Актиний, торий, протактиний
Общие сведения
Актиний, торий и протактиний представляют собой радиоактивные химические элементы, относящиеся к семейству актиноидов. Актиний с атомным номером 89 был открыт в 1899 году французским химиком Андре Дебьерном в отходах от переработки урановой смолки, из которой ранее были удалены полоний и радий. Независимо от него в 1902 году немецкий физик Фридрих Гизель получил аналогичный элемент из той же фракции, назвав его эманием, однако впоследствии первенство было признано за Дебьерном. Название элемента происходит от греческого слова, означающего луч, по аналогии с латинским корнем в названии радия. Торий, элемент с атомным номером 90, был выделен Йенсом Якобом Берцелиусом в 1828 году из минерала, получившего впоследствии название торит. Протактиний, имеющий атомный номер 91, первоначально был обнаружен в 1913 году Казимиром Фаянсом и Освальдом Гельмутом Гёрингом в виде короткоживущего изотопа, который исследователи назвали бревием. Более стабильный изотоп протактиния-231 был открыт в 1917 году Отто Ганом и Лизой Мейтнер. Окончательно название протактиний было утверждено в 1949 году. Данное название отражает тот факт, что этот элемент является предшественником актиния в радиоактивном ряду, поскольку актиний образуется в результате радиоактивного распада протактиния.
Свойства и характеристики
Актиний является тяжелым, мягким металлом серебристо-белого цвета, который по своим физическим и химическим свойствам напоминает лантан. Вследствие высокой радиоактивности элемент флуоресцирует в темноте характерным голубым свечением. Актиний вступает в реакцию с водой с образованием гидроксида и с разбавленными кислотами, формируя соответствующие соли. В химических соединениях актиний проявляет степень окисления плюс три. Известно существование элемента в двух кристаллических формах, хотя детально изучена лишь одна из них. Торий представляет собой серебристо-белый, блестящий, мягкий и ковкий металл, кристаллизующийся в кубической сингании. При температуре около полутора кельвинов торий переходит в сверхпроводящее состояние. Температура плавления тория составляет 1750 градусов Цельсия. На воздухе металл тускнеет и темнеет, а при нагревании горит ярко-белым пламенем с образованием диоксида. Торий плохо растворяется в кислотах, но подвержен растворению в царской водке. В соединениях он проявляет степени окисления плюс два, плюс три и плюс четыре, из которых последняя является наиболее устойчивой. Протактиний является твердым радиоактивным металлом светло-серого цвета, который по плотности и твердости близок к урану и также обладает сверхпроводимостью. Кристаллизуется в тетрагональной сингании. Металл вступает в реакцию с кислородом, водяным паром, водородом и галогенами. Протактиний образует соединения со степенями окисления от плюс двух до плюс пяти. Элемент характеризуется высокой радиотоксичностью и является источником альфа-излучения с энергией частиц пять мегаэлектронвольт.
Нахождение в природе
Актиний относится к числу элементов, крайне мало распространенных в природе. Общее содержание актиния в земной коре оценивается приблизительно в 2600 тонн. В природных объектах элемент перемещается медленно и является химически пассивным. Актиний сопутствует урановым рудам и может встречаться в таких минералах, как молибденит, халькопирит, касситерит, кварц и пиролюзит. Торий также характеризуется низким содержанием в земной коре. В магматических породах его концентрация выше в кислых разностях и ниже в основных. Основная форма нахождения тория в породах представляет собой присутствие в составе уран-ториевых акцессорных минералов. К основным минералам, содержащим торий, относятся монацит, торианит и торит. Торий может присутствовать в виде примесей в слюде, мусковите, флогопите, а также в обычных гранитах. Месторождения тория известны в Китае, Австралии, Индии, Норвегии, США, Канаде, ЮАР, Бразилии и Кыргызстане. Протактиний содержится в земной коре в следовых количествах, составляющих несколько частиц на триллион, однако в некоторых месторождениях уранинитовой руды его концентрация может достигать нескольких частиц на миллион. Элемент входит в состав урановых руд на территориях США, Швеции, Демократической Республики Конго, Испании, Чехии, ЮАР, России, Канады и Марокко.
Получение
Извлечение актиния из урановых руд признано экономически нецелесообразным из-за его крайне низкого содержания. В основном элемент синтезируют искусственным путем посредством облучения изотопов радия нейтронами. При этом способе выход актиния составляет около двух процентов от исходного количества радия, а объемы получаемого вещества исчисляются граммами. Выделение и очистка актиния осуществляются методами экстракции и ионного обмена. Металлический актиний получают восстановлением трифторида актиния парами лития. При производстве тория монацитовые концентраты подвергают вскрытию с помощью кислот или щелочей, после чего редкоземельные элементы извлекают экстракцией трибутилфосфатом. Торий выделяют в виде диоксида, тетрахлорида или тетрафторида. Металлический торий получают из галогенидов или оксида методом металлотермии при температуре около 900 градусов Цельсия, а также путем электролиза расплавов фторидов. Протактиний выделяют из остатков от переработки урановой смолки. Для получения элемента также может применяться облучение тория нейтронами в ходе ядерных реакций. В настоящее время в связи с дефицитом и высокой радиотоксичностью протактиний извлекают преимущественно из отработанного ядерного топлива исключительно для нужд научных исследований.
Применение
Актиний представляет собой высокоопасный радиоактивный яд с интенсивной альфа-активностью. В организме человека он прочно удерживается в поверхностных слоях костной ткани и накапливается в печени, при этом скорость его выведения значительно отстает от скорости радиоактивного распада. Одним из дочерних продуктов распада актиния является радиоактивный газ радон. Практическое применение актиния ограничено. Торий имеет стратегические перспективы в области развития ядерной энергетики. Изотоп торий-232, не способный самостоятельно делиться тепловыми нейтронами, при захвате нейтрона превращается в уран-233. Уран-233 способен поддерживать цепную реакцию деления, что позволяет использовать торий в реакторах на быстрых нейтронах и разрабатывать уран-ториевый топливный цикл. Общие разведанные запасы тория превышают запасы урана. В виде металла торий применяется в металлургии для легирования магния, а в виде диоксида используется в производстве высокопрочных композиционных материалов. Исторически оксид тория применялся для создания калильных сеток в газовых светильниках, как рентгеноконтрастный препарат в медицине, для создания тарированных катодов прямого накала и при варке оптических стекол, однако ввиду радиоактивности и канцерогенности большинство данных применений было запрещено. Протактиний в настоящее время не находит практического применения за пределами профильных научных исследований из-за радиационной опасности. Работа с ним требует использования герметичных перчаточных боксов. При попадании в организм с пищей, водой или воздухом протактиний накапливается преимущественно в костях и печени. Период полувыведения элемента из костной ткани достигает пятидесяти лет, что обуславливает длительное внутреннее облучение тканей альфа-частицами и провоцирует развитие онкологических заболеваний.