Глава 11. Химия радиоактивных элементов

 

Радиоактивными называются химические элементы, все изотопы которых радиоактивны, то есть совокупность радиоактивных атомов с одинаковым зарядом ядра. Известно, что в настоящее время можно получить радиоактивные изотопы практически всех элементов Периодической системы Д. И. Менделеева, но такие элементы не принято называть радиоактивными.

В основном радиоактивными являются тяжелые элементы, расположенные в конце периодической системы после висмута. Висмут является последним стабильным элементом в системе, поскольку у него достигается предельное соотношение числа нейтронов и протонов (N/Z=126/83=1,518 , еще обеспечивающее стабильность ядра. У элементов с Z> 83 число нейтронов слишком велико и начинает сказываться нестабильность самого нейтрона. Лишь два элемента- технеций ( №43) и прометий (№61)- не подчиняются этому правилу. И их нестабильность связана с другим обстоятельством. Отсутствие в природе технеция и прометия и всех элементов после урана связано с двумя причинами. Во - первых, их периоды полураспада меньше, чем возраст Земли. И, во - вторых эти элементы не являются членами естественных радиоактивных рядов, поэтому их запас не возобновляется за счет радиоактивного равновесия. Кроме того отсутствие стабильных изотопов - технеция ( №43) и прометия (№61) обусловлено квантово- механическими правилами отбора.

Химия радиоактивных элементов отличается от химии нерадиоактивных элементов теми особенностями, о которых упоминалось выше. В природных объектах и при искусственном получении радиоактивные элементы находятся в сверхнизких концентрациях, поэтому изучение их свойств проводится обычно с использованием специфических методов. Лишь уран и торий с первых лет их открытия изучались методами классической химии. В последние годы появилась возможность изучения таких радиоактивных элементов, как нептуний, плутоний, технеций, полоний и некоторых других в аналитических количествах.

Радиоактивные элементы делят на природные (естественные) и искусственные. К природным радиоактивным элементам относятся элементы с порядковыми номерами от 84 до 92: уран, торий и продукты их распада, полоний, астат, радон, франций, радий, актиний, и протактиний.

К искусственным элементам относят технеций, прометий, и так называемые трансурановые элементы с порядковыми номерами от 93 до 110: нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий, лоуренсий, резерфордий (№104), дубний(№ 105),сиборгий (№106), борий (№107), хассий(108), мейтнерий (№ 109), рентгений(№110).

Элементы от актиния (№ 89) до лоуренсия (№ 103) составляют группу, которую называют актиноидами.

Деление радиоактивных элементов на естественные и искусственные условно. Астат впервые был получен искусственно, а позже его короткоживущие изотопы были обнаружены в семействах урана- 238, урана-235 и тория-232, Искусственный элемент плутоний в концентрациях 10-14г на 1 г урана находится в рудах урана. Радиоактивные изотопы всех естественных элементов получены искусственно.

По своей химической природе радиоактивные элементы не относятся ни к определенному периоду, ни к определенной группе элементов периодической системы. Среди них имеются sp – элементы (франций, радий, полоний, радон, астат), d – элементы (технеций, элементы с Z ≥ 104), а также f – элементы (прометий и элементы с Z = 89 ÷ 103).

Для понимания и изучения химии радиоактивных элементов чрезвычайно важное значение имеет знание свойств и поведения соответствующих стабильных аналогов.

Описание радиоактивных элементов обычно проводится по следующей схеме:

положение в периодической системе;

история открытия;

физические свойства;

химические свойства;

методы выделения;

методы определения;

применение.

В основе предлагаемой последовательности изложения свойств радиоактивных элементов лежит увеличение их порядкового номера.

 

11.1 ТЕХНЕЦИЙ (ЭКАМАРГАНЕЦ) 43TC

 

Д.И. Менделеев предсказал существование технеция, оставив для него пустую клетку в таблице, и назвал его экамарганцем. Несколько раз объявлялось об открытии элемента под номером 43, однако каждый раз это сообщение было ошибочным. Многочисленные попытки обнаружить элемент под № 43 в природе оказались безуспешными. В 1934 году немецкий физик Маттаух сформулировал правило, согласно которому у стабильных изотопов с нечетными номерами не может быть стабильных изобаров. Так, если изотоп элемента №41 ниобий-93 стабилен, то изотопы соседних элементов - цирконий-93 и молибден-93 должны быть обязательно радиоактивными. Правило распространяется на все элементы, в том числе и на элемент № 43. Этот элемент расположен между молибденом (атомная масса 95, 92) и рутением (атомная масса 101,07). Следовательно, массовые числа стабильных изотопов этого элемента не должны выйти за пределы диапазона 96-102. Но все стабильные «вакансии» этого диапазона заняты. У молибдена стабильны изотопы с массовыми числами 96, 97, 98 и 100, у рутения- 99, 101, 102 и некоторые другие. Это значит, что у элемента № 43 не может быть ни одного нерадиоактивного изотопа. Несколько раз объявлялось об открытии элемента под номером 43, однако каждый раз это сообщение было ошибочным. В 1934 году немецкий физик Маттаух сформулировал правило, согласно которому можно установить наличие у элемента стабильных изотопов. Согласно этому правилу все изотопы элемента 43 должны быть радиоактивными. В 1937 году Э. Сегре и К. Перье в Палермо идентифицировали технеций в образце облученного в циклотроне молибдена дейтронами по реакции:

 

Элемент под №43 был назван технецием от греческого слова « технетос» (искусство), так это был первый искусственно полученный элемент. Поскольку молибден состоит из нескольких стабильных изотопов, то при его бомбардировке образуется несколько изотопов технеция:

 

; ; .

 

В дальнейшем технеций был получен с помощью других ядерных реакций, например

 

; ; .

 

В настоящее время технеций получают двумя путями. Один из них - облучение молибдена нейтронами в ядерном реакторе:

 

Период полураспада составляет 2,12·105 лет. При двухмесячном облучении 1 кг триоксида молибдена в реакторе с плотностью потока нейтронов 1014см-2∙с-1 образуется 10-15 мг технеция-99.

Второй путь- выделение технеция из продуктов деления урана, который и является теперь основным источником его получения. В реакторе мощностью порядка 1000 МВт в течение года накапливается около 9 кг Следовательно, он становится доступным материалом для технических целей.

В 1952- 53 г.г. спектральные линии технеция были обнаружены в спектрах Звезд. Судя по спектрам элемент № 43 распространен там не меньше, чем цирконий, ниобий, молибден, рутений, Это значит,что синтез элементов во Вселенной продолжается.

В земной коре образование технеция происходит в процессе спонтанного деления урана-235 и в результате ядерных реакций молибдена, ниобия и рутения, протекающих под влиянием космического излучения, нейтронов спонтанного деления урана и альфа-частиц, образующихся при распаде природных радиоактивных элементов. Содержание 99Tc оценивается в 5∙10-10 г на кг урана-235.

В настоящее время известно 20 изотопов и ядерных изомеров технеция с массовыми числами от 92 до 107 и с периодами полураспада от нескольких секунд до 2·106 лет. Наиболее важными из них являются изотоп и его ядерный изомер .

Элементарный технеций – металл серебристого цвета, относится к YII группе элементов Периодической системы Д. И. Менделеева. При низких температурах он обладает сверхпроводимостью.

Технеций относится к подгруппе марганца (Mn – Tc – Re).Химическая активность элементов подгруппы марганца уменьшается в рядуMn – Tc – Re. По химическим свойствам технеций ближе к рению, чем к марганцу. Как рений, так и технеций образует соединения со степенями окисления от +1 до + 7. Однако наиболее устойчивой и характерной степенью окисления технеция является +7. В низших степенях окисления технеций проявляет большее сходство с марганцем, а в высшей – с рением. Для технеция (V11) известны такие соединения как оксид Tc2О7, кислота НTcО4 и ее соли. НTcО4 представляет собой темно – красные гигроскопичные кристаллы, хорошо растворимые в воде. По силе технециевая кислота находится в ряду: НClО4> НMnО4> НTcО4 >НReО4. Соли указанных кислот изоморфны. В этом же ряду уменьшается растворимость солей. Поэтому для них характерно образование трудно растворимых солей с такими катионами, как Cs+, Tl3+, [(C6H5)As]+, [(C6H5)P]+.

Для других степеней окисления технеция характерны реакции гидролиза, комплексообразования, которые играют важную роль в химии этого элемента.

Так как технеций содержится в продуктах деления урана и в молибденовых мишенях, важной задачей является отделение технеция от продуктов деления и от молибдена.

По степени эффективности методы выделения технеция можно расположить следующим образом: экстракционные > ионообменные > осадительные > дистилляционные > электрохимические. Например, для отделения технеция от продуктов деления могут быть использованы методы соосаждения с сульфидами тяжелых металлов и труднорастворимыми перхлоратами.После введения ClO в качестве носителя технеций осаждают хлоридом тетрафениларсония в виде [( C6H5)As]TcO4, а затем очищают электрохимическим осаждением или дистилляцией в виде Tc2O7.

Для определения технеция используется радиометрический, активационный, спектрофотометрический, электрохимический игравиметрические методы. Весовыми формами технеция являются пертехнаты тетрафениларсония, гептасульфид. Применение технеция обусловлено как его уникальными свойствами, так и благоприятными ядерно-физическими характеристиками его основного изотопа (большой период полураспада, мягкое в – излучение). Обладая высокой коррозионной устойчивостью и малым сечением активации, технеций является перспективным материалом для антикоррозионных покрытий в реакторостроении. Пертехнат - ион в кислородсодержащих средах в при концентрации внесколько мг/ л является одним из сильнейших ингибиторов коррозии для стали. Сверхпроводимость технеция и его сплавовпозволяет использовать их в качествеконструкционного материала для сверхпроводимых магнитов а такжедля изготовления высокотемпературных термопар. используют для приготовления в – источников, применяемых в радиографии и для проверки радиометрических и дозиметрических приборов. В медицине используется для диагностики болезней щитовидной железы, миокарда сердца, мозга, костей и урологических заболеваний. Для получения готовят изотопный генератор из , который адсорбируют из азотнокислого раствора на колонке из Al2O3, с последующим вымыванием технеция разбавленной азотной кислотой.

11.2 ПРОМЕТИЙ –

 

Предположение о существовании элемента с порядковым номером 61 было сделано еще Б. Браунером в 1902 г. Поиски этого элемента в природе были безуспешными. В соответствии с правилом Маттауха у ядер элемента с порядковым номером 61 не может быть стабильных изотопов, элемент радиоактивен. Впервые элемент с порядковым номером 61 был получен в 1938 г. М.Пулом и Л. Квилом облучением неодима дейтронами по ядерной реакции

 

 

Однако в этих работах химическое выделение не проводилось. Впервые прометий был выделен химически из продуктов деления урана в 1947 году Г. Маринским и Л. Гленденином с использованием ионообменного метода разделения редкоземельных элементов. Ученые, выделившие новый химический элемент назвали его в честь мифологического титана Прометея, похитившего огонь и передавшего его людям.

Обнаружить прометий в земной коре удалось только после того, как он был получен искусственным путем. В природе мог сохраниться только прометий-145, так как период его полураспада соизмерим со временем существования земной коры. В урановых рудах этот изотоп содержится в количестве 4.10-15 мг на 1 г урана.

В настоящее время известно 22 изотопа и ядерных изомеров прометия, но наиболее доступным, имеющим практическое применение является (Т1/2 = 2,7 года).

Основным источником получения является деление ядер урана-235. В ядерном реакторе на 100 кВт в сутки образуется 1 мг , что позволяет получать данный изотоп в килограммовых количествах.

Другим источником получения является реакция:

 

.

 

является долгоживущим радиоактивным отравляющим веществом, образующимся при взрыве атомной бомбы.

Прометий входит в цериевую группу лантаноидов. Электронная конфигурация нейтрального атома прометия отвечает формуле 5f56s2.

Ближайшие химические аналоги прометия – соседние с ним лантаноиды – неодим и самарий. По химическим свойствам весьма сходен с неодимом и другими лантаноидами. Прометий металл, Тпл.=1168,С0. В соответствии с положением в периодической системе единственной устойчивой степенью окисления прометия является +3. В чистом состоянии получены окись Pm2O3, хлорид PmCl3, имеющий желтую окраску и нитрат Pm(NO3 )3 розового цвета, а также оксалат Pm2 (C2O4)3 ·10 Н2. Прометий, как и другие редкоземельные элементы, образует комплексные соединения с большим числом лигандов с координационными числами 7, 8, 9 и 12. Характер связи элемент – лиганд в основном ионный.

В крайне разбавленных растворах при рН < 3 прометий находится в ионном состоянии. При рН > 3 в результате гидролиза начинается образование радиоколлоидов. При рН 6-7 прометий сильно адсорбируется на стекле.

Важнейшими методами выделения прометия является ионообменная хроматография и экстракция. Для выделения прометия используются также процессы соосаждения, основанные на изоморфизме оксалатов и фторидов редкоземеньных элементов или на адсорбции прометия на оксидах и гидроксидах металлов. Из облученных материалов, продуктов деления урана и природных материалов прометий выделяется с фракцией редкоземельных элементов и иттрием, отделение от которых является основной задачей при получении и анализе прометия.

Наиболее распространенным методом определения является радиометрический метод. Он основан на измерении бета- активности препаратов .

Все области применения обусловлены его ядерно-физическими характеристиками (мягкое бета – излучение, Еmax=0,2 МэВ, отсутствие г – фона, большой период полураспада, (1 г имеет активность около 940 Ки). используется для изготовления миниатюрных изотопных источников тока (атомных электрических батарей), в которых энергия в – излучения превращается в электрическую. Такие источники используются в космических исследованиях, в радиоизотопных стимуляторах сердечной деятельности, в слуховых аппаратах.

 

Рис. Атомная электрическая батарека на

 

Особенность в том, что он практически не дает гамма- лучей, а дает лишь мягкое в–излучение используется для изготовления изотопных ионизаторов для снятия электростатических зарядов. Как источник в – излучения прометий используется в приборах неразрушающего контроля для измерения толщины и плотности материалов небольшой толщины.

11.3 ПОЛОНИЙ

 

Элемент с порядковым номером 84 был предсказан в 1889 году Д. И. Менделеевым, а открыт М. Кюри при изучении аномальной радиоактивности урановых минералов. Элемент под № 84 был назван в честь родины Марии – полоний. Это первый элемент, вписанный в таблицу Д. И. Менделеева после открытия радиоактивности. Он же первый (по порядку атомных номеров) и самый легкий из элементов, не имеющих стабильных изотопов. Он же один из первых радиоактивных элементов, примененных в космических исследованиях.

Известно 6 природных изотопов, 20 радиоактивных искусственных изотопов и 9 изомера полония с массовыми числами от 192 до 218.

Наиболее важным изотопом полония является - член естественного радиоактивного ряда 238U. Полоний в природе очень редок, он существует только как продукт радиоактивного распада в урановых, в которых образуется в результате распада урана-238:

 

U ............... ( стаб.)

 

Именно с этим изотопом полония имели дело М. И П. Кюри. Таким образом, источником полония-210 может служить активный осадок радона, накапливающийся в старых радоновых ампулах. В равновесии с 1 г урана находится 7,6·10-11 г Ро, а с 1 г Ra – 2,24·10-4 г. Распространенность в земной коре равна 2·10-14 масс.%.

В настоящее время получают в ядерном реакторе облучением висмутовой мишени нейтронами :

 

Bi (n, g) Bi Po

 

Более долгоживущий изотоп полония с массовым числом 209 и периодом полураспада 103 года можно получить путем облучения мишени из висмута-209 в циклотроне потоками протонов:

 

Bi(p, n) Po

 

Химические и физические свойства полония исследованы с помощью химических микрометодов, так как исследования с большими количествами полония осложнены высокой удельной радиоктивностью полония ( массовая активность составляет 1,7 ·1014Бк/г). Специфическим носителем при изучении поведения микроколичеств полония является теллур.

Полоний – серебристо – серый металл с желтоватым оттенком, напоминающий таллий и висмут, в темноте светится. Полоний легкоплавкий и легколетучий элемент с температурой плавления 2540С, кипения 9620С. На воздухе он быстро окисляется с образованием РоО2, взаимодействует с галогенами с образованием соединений типа РоГ4. Металлический полоний растворяется в азотной и соляной кислотах.

Электронная конфигурация полония в основном состоянии 4 f14 5d 10 6s2 6p4, поэтому стоит ожидать, что степени окисления этого элемента будут –2, +2, +4, +6.

Полоний – элемент главной подгруппы УI группы периодической системы. Наиболее устойчивой степенью окисления является +4. В электрохимическом ряду полоний занимает место между теллуром и серебром.

По химическим свойствам полоний сходен со своим аналогом по группе периодической системы теллуром, и отчасти – с висмутом.

Полоний дает изоморфные кристаллы с теллуратами свинца и калия.

В водных растворах полоний является сильнейшим коллоидообразователем, в области рН ≥ 1 все соли и комплексные соединения полония гидролизованы и образуют как истинные растворы, так и псевдоколлоиды.

В области рН = 7,5 соли полония дают истинные коллоиды и хорошо адсорбируются на стекле, бумаге.

Для отделения полония от компонентов активного осадка радона и от больших количеств облученного висмута применяют электрохимические методы, экстракцию, хроматографию и соосаждение. В лабораторной практике отделение полония от висмута осуществляется соосаждением с элементарным теллуром при их совместном восстановлении, а также с помощью бестокового осаждения, используя более положительное значение потенциала выделения полония по сравнению со свинцом, висмутом и теллуром.

Процесс экстракции полония из расплавленного висмута при 400-5000С с гидроксидом натрия в инертной атмосфере является технологическим способом извлечения его из облученного висмута.

Благодаря большому тепловыделению полоний в основном используют в качестве источника тепловой энергии в космических аппаратах. Недостатком полония-210 является относительно малый период полураспада, всего 138 дней, что уменьшает срок службы радиоизотопного источника тепла.

Полоний-210 находит применение в качестве наиболее доступного б – источника и для изготовления полоний – бериллиевых источников нейтронов с малой гамма - активностью. Благодаря большому тепловыделению полоний используется в качестве изотопного источника тепловой энергии в космических аппаратах.

При работе с полонием необходимо соблюдать особую осторожность. Пожалуй, это один из самых опасных радиоактивных элементов. Его активность так велика, что хотя он излучает только альфа-частицы, брать его руками нельзя, так как можно получить сильные ожоги кожи. Он легко проникает внутрь сквозь кожные покровы. Полоний опасен и на расстоянии, так как легко переходит в аэрозольную форму и заражает воздух. Поэтому работать с ним необходимо в герметичных камерах. Соблюдая эти условия, легко защититься от альфа- излучения полония.

 

11.4 АСТАТ

 

Д. И. Менделеев оставил в таблице клетку для элемента с порядковым номером 85.

В 1940 году Э. Сегре, К. Мак - Кензи и Д. Корсон на циклотроне Калифорнийского университета облучением мишени из висмута б – частицами получили искусственный элемент № 85:

 

или Bi (a,3n) At

 

Позднее было доказано, что астат образуется в семействах урана –235, 238, тория-232, но все они, являясь в- излучателями имеют очень короткие периоды полураспада. Астат наименее распространенный элемент на нашей планете. В земной коре оценивается содержание астата в 69 мг в слое 1,6 км.

Астат – в переводе с греческого языка означает нестабильный. Раньше его называли астатин, в настоящее время для стандартизации элемент называется астат.

Известно 24 изотопа астата с массовыми числами от 196 до 219. Наиболее важными из них являются долгоживущие изотопы - с периодами полураспада 8,3 и 7,2 часа соответственно. Астат не имеет долгоживущих изотопов. В связи с этим для изучения его химических свойств доступны лишь ультрамалые количества элемента. Как правило, исследования проводятся с концентрациями астата 10-11-10-15 моль/л при массовой удельной активности 7.4·1013 Бк/мг. Астат не имеет ни изотопных носителей, ни достаточно удовлетворительного специфического носителя.

Астат является наиболее тяжелым элементом группы галогенов. Свойства молекулярного астата напоминают свойства молекулярного йода, но как все тяжелые элементы обладает рядом металлических свойств. Нейтральный атом астата имеет электронную конфигурацию [Xe]4f145f106s26p5.

Степени окисления –1, +1, +3, +5 и, вероятно, +7. Наиболее устойчива из них -1. Подобно висмуту и полонию, астат может образовывать радиоколлоиды и сорбироваться на стекле и других материалах.

В соответствии с методами получения астата его приходится отделять от больших количеств облученного висмута, урана, тория, а также продуктов деления. В облученной альфа-частицами висмутовой мишени практически не содержатся радиоактивные примеси других элементов. Поэтому основная задача выделения астата сводится к сбросу макроколичеств висмута из расплавленной мишени путем дистилляции. Астат по аналогии с иодом возгоняется, на чем основано его отделение от мишени. Астат при этом либо адсорбируется из газовой фазы на платине или на серебре, либо конденсируется на стекле, либо поглощается растворами сульфита или щелочи.

Единственный метод определения астата является радиометрический. Изотопы 209, 210, 211At могут быть определены как по a- излучению, так и по g - или рентгеновскому К, L-излучению.

Элементарный астат хорошо растворим в органических растворителях, и с иодом в качестве носителя, легко ими экстрагируется. Коэффициент распределения у астата выше, чем у иода. При действии сильных окислителей (HСlO4, K2S2O8, НIO , и др. ) в азотно - и хлорнокислых растворах астата образуется, очевидно, астат- ион AtO , который изоморфно соосаждается с AgIO3. В виде иона астатида At- изоморфно соосаждается с AgI и TlI. В организме астат ведет себя как йод (накапливается в щитовидной железе). На этом основано его использование в качестве радиофармацевтического препарата для лечения заболеваний щитовидной железы. Так как астат является альфа-излучателем, то его использование для этой цели предпочтительней, чем использование иода-131, который является источником жесткого бета-излучения. Выводится он из организма с помощью роданид-иона, дающего с астатом прочный комплекс.


11.5 РАДОН (86Rn)

 

В 1899 г. М. Кюри обнаружила, что воздух вокруг соединений радия становится проводником электричества. Исследованиями процессов радиоактивного распада урана-238, тория-232 и урана-235 Р. Б. Оуэнс, У. Рамзай, Дж. Резерфорд и Ф. Дорн независимо друг от друга установили, что изотопы радия-226Ra , 224Ra ,223Ra в результате испускания a-частиц превращаются в изотопы элемента с порядковым номером 86-радон( 222Rn),торон ( 220Rn) , актинон(219Rn). В общем случае для этого элемента принято название радон по его наиболее долгоживущему изотопу 222Rn с Т1/2=3,8 дня. Благодаря тому, что уран, торий и радий широко распространены в природе( рудах, почве, воде) радон содержится в почве и земной атмосфере.

Кроме естественных изотопов радона в настоящее время получено искусственно еще более 10 короткоживущих изотопов с массовыми числами от 202 до 224. Основными методами получения искусственных изотопов радона являются реакции глубокого расщепления, протекающие при облучении ториевых мишений протонами высоких энергий.

Определение молекулярной массы радона показало, что он является одноатомным газом.

Радон самый тяжелый элемент нулевой группы. Радон бесцветен, сжижается в фосфоресцирующую жидкость с температурой кипения-61,8 0С, затвердевающую при -71 0С. Твердый радон светится ярко-голубым цветом, который сравнивают с электрическим.

Исследования химических свойств радона показали, что радон и его изотопы являются химическими аналогами инертных газов. Его электронная конфигурация 5s2 5p65d 10 6s2 6p6, т.е. его внешние электронные уровни полностью заполнены, что и определяет инертность радона. В то же время, несмотря на то, что радон принадлежит к группе инертных газов, он образует вполне определенные группы соединений. Так, радон образует клатратные соединения с водой, фенолом, толуолом и т. п. В клатратных соединениях радона связь осуществляется за счет ван-дер-ваальсовых сил.

Радон, подобно другим инертным газам, при действии сильных окислителей, например, жидкого фтора, фторидов, О2F2, при определенных условиях образует фториды-RnF2 , а также комплексные ионы типа RnF ×MeF6 , RnF2×2Sb F5 , RnF2×2Bi F5 и RnF2×I F5.

Радон получают накоплением при распаде радия, находящегося в растворе в специальной вакуумной аппаратуре.

Исторически первым и наиболее распространенным методом является радиометрический метод определения радона по радиоактивности продуктов его распада. 222Rn может быть определен и непосредственно по интенсивности собственного альфа- излучения. Удобным методом определения радона является его экстракция толуолом с последующим измерением активности толуольного раствора с помощью жидкостного сцинтилляционного счетчика.

Основная область применения радона - медицина. Радон применяютдля получения искусственных радоновых ванн при лечении ревматизма, радикулита, сердечно-сосудистых, кожных и ряда других заболеваний.

Радон нашел также применение в методах неразрушающего контроля для определения утечки трубопроводов, для исследования скорости движения газов и т. п.

Так как радон чрезвычайно опасен при попадании внутрь организма, все процедуры желательно осуществлять в специальных условиях, предотвращающих возможность попадания его в дыхательную систему. Опасен не сам радон, а продукты его распада. Все исследователи, работавшие с твердым радоном, подчеркивают непрозрачность этого вещества. Причина непрозрачности- моментальное осаждение твердых продуктов распада радона, которые являются б-, в-,г – излучателями. В то же время лечебный эффект радона обусловлен не самим радоном, а благодаря налету на теле продуктов его распада.

Применительно к радону эпитет « самый» можно повторять многократно: самый тяжелый, самый редкий, самый дорогой из всех известных газов на Земле.

 

11.6 ФРАНЦИЙ ( 87Fr)

 

Среди элементов, стоящих в конце периодической системы Д. И. Менделеева, есть такие, о которых многое слышали и знают неспециалисты, но есть и такие, о которых мало, что сможет сказать и специалист. К числу первых относятся, например, радий и радон. К числу вторых - их сосед по периодической системе - франций. В 1879 году Менделеев на основе созданной им периодической системы предсказал существование и описал свойства наиболее тяжелого щелочного элемента-экацезия.

Лишь в 1939 г. Маргарита Перей, ученица Марии Складовской-Кюри открыла элемент с порядковым номером 87, химически выделив его из продуктов распада ряда 235U. Он образуется при б- распаде Ac. М. Перей назвала этот элемент в честь своей родины францием ( Fr):

U Ac Fr

 

Из продуктов распада актиния, франций был выделен путем соосаждения с перхлоратом цезия. В природе франций в ничтожных количествах содержится во всех урановых рудах (1 атом Fr на 7,7×1014 атомов 235U или 3×1018 атомов природного урана).

В астоящее время известно 27 изотопов франция с массовыми числами от 203 до 229, из них два изотопа с массовыми числами 223 и 224 встречаются в природе, являясь членами радиоактивных семейств 235U и 232Th. Из всех известных изотопов франция представляет интерес только 223Fr, как наиболее долгоживущий (период полураспада 22 мин.).

Кроме выделения из продуктов распада актиния, 223Fr получают путем облучения 226Ra нейтронами по схеме:

226Ra(n,g) 227Ra 227Ac 223Fr

 

Франций интересен по двум причинам: во-первых, это самый тяжелый и самый активный щелочной металл; во-вторых, франций можно считать самым неустойчивым из первых ста элементов периодической системы. Нейтральный атом франция в основном состоянии имеет электронную конфигурацию[Rn]7s1. Единственной степенью окисления франция является +1.

Франций не может быть выделен в весомых количествах, так как периоды полураспада всех известных в настоящее время его изотопов слишком малы. У самого долгоживущего изотопа франция- 223Fr- период полураспада составляет всего 22 мин.

Согласно положению в периодической системе элементов, франций – один из самых электроположительных металлов. В химическом отношении франций - самый ближайший аналог цезия. Отсюда следует, что все характерные для цезия химические формы должны существовать и у франция. Большинство солей франция хорошо растворимо в воде. К трудно растворимым солям относятся перхлорат, хлороплатинат, пикратокобальтинитрит и некоторые другие соли, которые изоморфно соосаждаются с аналогичными солями цезия. Будучи самым активным щелочным металлом, франций проявляет пониженную способность к комплексообразованию и гидролизу.

Находясь в растворе в ультрамикроконцентрациях (10-9-10-13 г), франций может легко «потеряться», адсорбируясь на стенках сосудов, на поверхности осадков, на возможных примесях.

Поскольку франций не может быть получен в весомых количествах, его физико-химические характеристики найдены расчетным путем.

Химические свойства франция изучены только радиохимическими методами с использованием цезия в качестве специфического носителя. Массы франция в этих опытах не превышают 10-15г (массовая активность 223Fr составляет 1,7 ·1015Бк/мг). Достаточно сложной проблемой является отделение франция от специфического носителя цезия. В соответствии с положением в периодической системе, франций должен иметь более отрицательный стандартный потенциал, чем цезий. Поэтому он может быть выделентолько на ртутном катоде.

Франций легко адсорбируется на ионообменных смолах КУ-1 и Дауэкс-50 (сульфокатионитах) из нейтральных или слабокислых растворов. С помощью этих смол франций легко отделяется от большинства химических элементов.

Применяют франций в медицине и биологии при изучении распределения щелочных металлов в организме. Фиксируется он в основном в злокачественных опухолях, что делает его перспективным в ранней диагностике сарком.

11.7 РАДИЙ (88Ra)

 

Элемент № 88 был открыт Марией и Пьером Кюри в 1898 г вслед за полонием в минерале, известном под названием урановой смолки. М. Кюри обнаружила, что интенсивность излучения смоляной руды в несколько раз сильнее, чем U3O8, полученный из металлического урана. Кюри было предположено, что руда содержит неизвестное вещество с более интенсивным излучением, чем уран. Было обнаружено, что фракции содержащие сульфид висмута и сульфат бария, обладают радиоактивностью. Это подтверждало предположение, что новый элемент является аналогом бария. В дальнейшей работе с помощью дробной кристаллизации хлористого бария, было выделено 90 мг хлорида радия высокой чистоты. Новый химический элемент с порядковым номером 88 был назван супругами Кюри радием (radius-луч).

В настоящее время известно 13 изотопов радия, из них три являются членами естественных радиоактивных семейств. Наиболее долгоживущим из природных изотопов радия является изотоп 226Ra с периодом полураспада1622 года. 226Ra является a-g- излучателем и содержится во всех рудах урана. В 1 т урановой смоляной руды содержится около 400 мг 226Ra. В верхнем слое Земной коры толщиной 1,6 км содержится 1,8×107 т 226Ra. Довольно много радия в некоторых природных водах – до 10-8г/л. В мировом океане содержится около 2·104 т радия.

Свежеполученный металлический радий - белый блестящий металл, темнеющий на воздухе с Ткип.=1140 С0и Тпл.=960 С0. Впервые металлический радий был получен М. Кюри и А. Дебьерном выделением на ртутном катоде при электролизе раствора RaCl2 с последующим разложением амальгамы радия в токе водорода при нагревании до 700 С0.

Радий представитель щелочно-земельных металлов и является самым тяжелым металлом главной подгруппы 11 группы периодической системы. Единственной степенью окисления радия является +2. По своим химическим свойствам радий похож на барий, но химически более активен. Он энергично разлагает воду, давая гидроокись Ra(OH)2, более растворимую, чем Ва(ОН)2.

 

Ra +2Н2О= Ra(OH)2+ Н2

 

Наиболее важными соединениями радия являются его галогениды: хлорид и бромид. Все соли радия и бария изоморфны. Все свежеприготовленные соли радия имеют белый цвет с характерным голубым свечением в темноте. Химия радия в водных растворах исследована с использованием микроколичеств этого элемента из-за его большой массовой радиоактивности ( радиоактивность 1 г радия составляет 3,7×1010 Бк). Радий в растворах находится в виде ионов Ra2+. В ряду щелочно – земельных металлов радий проявляет наименьшую склонность к комплексообразованию и гидролизу.

Радий обладает большой склонностью к сорбции из растворов на поверхности стеклянной посуды, фильтровальной бумаги, что затрудняет определение его физико-химических констант (например, растворимость солей радия). Радий образует комплексы с лимонной, молочной и винной кислотами.

Основная проблема при выделении радия из урановых руд состоит в отделении его от больших количеств урана и продуктов распада радия. Кроме методов сокристаллизации с изоморфными солями бария и свинца, для выделения радия используется хроматографические и экстракционные методы. Перспективным для выделения радия является использование неорганических неспецифических сорбентов, таких как Al2O3.

Радий сыграл огромную роль в исследовании строения атомного ядра, явления радиоактивности и становлении радиохимии и ядерной физики. Можно утверждать, что если бы 100 лет назад не был бы открыт элемент радий, то вряд ли прошлый век называли бы атомным. За открытие явления радиоактивности и радия Марии Склодовской - Кюри была дважды присуждена Нобелевская премия ( первый раз по физике-1903 г., второй - по химии-1911 г.).

Основные области применения радия обусловлены его g-излучением в методах неразрушающего контроля для определения дефектов литья, в толщиномерах, при разведке месторождений урана. Альфа излучение радия позволяет использовать его для производства светящихся красок и для снятия статических зарядов. В смеси с бериллием радий используют для изготовления нейтронных источников. В медицине радий используют как источник радона. Радий обладает большой подвижностью в природе и довольно сильно может выщелачиваться из горных пород. Поэтому большинство урановых минералов теряет значительную часть радия (иногда эти потери составляют до 85%), который легко попадает в природные воды.


11.8 АКТИНИЙ ( 89Ас) И АКТИНОИДЫ

 

1899 году сотрудник Кюри Дебьерн в отходах от переработки урановых руд обнаружил новое радиоактивное вещество. При химико-аналитическом разделении это радиоактивное вещество осаждалось аммиаком вместе с редкоземельными элементами и торием. Радиоактивность была приписана новому радиоактивному элементу, который был назван актинием( излучающий). В настоящее время известно 24 изотопа актиния, три из них встречаются в природе( Ac , Ac Ac). Остальные изотопы получены искусственным путем.

 

Таблица Радиоактивные свойства некоторых изотопов актиния:

Изотоп актиния Реакция получения Тип распада Период полураспада
221Ac 232Th(d,9n)225Pa(б)→221Ac б <1 сек.
222Ac 232Th(d,8n)226Pa(б)→222Ac б 4,2 сек.
223Ac 232Th(d,7n)227Pa(б)→223Ac б 2,2 мин.
224Ac 232Th(d,6n)228Pa(б)→224Ac б 2,9 час.
225Ac 232Th(n,г)233Th(в-)→233Pa(в-) → 233U(б)→229Th(б)→225Ra(в-)225Ac б 10 сут.
226Ac 226Ra(d,2n)226Ac б или в- или электронный захват 29 час.
227Ac 235U(б)→231Th(в-)→231Pa(б)→227Ac Ra ( n,g) Ra → Ac б или в- в-, б 21,7 лет 22 года
228Ac 232Th(б)→228Ra(в-)→228Ac в- 6,13 час.
229Ac 228Ra(n,г)229Ra(в-)→229Ac в- 66 мин.
230Ac 232Th(d,б)230Ac в- 80 сек.
231Ac 232Th(г,p)231Ac в- 7,5 мин.
232Ac 232Th(n,p)232Ac в- 35 сек.

 

Есть одна причина, по которой элемент № 89 – актиний – особенно интересует сегодня многих. Этот элемент, подобно лантану, оказался родоначальником большого семейства элементов, в которое входят все три кита ядерной энергетики – уран, плутоний и торий.

Главный и долгоживущий изотоп актиния - Ac (период полураспада 22 года) является дочерним продуктом 235U. В урановых рудах актиний содержится в микроконцентрациях.В равновесии с 1 природного урана находится ~ 10-10 г Ac. Актиний может быть выделен из урановых и ториевых рудпутем осуществления кислотного разложения руды с последующим разделением и выделением продуктов распада урана и тория и отделения актиния от примесей с лантаноидами. От лантана актиний может быть отделен хроматографически на катионите в аммонийной форме. Актиний хорошо отделяется от лантана методом электрофореза. Количество получающегося актиния настолько мало, что этот элемент входит в десятку редчайших элементов.

Из – за очень малого содержания актиния в рудах его предпочитают получать искусственным путем, Изотоп 227Ac получают облучением радия мощным потоком нейтронов в реакторе:

 

Ra ( n,g) Ra → Ac

 

Именно этим путем получены чистые препараты актиния, на которых и были определены его основные свойства. Выход, как правило, не превышает 2.15% от исходного количества радия. Количество актиния при данном способе синтеза исчисляется в граммах. От радия и дочерних продуктов распада актиний отделяют после растворения мишени в НСl довольно просто – экстракцией в раствор тиофенилкарбонила - трифторацетона в хлороформе при рН~3,6. Далее актиний осаждают в виде Ac2(С2О4)3, растворяют в соляной кислоте и плавиковой кислотой переводят в AcF3. Затем в вакууме при 12000 С полученную соль восстанавливают металлическим литием до металла. Выделение и очистка актиния от радия, тория и дочерних продуктов распада проводятся методами экстракции и ионного обмена.

Металлический актиний получают восстановлением трифторида актиния парами лития

Элементарный актиний довольно тяжелый серебристо-белый металл, который легко окисляется на воздухе с образованием пленки оксида, предохраняющей металл от дальнейшей коррозии. Актиний- элемент третьей группы периодической системы. Его ближайшим химическим аналогом является лантан. У него, как и у лантана такая же валентность (+ 3), близкиие атомные радиусы (1,87 нм у лантана и 2,03 нм у актиния), почти идентичное строение большинства соединений. Актиний подобно лантану химически активный элемент, быстро окисляющийся на воздухе. В то же время он имеет более основные свойства, чем лантан. В кислых растворах актиний присутствует в виде ионов. При рН>3 образуются коллоидные растворы. В микроконцентрациях актиний соосаждается гидроокисями иттрия, алюминия, железа.

Применение актиния

227Ac в смеси с бериллием является источником нейтронов. Ac-Be-источники характеризуются малым выходом гамма-квантов, применяются в активационном анализе при определении Mn, Si, Al в рудах.

225Ac применяется для получения 213Bi, а также для использования в радио-иммунотерапии.

227Ac может использоваться в радиоизотопных источниках энергии.

228Ac применяют в качестве радиоактивного индикатора в химических исследованиях из-за его высокоэнергетического в-излучения.

Смесь изотопов 228Ac-228Ra используют в медицине как интенсивный источник г-излучения.

Актиний относится к числу опасных радиоактивных ядов с высокой удельной б-активностью. Хотя абсорбция актиния из пищеварительного тракта по сравнению с радием сравнительно невелика, но наиболее важной особенностью актиния является его способность прочно удерживаться в организме в поверхностных слоях костной ткани. Первоначально актиний в значительной степени накапливается в печени, причём скорость его удаления из организма много больше скорости его радиоактивного распада. Кроме того, одним из дочерних продуктов его распада является очень опасный радон, защита от которого при работе с актинием является отдельной серьёзной задачей.

Актиний сыграл огромную роль в знаменитой актиноидной теории Г. Сиборга, предложенной в 1944 г. В соответствии с этой теории элементы с порядковыми номерами 90-103 образуют 5f –семейство и по аналогии с лантаноидами размещаются в периодической системе в виде отдельной группы. По своему химическому поведению актиноиды занимают промежуточное положение между элементами f - и d- серий. Сюда входят - торий, протактиний, уран, нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, энштейний, фермий, менделеевий, нобелий, лоуренсий.

 

Таблица Наиболее важные изотопы актиноидов

Изотоп Период полураспада Изотоп Период полураспада Изотоп Период полураспада
227Ac 22 года 244Pu 7,6×107 лет 248Bk 314 суток
232Th 1,39×1010 лет 241Am 458 лет 251Cf 660 лет
231 Pa 34300 лет 241Am 433 года 254Es 280 суток
233U 1,62×105 лет 243Am 7600 лет 253Es 20,47 сут
235U 7,13×108 лет 242Cm 162,5 суток    
238U 4,5×109 лет 244Cm 19 лет    
235Np 410 сут 247Cm ³4×107 лет    
237Np 2,2×106 лет 248Cm 4,7×105 лет    
238Pu 86,4 года 250Cm 2×104 лет    
239Pu 24360 лет 247Bk 1300 лет    
242Pu 3,79×105 лет        

 

Согласно теории всего в слое 5f может находиться 14 электронов. Следовательно,103-й элемент должен быть последним актиноидом, так как у него будут полностью застроены уровни 5f, 6s и 6p. С другой стороны, следует ожидать, что 104-й элемент будет находиться в состоянии 6d2 7s2, т.е. относиться к четвертой группе системы Менделеева, следовательно, по своим свойствам он должен быть похож на торий.

11.9 ТОРИЙ (90Th)

 

Элемент № 90 был открыт обычным химическим методом в 1828 году Яном Берцелиусом и назван торием в честь древнескандинавского божества Тора. Радиоактивность тория была обнаружена М. Кюри и одновременно с ней независимо немецким ученым Г. Шмидтом в 1898 году. Именно радиоактивность - основная причина нынешнего интереса к элементу № 90. Природный элемент практически представляет собой изотоп 232Th. Торий-232 является родоначальником довольно большого семейства. Период полураспада тория-232 равен 1,39·1010лет.