From Wikipedia, the free encyclopedia
Торијум (, лат. ) је хемијски елемент из групе актиноида.[4][5] Име је добио по једном од нордијских богова — Тору. Његов атомски број је 90, и незнатно је радиоактиван. Заједно са уранијумом користи се као примарно гориво у нуклеарним реакторима. Торијум је 1828. открио шведски хемичар Јакоб Берцелијус. Припада групи хемијских елемената актиноиди (7. периода, ф-блок периодног система елемената). Он је један од само три радиоактивна елемента који се могу наћи у природи у нешто већој количини као примордијални елемент (друга два су бизмут и уранијум).[lower-alpha 1] Открио га је норвешки минералог Мортен Тран Есмарк 1828. године, а идентификовао шведски хемичар Јацоб Берзелиус, који му је и дао име по нордијском божанству муња - Тору.
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Општа својства | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Име, симбол | торијум, | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Изглед | сребрнобео, често са црним затамњењем[појаснити] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| У периодноме систему | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Атомски број (Z) | 90 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Група, периода | група Н/Д, периода 7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Блок | f-блок | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Категорија | актиноид | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Рел. ат. маса (Ar) | 232,0380558(21)[1] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ел. конфигурација | [ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
по љускама | 2, 8, 18, 32, 18, 10, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Физичка својства | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Агрегатно стање | чврст | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Тачка топљења | 2023 K (1750 °C, 3182 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Тачка кључања | 5061 K (4788 °C, 8650 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Густина при с.т. | 11,7 g/cm3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Топлота фузије | 13,81 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Топлота испаравања | 514 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Мол. топл. капацитет | 26,230 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Напон паре
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Атомска својства | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Оксидациона стања | 4, 3, 2, 1 (слабо базни оксид) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Електронегативност | 1,3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Енергије јонизације | 1: 587 kJ/mol 2: 1110 kJ/mol 3: 1930 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Атомски радијус | 179,8 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ковалентни радијус | 206±6 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Остало | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Кристална структура | постраничноцентр. кубична (FCC) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Брзина звука танак штап | 2490 m/s (на 20 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Топл. ширење | 11,0 µm/(m·K) (на 25 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Топл. водљивост | 54.0 W/(m·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Електроотпорност | 157 Ω·m (на 0 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Магнетни распоред | парамагнетичан[2] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Магнетна сусцептибилност (χmol) | 132,0·10−6 cm3/mol(293 )[3] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Јангов модул | 79 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Модул смицања | 31 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Модул стишљивости | 54 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Поасонов коефицијент | 0,27 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Мосова тврдоћа | 3,0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Викерсова тврдоћа | 295–685 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Бринелова тврдоћа | 390–1500 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CAS број | 7440-29-1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Историја | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Именовање | по Тору, нордијском богу грмљавине | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Откриће | Јакоб Берцелијус (1829) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Главни изотопи | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Атом торијума има 90 протона и 90 електрона, од којих су четири валентни електрони. Метал торијума је сребрнаст, а јако потамни ако је изложен ваздуху. Он је незнатно радиоактиван: његови сви познати изотопи су нестабилни, а шест изотопа се јавља у природи (227, 228, 230, 231, 232 и 234) који имају време полураспада између 25,52 сати и 14,05 милијарди година. Изотоп торијум-232 који има 142 неутрона је најстабилнији међу свим изотопима торијума, те сачињава готово сав природни торијум, док се осталих пет природних изотопа јавља само у траговима. Он се распада врло споро путем алфа распада на радијум-228, започињући ланчани распад под називом торијумова серија која завршава изотопом олова-208. Сматра се да торијума има од три до четири пута више од уранијума у Земљиној кори, а углавном се рафинира из монацитног песка као нуспроизвод издвајања ретких земних метала.
Торијум се некада често користио као извор осветљења као мрежица за гасне лампе и као материјал за легирање, међутим ова пракса је постепено престала због пораста свести о његовог радиоактивности. Торијум се користио и као елемент за легирање у непотрошним ТИГ електродама за заваривање. Он је и даље остао популаран као материјал за висококвалитетну оптику и научне инструменте. Торијум и уранијум су једина два радиоактивна елемента који имају значајније и обимније комерцијалне употребе које се не заснивају на њиховој радиоактивности. За торијум се предвиђа да ће моћи заменити уранијум као гориво у нуклеарним реакторима, међутим до данас је направљено само неколико торијумских реактора.
Шведски хемичар Јакоб Берцелијус је 1815. анализирао минерал из рудника бакра у Фалуну. Претпостављајући да је у минералу садржан нови елемент, претпостављеном елементу дао је име торијум према нордијском божанству муња, Тору. Међутим, касније се показало да се заправо радило о минералу итријума, углавном састављеном од итријум ортофосфата.[7] Пошто се итријум у овом минералу првобитно грешком сматрао за нови елемент, минерал је добио име ксенотим, према грчким речима κενός (привид, празнина) и τιμή (вредност, част).[8][9]
Мортен Тран Есмарк је 1828. пронашао црни минерал на острву Левеја у Норвешкој те је узорак дао свом оцу Јенс Есмарку, познатом минералогу. Есмарк старији није успео да одреди о ком се минералу ради па га је послао шведском хемичару Берцелијусу да га проучи. Берцелијус је пронашао да узорак садржи нови елемент.[7] Своје откриће је објавио 1829. године.[10][11][12] Међутим, искористио је име ранијег открића наводног елемента.[10][13] Тако, изворном минералу је дао назив торит, који је имао хемијски састав .[7]
У Мендељејевом периодном систему из 1869, торијум и елементи ретких земаља били су смештени изван главне табеле, на крају сваке усправне периоде после земноалкалних метала. Тим се осликавало мишљење тог времена да су торијум и метали ретких земаља двовалентни.[lower-alpha 2] Каснијим сазнањима да су елементи ретких земаља углавном тровалентни, а торијум четворовалентан, Мендељејев је 1871. померио церијум и торијум у групу , која је садржавала данашњу групу угљеника, групу титанијума, церијум и торијум, због тога што је њихово највише оксидационо стање било +4.[14][15] Dок је церијум врло брзо уклоњен из основне табеле те стављен у засебну серију лантаноида, торијум је ту остао све до 1945. када је Глен Т. Сиборг схватио да је торијум други члан серије актиноида те да попуњава ред -блока, уместо да је тежи хомолог хафнијума и да попуњава четврти ред -блока.[16]
Да је торијум радиоактиван први пут су доказали 1898. независно једно од другог пољско-француска физичарка Марија Кири и немачки хемичар Герхард Карл Шмит.[17][18][19] Између 1900. и 1903. Ернест Радерфорд и Фредерик Соди открили су да се торијум распада истом брзином током времена у серију других елемената. Ово откриће је довело до сазнања о појму времена полураспада након неких експеримената о алфа честицама којим су дошли до теорије радиоактивности.[20]
Торијум је мек, парамагнетичан, сребрнасто бели, радиоактивни метал високог сјаја. Спада у актиноиде. У периодном систему елемената, налази се десно од актиноида актинијума, лево од протактинијума, а испод лантаноида церијума. Чисти торијум је мек, врло дуктилни метал, а може се хладно ваљати, ковати и извлачити (у жицу и сл.).[21]
Измерене особине јако много варирају у зависности од количине нечистоћа у испитиваном узорку. Највећи удео у нечистоћама обично има торијум-диоксид (2). Најчистији узорци торијума обично садрже око један промил-диоксида.[21] Његова израчуната густина износи 11,724 3, док експериментална мерења дају вредности између 11,5 и 11,66 3:[21] ове вредности се налазе негде између оних код суседног актинијума (10,07 3) и протактинијума (15,37 3), што показује континуитет тренда дуж серије актиноида.[21] Међутим, тачка топљења торијума од 1750 °C је изнад оне и код актинијума (1227 °C) и протактинијума (1562 ± 15 °C): талишта актиноида немају јасну зависност од њиховог броја електрона, мада постоји благи тренд према доле од торијума до плутонијума, док се број електрона повећава од нула до шест.[22] Торијум је мекан метал, са модулом еластичности од 54 , што се може поредити оним код калаја и скандијума. Тврдоћа торијума је слична оној код меког челика, тако да се загрејани чисти торијум може ваљати у лим или извлачити у жицу.[22] Торијум постаје суперпроводник при температури испод 1,40 .[21][lower-alpha 3]
Мада торијум има упола мању густину од уранијума и плутонијума, он је подједнако тврд као ова два метала.[22] Међу актиноидима, торијум има највишу тачку топљења и другу најнижу густину (нижу има само актинијум).[21] Термална експанзија, електрична и топлотна проводљивост торијума, протактинијума и уранијума су приближно исте, и типичне су за пост-прелазне метале.[23]
Изложен кисеонику из ваздуха постепено тамни. Он је полиморфан, постоји у више модификација. Торијум такође гради легуре са многим другим металима. Са хромом и уранијумом, гради еутектичне смеше, а торијум се потпуно може мешати, било у чврстом или течном стању, са својим лакшим аналогом церијумом.
Торијум је изузетно реактиван метал. При стандардним условима температуре и притиска, торијум полако напада вода, али се не раствара у већини уобичајених киселина, уз изузетак хлороводоничне киселине.[21][24] Лако се расвара у концентрираној азотној киселини која садржи мање количине каталитичких флуоридних или флуоросиликатних јона;[21][25] а ако њих нема долази до пасивизације.[21] При високим температурама, торијум врло лако ступа у реакцију са кисеоником, водоником, азотом, сумпором и халогеним елементима. Такође он може да гради и бинарна једињења са угљеником и фосфором.[21] Када се торијум раствори у хлороводичној киселини настаје црни остатак, највероватније .[21]
Фино иситњени метални торијум представља ризик од пожара због лаког запаљења (пирофорности) те се с њим мора пажљиво руковати.[21] Када се загрејава у присуству ваздуха, торијум се запали и гори бљештавим пламеном са белом светлошћу те сагоревањем даје диоксид. У већим комадима, реакција чистог торијума са зраком је спора, мада се корозија ипак јавља након неколико месеци; међутим већина узорака торијума је контаминирана у одређеној мери с његовим диоксидом који знатно убрзава кородирање.[21] Такви узорци се полако пасивизирају у ваздуху, попримајући најпре сиву а касније потпуно црну боју.[21]
Најважније оксидационо стање торијума је +4, присутно у једињењима као што су торијум-диоксид (2) и торијум тетрафлуорид (4), мада су позната и једињења где је он у нижим формалним оксидационим стањима.[26][27][28] Тетравалентна једињења торијума су безбојна захваљујући мањку електрона у 6 и 5 орбиталама у торијуму().[22]
У воденим растворима, торијум се јавља искључиво као тетрапозитивни водени јон , који има троврху тригоналну призматску молекуларну геометрију:[29][30] при вредности < 3, раствори торијумских соли имају овај катјон.[29] Дужина везе износи (245 ± 1) , координациони број торијума 4+ је (10,8 ± 0,5), ефективни набој 3,82 а друга координацијска сфера садржи 13,4 молекула воде.[29]
Јон 4+ је релативно велик те је највећи тетрапозитивни јон међу актиноидима, а у зависности од координацијског броја може имати пречник између 0,95 и 1,14 Å. Као резултат тога торијумове соли имају слабу тенденцију да се хидролизирају, слабију од многих вишеструко наелектрисаних јона попут 3+.[29] Специфична особина торијумових соли је њихова велика растворљивост, не само у води него и у поларним органским растварачима.[22] Торијум показује активирање угљеник-водоник веза, градећи нека необична једињења. Атоми торијума се вежу на више атома од било којег другог елемента: на примјер у једињењу торијум-аминодиборанат, торијум има координациони број 15.[31]
Атом торијума има 90 електрона, од којих су четири валентна електрона. У теорији, валентним електронима су на располагању четири атомске орбитале које могу заузети: и 7. Међутим, 7 орбитала је знатно дестабилизирана и стога није заузета у основном стању било којег торијумовог јона.[32] Упркос торијумовом месту у -блоку периодног система елемената, он у основном стању има аномалну електронску конфигурацију . Ипак, у металном торијуму, конфигурација је слабо побуђено стање па 5 орбитале могу бити заузете, те постоје у широј енергетској траци.[32]
Електронске конфигурације јона торијума у основном стању су следеће: +, , ;[lower-alpha 4] 3+, 1; 4+, []. Ово показује повећање стабилизације 5 орбитала како се повећава набој јона; међутим, ова стабилизација није довољна да се хемијски стабилизује јон 3+ са његовим слободним 5 валентним електроном те је стога стабилан и најчешћи облик торијума у хемијским спојевима јон 4+ са отпуштена четири валентна електрона, остављајући инертно језгро са унутрашњим електронима електронске конфигурације племенитог гаса радона.[32][33] Измерена је и прва енергија јонизације торијума 1974. године[34] и износи (6,08 ± 0,12) ; док су новија мерења дала прецизније податке 6,3067 .[24]
Иако торијум има шест изотопа који се могу наћи у природи, ниједан од њих није стабилан. Међутим, један изотоп, 232, је релативно стабилан јер има време полураспада од 14,05 милијарди година, што је знатно дуже од старости Земље, те дуже и од генерално прихваћене старости свемира (око 13,8 милијарди година).[lower-alpha 5] Овај изотоп је најдуже „живући” међу свим изотопима који имају више од 83 протона те чини готово сав природни торијум. Стога, торијум се, у том погледу, може сматрати и моноизотопним елементом.[35][36][37] Ипак, у дубоким морима и океанима удео изотопа 230 се знатно повећава у довољној мери да је 2013. године одлучио да торијум класификује у бинуклидне (двоизотопне) елементе.[38] Руде уранијума са малим концентрацијама торијума се могу прочистити да би се добили узорци торијума тежине око 1 грама, у којима више од четвртине чини изотоп 230.[39] Торијум има карактеристичан земаљски изотопски састав, који се састоји већином од 232 и релативно мало 230, те му атомска маса износи 232,0377(4) .[38]
| Алотропска модификација | α (мерено при 0 °C) | β (мерено при 1450 °C) | високи притисак (мерено при 102 ) |
|---|---|---|---|
| температура прелаза | (α→β) 1360 °C | (β→течнос) 1750 °C | високи притисак |
| симетрија | кубна равански центрирана | кубна просторно центрирана | тетрагонална просторно центрирана |
| густина (−3) | 11,724 | 11,724 | непозната |
| параметри решетке () | = 508,42 | = 411 | = 228,2, = 441,1 |
Изотоп торијума-232 је примордијални нуклид, који је постојао у свом данашњем облику пре више од 4,5 милијарди година, што представља процењену старост планете Земље. Он је настао у језгрима умирућих звезда током р-процеса те се касније раширио по целој галаксији након супернове.[40] Његовим радиоактивним распадом настаје значајна количина Земљине унутрашње топлоте.[41]
Природни торијум је генерално изотопски чист 232, који уједно има и најдуже време полураспада, те је и најстабилнији изотоп торијума, са „животним веком” упоредивим са старости свемира. Када његов извор не би садржавао уранијум, једини изотоп торијума који би се налазио био би 228, присутан у ланцу распада торијума-232 (торијумева серија): однос изотопа 228 и 232 би био мањи од 10−10.[39] Међутим, пошто је уранијум присутан, присутни су и малени трагови неколико других изотопа 231 и 227, насталих у ланцу распадања уранијума-235 (актинијумова серија), те незнатно више али и даље у траговима изотопа 234 и 230 из ланца распада уранијума-238 (уранијумова серија).[39] Раније у историји Земље, изотоп 229 такође је настајао у ланцу распада, данас несталог, изотопа нептунијума-237 (нептунијумова серија). Данас се овај изотоп производи као „кћерка” вештачког изотопа уранијума-233, а који настаје из зрачења неутронима изотопа 232.[39]
На Земљи, торијум није толико редак елемент како се раније мислило. Његов удео у Земљиној кори се може мерити са оловом и молибденом, има га двоструко више од арсена, а троструко више од калаја.[42] У природи, он се налази у оксидационом стању +4, заједно са уранијумом(), цирконијумом(), хафнијумом() и церијумом(), али такође и са скандијумом, итријумом и тровалентним лантаноидима који имају сличне јонске радијусе.[42] Осим тога, торијум се може јавити само као споредни састојак бројних минерала.[42]
Иако га количински има релативно много, торијум је доста распршен па се врло реко налази у већим концентрацијама. Данас једини исплативи извор торијума је монацитни песак и минерални конгломерати у Онтарију, Канада. Раније га је било и у Индији, Јужноафричкој Републици, Бразилу, Аустралији и Малезији, а у ретким, посебним случајевима такав монацит је садржавао и до 20% 2, а најчешће мање од 10%. У канадској руди, торијум је заступљен у виду ураноторита, мешаним силикатима који су помешани са уранинитом. Иако је садржај 2 у њему врло низак и износи 0,4%, и даље је могуће издвајање торијума као нуспроизвод добијања уранијума.[43]
Торијум се користио, углавном у облику оксида, за прављење гасних лампи, међутим због радиоактивности својих испарења, престала је њихова производња. Те гасне лампе су се правиле од мешавине 99% торијум-оксида и 1% церијум-нитрата у коју се урањало вунено плетиво које би затим било запаљено. У пламену се распадао торијум-нитрат на торијум-диоксид и азот. Остајала је крхка структура која је у пламену гасова давала белу светлост и која није повезана са радиоактивношћу торијума, него је резултат обичног сагоревања.
У реакторима се торијум користи за производњу уранијумовог изотопа 233: Из торијума 232 се путем бомбардовања неутронима добија изотоп 233; он се затим распада преко протактинијума 233 на уранијум 233. Данас је развијена технологија којом се овај процес одвија у реакторима са воденим хлађењем с циљем смањења количине нуклеарног отпада.[44] Настали изотоп 233 се може цепати и користи се у нуклеарним реакторима.
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.
![{\displaystyle \mathrm {^{232}_{\ 90}Th\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 90}^{233}Th\ {\xrightarrow[{22,3\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 91}^{233}Pa\ {\xrightarrow[{26,967\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 92}^{233}U} }](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e69ba8c959dd5ab6f587b18437ec429f67229b02)
