Торий как представитель семейства актиноидов

 

                                          

Министерство здравоохранения и социального развития РоссийскойФедерации

Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Саратовский государственный медицинский университет

имени В.И. Разумовского» Министерство здравоохранения и социального

развития Российской Федерации

(ГБОУ ВПО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздравсоцразвития России)

           

               Кафедра  Медико-профилактического факультета

                 Дисциплина: Радиационная гигиена

 

                                                              Зав. Каф. :д.м.н., профессор И.Н.Луцевич

                                                   Преподаватель: асс. А.М. Симибратова

 

                                           Реферат на тему:

              «Торий как представитель семейства актиноидов»

 

 

                                                              Выполнила: студентка 6 курса, 2гр.,МПД                                                        

                                                    Полковниченко О. В.

 

 

                                              Саратов 2011

 

Содержание

 

      Введение……………………………………………………………………..3

1. Торий как представитель семейства актиноидов……………………….4
2. История открытия тория………………………………………………….4
3. Физико-химические свойства тория……………………………………..6
4. Торий в природе…………………………………………………………..10
5. Изотопы тория…………………………………………………………….11
6. Производство тория………………………………………………………13
7. Применение тория.......................................................................................14
8. Физиологические свойства тория………………………………………..16

     Заключение…………………………………………………………………...22

     Список  используемой литературы………………………………………….23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                             Введение

Название актиноиды (от актиний и греч. éidos — вид) означает — подобные актинию.

Актиноиды( актиниды) семейство из 14 химических элементов с атомными номерами Z 90 — 103, расположенных в 7 периоде системы Менделеева за актинием Ac и относящихся, как и актиний, к III группе системы. К актиноидам принадлежат:торийTh (Z=90), протактинийPa(91), уран U (92), нептунийNp(93), плутоний Pu (94), америцийAm (95), кюрийCm(96), берклийBk (97), калифорнийCf (98), эйнштейний Es (99), фермийFm (100), менделевийMd (101), элемент № 102, не имеющий пока общепринятого названия, и лоуренсийLr (103). Все актиноиды радиоактивны, т. е. не имеют стабильных изотопов. Th, Pa и U принадлежат к естественно-радиоактивным элементам, встречающимся в природе, и открытым ранее др. актиноидов.

 Огромная заслуга в изучении  А. принадлежит американскому  химику Г. Т. Сиборгу, который выдвинул гипотезу о существовании группы А. (1942) и под руководством или при участии которого было впервые синтезировано девять актиноидов. Выделение актиноидов в специальное семейство связано со схожестью химических свойств этих элементов между собой и с актинием, что объясняется сходным строением наружных электронных оболочек их атомов.[4]

 

 

 

 

 

 

 

 

       1.Торий как представитель семейства актиноидов

 

Торий (лат.Thorium), Th, радиоактивный химический элемент, первый член семейства актиноидов, входящих в III группу периодической системы Менделеева; атомный номер 90, атомная масса 232,038; серебристо-белый пластичный металл. Природный Т. практически состоит из одного долгоживущего изотопа ²³²Th - родоначальника одного израдиоактивных рядов - с периодом полураспада T_1/2 = 1,39×10¹⁰ лет (содержание изотопа ²²⁸Th, находящегося с ним в равновесии, ничтожно - 1,37×10^-8%) и четырёх короткоживущих изотопов, два из которых относятся к радиоактивному ряду урана - радия: ²³⁴Th (T_1/2 = 24,1 сут) и ²³⁰Th (T_1/2 = 8,0×10⁴ лет), остальные - к ряду актиния:²³¹Th (T_1/2 = 25,6 ч) и ²²⁷Th (T_1/2 = 18,17 сут). Из искусственно полученных изотопов наиболее устойчив ²²⁹Th (T_1/2 = 7340 лет).[1]

 

                          2. История открытия тория

 

Йенс Якоб Берцелиус – выдающийся химик первой половины XIX столетия. Человекэнциклопедических знаний и превосходный аналитик, Берцелиус работал очень плодотворно ипочти никогда не ошибался. В его лаборатории были определены атомные веса большинстваизвестных тогда элементов (около 50), выделены в свободном состоянии церий и кальций,стронций и барий, кремний и цирконий, открыты селен и торий. Но при открытии торияБерцелиус совершил ошибку.

В 1815, анализируя редкий минерал, найденный в округе Фалюн (Швеция), Берцелиус обнаружил в нем оксид нового, как ему казалось элемента. Этот элемент был назван торием, в честь всемогущего древнескандинавского божества Тора. (По преданию Тор был коллегой Марса и Юпитера – одновременно богом, войны, грома и молнии.) Прошло десять лет, прежде чем Берцелиус обнаружил свою ошибку: вещество, которое он считалоксидом тория, на самом деле оказалось фосфатом уже известного иттрия. “Похоронив” торий, Берцелиус же его “воскресил”. В 1828 известный минеролог, профессор JensEsmark прислал ему чёрный минерал, найденный на острове Lovon в Норвегии. (Теперь этот минерал называют торитом, ThSiO4, класс сиенитов). Торит содержит до 77% оксида тория ThO2. Обнаружить столь явный компонент Берцелиусу не составило особого труда. Исследовав выделенную землю, Берцелиус убедился, что это оксид нового элемента, к которому и перешло название “торий”. Получить чистый металлический торий Берцелиусу не удалось. Правда, он восстановил калием фтористые соединения нового элемента и получил серый металлический порошок, сильно загрязненный примесями. Чистый препарат тория был получен лишь в 1882 году другим шведским химиком - первооткрывателем скандия Ларсом Фредериком Нильсоном. Нильсон получил торий прокаливанием в железном цилиндре (автоклаве) смеси ThCl4 и 2KCl с натрием.

Следующее важное событие в истории элемента № 90 произошло в 1898 году, когда независимо друг от друга и практически одновременно Мария Склодовская-Кюри инемецкий  ученый Герберт Шмидт независимо друг от друга обнаружили, что торий  радиоактивен. М.Кюри отметила тогда же, что активность чистого тория даже выше активности урана.

В 1900 - 1903 Э. Резерфорд  и Ф. Содди показали, как торий  постоянно распадается на рядрадиоактивных элементов, что послужило основой  для создания теории радиоактивного распада.

Обнаружение в  цепи распада 238U иония и доказательство его химической идентичности сторием, привело к открытию явления изотопии.[2]

 

 

                              3. Физико-химические свойства тория

 

Торий – серебристо-белый  блестящий металл, пластичный, легко подвергающийся механической обработке (легко деформируется на холоду), стойкий к окислению в чистом виде, но обычно медленно тускнеющий до темного цвета с течением времени. Образцы металлического тория с содержанием оксида тория 1,5—2% очень устойчивы к окислению и долгое время не тускнеют. До 1400оС устойчива кубическая гранецентрированная решетка, а=0,5086 нм, выше этой температуры кубическая объемно- центрированная, а=0,41 нм. Атомный диаметр тория в α-форме 0,359 нм, в β-форме 0,411 нм. Ионные радиусы Th3+ 0,108 нм, Th4+ 0,099 нм.

Основные свойства тория: плотность: 11.724 г/см3; температура  плавления: 1750оC; температура кипения: 4200 оC. Теплота плавления 4,6 ккал/моль, теплота испарения 130-150 ккал/моль, атомная  теплоёмкость 6,53кал/г-ат.град (25о), теплопроводность 0,090 (20о) кал/см.сек.град, удельное электросопротивление 15*10-6 ом.см (25о). Работа выхода электронов 3,51 эВ. При температуре 1,3-1,4К торий становится сверхпроводником.

Торий медленно холодной разрушается водой, но в  горячей воде скорость коррозии тория и сплавов на его основе в сотни раз выше, чем у алюминия. Порошок металлического тория пирофорен (поэтому его хранят под слоем керосина). При нагреве в воздухе он загорается и горит ярким белым светом. Чистый торий- мягкий, очень гибкий и ковкий, с ним можно работать непосредственно (холодный прокат, горячая штамповка и т.п.), однако его протяжка затруднительна из-за низкого предела прочности на разрыв.

Содержание  оксида сильно затрагивает механические свойства тория; даже чистые образцы тория обычно содержат несколько десятых процента оксида тория. При сильном нагреве он взаимодействует с водородом, галогенами, серой, азотом, кремнием, алюминием и рядом других элементов. Интересным свойством металлического тория является растворимость в нем водорода, возрастающая с понижением температуры. Он плохо растворяется в основных кислотах, за исключением соляной. Он мало растворим в серной и азотной кислотах. Металлический торий растворим в концентрированных растворах НС1 (6—12 моль/л) и HNO3 (8—16 моль/л) в присутствии иона фтора. По химическим свойствам торий, с одной стороны, является аналогом церия, а с другой — циркония и гафния. Торий способен проявлять степени окисления +4, +3 и +2, из которых наиболее устойчивой является +4. Она же является единственной степенью окисления тория в растворе. Степени окисления +3 и +2 торий имеет в галогенидах ТhГ3 и ТhГ2 (где Г — Вr, I), полученных при действии очень сильных восстановителей только в твердой фазе. Торий по внешнему виду и температуре плавления напоминает платину, по удельному весу и твердости - свинец. В химическом отношении у тория мало сходства с актинием (хотя его и относят к актинидам), но много сходства с церием и другими элементам второй подгруппы IV группы. Лишь по структуре электронной оболочки атома - он равноправный член семейства актинидов. Электронная конфигурация атома тория 6d27s2 или 5f6d7s2. энергия ионизации (эв): Th0 → Th+ → Th2+ → Th3+ → Th4+

соответственно  равны 6,95; 11,5; 20,0 и 28,7.

Хотя торий  относится к семейству актинидов, по некоторым свойствам он близок также ко второй подгруппе IV группы периодической системы – Ti, Zr, Hf. Сходство тория с редкоземельными элементами связано с близостью величин их ионных радиусов, которые для всех этих элементов находятся в пределах 0.99 - 1.22 А. В соединениях ионного или ковалентного типа торий почти исключительно четырехвалентен. При образовании полуметаллической связи (например, в сульфидах, карбидах и др.) наблюдаются иногда значительные отклонения от нормальной валентности. Торий примерно так же отрицателен, как Mg. Химические свойства тория определяются большими размерами его атома и ионов, высоким зарядом 4-

валентного  иона и небольшой суммой ионизационных  потенциалов. Ион Th4+ отличается сильной  склонностью к гидролизу и образованию комплексных соединений. ТhO2 – основной оксид тория (структура флюорита) получается при сжигании тория на воздухе.

Прокаленная ThO2 почти не растворяется в растворах  кислот и щелочей; процесс растворения  в азотной кислоте резко ускоряется при добавлении незначительных количеств ионов фтора. Окись тория является довольно тугоплавкой субстанцией - ее температура плавления 3300°С - самая высокая из всех оксидов и выше большинства других материалов, за несколькими исключениями. Это свойство когда-то рассматривалось для основного коммерческого использования тория как огнеупорной керамики в основномв керамических деталях, огнеупорных литьевых формах и тиглях. Но, выдерживая высочайшие температуры, окись тория частично растворяется во многих жидких металлах и загрязняет их. Самое широкое применение окиси было в производстве газокалильных сеток для газовых фонарей. При взаимодействии растворов солей тория со щелочами или аммиаком выделяется осадок гидроокисиTh(OH)4, причем осаждение начинается при рН 3,5-3,6, в то время как гидроокиси 3-валентныхредкоземельных элементов осаждаются при рН 7 - 8, что используется в технике для грубого разделениятория и редких земель. Гидроокись тория отличается основным характером. Гидроокись тория отличаетсяосновным характером – растворяется в разбавленных кислотах и не растворяется в щелочах; легкорастворима в растворах некоторых солей, например, карбонатов щелочных металлов, оксалатов аммония идр. с образованием комплексных соединений. При нагревании до 470о и выше Th(OH)4 теряет воду ипревращается в ThO2.Ион Th4+ обладает большим зарядом, относительно малым радиусом и большим числом электронныхуровней, свободных для образования донорно-акцепторных связей с электронодонорнымилигандами. Этообъясняет склонность тория к образованию многочисленных интерметаллических (с натрием, медью, ртутью,цинком, алюминием и другими металлами) и комплексных соединений с неорганическими и органическимилигандами.

Из растворимых  соединений тория представляют интерес  его комплексные соединения с анионамиразличных кислот, например хлоридами, нитратами, карбонатами, оксалатами, Цитратами и др. При этом санионами С1-, СlO-3, и ВrО-3 торий образует только катионные комплексы состава [ThA]4-n, где n = 1, 2, 3. Вприсутствии, всех других лигандов торий, в зависимости от условий, может находиться в форме как катионных, так и анионных комплексов. Характерным свойством тория является также его способностьобразовывать внутрикомплексные соединения с такими реагентами, как ТТА, 8-оксихинолином,ацетилацетоном, комплексонами и др.Для тория в степени окисления +4 характерны координационные числа 6, 8 и реже 10 и 12.Комплексные соединения тория с более низкими координационными числами, например ТhСl4, как правило,в растворах сольватированы или гидратированы. В слабокислых растворах Th(+4) заметно гидролизуется собразованием как моноядерныхТh(ОН)4-n (где n = 1÷3), так и полиядерных продуктов состава Th2(OH)6+2,Th[(OH)3Th]n(n+4)+, и др.

Известно довольно много галогенидов тория: три  хлорида, три бромида, три иодида и фторид(валентности тория в этих соединениях: 4+, 3+ и 2+). Хлориды и фторид бесцветны, бромиды и иодидыжелтого цвета. Безводный тетрахлорид очень гигроскопичен. Для практики наиболее важны фторид ThF4 ииодид ThI4.Первый используют для получения тория электролизом и для растворения его в азотной кислоте:чистый торий в чистой HNO3 не растворяется, необходима добавка фторида.Тетраиодид же используют дляполучения тория высокой чистоты, поскольку при температуре выше 90°C это соединение способно ктермической диссоциации:ThI4→Th + 2I2.

При нагревании тория в атмосфере водорода до 400-600°C образуется его гидрид ThH2. Если, не меняяусловий, начать снижать температуру, то при 250-320°C происходит дальнейшее насыщение торияводородом и образуется гидрид состава Th4H15. Иногда гидриды тория применяют для получениявысокочистого тория.[5]

 

                                  4. Торий в природе

 

Торий, как радиоактивный  элемент, является одним из источников радиоактивного фона Земли. Содержание тория в минерале торианите составляет от 45 до 88 %, в минерале торите — до 62%. Содержание тория в

речной воде 8,1•10-4 Бк/л. Это на порядок ниже, чем  урана, и на два

порядка ниже, чем 40К (3,7-10-2Бк/л). Тория в природе значительно  больше урана. В ничтожных количествах  он встречается даже в гранитах. Содержание тория в земной коре 8*10-4 вес.%, примерно столько же, сколько свинца. В природных соединениях торий связан с ураном, редкоземельными элементами и цирконием, относится к типично литосферным элементам и концентрируется преимущественно в верхних слоях литосферы.

Торий обнаружен более  чем в 100 минералах, представляющих собой кислородные соединения, преимущественно  оксиды и значительно реже – фосфаты  и карбонаты. Более 40 минералов являютсясоединениями тория или же торий входит в них в качестве одного из главных компонентов. Основными промышленными минералами тория являются монацит (Ce, La, Th)PO4, торит ThSiO4 и торианит (Th,U)O2. Торит очень богат торием (45 до 93% ThO2), но редок, так же как и другой богатый ториевый минерал - торианит (Th, U)O2, содержащий от 45 до 93% ThO2. Важный минерал тория - монацитовый песок. В общем виде его формулу записывают в виде (Ce, Th)PO4, но он содержит кроме церия еще лантан, празеодим, неодим и другие редкие земли, а также - уран. Тория в монаците - от 2.5 до 12%. Богатые монацитовые россыпи есть в Бразилии, Индии, США, Австралии, Малайзии. Известны и жильные месторождения этого минерала - на юге Африки. Монацит – минерал прочный, устойчивый против выветривания. При выветривании горных пород, особенно интенсивном в тропической и субтропической зонах, когда почти все минералы разрушаются и растворяются, монацит не изменяется. Ручьи и реки уносят его к морю вместе с другими устойчивыми минералами – цирконом, кварцем, минералами титана. Волны морей и океанов довершают работу по разрушению и сортировке минералов, накопившихся в прибрежной зоне. Под их влиянием происходит концентрирование тяжелых минералов, отчего пески пляжей приобретают темную окраску. Так на пляжах формируются монацитовые россыпи – «чёрные пески».[6]