osób mieszkających w pobliżu lub pracujących w zakładach przetwarzania uranu, fosforanu lub cyny oraz osób pracujących przy produkcji płaszcza gazowego. Tor jest szczególnie powszechny na obszarach przybrzeżnych Indii Tamil Nadu , gdzie mieszkańcy mogą być narażeni na naturalnie występującą dawkę promieniowania dziesięciokrotnie wyższą niż średnia światowa. Jest również powszechny na obszarach przybrzeżnych północnej Brazylii , od południowej Bahii do Guarapari , miasta z radioaktywnymi piaszczystymi plażami monazytu, z poziomami promieniowania do 50 razy wyższymi niż średnie promieniowanie tła na świecie.

Innym możliwym źródłem narażenia jest pył toru wytwarzany na poligonach do testowania broni, ponieważ tor jest używany w systemach naprowadzania niektórych pocisków. Zostało to obwiniane za wysoką częstość występowania wad wrodzonych i raka w Salto di Quirra na włoskiej wyspie Sardynia .

Zobacz też

Notatki wyjaśniające

Cytaty

Bibliografia ogólna

Dalsze czytanie

Linki zewnętrzne

  • Słownikowa definicja toru w Wikisłowniku
  • Multimedia związane z Thorium w Wikimedia Commons