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Neptúnio

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Informações de fundo

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Neptúnio
93 Np
Pm

Np

(Uqp)
urânioneptuniumplutônio
Aparência
metálico prateado
Propriedades gerais
Nome, símbolo, número neptunium, Np, 93
Pronúncia / n ɛ p tj u n Eu ə m /
nep- TEW--nee əm
Categoria elemento actinide
Grupo, período, bloco n / D, 7, f
Peso atômico padrão (237)
Configuração eletrônica [ Rn ] 5f 4 6d 1 7s 2
2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
Conchas de electrões de Neptúnio (2, 8, 18, 32, 22, 9, 2)
História
Descoberta Edwin McMillan e Philip H. Abelson (1940)
Propriedades físicas
Fase sólido
Densidade (perto RT) 20,45 g · cm -3
Ponto de fusão 910 K , 637 ° C, 1179 ° F
Ponto de ebulição 4273 K, 4000 ° C, 7232 ° F
Calor de fusão 3.20 kJ mol -1 ·
Calor de vaporização 336 kJ mol -1 ·
Capacidade calorífica molar 29,46 J · · mol -1 K -1
Pressão de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
em T (K) 2194 2437
Propriedades atômicas
Estados de oxidação 7, 6, 5, 4, 3
( óxido anfotérico)
Eletronegatividade 1,36 (escala de Pauling)
Energias de ionização 1º: 604,5 kJ · mol -1
Raio atômico 155 pm
O raio de covalência 190 ± 13:00
Miscelânea
A estrutura de cristal orthorhombic
Neptunium tem uma estrutura cristalina ortorrômbica
Ordenamento magnético paramagnético
Resistividade elétrica (22 ° C) 1,220 μΩ · m
Condutividade térmica 6,3 W · m -1 · K -1
Número de registo CAS 7439-99-8
A maioria dos isótopos estáveis
Ver artigo principal: Isótopos de neptunium
iso N / D meia-vida DM DE ( MeV) DP
235 Np syn 396,1 d α 5,192 231 Pa
ε 0,124 235 L
236 Np syn 1,54 x 10 5 y ε 0,940 236 L
β - 0,940 236 Pu
α 5.020 232 Pa
237 Np traço 2,144 x 10 6 y SF & α 4,959 233 Pa
239 Np traço 2.356 d β - 0,218 239 Pu

Neptunium é um elemento químico com o símbolo Np e número atômico 93. A metal radioactivo, Neptúnio é o primeiro elemento transuranic, e pertence à actinide série. Seu mais estável isótopo , 237 Np, é um subproduto de reactores nucleares e plutónio produção, e que pode ser usado como um componente em equipamento de detecção de nêutrons. Neptunium também é encontrada em pequenas quantidades em urânio minérios devido a transmutação reações.

História

A tabela periódica de Dmitri Mendeleev publicou na década de 1870 mostrou um "-" no local após urânio semelhante a vários outros lugares para que os elementos ainda não descobertos no ponto. Além disso, uma publicação de 1913 de isótopos radioactivos conhecidos pelos Kasimir Fajans mostra o lugar vazio depois de urânio.

Relatórios falsos de descoberta

Em 1934, Odolen Koblic extraída uma pequena quantidade de material a partir da água de lavagem de torrado uraninita. Ele assumiu a amostra foi elemento 93, e chamou- bohemium, mas depois de ser analisado, descobriu-se que a amostra era uma mistura de tungsténio e vanádio . Também em 1934, Enrico Fermi tentou bombardear urânio com nêutrons para produzir elementos 93 e 94 . Ele também não teve sucesso, mas tinha, sem saber, descobriu a fissão nuclear . Em 1938, Horia Hulubei, um físico romeno; e Yvette Cauchois, um químico francês; afirmou ter descoberto elemento 93 via espectroscopia em minerais. Eles nomearam seu elemento sequanium, mas o pedido foi oposição na época, porque neptunium foi pensado para ocorrer exclusivamente artificialmente. No entanto, como Neptúnio ocorre na natureza, é possível que Hulubei e Cauchois fez, de facto, descobrir Neptúnio.

Descoberta real

A busca por elemento 93 em minerais foi impedido pelo fato de que as previsões sobre as propriedades químicas do elemento 93 foram baseados em uma tabela periódica que faltava a série actinide, e, portanto, colocado tório abaixo háfnio, protactinium abaixo tântalo, tungstênio e urânio abaixo. Esta tabela periódica sugeriu que elemento 93, pelo que, muitas vezes chamado ponto EKA-rénio, deve ser semelhante ao manganês ou rénio. Com este equívoco que foi impossível isolar elemento 93 de minerais, embora neptunium foi encontrado mais tarde em minério de urânio, em 1952.

Enrico Fermi acreditava que bombardeando urânio com neutrões e subsequente desintegração beta conduziria à formação de elemento 93. A separação química dos novos elementos formados do urânio produziu material com baixa meia-vida, e, por conseguinte, de Fermi anunciada a descoberta de uma nova elemento em 1934, embora este logo foi encontrado para ser enganado. Logo que foi especulado e mais tarde demonstrado que a maior parte do material é criado pela fissão nuclear de urânio por neutrões. Pequenas quantidades de Neptúnio teve de ser produzido em Os experimentos de Otto Hahn em 1930 atrasados como resultado do decaimento de 239 U. Hahn e seus colegas confirmada experimentalmente produção e propriedades químicas de 239 U, mas não tiveram sucesso no isolamento e detecção de neptunium.

Neptunium (nomeado para o planeta Netuno , o próximo planeta fora de Urano , após o qual o urânio foi nomeado) foi descoberto por Edwin McMillan e Philip H. Abelson em 1940 no Laboratório de Radiação Berkeley do Universidade da Califórnia, Berkeley. A equipe produziu o neptunium isótopo 239 Np (2,4 dias de semi-vida ) bombardeando o urânio com nêutrons lentos. Foi o primeiro transurânico elemento produzido sinteticamente eo primeiro da série actinide elemento transurânico descoberto.

\ Mathrm {^ {238} _ {\ 92} L \ + \ ^ _ {1} {0} n \ \ longrightarrow \ ^ {239} _ {\ 92} L \ \ xrightarrow [23 \ min] {\ beta ^ -} \ ^ {239} _ {\ 93} Np \ \ xrightarrow [2.355 \ d] {\ beta ^ -} \ ^ {239} _ {\ 94}} Pu

Ocorrência

O isótopo mais estável de Neptúnio é Np 237, com uma meia-vida de dois milhões de anos. Assim, todos neptunium primordial deve ter se deteriorado por agora. No entanto, pequenas quantidades de isótopos neptunium o neptúnio-237 através de neptúnio-240, são encontrados naturalmente como produtos de decaimento de reações de transmutação em minérios de urânio.

Artificial 237 Np é produzido através de uma reacção de 237 NpF 3 com o líquido de bário ou de lítio a cerca de 1200 ° C e é mais frequentemente extraído do gasto barras de combustível nuclear em quantidades kg como um produto-by em plutónio produção.

2 NpF 3 + 3 Ba → 2 Np + 3 BaF 2

Em peso, Neptúnio-237 descargas são cerca de 5% tão grande como as descargas de plutónio e cerca de 0,05% do gastos descargas combustível nuclear. No entanto, mesmo essa fração ainda equivale a mais de cinquenta toneladas por ano.

Características

Prateado na aparência, Neptúnio de metal é quimicamente muito reactivo e é encontrada em pelo menos três formas alotrópicas :

  • α-Neptúnio, ortorrômbica, densidade de 20,45 g / cm3
  • β-Neptúnio (acima de 280 ° C), tetragonal, densidade (313 ° C) 19,36 g / cm3
  • γ-Neptúnio (acima de 577 ° C), cúbica, densidade (600 ° C) de 18 g / cm 3

Neptunium tem a maior gama de líquido de qualquer elemento, 3363 K, entre o ponto de fusão e ponto de ebulição. É o mais denso de todos os actinídeos eo quinto mais denso de todos os elementos que ocorrem naturalmente. Neptunium não tem nenhum papel biológico. Ele não é absorvido pelo tracto digestivo. Quando injectado para dentro do corpo, que se acumula nas ossos, que está lentamente liberados a partir.

Isótopos

19 neptunium radioisótopos foram identificados, sendo os mais estáveis Np 237 com uma meia-vida de 2,14 milhões de anos Np 236 com uma meia-vida de 154 mil anos, e Np 235 com uma meia-vida de 396,1 dias. Todos os restantes Os isótopos radioactivos têm semi-vidas de menos de 4,5 dias, e a maioria delas têm semi-vidas que são menos do que 50 minutos. Este elemento apresenta também 4 meta estados, sendo o mais estável 236m estar Np (t ½ 22,5 horas).

Os isótopos de Neptúnio variar em peso atômico de 225.0339 u (225 Np) para 244,068 u (244 Np). O primário modo de decaimento antes do isótopo mais estável, Np 237, é captura de elétrons (com uma boa dose de alfa emissão), eo primeiro modo após é a emissão beta. O primário produtos de decaimento antes do 237 Np são elemento 92 ( de urânio ) isótopos (emissão alfa produz elemento 91, protactinium , no entanto) e os primeiros produtos após são elemento 94 ( plutônio ) isótopos.

237 Np é físsil. 237 Np eventualmente decai para formar bismuto -209 e tálio -205, diferentemente da maioria dos outros núcleos pesados comuns que se decompõem para fazer isótopos de chumbo. Este cadeia de decaimento é conhecido como o série neptunium.

Síntese

Quimicamente, Neptúnio é preparado pela redução de 3 com NpF de bário ou de vapor de lítio a cerca de 1200 ° C. Mais Np é produzido nas reacções nucleares:

  • Quando um 235 U átomo de captura um nêutron, ele é convertido em um estado animado de 236 U. Cerca de 81% dos excitados 236 U núcleos sofrer fissão, mas a decadência restante para o estado fundamental de 236 U, emitindo radiação gama. Mais captura de neutrões cria 237 L que tem uma meia-vida de 7 dias e, assim, rapidamente diminui para 237 Np através decaimento beta. Durante o decaimento beta, o animado 237 U emite um elétron, enquanto o atômica interação fraca converte um nêutron em um próton , criando assim 237 Np.
\ Mathrm {^ {235} _ {\ 92} L \ + \ ^ _ {1} {0} n \ \ longrightarrow \ ^ {236} _ {\ 92} U_M \ \ xrightarrow [120 \ ns] {} \ ^ {236} _ {\ 92} L \ + \ \ gamma}
\ Mathrm {^ {236} _ {\ 92} L \ + \ ^ _ {1} {0} n \ \ longrightarrow \ ^ {237} _ {\ 92} L \ \ xrightarrow [6,75 \ d] {\ beta ^ -} \ ^ {237} _ {\ 93}} Np
  • L 237 é também produzido por meio de um ( n , 2n) reacção com 238 U. Isso só acontece com nêutrons muito energéticos.
  • 237 Np é o produto de decaimento alfa de 241 Am.

Isótopos mais pesados de decadência neptunium rapidamente, e os isótopos mais leves de neptunium não pode ser produzido por captura de nêutrons, separação de modo química de neptunium de resfriado combustível nuclear irradiado dá quase puro 237 Np.

Química

?ons neptunium em solução.

Este elemento tem quatro iónicos estados de oxidação , enquanto em solução:

  • Np 3+ (roxo pálido), análogo ao Pm íon terra rara 3+
  • Np 4+ (verde-amarelo)
  • NPO +
    2 (verde-azul)
  • NPO 2+
    2 (rosa pálido)

Neptúnio (III) de hidróxido não é solúvel em água e não se dissolve em excesso alcalino. Neptúnio (III) é susceptível à oxidação em contacto com o ar formando Neptúnio (IV).

Neptúnio formas tri e tetra halogenetos, tais como NpF 3, 4 NpF, NpCl 4, NpBr 3, NPI 3, e óxidos de várias composições tais como as que são encontradas no urânio oxigénio do sistema, incluindo Np 3 O 8 e NPO 2.

Hexafluoreto Neptunium, NpF 6, é volátil como hexafluoreto de urânio.

Neptunium, como protactinium , urânio , plutónio e amerício prontamente forma uma dioxo linear neptunyl núcleo (NPO 2 n +), nas suas 5+ 6+ e estados de oxidação, que prontamente complexos com ligantes O-doador duras, como OH -, NO 2 -, NO 3 -, e SO 4 2-, para formar complexos aniónicos solúveis em água que tendem a ser facilmente móvel com baixa afinidade para o solo.

  • NPO 2 (OH) 2 -
  • NPO 2 (CO 3) -
  • NPO 2 (CO 3) 2 3-
  • NPO 2 (CO 3) 3 5-

Aplicações

Precursor na produção de plutônio-238

237 Np é irradiado com nêutrons para criar 238 Pu, uma emissor alfa de radioisótopos geradores térmicos para naves espaciais e aplicações militares. 237 Np irá capturar um nêutron para formar 238 Np e desintegração beta com uma semi-vida de dois dias a 238 Pu.

\ Mathrm {^ {237} _ {\ 93} Np \ + \ ^ _ {1} {0} n \ \ longrightarrow \ ^ {238} _ {\ 93} Np \ \ xrightarrow [2.117 \ d] {\ beta ^ -} \ ^ {238} _ {\ 94}} Pu

238 Pu também existe em quantidades consideráveis em combustível nuclear, mas teria que ser separada da outra isótopos de plutônio.

Aplicações de armas

Neptunium é físsil, e poderia, teoricamente, ser usado como combustível em um reactor de neutrões rápidos ou uma arma nuclear , com um massa crítica de cerca de 60 quilogramas. Em 1992, o Departamento de Energia dos EUA desclassificou a afirmação de que Neptúnio-237 "pode ser usado por um dispositivo explosivo nuclear". Não se acredita que uma arma real nunca foi construído usando Neptúnio. A partir de 2009, a produção mundial de neptúnio-237 por reactores nucleares comerciais foi mais de 1000 massas críticas por ano, mas para extrair o isótopo de elementos combustíveis irradiados seria um grande empreendimento industrial.

Em setembro de 2002, pesquisadores da Los Alamos National Laboratory criado brevemente o primeiro conhecido nuclear massa crítica usando neptunium em combinação com conchas de urânio enriquecido ( U-235), descobrindo que a massa crítica de uma esfera nua de neptúnio-237 "varia de pesos kg nas altas fifties aos baixos anos sessenta", mostrando que "é quase tão bom como um material de bomba U-235. "Os Estados Unidos governo federal fez planos março 2004 para mover suprimentos da América do neptunium separados para um local de disposição de lixo nuclear em Nevada.

Aplicações de física

237 Np é usado em dispositivos para a detecção de alta energia (MeV) nêutrons.

Papel no lixo nuclear

Neptúnio-237 é o mais móvel actinide no ambiente depósito geológico profundo. Isto torna-o e os seus antecessores, tais como candidatos de interesse para a destruição de 241 amerício- transmutação. Neptunium acumula nos detectores de fumaça doméstico ionização câmaras comerciais de decadência do (tipicamente) 0,2 micrograma de amerício-241 inicialmente presente como uma fonte de radiação ionizante. Com uma meia-vida de 432 anos, o amerício-241 em um detector de fumo inclui cerca de 3% Neptúnio depois de 20 anos, e cerca de 15% depois de 100 anos.

Devido à sua longa meia-vida, Neptúnio se torna o principal contribuinte da radiação total na 10.000 anos. Como não se sabe o que acontece com a contenção em que a longo período de tempo, uma extração da neptunium iria minimizar a contaminação do ambiente se os resíduos nucleares poderiam ser mobilizados após vários milhares de anos.

Literatura

  • Guia para o Elements - Edição Revisada, Albert Stwertka, (Oxford University Press; 1998) ISBN 0-19-508083-1
  • Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Hrsg.): A Química da Actinide e Transactinide Elements, Springer-Verlag, Dordrecht 2006, ISBN 1-4020-3555-1.
  • Ida Noddack (1934). "Über das Elemento 93" Zeitschrift für Angewandte Chemie 47 (37):. 653. doi: 10.1002 / ange.19340473707. http://www.chemteam.info/Chem-History/Noddack-1934.html.
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