Америций

Америций,  ₉₅ Am

Америций
Произношение	/ ˌ æ м ɪ г ɪ ы я ə м / ( АМ -ə- РИСИ -ее-əm )
Внешность	серебристо-белый
Массовое число	[243]
Америций в периодической таблице
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титана Ванадий Хром Марганец Утюг Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон Eu ↑ Am ↓ (Uqe) плутоний ← америций → кюрий
Атомный номер ( Z )	95
Группа	группа 3
Период	период 7
Блокировать	f-блок
Электронная конфигурация	[ Rn ] 5f 7 7s 2
Электронов на оболочку	2, 8, 18, 32, 25, 8, 2
Физические свойства
Фаза на  СТП	твердый
Температура плавления	1449  К (1176 ° С, 2149 ° F)
Точка кипения	2880 К (2607 ° C, 4725 ° F) (рассчитано)
Плотность (около  rt )	12 г / см 3
Теплота плавления	14,39  кДж / моль
Молярная теплоемкость	28 [1]  Дж / (моль · К)
Давление газа P  (Па) 1 10 100 1 к 10 тыс. 100 тыс. при  T  (K) 1239 1356
Атомные свойства
Состояния окисления	+2, +3 , +4, +5, +6, +7 (  амфотерный оксид)
Электроотрицательность	Шкала Полинга: 1,3
Энергии ионизации	1-я: 578 кДж / моль
Радиус атома	эмпирические: 173  м
Ковалентный радиус	180 ± 18 часов
Спектральные линии америция
Прочие свойства
Естественное явление	синтетический
Кристальная структура	двойной гексагональной плотной упаковкой (DHCP)
Теплопроводность	10 Вт / (м · К)
Удельное электрическое сопротивление	0,69 мкОм · м [1]
Магнитный заказ	парамагнитный
Магнитная восприимчивость	+ 1000,0 · 10 −6  см 3 / моль [2]
Количество CAS	7440-35-9
История
Именование	после Америки
Открытие	Гленн Т. Сиборг , Ральф А. Джеймс , Леон О. Морган , Альберт Гиорсо (1944)
Основные изотопы америция
Изотоп Избыток Период полураспада ( t 1/2 ) Режим распада Товар 241 утра син 432,2 года SF - α 237 нп 242 м1 Ам син 141 год ЭТО 242 утра α 238 нп SF - 243 утра син 7370 г SF - α 239 нп
Категория: Америций Посмотреть разговаривать редактировать | Рекомендации

Америций - это синтетический радиоактивный химический элемент с символом Am и атомным номером 95. Он является трансурановым членом ряда актинидов в периодической таблице, расположенным под элементом лантаноид европий , и поэтому по аналогии был назван в честь Америки . ^{[3] [4] [5]}

Америций впервые был выпущен в 1944 году группой Сиборг из Беркли, штат Калифорния , в металлургической лаборатории в Университете Чикаго , в рамках Манхэттенского проекта . Хотя это третий элемент в трансурановой серии , он был открыт четвертым после более тяжелого кюрия . Открытие хранилось в секрете и было обнародовано только в ноябре 1945 года. Большая часть америция производится при бомбардировке урана или плутония нейтронами в ядерных реакторах - одной тонны отработанного ядерного топлива.содержит около 100 граммов америция. Он широко используется в коммерческих детекторах дыма с ионизационными камерами , а также в источниках нейтронов и промышленных датчиках. Для изотопа ^242m Am было предложено несколько необычных применений, таких как ядерные батареи или топливо для космических кораблей с ядерной двигательной установкой , но они пока сдерживаются дефицитом и высокой ценой этого ядерного изомера .

Америций - относительно мягкий радиоактивный металл серебристого цвета. Его общие изотопы - 241 Am и ²⁴³ Am. В химических соединениях америций обычно имеет степень окисления +3, особенно в растворах. Известно несколько других степеней окисления, в диапазоне от +2 до +7, и их можно идентифицировать по их характерным спектрам оптического поглощения . Кристаллическая решетка твердого америция и его соединений содержит небольшие собственные радиогенные дефекты из-за метамиктизации, вызванной самооблучением альфа-частицами, которые накапливаются со временем; это может вызвать дрейф некоторых свойств материала с течением времени, более заметный в старых образцах.

История [ править ]

Хотя америций был , вероятно , произведен в предыдущих ядерных экспериментов, это было первое преднамеренно синтезирован , выделены и идентифицированы в конце осени 1944 года в Университете Калифорнии, Беркли , по Сиборг , Леон О. Морган, Ральф А. Джеймс и Альберт Гиорсо . Они использовали 60-дюймовый циклотрон в Калифорнийском университете в Беркли. ^[7] Элемент был химически идентифицирован в Металлургической лаборатории (ныне Аргоннская национальная лаборатория ) Чикагского университета . После более легкого нептуния , плутония и более тяжелого кюрия, америций был четвертым открытым трансурановым элементом. В то время Сиборг реструктурировал периодическую таблицу в ее нынешнем виде, в котором ряд актинидов находился под строкой лантаноидов . Это привело к тому, что америций оказался прямо под его двойным лантаноидным элементом европием; таким образом, он был назван по аналогии в честь Америки : «Название америций (в честь Америки) и символ Am предложены для элемента на основе его положения в качестве шестого члена ряда актинидов редкоземельных элементов, аналогичного европию, Eu из ряда лантаноидов ". ^{[8] [9] [10]}

Новый элемент был изолирован от его оксидов в сложном многоступенчатом процессе. Первый раствор нитрата плутония- ²³⁹ ( ²³⁹ PuNO ₃ ) наносили на платиновую фольгу площадью около 0,5 см ² , раствор выпаривали и остаток превращали в диоксид плутония (PuO ₂ ) прокаливанием. После циклотронного облучения покрытие растворяли в азотной кислоте , а затем осаждали в виде гидроксида с использованием концентрированного водного раствора аммиака . Остаток растворяли в хлорной кислоте . Дальнейшее разделение проводилось ионным обменом., давая определенный изотоп кюрия. Разделение кюрия и америция было настолько кропотливым, что эти элементы первоначально были названы группой Беркли как пандемониум (от греческого - все демоны или ад ) и бред (от латинского - безумие ). ^{[11] [12]}

Первоначальные эксперименты дали четыре изотопа америция: ²⁴¹ Am, ²⁴² Am, ²³⁹ Am и ²³⁸ Am. Америций-241 был получен непосредственно из плутония при поглощении двух нейтронов. Распадается с испусканием α-частицы до ²³⁷ Np; полураспад этого распада был первым определяются как510 ± 20 лет, но затем исправлено до 432,2 года. ^[13]

${\displaystyle {\ce {^{239}_{94}Pu ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{240}_{94}Pu ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{241}_{94}Pu ->[\beta^-][14.35\ {\ce {yr}}] ^{241}_{95}Am}}\ \left({\ce {->[\alpha][432.2\ {\ce {yr}}] ^{237}_{93}Np}}\right)}$

Времена полураспада

Второй изотоп ²⁴² Am образовался при бомбардировке нейтронами уже созданного ²⁴¹ Am. При быстром бета-распаде , ²⁴² Am превращается в изотопа кюрий ²⁴² Cm (который был обнаружен ранее). Период полураспада этого распада был первоначально определен на уровне 17 часов, что было близко к принятому в настоящее время значению 16,02 часа. ^[13]

${\displaystyle {\ce {^{241}_{95}Am ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{242}_{95}Am}}\ \left({\ce {->[\beta^-][16.02\ {\ce {h}}] ^{242}_{96}Cm}}\right)}$

Открытие америция и кюрия в 1944 году было тесно связано с Манхэттенским проектом ; результаты были конфиденциальными и рассекречены только в 1945 году. Сиборг просочил синтез элементов 95 и 96 в американском радио-шоу для детей Quiz Kids за пять дней до официальной презентации на собрании Американского химического общества 11 ноября 1945 года, когда один из Слушатели спрашивали, был ли открыт во время войны какой-либо новый трансурановый элемент, кроме плутония и нептуния. ^[11] После открытия изотопов америция ²⁴¹ Am и ²⁴² Am, их производство и соединения были запатентованы с указанием только Сиборга в качестве изобретателя. ^[14]Исходные образцы америция весили несколько микрограммов; они были едва видны и были идентифицированы по радиоактивности. Первые значительные количества металлического америций весом 40-200 микрограмм не были получены до 1951 восстановлением америций (III) фторида с барием металла в высоком вакууме при температуре 1100 ° С. ^[15]

Происшествие [ править ]

Наиболее долгоживущие и наиболее распространенные изотопы америция ²⁴¹ Am и ²⁴³ Am имеют период полураспада 432,2 и 7370 лет соответственно. Следовательно, любой первичный америций (америций, который присутствовал на Земле во время ее образования) к настоящему времени должен был распасться. Незначительные количества америция, вероятно, встречаются в урановых минералах в естественных условиях в результате ядерных реакций, хотя это не было подтверждено. ^{[16] [17]}

Существующий америций сконцентрирован в районах, где проводились испытания ядерного оружия в атмосфере между 1945 и 1980 годами, а также в местах ядерных инцидентов, таких как чернобыльская катастрофа . Например, анализ мусора на полигоне первой американской водородной бомбы , Ivy Mike , (1 ноября 1952, Эниветок ), показал высокие концентрации различных актинидов включая америций; но из-за военной секретности этот результат был опубликован позже, в 1956 году. ^[18] Тринитит , стекловидный осадок, оставшийся на дне пустыни недалеко от Аламогордо , штат Нью-Мексико , после плутония.ядерная бомба Тринити, основанная на испытании 16 июля 1945 года, содержит следы америция-241. Повышенный уровень америция был также обнаружен на месте крушения американского бомбардировщика Boeing B-52 , несшего четыре водородные бомбы, в 1968 году в Гренландии . ^[19]

В других регионах средняя радиоактивность поверхности почвы за счет остаточного америция составляет всего около 0,01  пикокюри / г (0,37  мБк / г). Атмосферные соединения америция плохо растворяются в обычных растворителях и в основном прилипают к частицам почвы. Анализ почвы показал, что концентрация америция внутри песчаных частиц почвы примерно в 1900 раз выше, чем в воде, присутствующей в порах почвы; еще более высокое соотношение было измерено в суглинистых почвах. ^[20]

Америций производят в основном искусственно в небольших количествах для исследовательских целей. Тонна отработавшего ядерного топлива содержит около 100 граммов различных изотопов америция, в основном ²⁴¹ Am и ²⁴³ Am. ^[21] Их длительная радиоактивность нежелательна для захоронения, и поэтому америций вместе с другими долгоживущими актинидами необходимо нейтрализовать. Соответствующая процедура может включать несколько этапов, на которых америций сначала отделяется, а затем превращается нейтронной бомбардировкой в ​​специальных реакторах в короткоживущие нуклиды. Эта процедура хорошо известна как ядерная трансмутация , но для америция она все еще разрабатывается. ^{[22] [23]} В трансурановых элементах из америция вфермий естественным образом возник в естественном ядерном реакторе деления в Окло , но больше этого не происходит. ^[24]

Синтез и извлечение [ править ]

Изотопный нуклеосинтез [ править ]

Америций в небольших количествах производился в ядерных реакторах на протяжении десятилетий, и к настоящему времени накоплены килограммы его изотопов ²⁴¹ Am и ²⁴³ Am. ^[25] Тем не менее, с тех пор, как он был впервые выставлен на продажу в 1962 году, его цена, около 1500 долларов США за грамм ²⁴¹ Am, остается практически неизменной из-за очень сложной процедуры разделения. ^[26] Более тяжелый изотоп ²⁴³ Am производится в гораздо меньших количествах; таким образом, разделить труднее, что приводит к более высокой стоимости порядка 100 000–160 000 долларов США за грамм. ^{[27] [28]}

Америций синтезируется не непосредственно из урана - наиболее распространенного реакторного материала - а из изотопа плутония ²³⁹ Pu. Последние должны быть произведены в первую очередь в соответствии со следующим ядерным процессом:

${\displaystyle {\ce {^{238}_{92}U ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{239}_{92}U ->[\beta^-][23.5 \ {\ce {min}}] ^{239}_{93}Np ->[\beta^-][2.3565 \ {\ce {d}}] ^{239}_{94}Pu}}}$

Захват двух нейтронов ²³⁹ Pu (так называемая (n, γ) реакция) с последующим β-распадом дает ²⁴¹ Am:

${\displaystyle {\ce {^{239}_{94}Pu ->[{\ce {2(n,\gamma)}}] ^{241}_{94}Pu ->[\beta^-][14.35 \ {\ce {yr}}] ^{241}_{95}Am}}}$

Плутоний, присутствующий в отработавшем ядерном топливе, содержит около 12% ²⁴¹ Pu. Поскольку он самопроизвольно преобразуется в ²⁴¹ Am, ²⁴¹ Pu может быть извлечен и может быть использован для получения дополнительных ²⁴¹ Am. ^[26] Однако этот процесс довольно медленный: половина исходного количества ²⁴¹ Pu распадается до ²⁴¹ Am примерно через 15 лет, а количество ²⁴¹ Am достигает максимума через 70 лет. ^[29]

Полученный ²⁴¹ Am можно использовать для генерации более тяжелых изотопов америция путем дальнейшего захвата нейтронов внутри ядерного реактора. В легководном реакторе (LWR) 79% ²⁴¹ Am превращается в ²⁴² Am и 10% - в его ядерный изомер ^242m Am: ^{[примечание 1] [30]}

${\displaystyle {\begin{cases}79\%:&{\ce {^{241}_{95}Am ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{242}_{95}Am}}\\10\%:&{\ce {^{241}_{95}Am ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{242 m}_{95}Am}}\end{cases}}}$

Америций-242 имеет период полураспада всего 16 часов, что делает его дальнейшее преобразование в ²⁴³ Am крайне неэффективным. Последний изотоп вместо этого производится в процессе, в котором ²³⁹ Pu захватывает четыре нейтрона при высоком потоке нейтронов :

${\displaystyle {\ce {^{239}_{94}Pu ->[{\ce {4(n,\gamma)}}] \ ^{243}_{94}Pu ->[\beta^-][4.956 \ {\ce {h}}] ^{243}_{95}Am}}}$

Поколение металла [ править ]

Большинство программ синтеза дают смесь различных изотопов актинидов в оксидных формах, из которых можно отделить изотопы америция. В типичной процедуре отработавшее реакторное топливо (например, МОКС-топливо ) растворяется в азотной кислоте , и основная часть урана и плутония удаляется с использованием экстракции типа PUREX ( тяга P- лутоний- UR- anium EX ) с трибутилфосфатом в углеводороде. . Затем лантаноиды и оставшиеся актиниды отделяются от водного остатка ( рафината ) диамидом.экстракция на основе, с получением после отгонки смеси трехвалентных актинидов и лантаноидов. Затем соединения америция выборочно экстрагируются с использованием методов многоступенчатой хроматографии и центрифугирования ^[31] с подходящим реагентом. Проведена большая работа по экстракции америция растворителем . Например, в 2003 г. финансируемый ЕС проект под кодовым названием "EUROPART" изучал триазины и другие соединения как потенциальные экстракционные агенты. ^{[32] [33] [34] [35] [36]} бис -triazinyl бипиридин комплекс был предложен в 2009 году в качестве такого реагента , имеет высокую селективность по америций (и кюрий).^[37] Отделение америция от очень похожего кюрия может быть достигнуто путем обработки суспензии их гидроксидов в водном бикарбонате натрия с озоном при повышенных температурах. И Am, и Cm в основном присутствуют в растворах с валентностью +3; в то время как кюрий остается неизменным, америций окисляется до растворимых комплексов Am (IV), которые можно вымыть. ^[38]

Металлический америций получают восстановлением из его соединений. Для этой цели впервые был использован фторид америция (III) . Реакцию проводили с использованием элементарного бария в качестве восстановителя в среде, свободной от воды и кислорода, внутри аппарата, сделанного из тантала и вольфрама . ^{[15] [39] [40]}

${\displaystyle \mathrm {2\ AmF_{3}\ +\ 3\ Ba\ \longrightarrow \ 2\ Am\ +\ 3\ BaF_{2}} }$

Альтернативой является восстановление диоксида америция металлическим лантаном или торием : ^{[40] [41]}

${\displaystyle \mathrm {3\ AmO_{2}\ +\ 4\ La\ \longrightarrow \ 3\ Am\ +\ 2\ La_{2}O_{3}} }$

Физические свойства [ править ]

В периодической таблице америций расположен справа от плутония, слева от кюрия и ниже лантаноида европия , с которым он имеет много общих физических и химических свойств. Америций - очень радиоактивный элемент. В свежеприготовленном состоянии он имеет серебристо-белый металлический блеск, но затем медленно тускнеет на воздухе. При плотности 12 г / см ³ америций менее плотен, чем кюрий (13,52 г / см ³ ) и плутоний (19,8 г / см ³ ); но имеет более высокую плотность, чем европий (5,264 г / см ³ ), в основном из-за его более высокой атомной массы. Америций относительно мягкий, легко деформируемый и имеет значительно более низкий объемный модуль.чем предшествующие актиниды: Th, Pa, U, Np и Pu. ^[42] Его температура плавления 1173 ° C значительно выше, чем у плутония (639 ° C) и европия (826 ° C), но ниже, чем у кюрия (1340 ° C). ^{[41] [43]}

В условиях окружающей среды америций присутствует в своей наиболее стабильной α-форме, которая имеет гексагональную симметрию кристалла и пространственную группу P6 ₃ / mmc с параметрами ячейки a  = 346,8  пм и c  = 1124 пм и четырьмя атомами на элементарную ячейку . Кристалл состоит из двойной гексагональной плотной упаковки с последовательностью слоев ABAC и поэтому изотипен α-лантану и нескольким актинидам, таким как α-кюрий. ^{[39] [43]} Кристаллическая структура америция изменяется с давлением и температурой. При сжатии при комнатной температуре до 5 ГПа α-Am превращается в β-модификацию, имеющую гранецентрированную кубическую форму.( ГЦК ) симметрия, пространственная группа Fm 3 m и постоянная решетки a  = 489 пм. Эта ГЦК- структура эквивалентна плотнейшей упаковке с последовательностью ABC. ^{[39] [43]} При дальнейшем сжатии до 23 ГПа америций трансформируется в ромбическую структуру γ-Am, аналогичную структуре α-урана. Дальнейших переходов до 52 ГПа не наблюдается, за исключением появления моноклинной фазы при давлениях от 10 до 15 ГПа. ^[42]В литературе нет согласованности в отношении статуса этой фазы, в которой также иногда перечислены фазы α, β и γ как I, II и III. Β-γ переход сопровождается уменьшением объема кристалла на 6%; Хотя теория также предсказывает значительное изменение объема для α-β перехода, экспериментально это не наблюдается. Давление α-β-перехода уменьшается с повышением температуры, и когда α-америций нагревается при давлении окружающей среды, при 770 ° C он превращается в фазу с ГЦК , отличную от β-Am, а при 1075 ° C он превращается в объемно-центрированной кубической структурой. Таким образом, фазовая диаграмма давление-температура америция очень похожа на диаграммы лантана, празеодима и неодима . ^[44]

Как и в случае со многими другими актинидами, саморазрушение кристаллической структуры из-за облучения альфа-частицами присуще америцию. Это особенно заметно при низких температурах, когда подвижность образующихся дефектов структуры относительно невысока, из-за уширения пиков дифракции рентгеновских лучей . Этот эффект делает несколько неопределенными температуру америция и некоторые его свойства, такие как удельное электрическое сопротивление . ^[45]Так, для америция-241 удельное сопротивление при 4,2 К увеличивается со временем примерно с 2 мкОм · см до 10 мкОм · см через 40 часов и достигает насыщения примерно до 16 мкОм · см через 140 часов. Этот эффект менее выражен при комнатной температуре из-за аннигиляции радиационных дефектов; также нагревание до комнатной температуры образца, выдержанного в течение нескольких часов при низких температурах, восстанавливает его удельное сопротивление. В свежих образцах удельное сопротивление постепенно увеличивается с температурой от примерно 2 мкОм · см в жидком гелии до 69 мкОм · см при комнатной температуре; это поведение аналогично поведению нептуния, урана, тория и протактиния., но отличается от плутония и кюрия, которые быстро повышаются до 60 К с последующим насыщением. Значение комнатной температуры для америция ниже, чем для нептуния, плутония и кюрия, но выше, чем для урана, тория и протактиния. ^[1]

Америций парамагнитен в широком диапазоне температур, от жидкого гелия до комнатной и выше. Это поведение заметно отличается от поведения соседнего кюрия, который демонстрирует антиферромагнитный переход при 52 К. ^[46] Коэффициент теплового расширения америция слегка анизотропен и составляет(7,5 ± 0,2) × 10 ^-6  / ° С вдоль короче оси и(6,2 ± 0,4) × 10 ⁻⁶  / ° C для более длинной гексагональной оси c . ^[43] энтальпия растворения америция металла в соляной кислоте при стандартных условиях-620,6 ± 1,3 кДж / моль , из которых стандартное изменение энтальпии образования (Δ _f H °) водного иона Am ³⁺ составляет-621,2 ± 2,0 кДж / моль . Стандартный потенциал Am ³⁺ / Am ⁰ есть-2,08 ± 0,01 В . ^[47]

Химические свойства [ править ]

Металлический америций легко реагирует с кислородом и растворяется в водных кислотах . Самая стабильная степень окисления америция - +3. ^[48] Химия америция (III) имеет много общего с химией соединений лантаноидов (III). Например, трехвалентный америций образует нерастворимый фторид , оксалат , йодат , гидроксид , фосфат и другие соли. ^[48] Также были изучены соединения америция в степенях окисления 2, 4, 5 и 6. Это самый широкий диапазон, который наблюдался для актинидных элементов. Цвет соединений америция в водном растворе следующий: Am³⁺ (желто-красноватый), Am ⁴⁺ (желто-красноватый), Am ^V O⁺
₂; (желтый), Am ^VI O²⁺
₂(коричневый) и Am ^VII O^5-
₆(темно-зеленый). ^{[49] [50]} Спектры поглощения имеют острые пики из-за переходов f - f в видимой и ближней инфракрасной областях. Как правило, Am (III) имеет максимумы абсорбции примерно на уровне около 30 минут. 504 и 811 нм, Am (В) при ок. 514 и 715 нм, а Am (VI) ок. 666 и 992 нм. ^{[51] [52] [53] [54]}

Соединения америция со степенью окисления +4 и выше являются сильными окислителями, сравнимыми по силе с перманганат- ионом ( MnO^-
₄) в кислых растворах. ^[55] В то время как ионы Am ⁴⁺ нестабильны в растворах и легко превращаются в Am ³⁺ , такие соединения, как диоксид америция (AmO ₂ ) и фторид америция (IV) (AmF ₄ ), стабильны в твердом состоянии.

Пятивалентная степень окисления америция была впервые обнаружена в 1951 году. ^[56] В кислом водном растворе AmO⁺
₂ион нестабилен по отношению к диспропорционированию . ^{[57] [58] [59]} Реакция

${\displaystyle {\ce {3AmO2+ + 4H+ -> 2AmO2^2+ + Am^3+ + 2H2O}}}$

типично. Химический состав Am (V) и Am (VI) сопоставим с химией урана в этих степенях окисления. В частности, такие соединения, как Li ₃ AmO ₄ и Li ₆ AmO ₆ , сопоставимы с уранатами, а ион AmO ₂ ²⁺ сопоставим с ионом уранила UO ₂ ²⁺ . Такие соединения могут быть получены окислением Am (III) в разбавленной азотной кислоте персульфатом аммония . ^[60] Другие использованные окислители включают оксид серебра (I) , ^[54] озон и персульфат натрия.. ^[53]

Химические соединения [ править ]

Кислородные соединения [ править ]

Известны три оксида америция со степенью окисления +2 (AmO), +3 (Am ₂ O ₃ ) и +4 (AmO ₂ ). Оксид америция (II) был получен в незначительных количествах и подробно не охарактеризован. ^[61] Оксид америция (III) представляет собой красно-коричневое твердое вещество с температурой плавления 2205 ° C. ^[62] Оксид америция (IV) - основная форма твердого америция, которая используется почти во всех сферах его применения. Как и большинство других диоксидов актинидов, это твердое вещество черного цвета с кубической ( флюоритовой ) кристаллической структурой. ^[63]

Оксалат америция (III), высушенный в вакууме при комнатной температуре, имеет химическую формулу Am ₂ (C ₂ O ₄ ) ₃ · 7H ₂ O. При нагревании в вакууме он теряет воду при 240 ° C и начинает разлагаться на AmO _2. при 300 ° C разложение завершается примерно при 470 ° C. ^[48] Исходный оксалат растворяется в азотной кислоте с максимальной растворимостью 0,25 г / л. ^[64]

Галиды [ править ]

Галогениды америция известны степенями окисления +2, +3 и +4 ^[65], где +3 является наиболее стабильным, особенно в растворах. ^[66]

Восстановление соединений Am (III) амальгамой натрия дает соли Am (II) - черные галогениды AmCl ₂ , AmBr ₂ и AmI ₂ . Они очень чувствительны к кислороду и окисляются в воде, выделяя водород и переходя обратно в состояние Am (III). Конкретные постоянные решетки:

• Ромбическая AmCl ₂ : =896,3 ± 0,8 пм , b =757,3 ± 0,8 пм и c =453,2 ± 0,6 пм
• Тетрагональный AmBr ₂ : a =1 159 0,2 ± 12:04 вечера и с =712,1 ± 0,3 пм . ^[67] Их также можно получить реакцией металлического америция с соответствующим галогенидом ртути HgX ₂ , где X = Cl, Br или I: ^[68]

${\displaystyle {\ce {{Am}+{\underset {mercury\ halide}{HgX2}}->[{} \atop 400-500^{\circ }{\ce {C}}]{AmX2}+{Hg}}}}$

Фторид америция (III) (AmF ₃ ) плохо растворим и осаждается при взаимодействии Am ³⁺ и фторид-ионов в слабокислых растворах:

${\displaystyle {\ce {Am^3+ + 3F^- -> AmF3(v)}}}$

Четырехвалентный фторид америция (IV) (AmF ₄ ) получают реакцией твердого фторида америция (III) с молекулярным фтором : ^{[69] [70]}

${\displaystyle {\ce {2AmF3 + F2 -> 2AmF4}}}$

Другой известной формой твердого четырехвалентного хлорида америция является KAmF ₅ . ^{[69] [71]} Четырехвалентный америций также наблюдался в водной фазе. Для этой цели черный Am (OH) ₄ растворяли в 15- М NH ₄ F с концентрацией америция 0,01 М. Полученный красноватый раствор имел характерный спектр оптического поглощения, который подобен спектру оптического поглощения AmF _4, но отличается от другого окисления. состояния америция. Нагревание раствора Am (IV) до 90 ° C не привело к его диспропорционированию или восстановлению, однако наблюдалось медленное восстановление Am (III), связанное с самооблучением америция альфа-частицами. ^[52]

Большинство галогенидов америция (III) образуют гексагональные кристаллы с небольшими вариациями цвета и точной структуры между галогенами. Итак, хлорид (AmCl ₃ ) красноватый и имеет структуру, изотипную хлориду урана (III) (пространственная группа P6 ₃ / м), и температуру плавления 715 ° C. ^[65] Фторид изотипен LaF ₃ (пространственная группа P6 ₃ / mmc), а йодид - BiI ₃ (пространственная группа R 3 ). Бромид является исключением с орторомбической структурой типа PuBr ₃ и пространственной группой Cmcm. ^[66] Кристаллы гексагидрата америция (AmCl ₃ · 6H ₂О) можно получить растворением диоксида америция в соляной кислоте и выпариванием жидкости. Эти кристаллы гигроскопичны, имеют желто-красноватый цвет и моноклинную кристаллическую структуру. ^[72]

Оксигалогениды америция в форме Am ^VI O ₂ X ₂ , Am ^V O ₂ X, Am ^IV OX ₂ и Am ^III OX могут быть получены взаимодействием соответствующего галогенида америция с кислородом или Sb ₂ O ₃ , а также может быть получен AmOCl. парофазным гидролизом : ^[68]

${\displaystyle {\ce {AmCl3 + H2O -> AmOCl + 2HCl}}}$

Халькогениды и пниктиды [ править ]

Известные халькогениды америция включают сульфид AmS ₂ , ^[73] селениды AmSe ₂ и Am ₃ Se ₄ , ^{[73] [74]} и теллуриды Am ₂ Te ₃ и AmTe ₂ . ^[75] В пниктиды америция ( ²⁴³ Am) типа AMX известны для элементов фосфора , мышьяка , ^[76] сурьмы и висмута . Они кристаллизуются в каменной солирешетка. ^[74]

Силициды и бориды [ править ]

Америций Моносилицид (AmSi) и «дисилицид» (номинально AmSi _х с: 1,87 <х <2,0) были получено восстановлением америция (III) фторид с элементарным кремнием в вакууме при температуре 1050 ° C (Amsi) и 1150-1200 ° C ( AmSi _x ). AmSi - черное твердое тело, изоморфное LaSi, оно имеет ромбическую симметрию кристалла. AmSi _x имеет яркий серебристый блеск и тетрагональную кристаллическую решетку (пространственная группа I 4 ₁ / amd), он изоморфен PuSi ₂ и ThSi ₂ . ^[77] Бориды америция включают AmB ₄ и AmB _6.. Тетраборид может быть получен путем нагревания оксида или галогенида америция с диборидом магния в вакууме или инертной атмосфере. ^{[78] [79]}

Органоамерициевые соединения [ править ]

Аналогично ураноцену , америций образует металлоорганическое соединение амероцен с двумя циклооктатетраеновыми лигандами с химической формулой (η ⁸ -C ₈ H ₈ ) ₂ Am. ^[80] циклопентадиенил комплекс Известен также , что, вероятно, будет стехиометрический AMCP ₃ . ^{[81] [82]}

Образование комплексов типа Am (nC ₃ H ₇ -BTP) ₃ , где BTP означает 2,6-ди (1,2,4-триазин-3-ил) пиридин, в растворах, содержащих nC ₃ H ₇ - Ионы BTP и Am ³⁺ подтверждены EXAFS . Некоторые из этих комплексов BTP-типа селективно взаимодействуют с америцием и, следовательно, полезны для его селективного отделения от лантаноидов и других актинидов. ^[83]

Биологические аспекты [ править ]

Америций - это искусственный элемент недавнего происхождения, поэтому в нем нет биологических требований . ^{[84] [85]} Это вредно для жизни . Было предложено использовать бактерии для удаления америция и других тяжелых металлов из рек и ручьев. Таким образом, Enterobacteriaceae рода Citrobacter осаждают ионы америция из водных растворов, связывая их в металл-фосфатный комплекс на своих клеточных стенках. ^[86] Сообщалось о нескольких исследованиях биосорбции и биоаккумуляции америция бактериями ^{[87] [88]} и грибами. ^[89]

Деление [ править ]

Изотоп ^242m Am (период полураспада 141 год) имеет наибольшее сечение поглощения тепловых нейтронов (5700 барн ) ^[90], что приводит к небольшой критической массе для устойчивой цепной ядерной реакции . Критическая масса голой сферы из ^{аммиака} диаметром ^{242 м} составляет около 9–14 кг (неопределенность возникает из-за недостаточного знания свойств ее материала). Его можно уменьшить до 3–5 кг с помощью металлического отражателя и еще больше уменьшить с помощью водяного отражателя. ^[91] Такая малая критическая масса благоприятна для портативных ядерных боеприпасов , но для оружия на базе ^242мAm пока не известны, вероятно, из-за его редкости и высокой цены. Критические массы двух других легкодоступных изотопов, ²⁴¹ Am и ²⁴³ Am, относительно высоки - от 57,6 до 75,6 кг для ²⁴¹ Am и 209 кг для ²⁴³ Am. ^[92] Дефицит и высокая цена все же препятствуют применению америция в качестве ядерного топлива в ядерных реакторах . ^[93]

Существуют предложения очень компактных реакторов с большим потоком 10 кВт, использующих всего 20 граммов ^{242 м · м} . Такие реакторы малой мощности можно было бы относительно безопасно использовать в качестве источников нейтронов для лучевой терапии в больницах. ^[94]

Изотопы [ править ]

Известно около 19 изотопов и 8 ядерных изомеров америция. Есть два долгоживущих альфа-излучателя; ²⁴³ Am имеет период полураспада 7370 лет и является наиболее стабильным изотопом, а ²⁴¹ Am имеет период полураспада 432,2 года. Самый стабильный ядерный изомер - ^242m1 Am; его период полураспада составляет 141 год. ^{Периоды} полураспада других изотопов и изомеров колеблются от 0,64 микросекунды для ^{245 м1 аммония} до 50,8 часа для ^{240 атм} . Как и большинство других актинидов, изотопы америция с нечетным числом нейтронов имеют относительно высокую скорость ядерного деления и низкую критическую массу. ^[13]

Америций-241 распадается до ²³⁷ Np с испусканием альфа-частиц 5 различных энергий, в основном с энергиями 5,486 МэВ (85,2%) и 5,443 МэВ (12,8%). Поскольку многие из образовавшихся состояний являются метастабильными, они также испускают гамма-лучи с дискретными энергиями от 26,3 до 158,5 кэВ. ^[95]

Америций-242 - короткоживущий изотоп с периодом полураспада 16,02 часа. ^[13] В основном (82,7%) он превращается в ²⁴² Cm путем β-распада , а также путем захвата электронов в ²⁴² Pu (17,3%). И ²⁴² Cm, и ²⁴² Pu преобразуются через почти одну и ту же цепочку распадов от ²³⁸ Pu до ²³⁴ U.

Почти весь (99,541%) ^242m1 Am распадается в результате внутреннего превращения в ²⁴² Am, а остальные 0,459% в результате α-распада до ²³⁸ Np. Последний впоследствии распадается до ²³⁸ Pu, а затем до ²³⁴ U. ^[13]

Америций-243 превращается посредством α-излучения в ²³⁹ Np, который при β-распаде превращается в ²³⁹ Pu, а ²³⁹ Pu превращается в ²³⁵ U, испуская α-частицу.

Приложения [ править ]

Детектор дыма ионизационного типа [ править ]

Америций используется в наиболее распространенных типах бытовых дымовых извещателей , которые используют ²⁴¹ Am в форме диоксида америция в качестве источника ионизирующего излучения . ^[96] Этот изотоп предпочтительнее ²²⁶ Ra, потому что он испускает в 5 раз больше альфа-частиц и относительно мало вредного гамма-излучения.

Количество америция в типичном новом дымовом извещателе составляет 1  микрокюри (37  кБк ) или 0,29 микрограмма . Это количество медленно уменьшается по мере того, как америций распадается на нептуний- 237, другой трансурановый элемент с гораздо более длительным периодом полураспада (около 2,14 миллиона лет). При периоде полураспада 432,2 года америций в детекторе дыма включает около 3% нептуния через 19 лет и около 5% через 32 года. Излучение проходит через ионизационную камеру , заполненное воздухом пространство между двумя электродами , и пропускает небольшой постоянный ток.между электродами. Любой дым, попадающий в камеру, поглощает альфа-частицы, что снижает ионизацию и влияет на этот ток, вызывая тревогу. По сравнению с альтернативным оптическим детектором дыма ионизационный детектор дыма дешевле и может обнаруживать частицы, которые слишком малы, чтобы вызывать значительное рассеяние света; однако он более подвержен ложным срабатываниям . ^{[97] [98] [99] [100]}

Радионуклид [ править ]

Поскольку период полураспада ²⁴¹ Am примерно такой же, как у ²³⁸ Pu (432,2 года против 87 лет), он был предложен в качестве активного элемента радиоизотопных термоэлектрических генераторов , например, в космических аппаратах. ^[101] Хотя америций производит меньше тепла и электроэнергии - выход энергии составляет 114,7 мВт / г для ²⁴¹ Am и 6,31 мВт / г для ²⁴³ Am ^[1] (ср. 390 мВт / г для ²³⁸ Pu) ^[101] - и его Радиация представляет большую опасность для людей из-за эмиссии нейтронов, Европейское космическое агентство рассматривает возможность использования америция для своих космических зондов. ^[102]

Еще одно предлагаемое применение америция в космосе - это топливо для космических кораблей с ядерной силовой установкой. Он основан на очень высокой скорости деления ядер ²⁴² мкм, которая может поддерживаться даже в фольге толщиной в микрометр. Малая толщина позволяет избежать проблемы самопоглощения испускаемого излучения. Эта проблема актуальна для стержней из урана или плутония, в которых только поверхностные слои содержат альфа-частицы. ^{[103] [104]} Продукты деления ^242m Am могут либо привести в движение космический корабль, либо нагреть движущийся газ. Они также могут передавать свою энергию жидкости и вырабатывать электричество с помощью магнитогидродинамического генератора . ^[105]

Еще одно предложение, в котором используется высокая скорость ядерного деления ^{242 мкм,} - это ядерная батарея. Его конструкция основана не на энергии испускаемых альфа-частицами америция, а на их заряде, то есть америций действует как самоподдерживающийся «катод». За один заряд такой батареи 3,2 кг ^{242 м · м} можно было обеспечить около 140 кВт энергии в течение 80 дней. ^[106] Несмотря на все потенциальные выгоды, текущее применение ^242m Am пока затруднено из-за дефицита и высокой цены этого конкретного ядерного изомера . ^[105]

В 2019 году исследователи из Национальной ядерной лаборатории Великобритании и Университета Лестера продемонстрировали использование тепла, выделяемого америцием, для освещения небольшой лампочки. Эта технология может привести к созданию систем для энергетических миссий продолжительностью до 400 лет в межзвездное пространство , где солнечные батареи не работают. ^{[107] [108]}

Источник нейтронов [ править ]

Оксид ²⁴¹ Am, спрессованный с бериллием, является эффективным источником нейтронов . Здесь америций действует как альфа-источник, а бериллий производит нейтроны из-за своего большого сечения для (α, n) ядерной реакции:

${\displaystyle {\ce {^{241}_{95}Am -> ^{237}_{93}Np + ^{4}_{2}He + \gamma}}}$

${\displaystyle {\ce {^{9}_{4}Be + ^{4}_{2}He -> ^{12}_{6}C + ^{1}_{0}n + \gamma}}}$

Наиболее распространенным источником нейтронов ²⁴¹ AmBe является нейтронный зонд - устройство, используемое для измерения количества воды, присутствующей в почве, а также влажности / плотности для контроля качества при строительстве автомагистралей. Источники нейтронов ²⁴¹ Am также используются в каротажных исследованиях, а также в нейтронной радиографии , томографии и других радиохимических исследованиях. ^[109]

Производство других элементов [ править ]

Америций является исходным материалом для производства других трансурановых элементов и трансактинидов - например, 82,7% ²⁴² Am распадается до ²⁴² Cm и 17,3% до ²⁴² Pu. В ядерном реакторе ²⁴² Am также преобразуется с повышением частоты за счет захвата нейтронов до ²⁴³ Am и ²⁴⁴ Am, которые преобразуются посредством β-распада в ²⁴⁴ Cm:

${\displaystyle {\ce {^{243}_{95}Am ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{244}_{95}Am ->[\beta^-][10.1 \ {\ce {h}}] ^{244}_{96}Cm}}}$

Облучение ²⁴¹ Am ионами ¹² C или ²² Ne дает изотопы ²⁴⁷ Es ( эйнштейний ) или ²⁶⁰ Db ( дубний ) соответственно. ^[109] Кроме того, элемент берклий ( изотоп ²⁴³ Bk) был впервые намеренно произведен и идентифицирован путем бомбардировки ²⁴¹ Am альфа-частицами в 1949 году той же группой Беркли с использованием того же 60-дюймового циклотрона. Аналогичным образом нобелий производился в Объединенном институте ядерных исследований , Дубна., Россия, в 1965 г. в нескольких реакциях, одна из которых включала облучение ²⁴³ Am ¹⁵ ионами N. Кроме того, одна из реакций синтеза лоуренсия , открытая учеными в Беркли и Дубне, включала бомбардировку ²⁴³ Am ¹⁸ O ^[10].

Спектрометр [ править ]

Америций-241 использовался в качестве портативного источника гамма-излучения и альфа-частиц для ряда медицинских и промышленных целей. Излучение гамма-излучения 59,5409 кэВ от ²⁴¹ Am в таких источниках можно использовать для косвенного анализа материалов в радиографии и рентгеновской флуоресцентной спектроскопии, а также для контроля качества в стационарных ядерных плотномерах и ядерных плотномерах . Например, этот элемент использовался для измерения толщины стекла для создания плоского стекла. ^[25]Америций-241 также подходит для калибровки гамма-спектрометров в области низких энергий, поскольку его спектр состоит почти из одного пика и незначительного комптоновского континуума (по крайней мере, на три порядка меньшей интенсивности). ^[110] Гамма-лучи америция-241 также использовались для пассивной диагностики функции щитовидной железы. Однако это медицинское приложение устарело.

Проблемы со здоровьем [ править ]

Как высокорадиоактивный элемент, америций и его соединения должны обрабатываться только в соответствующей лаборатории в особых условиях. Хотя большинство изотопов америция в основном излучают альфа-частицы, которые могут быть заблокированы тонкими слоями обычных материалов, многие из дочерних продуктов испускают гамма-лучи и нейтроны, которые имеют большую глубину проникновения. ^[111]

При употреблении большая часть америция выводится в течение нескольких дней, и только 0,05% всасывается с кровью, из которых примерно 45% попадает в печень и 45% - в кости, а оставшиеся 10% выводятся. Поглощение печенью зависит от человека и увеличивается с возрастом. В костях америций сначала откладывается на кортикальных и трабекулярных поверхностях и со временем медленно перераспределяется по кости. Биологический период полураспада ²⁴¹ Am составляет 50 лет в костях и 20 лет в печени, тогда как в гонадах (яичках и яичниках) он сохраняется постоянно; Во всех этих органах америций способствует образованию раковых клеток в результате своей радиоактивности. ^{[20] [112] [113]}

Америций часто попадает на свалки из выброшенных детекторов дыма . Правила, связанные с утилизацией дымовых извещателей, ослаблены в большинстве юрисдикций. В 1994 году 17-летний Дэвид Хан извлек америций примерно из 100 детекторов дыма, пытаясь построить ядерный реактор-размножитель. ^{[114] [115] [116] [117]} Было несколько случаев воздействия америция, худшим из которых был техник по химическим операциям Гарольд МакКласки , который в возрасте 64 лет подвергся воздействию, в 500 раз превышающему профессиональный стандарт для америций-241 в результате взрыва в его лаборатории. Маккласки умер в возрасте 75 лет от несвязанной ранее болезни. ^{[118] [119]}

См. Также [ править ]

• Актиниды в окружающей среде
• Категория: Соединения америция

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

• Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
• Пеннеман Р.А. и Кинан Т.К. Радиохимия америция и кюрия , Калифорнийский университет, Лос-Аламос, Калифорния, 1960 г.
• Виберг, Нильс (2007). Lehrbuch Der Anorganischen Chemie . Де Грюйтер. ISBN 978-3-11-017770-1.

Дальнейшее чтение [ править ]

• Нуклиды и изотопы - 14-е издание , GE Nuclear Energy, 1989.
• Фиони, Габриэле; Крибье, Мишель и Мари, Фредерик. «Может ли второстепенный актинид, америций-241, трансмутироваться тепловыми нейтронами?» . Commissariat à l'énergie atomique . Архивировано из оригинального 11 ноября 2007 года.
• Ствертка, Альберт (1999). Путеводитель по элементам . Издательство Оксфордского университета, США. ISBN 978-0-19-508083-4.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме Америций .

Найдите америций в Викисловаре, бесплатном словаре.

• Америций в Периодической таблице видео (Ноттингемский университет)
• ATSDR - Заявление об общественном здравоохранении: Америций
• Всемирная ядерная ассоциация - детекторы дыма и америций