Americium - Americium

Americium,  95 hod
Americium microscope.jpg
Americium
Výslovnost / ˌ æ m ə r ɪ s i ə m / ( AM -ə- RISS -EE-əm )
Vzhled stříbřitě bílá
Hromadné číslo [243]
Americium v periodické tabulce
Vodík Hélium
Lithium Beryllium Boron Uhlík Dusík Kyslík Fluor Neon
Sodík Hořčík Hliník Křemík Fosfor Síra Chlór Argon
Draslík Vápník Skandium Titan Vanadium Chrom Mangan Žehlička Kobalt Nikl Měď Zinek Gallium Germanium Arsen Selen Bróm Krypton
Rubidium Stroncium Yttrium Zirkonium Niob Molybden Technecium Ruthenium Rhodium Palladium stříbrný Kadmium Indium Cín Antimon Tellurium Jód Xenon
Cesium Baryum Lanthan Cerium Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platina Zlato Merkur (prvek) Thallium Vést Vizmut Polonium Astat Radon
Francium Rádium Actinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Kalifornie Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Draslík Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
Eu

Am

(Uqe)
plutoniumamericiumcurium
Atomové číslo ( Z ) 95
Skupina skupina n/a
Doba období 7
Blok   f-blok
Konfigurace elektronů [ Rn ] 5f 7 7s 2
Elektrony na skořápku 2, 8, 18, 32, 25, 8, 2
Fyzikální vlastnosti
Fáze na  STP pevný
Bod tání 1449  K (1176 ° C, 2149 ° F)
Bod varu 2880 K (2607 ° C, 4725 ° F) (vypočítáno)
Hustota (blízko  rt ) 12 g / cm 3
Teplo fúze 14,39  kJ/mol
Molární tepelná kapacita 28 J/(mol · K)
Tlak páry
P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
T  (K) 1239 1356
Atomové vlastnosti
Oxidační stavy +2, +3 , +4, +5, +6, +7 (  amfoterní oxid)
Elektronegativita Paulingova stupnice: 1,3
Ionizační energie
Atomový poloměr empirické: 173  hod
Kovalentní poloměr 180 ± 18 hodin
Barevné čáry ve spektrálním rozsahu
Spektrální linie americium
Další vlastnosti
Přirozený výskyt syntetický
Krystalická struktura dvojité hexagonální těsně uspořádané (DHCP)
Dvojitá hexagonální uzavřená krystalová struktura pro americium
Tepelná vodivost 10 W/(m⋅K)
Elektrický odpor 0,69 µΩ⋅m
Magnetické uspořádání paramagnetický
Molární magnetická citlivost 1 000 0,0 x 10 -6  cm 3 / mol
Číslo CAS 7440-35-9
Dějiny
Pojmenování po Americe
Objev Glenn T. Seaborg , Ralph A. James , Leon O. Morgan , Albert Ghiorso (1944)
Hlavní izotopy americiia
Izotop Hojnost Poločas rozpadu ( t 1/2 ) Režim rozpadu Produkt
241 dop syn 432,2 r SF -
α 237 Np
242 m1 Am syn 141 let TO 242 dop
α 238 Np
SF -
243 dop syn 7370 let SF -
α 239 Np
Kategorie Kategorie: Americium
| Reference

Americium je syntetický radioaktivní chemický prvek se symbolem Am a atomovým číslem 95. Jedná se o transuranický člen řady aktinidů v periodické tabulce umístěné pod lanthanidovým prvkem europium , a proto byl analogicky pojmenován po Americe .

Americium byl nejprve produkován v roce 1944 skupinou Glenn Seaborg z Berkeley, Kalifornie , na Metallurgical laboratoře na University of Chicago , v rámci projektu Manhattan . Ačkoli je to třetí prvek v transuranické sérii , byl objeven čtvrtý, po těžším kuriu . Objev byl utajen a veřejnosti zpřístupněn až v listopadu 1945. Většinu americiia produkuje uran nebo plutonium bombardované neutrony v jaderných reaktorech - jedna tuna vyhořelého jaderného paliva obsahuje asi 100 gramů americiia. Je široce používán v komerčních detektorech kouře v ionizační komoře , stejně jako v neutronových zdrojích a průmyslových měřidlech. Pro izotop 242 m dop. Bylo navrženo několik neobvyklých aplikací, jako jsou jaderné baterie nebo palivo pro vesmírné lodě s jaderným pohonem , ale zatím jim brání nedostatek a vysoká cena tohoto jaderného izomeru .

Americium je relativně měkký radioaktivní kov se stříbrným vzhledem. Jeho nejběžnější izotopy jsou 241 am a 243 am. V chemických sloučeninách americium obvykle předpokládá oxidační stav +3, zejména v roztocích. Je známo několik dalších oxidačních stavů v rozmezí od +2 do +7 a lze je identifikovat podle jejich charakteristických optických absorpčních spekter. Krystalová mřížka pevného americiia a jejích sloučenin obsahují malé vnitřní radiogenní defekty, způsobené metamiktizací indukovanou vlastním ozařováním částicemi alfa, které se časem hromadí; to může v průběhu času způsobit posun některých vlastností materiálu, zřetelnější u starších vzorků.

Dějiny

60palcový cyklotron v laboratoři Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley , v srpnu 1939.
Trojúhelník ve skleněné trubici obsahuje první vzorek americiia (jako hydroxid (Am (OH) 3 )), vyrobený v roce 1944.

Ačkoli americium byl pravděpodobně vyroben v předchozích nukleárních pokusů bylo nejprve záměrně syntetizován , izolovány a identifikovány v pozdním podzimu 1944, na University of California, Berkeley , od Glenn Seaborg , Leon O. Morgan, Ralph A. James a Albert Ghiorso . Na Kalifornské univerzitě v Berkeley použili 60palcový cyklotron . Prvek byl chemicky identifikován v Metallurgical Laboratory (nyní Argonne National Laboratory ) z University of Chicago . Po lehčím neptuniu , plutoniu a těžším kuriu bylo americium čtvrtým objeveným transuranovým prvkem. V té době byla Seaborgem periodická tabulka restrukturalizována do současného rozložení, obsahující řadu aktinidů pod lanthanidovou . To vedlo k tomu, že americium bylo umístěno přímo pod svým dvojitým lanthanoidovým prvkem europium; bylo tedy analogicky pojmenováno po Americe : „Název americium (po Americe) a symbol Am jsou pro prvek navrženy na základě jeho pozice jako šestého člena aktinidové řady vzácných zemin, analogické k europiu, Eu ze série lanthanoidů. "

Nový prvek byl izolován ze svých oxidů složitým, vícestupňovým procesem. První plutonium -239 dusičnan ( 239 PUNO 3 ) roztok se nanese na platinovou fólii asi 0,5 cm 2 plochy, roztok se odpaří a zbytek se převede na plutonium oxid (PuO 2 ) od kalcinací . Po ozařování cyklotronem se povlak rozpustí kyselinou dusičnou a poté se vysráží jako hydroxid za použití koncentrovaného vodného roztoku amoniaku . Zbytek byl rozpuštěn v kyselině chloristé . Další separace byla provedena iontovou výměnou , čímž byl získán určitý izotop kuria. Oddělení curia a americiia bylo tak pečlivé, že tyto prvky skupina Berkeley zpočátku nazývala jako pandemonium (z řečtiny pro všechny démony nebo peklo ) a delirium (z latiny šílenství ).

Počáteční experimenty poskytly čtyři izotopy americium: 241 dop., 242 hod., 239 hod. A 238 hod. Americium-241 bylo získáno přímo z plutonia po absorpci dvou neutronů. Rozkládá se emisí částice α na 237 Np; poločas tohoto úpadku byla poprvé stanovena jako510 ± 20 let, ale poté opraveno na 432,2 let.

Časy jsou poločasy

Druhý izotop 242 Am byl vyroben po neutronovém bombardování již vytvořeného 241 Am. Při rychlém rozpadu β se 242 Am převádí na izotop kuria 242 Cm (který byl objeven dříve). Poločas tohoto rozpadu byl původně stanoven na 17 hodin, což se blížilo v současnosti přijímané hodnotě 16,02 h.

Objev americiia a curia v roce 1944 úzce souvisel s projektem Manhattan ; výsledky byly důvěrné a odtajněny až v roce 1945. Seaborg prozradil syntézu prvků 95 a 96 v americkém rozhlasovém pořadu pro děti Quiz Kids pět dní před oficiálním představením na zasedání Americké chemické společnosti dne 11. listopadu 1945, kdy jeden z posluchači se ptali, zda byl během války objeven i nový transuranový prvek kromě plutonia a neptunia. Po objevu izotopů americium 241 am a 242 am byla jejich výroba a sloučeniny patentovány a jako vynálezce byl uveden pouze Seaborg. Počáteční vzorky americiia vážily několik mikrogramů; byly sotva viditelné a byly identifikovány podle jejich radioaktivity. První značné množství kovového americium o hmotnosti 40-200 mikrogramů nebyly připraveny do roku 1951 redukcí americium (III) fluoridu s barnatý kovu ve vysokém vakuu při teplotě 1100 ° C.

Výskyt

Americium bylo detekováno ve spadu z jaderného testu Ivy Mike .

Nejdelší a nejběžnější izotopy americium, 241 am a 243 am, mají poločasy 432,2 a 7370 let. Jakékoli prvotní americium (americium, které bylo přítomno na Zemi během jeho vzniku) by se tedy již mělo rozpadnout. Stopové množství americiia se pravděpodobně přirozeně vyskytuje v uranových minerálech v důsledku jaderných reakcí, i když to nebylo potvrzeno.

Stávající americium se soustřeďuje do oblastí používaných pro zkoušky atmosférických jaderných zbraní prováděné v letech 1945 až 1980 a také na místa jaderných incidentů, jako je černobylská katastrofa . Například analýza nečistot v testovacím místě prvního USA vodíkové bomby , Ivy Mike , (1. listopadu 1952, eniwetok ), odhalil vysoké koncentrace různých aktinidů, včetně americium; ale kvůli vojenskému utajení byl tento výsledek zveřejněn až později, v roce 1956. Trinitit , sklovitý zbytek, který zůstal na pouštním dně poblíž Alamogorda v Novém Mexiku po testu jaderné bomby Trinity na bázi plutonia 16. července 1945, obsahuje stopy americium-241. Zvýšené hladiny americiia byly také zjištěny v místě havárie amerického bombardovacího letounu Boeing B-52 , který nesl čtyři vodíkové bomby, v roce 1968 v Grónsku .

V jiných regionech je průměrná radioaktivita povrchové půdy v důsledku reziduálního americiia pouze asi 0,01  pikocurií /g (0,37  mBq /g). Sloučeniny atmosférického amerika jsou v běžných rozpouštědlech špatně rozpustné a většinou ulpívají na půdních částicích. Analýza půdy odhalila asi 1900krát vyšší koncentraci americiia uvnitř částic písčité půdy než ve vodě přítomné v pórech půdy; ještě vyšší poměr byl naměřen v hlinitých půdách.

Americium se vyrábí převážně uměle v malých množstvích pro výzkumné účely. Tuna vyhořelého jaderného paliva obsahuje asi 100 gramů různých izotopů americium, většinou 241 dop. A 243 m . Jejich prodloužená radioaktivita je pro likvidaci nežádoucí, a proto americium, společně s dalšími aktinidy s dlouhou životností, musí být neutralizováno. Související postup může zahrnovat několik kroků, kdy se americium nejprve oddělí a poté převede neutronovým bombardováním ve speciálních reaktorech na krátkodobé nuklidy. Tento postup je dobře známý jako jaderná transmutace , ale stále se vyvíjí pro americium. Tyto transuranové prvky z americium do fermium došlo přirozeně v přírodní jaderný reaktor na Oklo , ale už ne tak učinit.

Americium je také jedním z prvků, které byly detekovány v Przybylského hvězdě .

Syntéza a extrakce

Izotopová nukleosyntéza

Chromatografické eluční křivky odhalující podobnost mezi lanthanoidy Tb, Gd a Eu a odpovídajícími aktinidy Bk, Cm a Am.

Americium se vyrábí v malých množstvích v jaderných reaktorech po celá desetiletí a kilogramy izotopů 241 dop. A 243 m jsou již nashromážděny. Nicméně od té doby, co byl poprvé nabídnut k prodeji v roce 1962, jeho cena, asi 1 500 USD za gram 241 dop., Zůstává téměř nezměněna díky velmi složitému separačnímu postupu. Těžší izotop 243 Am se vyrábí v mnohem menších množstvích; je tedy obtížnější oddělit, což má za následek vyšší náklady na řád 100 000–160 000 USD/g.

Americium není syntetizováno přímo z uranu - nejběžnějšího materiálu reaktoru - ale z izotopu plutonia 239 Pu. Ten je třeba nejprve vyrobit podle následujícího jaderného procesu:

Zachycení dvou neutronů pomocí 239 Pu (takzvaná (n, γ) reakce), následované β-rozpadem, má za následek 241 dopoledne:

Plutonium přítomné ve vyhořelém jaderném palivu obsahuje asi 12% z 241 Pu. Protože se spontánně převádí na 241 dop., Lze 241 pu extrahovat a lze jej použít ke generování dalších 241 dop. Tento proces je však poměrně pomalý: polovina z původního množství 241 Pu se rozpadne na 241 dop. Po zhruba 15 letech a množství 241 m dosáhne maxima po 70 letech.

Získaných 241 Am lze použít pro generování těžších izotopů americium dalším zachycením neutronů uvnitř jaderného reaktoru. V lehkovodním reaktoru (LWR) se 79% z 241 Am přemění na 242 Am a 10% na jeho jaderný izomer 242 m Am:

Americium-242 má poločas rozpadu pouze 16 hodin, což činí jeho další převod na 243 Am extrémně neefektivním. Druhý izotop se místo toho vyrábí v procesu, kde 239 Pu zachycuje čtyři neutrony pod vysokým tokem neutronů :

Kovová generace

Většina syntézních rutin poskytuje směs různých izotopů aktinidů v oxidových formách, ze kterých lze oddělit izotopy americiia. V typickém postupu, vyhořelé palivo reaktor (např MOX palivo ) se rozpustí v kyselině dusičné a většina uranu a plutonia bylo odstraněno za použití PUREX -type extrakční ( P lutonium- UR anium EX trakce) s tributylfosfát v uhlovodíku . Lanthanoidy a zbývající aktinidy se poté oddělí od vodného zbytku ( rafinátu ) extrakcí na bázi diamidu , čímž se po stripování získá směs trojmocných aktinidů a lanthanoidů. Sloučeniny americium se potom selektivně extrahují pomocí vícestupňových chromatografických a centrifugačních technik s příslušným činidlem. Na extrakci americium rozpouštědlem bylo provedeno velké množství práce . Například projekt z roku 2003 financovaný EU s kódovým označením „EUROPART“ studoval triaziny a další sloučeniny jako potenciální extrakční činidla. V roce 2009 byl navržen komplex bis -triazinyl bipyridinu, protože takové činidlo je vysoce selektivní vůči americiu (a kuriu). Oddělení americiia od velmi podobného kuria lze dosáhnout zpracováním kalu jejich hydroxidů ve vodném hydrogenuhličitanu sodném s ozonem při zvýšených teplotách. Am i Cm jsou většinou přítomny v roztocích ve valenčním stavu +3; zatímco curium zůstává nezměněno, americium oxiduje na rozpustné komplexy Am (IV), které lze odplavit.

Kovové americium se získává redukcí z jeho sloučenin. K tomuto účelu byl poprvé použit fluorid američitý (III) . Reakce byla provedena za použití elementárního barya jako redukčního činidla v prostředí bez vody a kyslíku uvnitř zařízení vyrobeného z tantalu a wolframu .

Alternativou je redukce oxidu američitého kovovým lanthanem nebo thoriem :

Fyzikální vlastnosti

Dvojitý hexagonální těsný obal se sekvencí vrstev ABAC v krystalové struktuře α-americium (A: zelená, B: modrá, C: červená).

V periodické tabulce se americium nachází napravo od plutonia, nalevo od kuria a pod lanthanidovým europiem , se kterým sdílí mnoho fyzikálních a chemických vlastností. Americium je vysoce radioaktivní prvek. Když je čerstvě připravený, má stříbřitě bílý kovový lesk, ale pak se ve vzduchu pomalu kazí. S hustotou 12 g/cm 3 je americium méně husté než curium (13,52 g/cm 3 ) a plutonium (19,8 g/cm 3 ); ale má vyšší hustotu než europium (5.264 g / cm 3 ) -mostly z důvodu jeho vyšší atomovou hmotností. Americium je relativně měkké a snadno deformovatelné a má výrazně nižší objemový modul než aktinidy před ním: Th, Pa, U, Np a Pu. Jeho teplota tání 1173 ° C je výrazně vyšší než u plutonia (639 ° C) a europia (826 ° C), ale nižší než u kuria (1340 ° C).

Za okolních podmínek je americium přítomno ve své nejstabilnější formě α, která má symetrii hexagonálních krystalů , a prostorovou skupinu P6 3 /mmc s parametry buněk a  = 346,8  pm a c  = 1124 pm a čtyřmi atomy na jednotku buňky . Krystal se skládá z dvojitě hexagonálního těsného obalu se sekvencí vrstev ABAC, takže je izotypový s α-lanthanem a několika aktinidy, jako je α-curium. Krystalová struktura americiia se mění s tlakem a teplotou. Po stlačení při pokojové teplotě na 5 GPa se α-Am transformuje na modifikaci β, která má kubickou ( fcc ) symetrii zaměřenou na obličej , prostorovou skupinu Fm 3 m a mřížkovou konstantu a  = 489 pm. Tato struktura FCC je ekvivalentní nejbližšímu balení se sekvencí ABC. Po dalším stlačení na 23 GPa se americium transformuje na ortorombickou strukturu y-Am podobnou struktuře α-uranu. Nebyly pozorovány žádné další přechody až do 52 GPa, kromě vzhledu monoklinické fáze při tlacích mezi 10 a 15 GPa. V literatuře neexistuje shoda na stavu této fáze, která také někdy uvádí fáze α, β a γ jako I, II a III. Přechod β-γ je doprovázen 6% poklesem objemu krystalů; ačkoli teorie také předpovídá významnou změnu objemu pro přechod α-β, není experimentálně pozorována. Tlak přechodu α-β klesá s rostoucí teplotou a když se α-americium zahřívá na okolní tlak, při 770 ° C se mění na fázi fcc, která je odlišná od β-Am, a při 1075 ° C se převádí na krychlová struktura zaměřená na tělo . Fázový diagram tlaku a teploty americiia je tedy spíše podobný diagramům lanthanu, praseodymu a neodymu .

Stejně jako u mnoha jiných aktinidů je vlastní poškození krystalové struktury v důsledku ozáření alfa částicemi vlastní americiu. Je to zvláště patrné při nízkých teplotách, kde je pohyblivost produkovaných strukturních defektů relativně nízká, rozšířením vrcholů rentgenové difrakce . Tento efekt poněkud znejistí teplotu americiia a některé jeho vlastnosti, například elektrický odpor . Takže pro americium-241 se měrný odpor při 4,2 K zvyšuje s časem od přibližně 2 µOhm · cm do 10 µOhm · cm po 40 hodinách a nasycuje se při přibližně 16 µOhm · cm po 140 hodinách. Tento účinek je méně výrazný při pokojové teplotě v důsledku zničení radiačních vad; také zahřátím na pokojovou teplotu vzorek, který byl držen hodiny při nízkých teplotách, obnoví jeho odpor. V čerstvých vzorcích se rezistivita postupně zvyšuje s teplotou od přibližně 2 µOhm · cm v kapalném héliu do 69 µOhm · cm při pokojové teplotě; toto chování je podobné chování neptunia, uranu, thoria a protactinia , ale liší se od plutonia a curia, které vykazují rychlý vzestup až na 60 K následované saturací. Hodnota pokojové teploty pro americium je nižší než pro neptunium, plutonium a curium, ale vyšší než pro uran, thorium a protactinium.

Americium je paramagnetické v širokém teplotním rozsahu, od kapalného hélia po pokojovou teplotu a výše. Toto chování je výrazně odlišné od chování jeho sousedního kuria, které vykazuje antiferomagnetický přechod při 52 K. Koeficient tepelné roztažnosti americium je mírně anizotropní a činí(7,5 ± 0,2) x 10 -6  / ° C po kratší osa a(6,2 ± 0,4) × 10 −6  /° C pro delší c hexagonální osu. Entalpie rozpouštění americium kovu v kyselině chlorovodíkové za standardních podmínek−620,6 ± 1,3 kJ/mol , ze kterého je standardní entalpická změna tvorbyf H °) vodného iontu Am 3+−621,2 ± 2,0 kJ/mol . Standardní potenciál Am 3+ / Am 0 znamená-2,08 ± 0,01 V .

Chemické vlastnosti

Kov Americium snadno reaguje s kyslíkem a rozpouští se ve vodných kyselinách . Nejstabilnější oxidační stav pro americium je +3 ,. Chemie americiia (III) má mnoho podobností s chemií sloučenin lanthanidu (III). Například trojmocné americium tvoří nerozpustné fluoridy , oxaláty , jodičnany , hydroxidy , fosfáty a další soli. Byly také studovány sloučeniny americiia v oxidačních stavech 2, 4, 5, 6 a 7. Jedná se o nejširší rozsah, který byl pozorován u aktinidových prvků. Barva sloučenin americiia ve vodném roztoku je následující: Am 3+ (žluto-načervenalé), Am 4+ (žluto-načervenalé), Am V O+
2
; (žlutá), Am VI O2+
2
(hnědý) a Am VII O5-
6
(tmavozelený). Absorpční spektra mají ostré špičky v důsledku přechodů f - f ve viditelných a blízkých infračervených oblastech. Am (III) má typicky absorpční maxima na ca. 504 a 811 nm, Am (V) při ca. 514 a 715 nm a Am (VI) při ca. 666 a 992 nm.

Sloučeniny americiia s oxidačním stavem +4 a vyšším jsou silná oxidační činidla, srovnatelná v síle s iontem manganistanu ( MnO-
4
) v kyselých roztocích. Zatímco ionty Am 4+ jsou v roztocích nestabilní a snadno se přeměňují na Am 3+ , sloučeniny jako oxid američitý (AmO 2 ) a fluorid američitý (IV) (AmF 4 ) jsou v pevném stavu stabilní.

Pentavalentní oxidační stav americiia byl poprvé pozorován v roce 1951. V kyselém vodném roztoku AmO+
2
ion je nestabilní s ohledem na disproporcionaci . Reakce

je typické. Chemie Am (V) a Am (VI) je srovnatelná s chemií uranu v těchto oxidačních stavech. Konkrétně, sloučeniny, jako je Li 3 amo 4 a Li 6 amo 6, jsou srovnatelné s uranates a iontu amo 2 2+ je srovnatelná s uranylu iontu, UO 2 2+ . Takové sloučeniny lze připravit oxidací Am (III) ve zředěné kyselině dusičné persíranem amonným . Mezi další oxidační činidla, která byla použita, patří oxid stříbrný (I) , ozon a persíran sodný .

Chemické sloučeniny

Kyslíkové sloučeniny

Tři americium oxidy jsou známé, přičemž oxidační stavy +2 (AMO), +3 (Am 2 O 3 ) a 4 (AMO 2 ). Oxid americium (II) byl připraven v nepatrných množstvích a nebyl podrobně charakterizován. Oxid americium (III) je červenohnědá pevná látka s teplotou tání 2205 ° C. Oxid americium (IV) je hlavní formou pevného americiia, který se používá téměř ve všech jeho aplikacích. Jako většina ostatních aktinid dioxidů je to černá pevná látka s krychlovou ( fluoritovou ) krystalovou strukturou.

Oxalát americiia (III), vakuově sušený při pokojové teplotě, má chemický vzorec Am 2 (C 2 O 4 ) 3 · 7H 2 O. Při zahřívání ve vakuu ztrácí vodu při 240 ° C a začíná se rozkládat na AmO 2 při 300 ° C se rozklad ukončí při asi 470 ° C. Počáteční oxalát se rozpouští v kyselině dusičné s maximální rozpustností 0,25 g/l.

Halogenidy

Halogenidy americiia jsou známé pro oxidační stavy +2, +3 a +4, kde je +3 nejstabilnější, zejména v roztocích.

Oxidační stav F Cl Br
+4 Americium (IV) fluoride
AmF 4
světle růžový
+3 Americium (III) fluorid
AmF 3
růžový
Americium (III) chlorid
AmCl 3
růžový
Americium (III) bromid
AmBr 3
světle žlutý
Americium (III) jodid
AmI 3
světle žlutý
+2 Americium (II) chlorid
AmCl 2
černý
Americium (II) bromid
AmBr 2
černý
Americium (II) jodid
AmI 2
černý

Redukcí sloučenin Am (III) amalgámem sodným se získají soli Am (II) - černé halogenidy AmCl 2 , AmBr 2 a AmI 2 . Jsou velmi citlivé na kyslík a ve vodě oxidují, uvolňují vodík a převádějí zpět do stavu Am (III). Specifické mřížkové konstanty jsou:

  • Orthorhombic AmCl 2 : a =896,3 ± 0,8 pm , b =757,3 ± 0,8 pm a c =453,2 ± 0,6 pm
  • Tetragonal AmBr 2 : a =1 159 0,2 ± 12:04 a c =712,1 ± 0,3 pm . Mohou být také připraveny reakcí metalického americiia s vhodným halogenidem rtuti HgX 2 , kde X = Cl, Br nebo I:

Americium (III) fluorid (AmF 3 ) je špatně rozpustný a sráží se při reakci Am 3+ a fluoridových iontů ve slabě kyselých roztocích:

Čtyřmocný fluorid americium (IV) (AmF 4 ) se získává reakcí fluoridu pevného americium (III) s molekulárním fluorem :

Další známá forma tuhého čtyřmocného chloridu američitého je KAmF 5 . Tetravalent americium bylo také pozorováno ve vodné fázi. Za tímto účelem, černá Am (OH) 4 se rozpustí v 15 až M NH 4 F s koncentrací americium 0,01 M. výsledný načervenalý roztok měl charakteristický optickou absorpční spektrum, které je podobné tomu AMF 4 , ale lišily se od ostatních oxidace státy americium. Zahřívání roztoku Am (IV) na 90 ° C nevedlo k jeho disproporcionaci nebo redukci, nicméně u Am (III) byla pozorována pomalá redukce, která byla přiřazena k vlastnímu ozáření americium částicemi alfa.

Většina halogenidů americium (III) tvoří hexagonální krystaly s mírnou variací barvy a přesné struktury mezi halogeny. Takže, chlorid (AmCl 3 ) je načervenalý a má strukturu izotypové k chloridu uranu (III) (prostorové grupy P6 3 / m) a teplotou tání 715 ° C. Fluorid je izotypový k LaF 3 (prostorová skupina P6 3 /mmc) a jodid k BiI 3 (vesmírná skupina R 3 ). Bromid je výjimkou u ortorombické struktury typu PuBr 3 a vesmírné skupiny Cmcm. Krystaly americium hexahydrátu (AmCl 3 · 6H 2 O) se mohou připravit rozpuštěním americium uhličitého v kyselině chlorovodíkové a odpařením kapaliny. Tyto krystaly jsou hygroskopické a mají žlutočervenou barvu a monoklinickou krystalovou strukturu.

Oxyhalogenidy americiia ve formě Am VI O 2 X 2 , Am V O 2 X, Am IV OX 2 a Am III OX lze získat reakcí odpovídajícího halogenidu americiia s kyslíkem nebo Sb 2 O 3 a lze také vyrobit AmOCl hydrolýzou v plynné fázi :

Chalkogenidy a pniktidy

Mezi známé chalcogenidy americium patří sulfid AmS 2 , selenidy AmSe 2 a Am 3 Se 4 a telluridy Am 2 Te 3 a AmTe 2 . K pnictides americium ( 243 Am) typu AMX jsou známé pro prvků fosforu , arsenu , antimonu a vizmutu . Krystalizují v mřížce kamenné soli .

Silicidy a boridy

Americium monosilicid (AmSi) a "disilicid" (nominálně AmSi x s: 1,87 <x <2,0) byly získány redukcí fluoridu americium (III) pomocí elementárního křemíku ve vakuu při 1050 ° C (AmSi) a 1150-1200 ° C ( AmSi x ). AmSi je černá pevná izomorfní s LaSi, má ortorombickou krystalovou symetrii. AmSi x má jasný stříbrný lesk a tetragonální krystalovou mřížku (vesmírná skupina I 4 1 /amd), je izomorfní s PuSi 2 a ThSi 2 . Borides of americium zahrnuje AmB 4 a AmB 6 . Tetraborid lze získat zahříváním oxidu nebo halogenidu americiia s diboridem hořečnatým ve vakuu nebo inertní atmosféře.

Organoamericium sloučeniny

Predikovaná struktura amerocenu [(η 8 -C 8 H 8 ) 2 dop. ]

Analogicky k uranocenu tvoří americium organokovovou sloučeninu amerocene se dvěma cyklooktatetraenovými ligandy s chemickým vzorcem (η 8 -C 8 H 8 ) 2 dop. Cyklopentadienylový komplex je také známo, že je pravděpodobné, že bude stechiometricky AmCp 3 .

Tvorba komplexů typu Am (nC 3 H 7 -BTP) 3 , kde BTP stojí na 2,6-di (1,2,4-triazin-3-yl) pyridinu, v roztocích obsahujících NC 3 H 7 - Ionty BTP a Am 3+ byly potvrzeny EXAFS . Některé z těchto komplexů typu BTP selektivně interagují s americiem, a proto jsou užitečné při jeho selektivní separaci od lanthanoidů a dalších aktinidů.

Biologické aspekty

Americium je umělý prvek nedávného původu, a proto nemá biologické požadavky . Je to škodlivé pro život . Bylo navrženo používat bakterie k odstraňování americiia a dalších těžkých kovů z řek a potoků. Tak, Enterobacteriaceae rodu Citrobacter sraženina americium ionty z vodných roztoků, vázání je do kovu-fosfát komplex na svých buněčných stěn. Bylo publikováno několik studií o biosorpci a bioakumulaci americiia bakteriemi a houbami.

Štěpení

Izotop 242 m Am (poločas rozpadu 141 let) má největší průřezy pro absorpci tepelných neutronů (5 700 stodol ), což má za následek malé kritické množství pro trvalou jadernou řetězovou reakci . Kritické množství na holé kouli 242 m Am je asi 9–14 kg (nejistota vyplývá z nedostatečné znalosti jejích materiálových vlastností). Lze jej snížit na 3–5 kg pomocí kovového reflektoru a pomocí vodního reflektoru by se měl ještě zmenšit. Tak malá kritická hmotnost je pro přenosné jaderné zbraně výhodná , ale ty založené na 242 m Am nejsou dosud známy, pravděpodobně kvůli jejímu nedostatku a vysoké ceně. Kritické hmotnosti dvou dalších snadno dostupných izotopů, 241 Am a 243 Am, jsou relativně vysoké - 57,6 až 75,6 kg pro 241 Am a 209 kg pro 243 Am. Nedostatek a vysoká cena však brání aplikaci americiia jako jaderného paliva v jaderných reaktorech .

Existují návrhy velmi kompaktních 10kW vysoce výkonných reaktorů využívajících pouhých 20 gramů 242m Am. Takové nízkoenergetické reaktory by bylo relativně bezpečné používat jako zdroje neutronů pro radiační terapii v nemocnicích.

Izotopy

Pro americium je známo asi 19 izotopů a 8 jaderných izomerů . Existují dva alfa zářiče s dlouhou životností; 243 Am má poločas rozpadu 7 370 let a je nejstabilnějším izotopem a 241 Am má poločas rozpadu 432,2 let. Nejstabilnější nukleární izomer je 242m1 Am; má dlouhý poločas rozpadu 141 let. Poločasy jiných izotopů a izomerů se pohybují od 0,64 mikrosekundy pro 245m1 dopoledne do 50,8 hodin pro 240 am. Stejně jako u většiny ostatních aktinidů mají izotopy americiia s lichým počtem neutronů relativně vysokou rychlost jaderného štěpení a nízkou kritickou hmotnost.

Americium-241 se rozkládá na 237 Np emitujících alfa částice 5 různých energií, většinou při 5,486 MeV (85,2%) a 5,443 MeV (12,8%). Protože mnoho z výsledných stavů je metastabilních, také vyzařují gama paprsky s diskrétními energiemi mezi 26,3 a 158,5 keV.

Americium-242 je krátkodobý izotop s poločasem rozpadu 16,02 h. Převážně (82,7%) se přeměňuje β-rozpadem na 242 Cm, ale také zachycením elektronů na 242 Pu (17,3%). Jak 242 Cm, tak 242 Pu se transformují téměř stejným rozpadovým řetězcem přes 238 Pu až na 234 U.

Téměř všechny (99,541%) z 242m1 Am se rozpadají vnitřní konverzí na 242 Am a zbývajících 0,459% α-rozpadem na 238 Np. Ten se následně rozpadne na 238 Pu a poté na 234 U.

Americium-243 se transformuje α-emisí na 239 Np, která se přeměňuje β-rozpadem na 239 Pu, a 239 Pu se mění na 235 U emitováním α-částice.

Aplikace

Vnější i vnitřní pohled na detektor kouře na bázi americium

Detektor kouře ionizačního typu

Americium se používá v nejběžnějším typu detektoru kouře pro domácnost , který jako zdroj ionizujícího záření používá 241 Am ve formě oxidu americium . Tento izotop je upřednostňován před 226 Ra, protože emituje 5krát více částic alfa a relativně málo škodlivého záření gama.

Množství americiia v typickém novém detektoru kouře je 1  microcurie (37  kBq ) nebo 0,29 mikrogramu . Toto množství klesá pomalu, jak se americium rozpadá na neptunium -237, jiný transuranický prvek s mnohem delším poločasem rozpadu (asi 2,14 milionu let). S poločasem 432,2 let obsahuje americium v ​​kouřovém detektoru asi 3% neptunia po 19 letech a asi 5% po 32 letech. Záření prochází ionizační komorou , vzduchem naplněným prostorem mezi dvěma elektrodami , a umožňuje malý, konstantní proud mezi elektrodami. Jakýkoli kouř, který vstupuje do komory, absorbuje částice alfa, což snižuje ionizaci a ovlivňuje tento proud, což vyvolává poplach. Ve srovnání s alternativním optickým detektorem kouře je ionizační detektor kouře levnější a dokáže detekovat částice, které jsou příliš malé na to, aby vytvářely výrazný rozptyl světla; je však náchylnější k falešným poplachům .

Radionuklid

Protože 241 Am má zhruba podobný poločas rozpadu než 238 Pu (432,2 let vs. 87 let), byl navržen jako aktivní prvek radioizotopových termoelektrických generátorů , například ve vesmírných plavidlech. Ačkoli americium produkuje méně tepla a elektřiny - síla výtěžek je 114,7 mW / g pro 241 Am a 6,31 mW / g pro 243 Am (srov 390 mW / g pro 238 Pu) - a jeho záření pozicích více hrozeb pro člověka vzhledem k neutronu emise se Evropská kosmická agentura se uvažuje o nasazení americium pro své kosmických sond.

Další navrhovaná aplikace americium související s vesmírem je palivo pro vesmírné lodě s jaderným pohonem. Sází na velmi vysokou rychlost jaderného štěpení 242 m Am, která může být udržována i v mikrometru silné fólii. Malá tloušťka se vyhýbá problému vlastní absorpce vyzařovaného záření. Tento problém je relevantní pro tyče uranu nebo plutonia, ve kterých pouze povrchové vrstvy poskytují alfa-částice. Štěpné produkty 242 m Am mohou buď přímo pohánět vesmírnou loď, nebo mohou ohřívat tlačný plyn. Mohou také přenášet svou energii do tekutiny a generovat elektřinu prostřednictvím magnetohydrodynamického generátoru .

Dalším návrhem, který využívá vysokou rychlost jaderného štěpení 242 m dop., Je jaderná baterie. Jeho konstrukce se nespoléhá na energii emitovanou částicemi americium alfa, ale na jejich náboj, to znamená, že americium funguje jako soběstačná „katoda“. Jediné 3,2 kg 242 m Am nabíjení takové baterie by mohlo poskytnout asi 140 kW výkonu po dobu 80 dnů. I přes všechny potenciální výhody současné aplikaci 242 m Am stále brání nedostatek a vysoká cena tohoto konkrétního jaderného izomeru .

V roce 2019 vědci z britské národní jaderné laboratoře a univerzity v Leicesteru prokázali využití tepla generovaného americiem k osvětlení malé žárovky. Tato technologie by mohla vést k tomu, že systémy budou napájet mise s trváním až 400 let do mezihvězdného prostoru , kde solární panely nefungují.

Zdroj neutronů

Oxid 241 Am lisovaný s beryliem je účinný zdroj neutronů . Zde americium působí jako zdroj alfa a berylium produkuje neutrony díky svému velkému průřezu pro (α, n) jadernou reakci:

Nejrozšířenějším využitím zdrojů neutronů 241 AmBe je neutronová sonda - zařízení používané k měření množství vody přítomné v půdě a také vlhkosti/hustoty pro kontrolu kvality při stavbě dálnic. Zdroje neutronů 241 Am se také používají v aplikacích těžby dřeva, stejně jako v neutronové radiografii , tomografii a dalších radiochemických vyšetřováních.

Výroba dalších prvků

Americium je výchozím materiálem pro výrobu dalších transuranových prvků a transaktinidů - například 82,7% z 242 Am se rozpadá na 242 Cm a 17,3% až 242 Pu. V jaderném reaktoru je 242 Am také up-konvertováno zachycením neutronů na 243 Am a 244 Am, které se transformují β-rozpadem na 244 Cm:

Ozařováním 241 Am 12 C nebo 22 Ne ionty se získají izotopy 247 Es ( einsteinium ) nebo 260 Db ( dubnium ). Kromě toho byl prvek berkelium ( izotop 243 Bk) poprvé záměrně vyroben a identifikován bombardováním 241 Am částicemi alfa v roce 1949 stejnou skupinou Berkeley za použití stejného 60palcového cyklotronu. Podobně bylo nobelium vyrobeno ve Společném institutu pro jaderný výzkum v Dubně v Rusku v roce 1965 v několika reakcích, z nichž jedna zahrnovala ozáření 243 Am 15 N ionty. Kromě toho jedna ze syntézních reakcí pro lawrencium , objevená vědci z Berkeley a Dubna, zahrnovala bombardování 243 dop. 18 O.

Spektrometr

Americium-241 bylo použito jako přenosný zdroj gama paprsků i alfa částic pro řadu lékařských a průmyslových použití. Emise gama paprsků 59,5409 keV z 241 Am v těchto zdrojích lze použít pro nepřímou analýzu materiálů v radiografii a rentgenové fluorescenční spektroskopii, stejně jako pro kontrolu kvality v pevných měřidlech jaderné hustoty a jaderných denzometrech . Prvek byl například použit k měření tloušťky skla, aby pomohl vytvořit ploché sklo. Americium-241 je také vhodný pro kalibraci spektrometrů gama záření v nízkoenergetickém rozsahu, protože jeho spektrum se skládá z téměř jediného vrcholu a zanedbatelného Comptonova kontinua (nejméně o tři řády nižší intenzity). K zajištění pasivní diagnostiky funkce štítné žlázy bylo také použito paprsků gama Americium-241 gama. Tato lékařská aplikace je však zastaralá.

Obavy o zdraví

Jako vysoce radioaktivní prvek musí být americium a jeho sloučeniny zpracovávány pouze ve vhodné laboratoři za zvláštních podmínek. Ačkoli většina izotopů americium převážně emituje částice alfa, které mohou být blokovány tenkými vrstvami běžných materiálů, mnoho dceřiných produktů vyzařuje gama paprsky a neutrony, které mají dlouhou hloubku proniknutí.

Při konzumaci se většina americiia vyloučí během několika dnů, přičemž pouze 0,05% se absorbuje v krvi, z čehož zhruba 45% jde do jater a 45% do kostí a zbývajících 10% se vyloučí. Příjem do jater závisí na jednotlivci a zvyšuje se s věkem. V kostech se americium nejprve ukládá přes kortikální a trabekulární povrchy a časem se pomalu redistribuuje po kosti. Biologický poločas 241 Am je 50 let v kostech a 20 let v játrech, zatímco v gonádách (varlata a vaječníky) zůstává trvale; ve všech těchto orgánech americium podporuje tvorbu rakovinných buněk v důsledku své radioaktivity.

Americium často vstupuje na skládky z vyřazených detektorů kouře . Pravidla spojená s likvidací detektorů kouře jsou ve většině jurisdikcí uvolněná. V roce 1994 17letý David Hahn extrahoval americium asi ze 100 detektorů kouře ve snaze postavit množivý jaderný reaktor. Vyskytlo se několik případů vystavení americiu, nejhorším případem byl technik chemické operace Harold McCluskey , který byl ve věku 64 let vystaven 500násobku pracovního standardu pro americium-241 v důsledku výbuchu v jeho laboratoři . McCluskey zemřel ve věku 75 let na nesouvisející již existující nemoc.

Viz také

Poznámky

Reference

Bibliografie

Další čtení

externí odkazy