Америций

Америций, ₉₅ утра

Америций
Произношение	/ ˌ æ m ə ˈ r ɪ s i ə m / ( АМ -е- РИСС -ее-ам )
Появление	серебристо-белый
Массовое число	[243]
Америций в таблице Менделеева
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор сера хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Полагать Сурьма Теллур Йод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Париж Гафний Тантал вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (стихия) Таллий Вести Висмут Полоний Астат Радон Франций Радий актиний Торий Протактиний Уран Нептун Плутоний Америций Курий Берклий Калифорния Эйнштейний Фермий Менделеев Благородный Лоуренсий Резерфордий Дубниум Сиборгий борий Хассий Мейтнерий Дармштадтий Рентгений Коперник нихоний Флеровий Московий Ливерморий Теннессин Оганессон Евросоюз ↑ Являюсь ↓ — плутоний → америций → кюрий
Атомный номер ( Z )	95
Группа	группы f-блоков (без номера)
Период	период 7
Блокировать	f-блок
Электронная конфигурация	[ Рн ] 5f 7 7 с 2
Электроны на оболочку	2, 8, 18, 32, 25, 8, 2
Физические свойства
Фаза в СТП	твердый
Температура плавления	1449 К (1176 °С, 2149 °F)
Точка кипения	2880 К (2607 °C, 4725 °F) (расчетно)
Плотность (около комнатной температуры )	12 г/см 3
Теплота плавления	14,39 кДж/моль
Молярная теплоемкость	28 Дж/(моль·К)
Давление пара П   (Па) 1 10 100 1 тыс. 10 тысяч 100 тыс. при Т   (К) 1239 1356
Атомные свойства
Стадии окисления	+2, +3 , +4, +5, +6, +7 ( амфотерный оксид)
Электроотрицательность	Шкала Полинга: 1,3
Энергии ионизации	1-й: 578 кДж/моль
Атомный радиус	эмпирический: 173 вечера
Ковалентный радиус	180±18:00
Спектральные линии америция
Другие объекты недвижимости
Естественное явление	синтетический
Кристаллическая структура	двойной шестиугольный плотноупакованный (dhcp)
Теплопроводность	10 Вт/(м⋅К)
Электрическое сопротивление	0.69 µΩ⋅m
Магнитный заказ	парамагнитный
Молярная магнитная восприимчивость	+1 000 .0 × 10 −6 см 3 /моль
Номер CAS	7440-35-9
История
Мы	после Америки
Открытие	Гленн Т. Сиборг , Ральф А. Джеймс , Леон О. Морган , Альберт Гиорсо (1944)
Изотопы америция
Основные изотопы Разлагаться abun­dance период полураспада ( т 1/2 ) режим pro­duct 241 Являюсь синтезатор 432,2 и а 237 Например Сан-Франциско – 242м1 Являюсь синтезатор 141 и ЭТО 242 Являюсь а 238 Например Сан-Франциско – 243 Являюсь синтезатор 7350 и а 239 Например Сан-Франциско –

Америций — синтетический химический элемент ; он имеет символ Am и атомный номер 95. Это радиоактивный и трансурановый член ряда актинидов в периодической таблице , расположенный под лантаноидным элементом европием был назван в честь Америки . и поэтому по аналогии

Америций был впервые произведен в 1944 году группой Гленна Т. Сиборга из Беркли, Калифорния , в Металлургической лаборатории в Чикагского университета рамках Манхэттенского проекта . Хотя это третий элемент в трансурановом ряду, он был открыт четвертым после более тяжелого кюрия . Открытие держалось в секрете и было обнародовано только в ноябре 1945 года. Большая часть америция производится путем урана или плутония бомбардировки нейтронами в ядерных реакторах - одна тонна отработанного ядерного топлива содержит около 100 граммов америция. Он широко используется в коммерческих с ионизационными камерами детекторах дыма , а также в источниках нейтронов и промышленных датчиках. несколько необычных применений, таких как ядерные батареи или топливо для космических кораблей с ядерной силовой установкой . было предложено Для изотопа ^{242 м} Да, но им пока мешает дефицит и высокая цена этого ядерного изомера .

Америций — относительно мягкий радиоактивный металл серебристого цвета. Наиболее распространенными его изотопами являются ²⁴¹ Я и ²⁴³ Являюсь. В химических соединениях америций обычно принимает степень окисления +3, особенно в растворах. Известны несколько других степеней окисления в диапазоне от +2 до +7, которые можно определить по их характерным спектрам оптического поглощения . Кристаллические решетки твердого америция и его соединений содержат небольшие собственные радиогенные дефекты, обусловленные метамиктизацией, вызванной самооблучением альфа-частицами, которая накапливается со временем; это может привести к изменению некоторых свойств материала с течением времени, что более заметно в старых образцах.

История

60-дюймовый циклотрон в радиационной лаборатории Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли, август 1939 года.

Хотя америций, вероятно, производился в ходе предыдущих ядерных экспериментов, впервые он был намеренно синтезирован , выделен и идентифицирован поздней осенью 1944 года в Калифорнийском университете в Беркли Гленном Т. Сиборгом , Леоном О. Морганом, Ральфом А. Джеймсом и Альбертом. Гиорсо . Они использовали 60-дюймовый циклотрон в Калифорнийском университете в Беркли. Элемент был химически идентифицирован в Металлургической лаборатории (ныне Аргоннская национальная лаборатория ) Чикагского университета . После более легких нептуния , плутония и более тяжелого кюрия америций стал четвертым трансурановым элементом открытым . В то время периодическую таблицу Сиборг реструктурировал до ее нынешнего вида, в котором ряд актинидов находился ниже ряда лантаноидов . Это привело к тому, что америций оказался расположен прямо под его близнецом-лантанидом европием; таким образом, по аналогии он был назван в честь Америки : «Название америций (в честь Америки) и символ Am предложены для этого элемента на основании его положения как шестого члена актинидного редкоземельного ряда, аналогичного европию. Эу, из ряда лантаноидов».

Новый элемент был выделен из его оксидов в ходе сложного многостадийного процесса. Первый нитрат плутония -239 ( ²³⁹ Раствор PuNO ₃ ) наносили на платиновую фольгу толщиной около 0,5 см. ² раствор выпаривали и остаток превращали в диоксид плутония (PuO ₂ ) путем прокаливания . После циклотронного облучения покрытие растворяли азотной кислотой , а затем осаждали в виде гидроксида концентрированным водным раствором аммиака . Остаток растворяли в хлорной кислоте . Дальнейшее разделение было проведено ионным обменом , в результате чего получился определенный изотоп кюрия. Разделение кюрия и америция было настолько кропотливым, что группа Беркли первоначально назвала эти элементы столпотворением. (с греческого — все демоны или ад ) и бред (с латыни — безумие ).

Первоначальные эксперименты дали четыре изотопа америция: ²⁴¹ Являюсь, ²⁴² Являюсь, ²³⁹ Я и ²³⁸ Являюсь. Америций-241 был получен непосредственно из плутония при поглощении двух нейтронов. Он распадается с испусканием α-частицы в ²³⁷ Нп; период полураспада этого распада сначала был определен как 510 ± 20 лет, но затем скорректирован до 432,2 года.

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

Времена полураспада

Второй изотоп ²⁴² Am был получен при нейтронной бомбардировке уже созданного ²⁴¹ Являюсь. При быстром β- распаде ²⁴² Am превращается в изотоп кюрия ²⁴² См (который был обнаружен ранее). Период полураспада этого распада первоначально был определен как 17 часов, что было близко к принятому в настоящее время значению 16,02 часа.

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

Открытие америция и кюрия в 1944 году было тесно связано с Манхэттенским проектом ; результаты были конфиденциальными и рассекречены только в 1945 году. Сиборг сообщил о синтезе элементов 95 и 96 в американской радиопередаче 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. После открытия изотопов америция ²⁴¹ Я и ²⁴² Am, их продукция и соединения были запатентованы, в качестве изобретателя указан только Сиборг. Первоначальные образцы америция весили несколько микрограмм; они были едва заметны и идентифицировались по радиоактивности. Первые значительные количества металлического америция массой 40–200 микрограммов были получены только в 1951 году восстановлением фторида америция (III) металлическим барием в высоком вакууме при 1100 ° C.

Происшествие

Смотрите также: Ядерная переработка

Америций был обнаружен в осадках ядерного испытания Айви Майк .

Самый долгоживущий и распространенный изотоп америция. ²⁴¹ Я и ²⁴³ Am имеют периоды полураспада 432,2 и 7370 лет соответственно. Следовательно, любой первичный америций (америций, который присутствовал на Земле во время ее формирования) к настоящему времени должен был распасться. Следовые количества америция, вероятно, встречаются в природе в урановых минералах в результате захвата нейтронов и бета-распада ( ²³⁸ В → ²³⁹ Пу → ²⁴⁰ Пу → ²⁴¹ Am), хотя количества будут крошечными, и это не подтверждено. Инопланетянин-долгожитель ²⁴⁷ См, вероятно, также отложен на Земле и имеет ²⁴³ Am как один из его промежуточных продуктов распада, но это опять же не подтверждено.

Существующий америций сконцентрирован в районах, использовавшихся для атмосферных испытаний ядерного оружия, проводившихся в период с 1945 по 1980 годы, а также в местах ядерных инцидентов, таких как Чернобыльская катастрофа . Например, анализ обломков на полигоне первой водородной бомбы США Айви Майк (1 ноября 1952 года, атолл Эниветак ) выявил высокие концентрации различных актинидов, включая америций; но из-за военной тайны этот результат был опубликован лишь позже, в 1956 году. Тринитит , стекловидный остаток, оставшийся на дне пустыни недалеко от Аламогордо, штат Нью-Мексико , после плутония на основе «Тринити» испытания ядерной бомбы 16 июля 1945 года, содержит следы америция-241. Повышенные уровни америция были также обнаружены на месте крушения американского бомбардировщика Boeing B-52 , несшего четыре водородные бомбы, в 1968 году в Гренландии .

В других регионах средняя радиоактивность поверхностной почвы из-за остаточного америция составляет всего около 0,01 пикокюри на грамм (0,37 мБк /г). Атмосферные соединения америция плохо растворимы в обычных растворителях и в основном прилипают к частицам почвы. Анализ почвы показал, что концентрация америция внутри частиц песчаной почвы примерно в 1900 раз выше, чем в воде, присутствующей в порах почвы; еще более высокое соотношение отмечено в суглинистых почвах.

Америций производится преимущественно искусственно в небольших количествах, в исследовательских целях. В тонне отработавшего ядерного топлива содержится около 100 граммов различных изотопов америция, в основном ²⁴¹ Я и ²⁴³ Являюсь. Их длительная радиоактивность нежелательна для захоронения, поэтому америций вместе с другими долгоживущими актинидами необходимо нейтрализовать. Соответствующая процедура может включать несколько этапов, на которых америций сначала отделяется, а затем преобразуется нейтронной бомбардировкой в ​​специальных реакторах в короткоживущие нуклиды. Эта процедура хорошо известна как ядерная трансмутация , но для америция она все еще разрабатывается. Трансурановые элементы, от америция до фермия, естественным образом возникли в естественном ядерном реакторе в Окло , но больше не встречаются.

Америций также является одним из элементов, теоретически обнаруженных в Звезде Пшибыльского .

Синтез и экстракция

Изотопный нуклеосинтез

Хроматографические кривые элюирования , показывающие сходство лантаноидов Tb, Gd и Eu с соответствующими актинидами Bk, Cm и Am.

Америций производился в небольших количествах в ядерных реакторах на протяжении десятилетий, и килограммы его ²⁴¹ Я и ²⁴³ К настоящему времени накоплены изотопы Am. Тем не менее, поскольку впервые он был выставлен на продажу в 1962 году, его цена составляла около 1500 долларов США за грамм (43 000 долларов США за унцию). ²⁴¹ Am, остается практически неизменным из-за очень сложной процедуры разделения. Самый тяжелый изотоп ²⁴³ Am производится в гораздо меньших количествах; таким образом, его труднее разделить, что приводит к более высокой стоимости порядка 100 000–160 000 долларов США за грамм (2 800 000–4 500 000 долларов США за унцию).

Америций синтезируется не напрямую из урана – наиболее распространенного реакторного материала – а из изотопа плутония. ²³⁹ Пу. Последний необходимо произвести в первую очередь в соответствии со следующим ядерным процессом:

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

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

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

Плутоний, присутствующий в отработавшем ядерном топливе, содержит около 12% ²⁴¹ Пу. Потому что он бета-распадает до ²⁴¹ Являюсь, ²⁴¹ Pu можно извлечь и использовать для дальнейшего производства. ²⁴¹ Являюсь. Однако этот процесс происходит довольно медленно: половина исходного количества ²⁴¹ Pu распадается на ²⁴¹ Я спустя примерно 15 лет, и ²⁴¹ Сумма Am достигает максимума после 70 лет.

Полученный ²⁴¹ Am можно использовать для получения более тяжелых изотопов америция путем дальнейшего захвата нейтронов внутри ядерного реактора. В легководном реакторе (LWR) 79% ²⁴¹ Я превращаюсь в ²⁴² Am и 10% к его ядерному изомеру ^{242 м} Являюсь:

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

америция-242 составляет всего 16 часов, что делает возможным его дальнейшее превращение в Период полураспада ²⁴³ Я крайне неэффективен. Вместо этого последний изотоп производится в процессе, где ²³⁹ Pu захватывает четыре нейтрона под высоким потоком нейтронов :

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

Генерация металла

Большинство методов синтеза дают смесь различных изотопов актинидов в оксидных формах, из которых можно выделить изотопы америция. В типичной процедуре отработанное реакторное топливо (например, МОКС-топливо ) растворяют в азотной кислоте , а основную часть урана и плутония удаляют с помощью экстракции типа ПУРЕКС ( UR плутоний- - аниум EX тяга ) с трибутилфосфатом в углеводороде. . Затем лантаноиды и оставшиеся актиниды отделяют от водного остатка ( рафината ) экстракцией на основе диамида , чтобы после отгонки получить смесь трехвалентных актинидов и лантаноидов. Затем соединения америция селективно экстрагируются с использованием методов многоступенчатой ​​хроматографии и центрифугирования . с соответствующим реагентом. Большой объем работ выполнен по растворителями экстракции америция . Например, в рамках финансируемого ЕС в 2003 году проекта под кодовым названием «ЕВРОПАРТ» изучались триазины и другие соединения в качестве потенциальных экстрагентов. Бис - триазинилбипиридиновый комплекс был предложен в 2009 году, поскольку такой реагент обладает высокой селективностью по отношению к америцию (и кюрию). Отделения америция от очень похожего кюрия можно добиться обработкой суспензии их гидроксидов в водном бикарбонате натрия при озоном повышенных температурах. И Am, и Cm в основном присутствуют в растворах в валентном состоянии +3; в то время как кюрий остается неизменным, америций окисляется до растворимых комплексов Am (IV), которые можно смыть.

Металлический америций получают восстановлением из его соединений. фторид америция (III) Впервые для этой цели был использован . Реакцию проводили с использованием элементарного бария в качестве восстановителя в безводной и бескислородной среде внутри аппарата из тантала и вольфрама .

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

Альтернативой является восстановление диоксида америция металлическим лантаном или торием :

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

Физические свойства

Двойная гексагональная плотная упаковка с последовательностью слоев ABAC в кристаллической структуре α-америция (A: зеленый, B: синий, C: красный)

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 — высокорадиоактивный элемент. Свежеприготовленный он имеет серебристо-белый металлический блеск, но затем медленно тускнеет на воздухе. Плотностью 12 г/см. ³ , америций менее плотен, чем оба кюрия (13,52 г/см ³ ) и плутоний (19,8 г/см ³ ); но имеет более высокую плотность, чем европий (5,264 г/см). ³ ) — главным образом из-за его более высокой атомной массы. Америций относительно мягок, легко деформируется и имеет значительно более низкий модуль объемного сжатия, чем предшествующие ему актиниды: Th, Pa, U, Np и Pu. Его температура плавления 1173 °С значительно выше, чем у плутония (639 °С) и европия (826 °С), но ниже, чем у кюрия (1340 °С).

В условиях окружающей среды америций присутствует в своей наиболее стабильной α-форме, имеющей гексагональную кристаллическую симметрию , и пространственной группе 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 актиноидам, таким как α-кюрий. Кристаллическая структура америция меняется в зависимости от давления и температуры. При сжатии при комнатной температуре до 5 ГПа α-Ам переходит в β-модификацию, имеющую гранецентрированную кубическую ( ГЦК ) симметрию, пространственную группу Fm 3 m и постоянную решетки a = 489 пм. Эта структура ГЦК эквивалентна плотнейшей упаковке с последовательностью ABC. При дальнейшем сжатии до 23 ГПа америций превращается в ромбическую структуру γ-Am, аналогичную структуре α-урана. Дальнейших переходов до 52 ГПа не наблюдается, за исключением появления моноклинной фазы при давлениях 10–15 ГПа. В литературе нет единого мнения о статусе этой фазы, где также иногда фазы α, β и γ обозначаются как I, II и III. Переход β-γ сопровождается уменьшением объема кристалла на 6%; хотя теория также предсказывает значительное изменение объема при переходе α-β, экспериментально оно не наблюдается. Давление α-β-перехода уменьшается с повышением температуры, и при нагревании α-америция при атмосферном давлении он при 770 °С переходит в ГЦК- фазу, отличную от β-Ам, а при 1075 °С превращается в объемноцентрированная кубическая структура. Таким образом, фазовая диаграмма давление-температура америция очень похожа на диаграмму состояния лантана, празеодима и неодима .

Как и для многих других актинидов, америцию присуще самоповреждение кристаллической структуры из-за облучения альфа-частицами. Особенно это заметно при низких температурах, когда подвижность образующихся дефектов структуры сравнительно невелика, по уширению рентгеновских дифракционных пиков. Этот эффект делает несколько неопределенными температуру америция и некоторые его свойства, такие как удельное электросопротивление . 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 при 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 примерно от 2 мкОм·см у жидкого гелия до 69 мкОм·см при комнатной температуре; это поведение похоже на поведение нептуния, урана, тория и протактиния , но отличается от плутония и кюрия, которые демонстрируют быстрый рост 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.

Америций парамагнитен в широком диапазоне температур, от температуры жидкого гелия до комнатной температуры и выше. Такое поведение заметно отличается от поведения соседнего кюрия, который демонстрирует антиферромагнитный переход при 52 К. Коэффициент термического расширения америция слабо анизотропен и составляет (7,5 ± 0,2) × 10 ⁻⁶ /°C вдоль более короткой оси a и (6,2 ± 0,4) × 10 ⁻⁶ /°C для более длинной шестиугольной оси c . Энтальпия растворения металлического америция в соляной кислоте в стандартных условиях составляет -620,6 ± 1,3 кДж/моль , от чего стандартное изменение энтальпии образования (Δf _H ° ) водного Am ³⁺ ион составляет -621,2 ± 2,0 кДж/моль . Стандартный потенциал Am ³⁺ /Являюсь ⁰ составляет -2,08 ± 0,01 В.

Химические свойства

Металлический америций легко реагирует с кислородом и растворяется в водных кислотах . Наиболее стабильная степень окисления америция +3. Химия америция (III) во многом схожа с химией соединений лантаноидов (III). Например, трехвалентный америций образует нерастворимые соли фторида , оксалата , йодата , гидроксида , фосфата и других. Изучены также соединения америция в степенях окисления 2, 4, 5, 6 и 7. Это самый широкий диапазон, который наблюдался для актинидных элементов. Цвет соединений америция в водном растворе следующий: Am ³⁺ (желто-красноватый), Am ⁴⁺ (желто-красноватый), Являюсь ^V О + 2 ; (желтый), Являюсь ^МЫ О 2+ 2 (коричневый) и Являюсь ^VII О 5−6 (темно - зеленый). Спектры поглощения имеют резкие пики, обусловленные f - f -переходами в видимой и ближней инфракрасной областях. Обычно Am(III) имеет максимумы поглощения прибл. 504 и 811 нм, Am(V) при ок. 514 и 715 нм и Am(VI) прибл. 666 и 992 нм.

Соединения америция со степенью окисления +4 и выше являются сильными окислителями, сравнимыми по силе с перманганат- ионом ( MnO − 4 ) в кислых растворах. В то время как Am ⁴⁺ ионы 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. В кислом водном растворе Ион AmO + 2 неустойчив по отношению к диспропорционированию . Реакция

3[АмО ₂ ] ⁺ + 4Ч ⁺ → 2[АмО ₂ ] ²⁺ + утра ³⁺ + 2H2O

является типичным. Химия Am(V) и Am(VI) сравнима с химией урана в этих степенях окисления. В частности, такие соединения, как Li ₃ AmO ₄ и Li ₆ AmO ₆ сравнимы с уранатами и ионом AmO 2+ 2 сравним с ионом уранила , УО 2+ 2 . Такие соединения можно получить окислением Am(III) в разбавленной азотной кислоте персульфатом аммония . Другие окислители, которые были использованы, включают оксид серебра (I) , озон и персульфат натрия .

Химические соединения

Основная статья: Соединения америция

Кислородные соединения

Известны три оксида америция со степенями окисления +2 (AmO), +3 (Am ₂ O ₃ ) и +4 (AmO ₂ ). Оксид америция(II) был получен в небольших количествах и подробно не охарактеризован. Оксид америция(III) представляет собой красно-коричневое твердое вещество с температурой плавления 2205 °C. Оксид америция (IV) является основной формой твердого америция, которая используется практически во всех его применениях. Как и большинство других диоксидов актинидов, это черное твердое вещество с кубической ( флюоритовой ) кристаллической структурой.

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 °С и начинает разлагаться на AmO _{2 .} при 300 °C разложение завершается примерно при 470 °C. Исходный оксалат растворяется в азотной кислоте с максимальной растворимостью 0,25 г/л.

Галогениды

Галогениды америция известны со степенями окисления +2, +3 и +4. где +3 наиболее устойчив, особенно в растворах.

Степень окисления	Ф	кл.	Бр	я
+4	Фторид америция(IV) АмФ 4 бледно-розовый
+3	Американский(III) фторид AmF AmF3 розовый	Американский(III) хлорид AmCl AmCl3 розовый	Американ(III) бромид АмБр 3 светло-желтый	Американский(III) йодид Я 3 светло-желтый
+2		Хлорид америция(II) АмСl 2 черный	Бромид америция(II) АмБр 2 черный	Йодид америция(II) Я 2 черный

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

• Орторомбический AmCl ₂ : а = 896,3 ± 0,8 пм , b = 757,3 ± 0,8 пм и с = 453,2 ± 0,6 пм.
• Тетрагональный AmBr ₂ : а = 1159,2 ± = ± 0,4 и с пм 712,1 пм 0,3 . Их также можно получить путем взаимодействия металлического америция с соответствующим галогенидом ртути HgX ₂ , где X = Cl, Br или I:

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

Фторид америция(III) (AmF ₃ ) плохо растворим и выпадает в осадок при реакции Am ³⁺ и ионы фтора в слабокислых растворах:

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

Четырехвалентный фторид америция(IV) (AmF ₄ ) получают реакцией твердого фторида америция(III) с молекулярным фтором :

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

Другой известной формой твердого фторида четырехвалентного америция является KAmF ₅ . Четырехвалентный америций также наблюдался в водной фазе. Для этого черный Am(OH) ₄ растворяли в 15- М NH ₄ F с концентрацией америция 0,01 М. Полученный раствор красноватого цвета имел характерный спектр оптического поглощения, аналогичный спектру AmF ₄ , но отличающийся от других окислителей. штаты америция. Нагревание раствора Am(IV) до 90 °С не привело к его диспропорционированию или восстановлению, однако наблюдалось медленное восстановление до Am(III), что было связано с самооблучением америция альфа-частицами.

Большинство галогенидов америция (III) образуют гексагональные кристаллы с небольшими вариациями цвета и точной структурой между галогенами. Так, хлорид (AmCl ₃ ) красноватого цвета, имеет структуру, изотипную хлориду урана(III) (пр. гр. P6 ₃ /м) и температуру плавления 715 °С. Фторид изотипен LaF ₃ (пр. группа P6 ₃ /mmc), а йодид - BiI ₃ (пр. группа R 3 ). Исключением является бромид со структурой ромбического типа PuBr ₃ и пространственной группой Cmcm. Кристаллы гексагидрата америция (AmCl ₃ ·6H ₂ O) можно получить растворением диоксида америция в соляной кислоте и выпариванием жидкости. Эти кристаллы гигроскопичны, имеют желто-красноватый цвет и моноклинную кристаллическую структуру.

Оксигалогениды америция в форме Am ^МЫ О ₂ Х ₂ , Ам ^V О ₂ Х, Ам ^IV ОХ ₂ и Ам ^III OX можно получить реакцией соответствующего галогенида америция с кислородом или Sb ₂ O ₃ , а AmOCl можно также получить гидролизом в паровой фазе :

AmCl ₃ + H ₂ O -> AmOCl + 2HCl

Халькогениды и пниктиды

К известным халькогенидам америция относятся сульфид AmS ₂ , селениды AmSe ₂ и Am ₃ Se ₄ , и теллуриды Am ₂ Te ₃ и AmTe ₂ . Пниктиды америция ( ²⁴³ Am) типа AmX известны по элементам фосфор , мышьяк , сурьма и висмут . Они кристаллизуются в решетке каменной соли .

Силициды и бориды

америция Моносилицид (AmSi) и «дисилицид» (номинально AmSi _x с: 1,87 < x < 2,0) были получены восстановлением фторида америция (III) элементарным кремнием в вакууме при 1050 °С (AmSi) и 1150–1200 °С ( АмСи _х ). AmSi — черное твердое вещество, изоморфное LaSi, имеет орторомбическую кристаллическую симметрию. AmSi _x имеет яркий серебристый блеск и тетрагональную кристаллическую решетку (пространственная группа I 4 ₁ /amd), изоморфен PuSi ₂ и ThSi ₂ . Бориды америция включают AmB ₄ и AmB ₆ . Тетраборид можно получить нагреванием оксида или галогенида америция с диборидом магния в вакууме или инертной атмосфере.

Америкоорганические соединения

Прогнозируемая структура амероцена [(η ⁸ -С ₈ Н ₈ ) ₂ Ам]

Аналогично ураноцену , америций образует металлоорганическое соединение амероцен с двумя циклооктатетраеновыми лигандами с химической формулой (η ⁸ -С ₈ Н ₈ ) ₂ утра. собой AmCp Известен также циклопентадиенильный комплекс, который, вероятно, стехиометрически представляет ₃ .

Образование комплексов типа Am(nC ₃ H ₇ -BTP) ₃ , где BTP – 2,6-ди(1,2,4-триазин-3-ил)пиридин, в растворах, содержащих nC ₃ H ₇ - БТП и Ам ³⁺ ионов было подтверждено EXAFS . Некоторые из этих комплексов типа BTP избирательно взаимодействуют с америцием и поэтому полезны для его селективного отделения от лантаноидов и других актинидов.

аспекты

Америций является искусственным элементом недавнего происхождения и, следовательно, не имеет биологической потребности . Это вредно для жизни . Было предложено использовать бактерии для удаления америция и других тяжелых металлов из рек и ручьев. Так, Enterobacteriaceae рода Citrobacter осаждают ионы америция из водных растворов, связывая их в металлофосфатный комплекс на клеточных стенках. Сообщалось о нескольких исследованиях биосорбции и биоаккумуляции америция бактериями. и грибки.

Деление

Изотоп ^{242 м} Am (период полураспада 141 год) имеет самые большие сечения поглощения тепловых нейтронов (5700 барн ), это приводит к небольшой критической массе для устойчивой цепной ядерной реакции . Критическая масса для голого ^{242 м} Вес сферы Am составляет около 9–14 кг (неопределенность связана с недостаточным знанием свойств ее материала). Его можно снизить до 3–5 кг с помощью металлического отражателя, а с водным отражателем он должен стать еще меньше. Такая малая критическая масса благоприятна для портативного ядерного оружия , но для оружия на базе ^{242 м} Am пока неизвестны, вероятно, из-за его редкости и высокой цены. Критические массы двух легкодоступных изотопов, ²⁴¹ Я и ²⁴³ Am, относительно высокие – от 57,6 до 75,6 кг для ²⁴¹ Ам и 209 кг для ²⁴³ Являюсь. Дефицит и высокая цена все еще препятствуют использованию америция в качестве ядерного топлива в ядерных реакторах .

Существуют предложения по созданию очень компактных реакторов с высоким потоком мощностью 10 кВт, использующих всего 20 граммов ^{242 м} Являюсь. Такие реакторы малой мощности можно было бы относительно безопасно использовать в качестве источников нейтронов для лучевой терапии в больницах.

Изотопы

Смотрите также: Изотопы америция

около 18 изотопов и 11 ядерных изомеров америция с массовыми числами от 229, 230 и от 232 до 247. Известно Есть два долгоживущих альфа-излучателя; ²⁴³ Am имеет период полураспада 7370 лет и является наиболее стабильным изотопом. ²⁴¹ Период полураспада Am составляет 432,2 года. Наиболее стабильным ядерным изомером является ^242м1 Являюсь; он имеет длительный период полураспада - 141 год. Период полураспада других изотопов и изомеров колеблется от 0,64 микросекунды для ^{245 м1} У меня 50,8 часов для ²⁴⁰ Являюсь. Как и большинство других актинидов, изотопы америция с нечетным числом нейтронов имеют относительно высокую скорость ядерного деления и низкую критическую массу.

Америций-241 распадается до ²³⁷ Np излучает альфа-частицы 5 разных энергий, в основном при 5,486 МэВ (85,2%) и 5,443 МэВ (12,8%). Поскольку многие из полученных состояний являются метастабильными, они также излучают гамма-лучи с дискретной энергией от 26,3 до 158,5 кэВ.

Америций-242 — короткоживущий изотоп с периодом полураспада 16,02 часа. Большая часть его (82,7%) превращается при β-распаде в ²⁴² Cm, но и путем захвата электронов на ²⁴² Пу (17,3%). Оба ²⁴² См и ²⁴² Преобразование Pu происходит почти по той же цепочке распада через ²³⁸ Пу до ²³⁴ В.

Почти все (99,541%) ^242м1 Am распадается путем внутреннего преобразования в ²⁴² Am и оставшиеся 0,459% в результате α-распада до ²³⁸ Нп. Последний впоследствии распадается на ²³⁸ Пу, а затем ²³⁴ В.

Америций-243 путем α-излучения превращается в ²³⁹ Np, который при β-распаде превращается в ²³⁹ Пу и ²³⁹ Пу превращается в ²³⁵ U путем испускания α-частицы.

Приложения

Вид снаружи и изнутри детектора дыма на основе америция

Детектор дыма ионизационного типа

Основная статья: Детектор дыма § Ионизация

Америций используется в наиболее распространенных типах бытовых детекторов дыма , в которых используется ²⁴¹ Am в виде диоксида америция как источника ионизирующего излучения . Этот изотоп предпочтительнее ²²⁶ Ра , потому что он излучает в 5 раз больше альфа-частиц и относительно мало вредного гамма-излучения.

Количество америция в типичном новом детекторе дыма составляет 1 микрокюри (37 кБк ) или 0,29 микрограмма . Это количество медленно снижается по мере распада америция 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 обеспечивает небольшой постоянный ток между электродами. Любой дым, попадающий в камеру, поглощает альфа-частицы, что снижает ионизацию и влияет на этот ток, вызывая срабатывание сигнализации. По сравнению с альтернативным оптическим детектором дыма ионизационный детектор дыма дешевле и может обнаруживать частицы, которые слишком малы, чтобы вызвать значительное рассеяние света; однако он более склонен к ложным срабатываниям .

Радионуклид

Как ²⁴¹ Am имеет примерно такой же период полураспада, что и ²³⁸ Pu (432,2 года против 87 лет) был предложен в качестве активного элемента радиоизотопных термоэлектрических генераторов , например, в космических кораблях. Хотя америций производит меньше тепла и электричества – выход мощности составляет 114,7 мВт/г для ²⁴¹ Am и 6,31 мВт/г для ²⁴³ Являюсь (ср. 390 мВт/г для ²³⁸ Мог) – а его излучение представляет большую угрозу для людей из-за излучения нейтронов, Европейское космическое агентство рассматривает возможность использования америция для своих космических зондов.

Еще одно предлагаемое применение америция в космосе — это топливо для космических кораблей с ядерной силовой установкой. Он основан на очень высокой скорости ядерного деления ^{242 м} Am, который можно сохранить даже в фольге толщиной в микрометр. Небольшая толщина позволяет избежать проблемы самопоглощения испускаемого излучения. Эта проблема актуальна для урановых или плутониевых стержней, в которых только поверхностные слои содержат альфа-частицы. Продукты деления ^{242 м} Am может либо напрямую привести космический корабль в движение, либо нагреть толкающий газ. Они также могут передавать свою энергию жидкости и генерировать электричество с помощью магнитогидродинамического генератора .

Еще одно предложение, использующее высокую скорость деления ядер. ^{242 м} Ам — ядерная батарея. Его конструкция опирается не на энергию испускаемых америцием альфа-частиц, а на их заряд, то есть америций действует как самоподдерживающийся «катод». Одиночный 3,2 кг. ^{242 м} Заряд такой батареи может обеспечить мощность около 140 кВт в течение 80 дней. Даже несмотря на все потенциальные преимущества, текущие применения ^{242 м} Нам пока мешают дефицит и высокая цена этого конкретного ядерного изомера .

Великобритании В 2019 году исследователи из Национальной ядерной лаборатории и Университета Лестера продемонстрировали использование тепла, выделяемого америцием, для освещения небольшой лампочки. Эта технология может привести к созданию систем для обеспечения полетов продолжительностью до 400 лет в межзвездное пространство , где солнечные панели не работают.

Источник нейтронов

Оксид ²⁴¹ Прессованный бериллий является эффективным источником нейтронов . Здесь америций выступает в качестве источника альфа-излучения, а бериллий производит нейтроны благодаря своему большому сечению ядерной реакции (α,n):

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

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

Наиболее широкое использование ²⁴¹ Источники нейтронов AmBe представляют собой нейтронный зонд – устройство, используемое для измерения количества воды, присутствующей в почве, а также влажности/плотности для контроля качества при строительстве автомагистралей. ²⁴¹ Источники нейтронов Am также используются при каротаже скважин, а также в нейтронной радиографии , томографии и других радиохимических исследованиях.

Производство других элементов

Америций является исходным материалом для производства других трансурановых элементов и трансактинидов – например, 82,7% ²⁴² Я распадаюсь на ²⁴² См и 17,3% к ²⁴² Пу. В ядерном реакторе, ²⁴² Am также преобразуется путем захвата нейтронов в ²⁴³ Я и ²⁴⁴ Am, который при β-распаде превращается в ²⁴⁴ См:

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

Облучение ²⁴¹ Я рядом ¹² С или ²² Ионы Ne дают изотопы ²⁴⁷ Эс ( эйнштейний ) или ²⁶⁰ Дб ( дубний ) соответственно. Кроме того, элемент берклий ( ²⁴³ изотоп Bk) был впервые преднамеренно произведен и идентифицирован путем бомбардировки ²⁴¹ Я с альфа-частицами, в 1949 году, той же группой из Беркли, с использованием того же 60-дюймового циклотрона. Точно так же нобелий был получен в Объединенном институте ядерных исследований , в Дубне Россия, в 1965 году в нескольких реакциях, одна из которых включала облучение ²⁴³ Я с ¹⁵ Ионы N. Кроме того, одна из реакций синтеза лоуренция , открытая учеными в Беркли и Дубне, включала бомбардировку ²⁴³ Я с ¹⁸ ТЕМ.

Спектрометр

Америций-241 использовался в качестве портативного источника гамма-лучей и альфа-частиц для ряда медицинских и промышленных целей. Гамма-излучение с энергией 59,5409 кэВ ²⁴¹ Ам в таких источниках может быть использован для косвенного анализа материалов в рентгенографии и рентгенофлуоресцентной спектроскопии, а также для контроля качества в стационарных ядерных плотномерах и ядерных плотномерах . Например, этот элемент использовался для измерения толщины стекла при создании плоского стекла. Америций-241 также пригоден для калибровки спектрометров гамма-излучения в низкоэнергетическом диапазоне, поскольку его спектр состоит почти из одного пика и незначительного комптоновского континуума (интенсивность как минимум на три порядка ниже). Гамма-лучи америция-241 также использовались для пассивной диагностики функции щитовидной железы. Однако это медицинское применение устарело.

Проблемы со здоровьем

Как высокорадиоактивный элемент, америций и его соединения должны обрабатываться только в соответствующей лаборатории по специальным правилам. Хотя большинство изотопов америция испускают преимущественно альфа-частицы, которые могут блокироваться тонкими слоями обычных материалов, многие из дочерних продуктов испускают гамма-лучи и нейтроны, которые имеют большую глубину проникновения.

При употреблении большая часть америция выводится из организма в течение нескольких дней, при этом только 0,05% всасывается в кровь, из которых примерно 45% поступает в печень и 45% в кости, а оставшиеся 10% выводятся из организма. Поступление в печень 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 Ам составляет 50 лет в костях и 20 лет в печени, тогда как в половых железах (яичках и яичниках) он сохраняется постоянно; во всех этих органах америций способствует образованию раковых клеток в результате своей радиоактивности.

Америций часто попадает на свалки из выброшенных детекторов дыма . В большинстве юрисдикций правила, связанные с утилизацией детекторов дыма, смягчены. В 1994 году 17-летний Дэвид Хан извлек америций примерно из 100 детекторов дыма, пытаясь построить ядерный реактор-размножитель. Было несколько случаев воздействия америция, худшим из которых стал случай с техническим специалистом по химическим операциям Гарольдом Маккласки , который в возрасте 64 лет подвергся воздействию америция-241, в 500 раз превышающему профессиональную норму, в результате взрыва в его лаборатории. . Маккласки умер в возрасте 75 лет от ранее существовавшего заболевания, не связанного с этим заболеванием.

См. также

• Актиниды в окружающей среде
• Категория:Соединения америция

Библиография

• 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). Учебник неорганической химии . Де Грюйтер. ISBN  978-3-11-017770-1 .

Дальнейшее чтение

• 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?» . Комиссариат по атомной энергии . Архивировано из оригинала 11 ноября 2007 года.
• Ствертка, Альберт (1999). Руководство по элементам . Издательство Оксфордского университета, США. ISBN  978-0-19-508083-4 .

Внешние ссылки

• Америций в Периодической таблице видео (Ноттингемский университет)
• ATSDR – Заявление общественного здравоохранения: Америций
• Всемирная ядерная ассоциация – детекторы дыма и америций