hemijski element sa atomskim brojem 90 From Wikipedia, the free encyclopedia
Torij (latinski - thorium) jeste hemijski element sa simbolom Th i atomskim brojem 90. On je radioaktivni aktinoidni metal i jedan od samo tri radioaktivna elementa koji se mogu naći u prirodi u nešto većoj količini kao primordijalni element (druga dva su bizmut i uranij).[lower-alpha 1] Otkrio ga je norveški mineralog Morten Thrane Esmark 1828. godine, a identificirao švedski hemičar Jacob Berzelius, koji mu je i dao ime po nordijskom božanstvu munja Thoru.
![]() | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Torij u periodnom sistemu | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Hemijski element, Simbol, Atomski broj | Torij, Th, 90 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Serija | Aktinoidi | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Grupa, Perioda, Blok | Ac, 7, f | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Izgled | srebrenasto bijeli | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Zastupljenost | 0,0011[1] % | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomske osobine | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomska masa | 232,0377[2] u | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomski radijus (izračunat) | 179,8 (-) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kovalentni radijus | 206±6 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Van der Waalsov radijus | - pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronska konfiguracija | [Rn] 6d27s2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Broj elektrona u energetskom nivou | 2, 8, 18, 32, 18, 10, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1. energija ionizacije | 578 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2. energija ionizacije | 1110 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3. energija ionizacije | 1930 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4. energija ionizacije | 2780 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fizikalne osobine | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Agregatno stanje | čvrsto | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Mohsova skala tvrdoće | 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kristalna struktura | kubična plošno centrirana | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Gustoća | 11724[3] kg/m3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Magnetizam | paramagnetičan[4] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Tačka topljenja | 2028[3] K (1755 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Tačka ključanja | 5061[3] K (4788 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Molarni volumen | 19,80 · 10-6 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Toplota isparavanja | 514 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Toplota topljenja | 16,1 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Pritisak pare | 1000 Pa pri 3683 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Brzina zvuka | 2490 m/s pri 293,15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Specifična toplota | 120 J/(kg · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Specifična električna provodljivost | 6,67 · 106 S/m | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Toplotna provodljivost | 54 W/(m · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hemijske osobine | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oksidacioni broj | 4, 3, 2, 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oksid | ThO2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronegativnost | 1,3 (Pauling-skala) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Izotopi | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Sigurnosno obavještenje | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oznake upozorenja
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Obavještenja o riziku i sigurnosti | R: / S: / | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ostala upozorenja | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Radioaktivnost | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
![]() Radioaktivni element | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ako je moguće i u upotrebi, koriste se osnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima. |
Atom torija ima 90 protona i 90 elektrona, od koji su četiri valentni elektroni. Metal torija je srebrenast, a jako potamni ako je izložen zraku. On je neznatno radioaktivan: njegovi svi poznati izotopi su nestabilni, a šest izotopa se javlja u prirodi (227Th, 228Th, 230Th, 231Th, 232Th i 234Th) koji imaju vrijeme poluraspada između 25,52 sati i 14,05 milijardi godina. Izotop torij-232 koji ima 142 neutrona je najstabilniji među svim izotopima torija, te sačinjava gotovo sav prirodni torij, dok se ostalih pet prirodnih izotopa javlja samo u tragovima. On se raspada vrlo sporo putem alfa raspada na radij-228, započinjući lančani raspad pod nazivom torijeva serija koja završava izotopom olova-208. Smatra se da torija ima od tri do četiri puta više od uranija u Zemljinoj kori, a uglavnom se rafinira iz monacitnog pijeska kao nusproizvod izdvajanja rijetkih zemnih metala.
Torij se nekada često koristio kao izvor osvjetljenja kao mrežica za gasne lampe i kao materijal za legiranje, međutim ova praksa je postepeno prestala zbog porasta svijesti o njegovog radioaktivnosti. Torij se koristio i kao element za legiranje u nepotrošnim TIG elektrodama za zavarivanje. On je i dalje ostao popularan kao materijal za visokokvalitetnu optiku i naučne instrumente. Torij i uranij su jedina dva radioaktivna elementa koji imaju značajnije i obimnije komercijalne upotrebe koje se ne zasnivaju na njihovoj radioaktivnosti. Za torij se predviđa da će moći zamijeniti uranij kao gorivo u nuklearnim reaktorima, međutim do danas je napravljeno samo nekoliko torijskih reaktora.
Švedski hemičar Jacob Berzelius je 1815. analizirao mineral iz rudnika bakra u Falunu. Pretpostavljajući da se je mineralu sadržan novi element, pretpostavljenom elementu dao je ime thorium prema nordijskom božastvu munja, Thoru. Međutim, kasnije se pokazalo da se zapravo radilo o mineralu itrija, uglavom sastavljenom iz itrij-ortofosfata.[7] Pošto se itrij u ovom mineralu prvobitno greškom smatrao za novi element, mineral je dobio ime ksenotim, prema grčkim riječima κενός (privid, praznina) i τιμή (vrijednost, čast).[8][9]
Morten Thrane Esmark je 1828. pronašao crni mineral na ostrvu Løvøya u Norveškoj te je uzorak dao svom ocu Jens Esmarku, poznatom mineralogu. Esmark stariji nije uspio odrediti o kom se mineralu radi pa ga je poslao švedskom hemičaru Berzeliusu da ga prouči. Berzelius je pronašao da uzorak sadrži novi element.[7] Svoje otkriće je objavio 1829. godine.[10][11][12] Međutim, iskoristio je ime ranijeg otkrića navodnog elementa.[10][13] Tako, izvornom mineralu je dao naziv torit, koji je imao hemijski sastav (Th,U)SiO4.[7]
U Mendeljejevljevom periodnom sistemu iz 1869, torij i elementi rijetkih zemalja bili su smješteni izvan glavne tabele, na kraju svake uspravne periode poslije zemnoalkalnih metala. Tim se oslikavalo mišljenje tog vremena da su torij i metali rijetkih zemalja dvovalentni.[lower-alpha 2] Kasnijim saznanjima da su elementi rijetkih zemalja uglavnom trovalentni, a torij četverovalentan, Mendeljejev je 1871. pomjerio cerij i torij u grupu IV, koja je sadržavala današnju grupu ugljika, grupu titanija, cerij i torij, zbog toga što je njihovo najviše oksidacijsko stanje bilo +4.[14][15] I dok je cerij vrlo brzo uklonjen iz osnovne tabele te stavljen u zasebnu seriju lantanoida, torij je tu ostao sve do 1945. kada je Glenn T. Seaborg shvatio da je torij drugi član serije aktinoida te da popunjava red f-bloka, umjesto da je teži hololog hafnija i da popunjava četvrti red d-bloka.[16]
Da je torij radioaktivan prvi put su dokazali 1898. nezavisno jedno od drugog poljsko-francuska fizičarka Marie Curie i njemački hemičar Gerhard Carl Schmidt.[17][18][19] Između 1900. i 1903. Ernest Rutherford i Frederick Soddy otkrili su da se torij raspada istom brzinom tokom vremena u seriju drugih elemenata. Ovo otkriće je dovelo do saznanja o pojmu vremena poluraspada nakon nekih eksperimenata o alfa česticama kojim su došli do teorije radioaktivnosti.[20]
Torij je mehak, paramagnetičan, srebrenasto bijeli, radioaktivni metal visokog sjaja. Spada u aktinoide. U periodnom sistemu elemenata, nalazi se desno od aktinoida aktinija, lijevo od protaktinija, a ispod lantanoida cerija. Čisti torij je mehak, vrlo duktilni metal, a može se hladno valjati, kovati i izvlačiti (u žicu i sl).[21]
Izmjerene osobine jako mnogo variraju u zavisnosti od količine nečistoća u ispitivanom uzorku. Najveći udio u nečistoćama obično ima torij dioksid (ThO2). Najčistiji uzorci torija obično sadrže oko jedan promil dioksida.[21] Njegova izračunata gustoća iznosi 11,724 g/cm3, dok eksperimentalna mjerenja daju vrijednosti između 11,5 i 11,66 g/cm3:[21] ove vrijednosti se nalaze negdje između onih kod susjednog aktinija (10,07 g/cm3) i protaktinija (15,37 g/cm3), što pokazuje kontinuitet trenda duž serije aktinoida.[21] Međutim, tačka topljenja torija od 1750 °C je iznad one i kod aktinija (1227 °C) i protaktinija (1562 ± 15 °C): tališta aktinoida nemaju jasnu zavisnost od njihovog broja f elektrona, mada postoji blagi trend prema dolje od torija do plutonija dok se broj f elektrona povećava od nula do šest.[22] Torij je mehak metal, sa modulom elastičnosti od 54 GPa, što se može porediti onim kod kalaja i skandija. Tvrdoća torija je slična onoj kod mehkog čelika, tako da se zagrijani čisti torij može valjati u lim ili izvlačiti u žicu.[22] Torij postaje superprovodnik pri temperaturi ispod 1,40 K.[21][lower-alpha 3]
I pored toga, iako torij ima upola manju gustoću od uranija i plutonija, on je podjednako tvrd kao oba ova metala.[22] Među aktinoidima, torij ima najvišu tačku topljenja i drugu najnižu gustoću (nižu ima samo aktinij).[21] Termalna ekspanzija, električna i toplotna provodljivost torija, protaktinija i uranija su približno iste, i tipične su za post-prelazne metale.[23]
Izložen kisiku iz zraka postepeno tamni. On je polimorfan, postoji u više modifikacija. Torij također gradi legure sa mnogim drugim metalima. Sa hromom i uranijem, gradi eutektične smjese, a torij se potpuno može miješati, bilo u čvrstom ili tečnom stanju, sa svojim lakšim analogom cerijem.
Torij je izuzetno reaktivan metal. Pri standardnim uslovima temperature i pritiska, torij polahko napada voda, ali se ne otapa u većini uobičajenih kiselina, uz izuzetak hlorovodične kiseline.[4][21] Lahko se otapa u koncentriranoj dušičnoj kiselini koja sadrži manje količine katalitičnih fluoridnih ili fluorosilikatnih iona;[21][24] a ako njih nema dešava se pasivizacija.[21] Pri visokim temperaturama, torij vrlo lahko stupa u reakciju sa kisikom, vodikom, dušikom, sumporom i halogenim elementima. Također on može graditi i binarne spojeve sa ugljikom i fosforom.[21] Kada se torij rastvori u hlorovodičnoj kiselini nastaje crni ostatak, najvjerovatnije ThO(OH,Cl)H.[21]
Fino isitnjeni metalni torij predstavlja rizik od požara zbog lahkog zapaljenja (pirofornosti) te se s njim mora pažljivo rukovati.[21] Kada se zagrijava u pristustvu zraka, torij se zapali i gori blještavim plamenom sa bijelom svjetlošću te sagorijevanjem daje dioksid. U većim komadima, reakcija čistog torija sa zrakom je spora, mada se korozija ipak javlja nakon nekoliko mjeseci; međutim većina uzoraka torija je kontaminirano u određenoj mjeri s njegovim dioksidom koji znatno ubrzava korodiranje.[21] Takvi uzorci se polahko pasiviziraju u zraku, poprimajući najprije sivu a kasnije potpuno crnu boju.[21]
Najvažnije oksidacijsko stanje torija je +4, prisutno u spojevima kao što su torij-dioksid (ThO2) i torij-tetrafluorid (ThF4), mada su poznati i spojevi gdje je on u nižim formalnim oksidacijskim stanjima.[25][26][27] Tetravalentni spojevi torija su bezbojni zahvaljujući manjku elektrona u 6d i 5f orbitalama u toriju(IV).[22]
U vodenim rastvorima, torij se javlja isključivo kao tetrapozitivni vodeni ion [Th(H2O)9]4+, koji ima trovrhu trigonalnu prizmatsku molekularnu geometriju: :[28][29] pri pH vrijednosti < 3, rastvori torijevih soli imaju ovaj kation.[28] Dužina veze Th-O iznosi (245 ± 1) pm, koordinacijski broj torija Th4+ je (10,8 ± 0,5), efektivni naboj 3,82 a druga koordinacijska sfera sadrži 13,4 molekule vode.[28]
Ion Th4+ je relativno velik te je najveći tetrapozitivni ion među aktinidima, a u zavisnosti od koordinacijskog broja može imati promjer između 0,95 i 1,14 Å. Kao rezultat toga torijeve soli imaju slabu tendenciju da se hidroliziraju, slabiju od mnogih višestruko nabijenih iona poput Fe3+.[28] Specifična osobina torijevih soli je njihova velika rastvorljivost, ne samo u vodi nego i u polarnim organskim otapalima.[22] Torij pokazuje aktiviranje ugljik-vodik veza, gradeći neke neobične spojeve. Atomi torija se vežu na više atoma od bilo kojeg drugog elementa: naprimjer u spoju torij-aminodiboranat, torij ima koordinacijski broj 15.[30]
Atom torija ima 90 elektrona, od kojih su četiri valentna elektrona. U teoriji, valentnim elektronima su na raspolaganju četiri atomske orbitale koje mogu zauzeti: 5f, 6d, 7s i 7p. Međutim, 7p orbitala je znatno destabilizirana i stoga nije zauzeta u osnovnom stanju bilo kojeg torijevog iona.[31] Uprkos torijevom mjestu u f-bloku periodnog sistema elemenata, on u osnovnom stanju ima anomalnu elektronsku konfiguraciju [Rn]6d27s2. Ipak, u metalnom toriju, konfiguracija [Rn]5f16d17s2 je slabo pobuđeno stanje pa 5f orbitale mogu biti zauzete, te postoje u široj energetskoj traci (vrpci).[31]
Elektronske konfiguracije iona torija u osnovnom stanju su sljedeće: Th+, [Rn]6d27s1; Th2+, [Rn]5f16d1;[lower-alpha 4] Th3+, [Rn]5f1; Th4+, [Rn]. Ovo pokazuje povećanje stabilizacije 5f orbitala kako se povećava naboj iona; međutim, ova stabilizacija nije dovoljna da se hemijski stabilizira ion Th3+ sa njegovim slobodnim 5f valentnim elektronom te je stoga stabilan i najčešći oblik torija u hemijskim spojevima ion Th4+ sa otpuštena četiri valentna elektrona, ostavljajući inertno jezgro sa unutrašnjim elektronima elektronske konfiguracije plemenitog gasa radona.[31][32] Izmjerena je i prva energija ionizacije torija 1974. godine[33] i iznosi (6,08 ± 0,12) eV; dok su novija mjerenja dala preciznije podatke 6,3067 eV.[4]
Iako torij ima šest izotopa koji se mogu naći u prirodi, nijedan od njih nije stabilan. Međutim, jedan izotop, 232Th, je relativno stabilan jer ima vrijeme poluraspada od 14,05 milijardi godina, što je znatno duže od starosti Zemlje, te duže i od općenito prihvaćene starosti svemira (oko 13,8 milijardi godina).[lower-alpha 5] Ovaj izotop je najduže "živući" među svim izotopima koji imaju više od 83 protona te čini gotovo sav prirodni torij. Stoga, torij se, u tom pogledu, može smatrati i monoizotopnim elementom.[34][35][36] Ipak, u dubokim morima i okeanima udio izotopa 230Th se znatno povećava u dovoljnoj mjeri da je IUPAC 2013. godine odlučio da torij klasificira u binuklidne (dvoizotopne) elemente.[2] Rude uranija sa malim koncentracijama torija se mogu pročistiti da bi se dobili uzorci torija težine oko 1 grama, u kojima više od četvrtine čini izotop 230Th.[37] Torij ima karakterističan zemljski izotopski sastav, koji se sastoji većinom od 232Th i relativno malo 230Th, te mu atomska masa iznosi 232,0377(4) u.[2]
Alotropska modifikacija | α (mjereno pri 0 °C) | β (mjereno pri 1450 °C) | visoki pritisak (mjereno pri 102 GPa) |
---|---|---|---|
temperatura prijelaza | (α→β) 1360 °C | (β→tečnost) 1750 °C | visoki pritisak |
simetrija | kubična plošno centrirana | kubična prostorno centrirana | tetragonalna prostorno centrirana |
gustoća (g·cm−3) | 11,724 | 11,724 | nepoznata |
parametri rešetke (pm) | a = 508,42 | a = 411 | a = 228,2, c = 441,1 |
Izotop torija-232 je primordijalni nuklid, koji je postojao u svom današnjem obliku prije više od 4,5 milijarde godina, što predstavlja procijenjenu starost planete Zemlje. On je nastao u jezgrima umirućih zvijezda tokom r-procesa te se kasnije raširio po cijeloj galaksiji nakon supernove.[38] Njegovim radioaktivnim raspadom nastaje značajna količina Zemljine unutrašnje toplote.[39]
Prirodni torij je uopćenito izotopski čisti 232Th, koji ujedno ima i najduže vrijeme poluraspada te je i najstabilniji izotop torija, sa "životnim vijekom" usporedivim sa starosti svemira. Kada njegov izvor ne bi sadržavao uranij, jedini izotop torija koji bi se nalazio bio bi 228Th, prisutan u lancu raspada torija-232 (torijeva serija): odnos izotopa 228Th i 232Th bi bio manji od 10−10.[37] Međutim, pošto je uranij prisutan, bit će prisutni i malehni tragovi nekoliko drugih izotopa 231Th i 227Th, nastalih u lancu raspadanja uranija-235 (aktinijeva serija), te neznatno više ali i dalje u tragovima izotopa 234Th i 230Th iz lanca raspada uranija-238 (uranijeva serija).[37] Ranije u historiji Zemlje, izotop 229Th također je nastajao u lancu raspada, danas nestalog, izotopa neptunija-237 (neptunijeva serija). Danas se ovaj izotop proizvodi kao "kćerka" umjetnog izotopa uranija-233, a koji nastaje iz zračenja neutronima izotopa 232Th.[37]
Na Zemlji, torij nije toliko rijedak element kako se ranije mislilo. Njegov udio u Zemljinoj kori se može mjeriti sa olovom i molibdenom, ima ga dvostruko više od arsena a trostruko više od kalaja.[40] U prirodi, on se nalazi u oksidacijskom stanju +4, zajedno sa uranijem(IV), cirkonijem(IV), hafnijem(IV) i cerijem(IV), ali također i sa skandijem, itrijem i trovalentnim lantanoidima koji imaju slične ionske radijuse.[40] Osim toga, torij se može javiti samo kao sporedni sastojak brojnih minerala.[40]
Iako ga količinski ima relativno mnogo, torij je dosta raspršen pa se vrlo rijeko nalazi u većim koncentracijama. Danas jedini isplativi izvor torija je monacitni pijesak i mineralni konglomerati u Ontariju, Kanada. Ranije ga je bilo i u Indiji, Južnoafričkoj Republici, Brazilu, Australiji i Maleziji, a u rijetkim, posebnim slučajevima takav monacit je sadržavao i do 20% ThO2, a najčešće manje od 10%. U kanadskoj rudi, torij je zastupljen u vidu uranotorita, miješanim Th-U silikatima koji su pomješani sa uraninitom. Iako je sadržaj ThO2 u njemu vrlo nizak i iznosi 0,4%, i dalje je moguće izdvajanje torija kao nusproizvod dobijanja uranija.[41]
Torij se koristio, uglavnom u obliku oksida, za pravljenje gasnih lampi. Te gasne lampe su se pravile od smjese 99% torij-oksida i 1% cerij nitrata u koju se uranjalo vuneno pletivo te je ono zatim zapaljeno. U plamenu se raspadao torij-nitrat na torij-dioksid i dušikom bogat gas. Ostajala je krhka struktura koja je u plamenu gasova davala bijelu svjetlost, koja nije povezana s radioaktivnošću torija nego je rezultat običnog sagorijevanja. Zbog otkrića njegove radioaktivnosti i štetnosti, u međuvremenu se prešlo na druge izvore osvjetljenja.
U reaktorima se torij koristi za proizvodnju uranijevog izotopa 233U: Iz torija 232Th se putem bombardovanja neutronima dobija izotop 233Th; on se zatim raspada preko protaktinija 233Pa na uranij 233U. Danas je razvijena tehnologija kojom se ovaj proces odvija u reaktorima sa vodenim hlađenjem s ciljem smanjenja količine nuklearnog otpada.[42] Nastali izotop 233U se može cijepati i koristi se u nuklearnim reaktorima.
Eksperimenti sa MOX gorivim elementima izvođeni su počev od 1970tih u nuklearnom reaktoru Lingen u Njemačkoj.[43] U upotrebi je bio i lahkovodni reaktor Shippingport kao termički brzo-oplodni reaktor u periodu od 1977. do 1982. Raniji visokotemperaturni reaktori (VTR) uz upotrebu torija, npr. THTR-300, davali su premalo uranija 233U, pošto su trošili materijal za cijepanje, ne mogu se svrstati među brzo-oplodne reaktore. U reaktorima se moglo iskoristiti samo oko 4% sadržaja torija za proizvodnju energije. Takvi VTR reaktori su bili oslonjeni, pored dodavanja torija, na stalno dodavanje fisijskog materijala u visokoobogaćenom obliku (pogodnom za oružje, 93% 235U), što se iz razloga inicijative povećanja sigurnosti uskoro pokazalo kao neprihvatljivo. Noviji koncepti VTR reaktora koncentrirali su se na klasični U/Pu ciklus sa manjim koncentracijama obogaćenog uranija, tj. bez torija. Njemački reaktor THTR-300 je 1989. ugašen nakon 423 dana upotrebe i brojnih problema. U atomskoj centrali Obrigheim su 2002.[44] počeli testovi sa torijem. Nova serija testova koja će trajati pet godina počela je u aprilu 2013. u norveškom istraživačkom reaktoru Halden, a koristit će torij u MOX gorivim elementima. Njihov cilj je istraživanje načina komercijalne upotrebe torija u nuklearnim centralama kao i uklanjanje plutonija.[45][46] Kao trenutni koncept termičkog brzo-oplodnog reaktora na bazi torija može se smatrati reaktor sa istopljenom soli. Takvi rekatori imaju određene sigurnosne probleme, pa se raspravlja o konceptu brzo-oplodnog reaktora sa istopljenom soli. Također, koncept ubrzivačko-pokretanog "Rubbiatron" reaktora zasnovan je na toriju.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.