Торій
То́рій (лат. Thorium) — радіоактивний хімічний елемент, перший член сімейства актиноїдів, що входять до III групи періодичної системи Менделєєва; символ Th, атомний номер 90, атомна маса 232,038; сріблясто-білий пластичний метал.[1] Стійкий до окиснення в чистому вигляді, але повільно тьмяніє із часом — до темного кольору. Повільно взаємодіє з водою. Легко деформується на холоді; механічні властивості торію сильно залежать від його чистоти, тому межа міцності при розтягуванні торію варіює від 150 до 290 Мн/м² (15-29 кгс/мм²), твердість за Бринелем від 450 до 700 Мн/м² (45-70 кгс/мм²). Конфігурація зовнішніх електронів атома Th 6d 27s2.
На повітрі при кімнатній температурі торій трохи окиснюється, вкриваючись захисною плівкою чорного кольору; вище 400 °C швидко окиснюється. ThO2 — єдиний оксид, який плавиться вище 3200 °C і має високу хімічну стійкість[1].
Природний торій містить один ізотоп 232Th з періодом напіврозпаду 14 млрд років.
Радіоактивність — основна причина цікавості до торію, оскільки цей тугоплавкий, але не міцний і нестійкий до корозії метал, одразу після відкриття не становив інтересу як конструкційний матеріал.
Історія
1828 року видатному шведському хіміку І. Я.Берцеліусу надіслали рідкісний мінерал, який тепер називають торитом (ThSiO4). Видатний хімік виділив оксид (торит містить до 77% ThO2) і впевнившись, що це окис нового елемента, надав йому назву торій на честь наймогутнішого скандинавського божества Тора.
Відновивши калієм фтористу сполуку нового елемента, Берцеліус отримав сірий металічний порошок, як пізніше з'ясувалося — дуже забруднений домішками. Ці домішки призвели до цілої низки помилок під час опису властивостей торію.
Чистий препарат торію було отримано лише 1882 року іншим видатним шведським хіміком — Ларсом Фредериком Нільсоном.
У 19 столітті застосування торію обмежувалося тільки його оксидом (ThO2). Ця сполука з температурою плавлення 3300 °C — найвищою серед усіх оксидів. Спочатку з нього пробували робити тиглі для виплавки матеріалів, але, попри тугоплавкість, ця речовина розчиняється в деяких металах і, таким чином, забруднює їх. Поширення набули сітки з оксиду торію в газових ліхтарях, які в ті часи (за відсутності електричного освітлення) були основним джерелом світла на вулицях міст.
1898 року Марія Склодовська-Кюрі та, незалежно й майже одночасно з нею, німецький вчений Ґергард Шмідт виявили радіоактивність торію.
Глибокі досліди радіоактивності торію вже спочатку дали неочікувані результати. У той час як радіоактивність урану була постійною та не залежною від будь-яких зовнішніх факторів, радіоактивність торію відрізнялася дивною непостійністю. Двоє тоді ще молодих професорів університету Мак-Гілла в Монреалі — Ернест Резерфорд та Роберт Оуенс[en] — на початку робіт із торієм були дуже здивовані, коли після ретельного провітрювання приміщення радіоактивність торію стала майже непомітною.
Вони висунули природне припущення, що під час розпаду утворюється радіоактивний газ. Він отримав назву еманація торію або торон, його було вивчено й наразі він відомий як ізотоп радону 220Rn.
Невдовзі в тій же лабораторії Фредерік Содді виділив із розчину торієвої солі ще один новий радіоактивний продукт торій-X. Його знаходили скрізь, де був торій, але після відокремлення інтенсивність його випромінювання швидко падала. Менш ніж за чотири дні вона зменшувалася вдвічі й продовжувала зменшуватися надалі у повній відповідності з геометричною прогресією. Так у фізику увійшло поняття період напіврозпаду. Пізніше було встановлено, що торій-X являє собою ізотоп радію 224Ra з порівняно коротким часом життя (3,6 доби).
Вивчивши численні продукти перетворень торію, Резерфорд встановив зв'язок між ними та на підставі цих досліджень 1903 року запропонував схему послідовних розпадів радіоактивного ряду торію.
Розповсюдження
Торій — характерний елемент верхньої частини земної кори гранітного шару й осадової оболонки, де його в середньому міститься відповідно 1,8×10-3% і 1,3×10-3% за масою. Торій порівняно малорухливий елемент; в основному він бере участь у магматичних процесах, накопичуються в гранітах, лужних породах і пегматитах. Здатність до концентрації слабка. Відомо 12 власних мінералів торію. Торій міститься в монациті, уранініті, цирконі, апатиті, ортиті та ін. Основне промислове джерело торію — монацитові розсипи (морські й континентальні). У природних водах міститься дуже мало торію: у прісній воді — 2·10-9%, у морській воді — 1·10-9%. Він дуже слабо мігрує в біосфері й гідротермальних розчинах[1].
Крім вже згаданого ториту (ThSiO4), мінералом торію є також торіаніт (Th, U)O2, що містить від 45% до 93% ThO2. Але ці мінерали надзвичайно рідкісні і, хоча вони мають промислове значення, їх частка у виробництві торію незначна. Найвідоміше родовище ураноторіаніту розташоване на острові Мадагаскар.
Значні кількості торію містяться у монациті. Загалом його формулу пишуть як (Ce, La)PO4, але крім церію та лантану монацит містить багато рідкісноземельних елементів, і, зокрема, — торій. У деяких родовищах вміст його оксиду може сягати чверті.
Власне торієві родовища невідомі. Торій видобувають супутно під час переробки комплексних руд рідкісних елементів, основна маса його залягає в прибережно-морських монацитових розсипах Австралії, Індії, Бразилії, Малайзії.
Рідкіснометалічні родовища Th відомі в ендогенній, екзогенній і метаморфогенній серіях. Серед ендогенних утворень до торієвмісних належать деякі магматичні (Скандинавський щит), карбонатитові (Маунтін Пасс, США), пегматитові (Банкрофт, Канада), альбітитові (Джонс, Нігерія), гідротермальні (Стінкампськрааль, ПАР; Шаудерхорн, США і інш.) родовища. У серії екзогенних утворень домінують алювіальні, пролювіальні і особливо латеральні (прибережно-океанічні) як сучасні, так і древні розсипи торієвмісного монациту, що містять головні запаси цього металу. Серед метаморфогенних можуть бути згадані металоносні конгломерати, наприклад, Вітватерсранда (ПАР), в яких присутній ураноторит, або Еліот-Лейк (Канада) з торієвмісними бранеритом і монацитом. Найвідоміше родовище ураноторіаніту розташоване на острові Мадагаскар.
Отримання
Виділення торію з монацитових руд є надзвичайно складним. Це зумовлено тим, що мінерал містить рідкоземельні метали, які дуже подібні до торію та між собою за хімічними властивостями. Наразі для цього використовують екстракцію. Найчастіше це роблять за допомогою трибутилфосфату.
Одержують ThO2 термічним розкладанням нітрату, оксалату або гідроокису торію з воднем, при температурах вище 200 °С торій реагує з утворенням порошкоподібних гідридів ThH2, ThH3 та ін. складу. У вакуумі при температурі 700–800 °С з торію можна видалити весь водень. При нагріванні в азоті вище 800 °С утворюються нітриди ThN і Th2NЗ, які розкладаються водою з виділенням аміаку. З вуглецем утворює два карбіди — ThC і ThC2; вони розкладаються водою з виділенням метану й ацетилену. Сульфіди ThS, Th2S3, Th7S12, ThS2 можуть бути одержані при нагріванні металу з парами сірки (600–800 °С). Торій реагує з фтором при кімнатній температурі, з рештою галогенів при нагріванні з утворенням галогенідів типу ThX4 (де X — галоген). Найважливіше промислове значення з галогенідів мають фторид ThF4 і хлорид ThC14. Фторид одержують дією HF на ThO2 при підвищених температурах; хлорид — хлоруванням суміші ThO2 з вугіллям при підвищених температурах.
Торій добувається головним чином з монацитових концентратів, в яких він міститься у вигляді фосфату. Промислове значення мають два способи розкриття (розкладання) таких концентратів:
- обробка концентрованою сірчаною кислотою при 200°С (сульфатизація);
- обробка розчинами лугу при 140 °С.
У сірчанокислі розчини продуктів сульфатизації переходять усі рідкоземельні елементи, торій і фосфорна кислота. При доведенні рН такого розчину до 1 осаджується фосфат торію; осад відділяють і розчиняють в азотній кислоті, а потім нітрат торію екстрагують органічним розчинником, з якого торій легко вимивається у вигляді комплексних сполук. При лужному розкритті концентратів в осаді залишаються гідроокиси всіх металів, а в розчин переходить тринатрій фосфат. Осад відділяють і розчиняють у соляній кислоті; знижуючи рН цього розчину до 3,6–5, оточують торій у вигляді гідроокису. З виділених і очищених сполук торію одержують ThO2, ThCl4 і ThF4, основні початкові речовини для виробництва металевого торію метало-термічними методами або електролізом розплавлених солей. До метало-термічних методів належать: відновлення ThO2 кальцієм за наявності CaCl2 в атмосфері аргону при 1100–1200 °С, відновлення ThCl4 магнієм при 825–925 °С і відновлення ThF4 кальцієм за наявності ZnCl2 з отриманням сплаву торію й подальшим відділенням цинку нагріванням сплаву у вакуумній печі при 1100 °С. У всіх випадках одержують торій у формі порошку або губки. Електроліз розплавлених солей ведеться з електролітів, що містять ThCl4 і МаСl[джерело?], або ванн, що складаються з суміші ThF4, КаCl[джерело?], KCl. Торій виділяється на катоді у вигляді порошку, який потім відокремлюють від електроліту обробкою водою або розбавленими лугами. Для отримання компактного торію застосовують метод порошкової металургії (спікання заготовок проводять у вакуумі при 1100–1350 °С) або плавку в індукційних вакуумних печах у тиглях з оксидів цирконію (ZrO2) або берилію (ВеО). Для отримання торію особливо високої чистоти застосовують метод термічної дисоціації йодиду торію[1].
Застосування
Завдяки постійній швидкості радіоактивного розпаду та наявності у речовині материнських та дочірніх ізотопів торій використовують для виміру геологічного віку порід та скам'янілостей. Відповідну ідею висловив П'єр Кюрі 1904 року.
Також торій використовують:
- в авіаційно-космічному конструюванні як легуючий елемент для магнію, що помітно збільшує міцність та жаростійкість його сплавів, які набули значення в реактивній авіації й ракетній техніці.
- для легування вольфраму, що поліпшує його структуру. Додавання 0,8–1 % ThO2 до вольфраму стабілізує структуру ниток ламп розжарювання (нитки розжарювання ламп, електроди)
- як каталізатор у процесах крекінгу нафти, виробництва азотних добрив та органічного синтезу.
- як добавка до скла, що збільшує показник його заломлення та зменшує дисперсію. Це мало застосування у високоякісних лінзах для фотокінокамер та наукових інструментів, але такі об'єктиви давно зняті з виробництва.
- Металевий торій використовується в торієвих реакторах.
Використання як ядерного палива
Торій не може бути ядерним паливом безпосередньо. Але під дією нейтронів (наприклад, у ядерних реакторах) відбуваються такі ядерні реакції:
- 232Th + n → 233Th → 233Pa + e-
- 233Pa → 233U + e-
Отриманий ізотоп урану 233U є чудовим ядерним пальним, яке за деякими показниками перевищує традиційний 235U.
Біологічна роль
Біологічної ролі торій не має, у біосфері не зустрічається. Якщо потрапляє до шлунку людини (у звичайному вигляді та у вигляді більшості сполук), то виводиться з організму. Небезпечним є потрапляння до складу крові.
Див. також
- Ізотопи торію
- Торієві руди
- Торієві мінерали
- Торієві сполуки
- Торіметрія
Примітки
- ↑ а б в г Любич О. Й., Пчелінцев В. О. Фізичні основи металургії кольорових і рідкоземельних металів: Навч. посібник. — Суми: Вид-во СумДУ, 2009 ISBN 978-966-657-255-7 с.209 — 212
Література
- Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім.. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
- Гірничий енциклопедичний словник : у 3 т / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Східний видавничий дім, 2001—2004.
- Український радянський енциклопедичний словник : [у 3 т.] / гол. ред. Бабичев Ф. С. — 2-ге вид. — К. : Голов. ред. УРЕ АН УРСР, 1987. — Т. 3 : Портулак — Ь. — 736 с.
- Торій на WebElements (англ.)
- Торій у Популярній бібліотеці хімчних елементів (рос.)
- Любич О. Й., Пчелінцев В. О. Фізичні основи металургії кольорових і рідкоземельних металів: Навч. посібник. — Суми: Вид-во СумДУ, 2009 ISBN 978-966-657-255-7 с.209 — 212
Посилання
- Торій // Універсальний словник-енциклопедія. — 4-те вид. — К. : Тека, 2006.