Надо Знать

добавить знаний



Торий



План:


Введение

Торий

Торий ( лат. Тhоrium), Тh - радиоактивный химический элемент, первый член семейства актиноидов, входящих в III группы периодической системы Менделеева; атомный номер 90, атомная масса 232,038; серебристо-белый пластичный металл. [1] Устойчив к окисления в чистом виде, но медленно тускнеет со временем - до темного цвета. Медленно взаимодействует с водой. Легко деформируется на холоде; механические свойства тория сильно зависят от его чистоты, поэтому предел прочности при растяжении тория варьирует от 150 до 290 Мн / м ? (15-29 кгс / мм ?), твердость по Бринелю от 450 до 700 Мн / м ? (45 - 70 кгс / мм ?). Конфигурация внешних электронов атома Тh 6d 27s2.

На воздухе при комнатной температуре торий окисляется немного, покрываясь защитной пленкой черного цвета выше 400 ? С быстро окисляется ТhО 2 - единственный оксид, который плавится при 3200 ? С и имеет высокую химическую стойкость. [1]

Природный торий содержит один изотоп 232 Th с периодом полураспада 14 млрд. лет.

Радиоактивность - основная причина интереса к тория, поскольку этот тугоплавкий, но не прочный и неустойчив к коррозии металл, сразу после открытия не представлял интереса как конструкционный материал.


1. История

1828 года выдающемуся шведскому химику И.Я. Берцелиус прислали редкий минерал, который теперь называют торитом (ThSiO 4). Выдающийся химик выделил оксид (торит содержит до 77% ThO 2) и убедившись, что это окись нового элемента, предоставил ему название торий в честь могущественного скандинавского божества Тора.

Восстановив калием фтористые соединения нового элемента Берцелиус получил серый металлический порошок, как позже выяснилось - очень загрязненный. Эти примеси привели к целому ряду ошибок при описании свойств тория.

Чистый препарат тория был получен лишь 1882 года другим выдающимся шведским химиком - Ларсом Фредериком Нильсоном.

В 19 веке применения тория ограничивалось только его оксидом (ThO 2). Это соединение с температурой плавления 3300 ? C - самой высокой среди всех оксидов. Сначала из него пробовали делать тигле для выплавки материалов, но несмотря тугоплавкость это вещество растворяется в некоторых металлах и таким образом загрязняет их, поэтому они имеют ограниченное применение. Распространение получили сетки из оксида тория в газовых фонарях, которые в то время (при отсутствии электрического освещения) были основным источником света на улицах городов.

1898 года Мария Склодовская-Кюри и независимо и почти одновременно с ней немецкий ученый Герхард Шмидт обнаружили радиоактивность тория.

Глубокие опыты радиоактивности тория уже в начале дали неожиданные результаты. В то время как радиоактивность урана была постоянной и независимой от каких-либо внешних факторов, радиоактивность тория отличалась удивительной непостоянством. Двое тогда еще молодых профессоров университета Мак-Гилла в Монреале - Эрнест Резерфорд и Р.Б.Оуенс - начале работ по торием были очень удивлены, когда после тщательного проветривания помещения радиоактивность тория стала почти незаметной!

Они выдвинули естественное предположение, что во время распада возникает радиоактивный продукт в виде газа. Он получил название эманация тория или торон, он был найден и изучен и теперь он больше известен как изотоп радона 220 Rn.

Вскоре в той же лаборатории Фредерик Содди выделил из раствора ториевой соли еще один новый радиоактивный продукт торий-X. Его находили везде, где был торий, но после отделения интенсивность его излучения быстро падала. Менее чем за четыре дня она уменьшалась вдвое и продолжала уменьшаться в дальнейшем в полном соответствии с геометрической прогрессией. Так в физике вошло понятие период полураспада. Позже было установлено, что торий-X представляет собой изотоп радия 224 Ra со сравнительно коротким временем жизни (3,6 суток).

Последовательность распадов в ряду тория

Изучив многочисленные продукты превращений тория, Резерфорд установил связь между ними и на основании этих исследований 1903 года предложил схему последовательных распадов радиоактивного ряда тория.


2. Распространение

Торий - характерный элемент верхней части земной коры гранитного слоя и осадочных оболочки, где его в среднем содержится соответственно 1,8-10-3% и 1,3-10-3% по массе. Торий сравнению слабомигруючий элемент: в основном он участвует в магматических процессах, накапливаясь в гранитах, щелочных породах и пегматитах. Способность к концентрации слабая. Известно 12 собственных минералов тория. Торий содержится в монацит, уранинита, цирконе, апатит, ортити и др.. Основное промышленное источник торий - монацит россыпи (морские и континентальные). В природных водах содержится особенно мало тория: в пресной воде 2.10 -9%, в морской воде 1.10 -9%. Он очень слабо мигрирует в биосфере и гидротермальных растворах. [1]

Кроме уже упомянутого ториту (ThSiO 4) минералом тория также торианит (Th, U) O 2, содержащий от 45% до 93% ThO 2. Но эти минералы чрезвычайно редки и, хотя они имеют промышленное значение, их доля в производстве тория незначительна. Известное месторождение ураноторианиту расположен на острове Мадагаскар.

Значительные количества тория содержатся в монацита. В целом его формулу пишут как (Ce, La) PO 4, но кроме церия и лантана монацит содержит много редкоземельных элементов, и, в частности, - торий. В некоторых месторождениях содержание его оксида может достигать четверти.


3. Получение

Выделение тория из таких руд является чрезвычайно сложным. Это обусловлено тем, что монацит содержит редкоземельные металлы, близкие к торию и между собой по химическим свойствам. Сейчас для этого используют экстракцию. Чаще всего это делают с помощью трибутилфосфата.

Получают ТhО 2 термическим разложением нитрата, оксалата или гидроокиси тория с водородом, при температурах выше 200 ? С торий реагирует с образованием порошкообразных гидридов ТhН 2, ТhН 3 и др.. состава. В вакууме при температуре 700-800 ? С из тория можно удалить весь водород. При нагревании в азоте выше 800 ? С образуются нитриды ТhN и Тh 2 N С, которые разлагаются водой с выделением аммиака. С углеродом образует два карбиды - ТhС и ТhС 2; они разлагаются водой с выделением метана и ацетилена. Сульфиды ТhS, Тh 2 S 3, Тh 7 S 12, ТhS 2 могут быть получены при нагреве металла с парами серы (600-800 ? С). Торий реагирует с фтором при комнатной температуре, с остальными галогенов при нагревании с образованием галогенидов типа ТhХ 4 (где X - галоген). Важное промышленное значение из галогенидов имеют фторид ТhF 4 и хлорид ТhС1 4. Фторид получают действием НF на ТhO 2 при повышенных температурах хлорид - хлорированием смеси ТhO 2 из углем при повышенных температурах.

Торий добывается главным образом из монацитовых концентратов, в которых он содержится в виде фосфата. Промышленное значение имеют два способа раскрытия (разложения) таких концентратов:
1) обработка концентрированной серной кислотой при 200 ? С (сульфатизация)
2) обработка растворами щелочи при 140 ? С.

В сернокислые растворы продуктов сульфатизации переходят все редкоземельные элементы, торий и фосфорная кислота. При доведении рН такого раствора до 1 осаждается фосфат тория; осадок отделяют и растворяют в азотной кислоте, а затем нитрат тория экстрагируют органическим растворителем, из которого торий легко вымывается в виде комплексных соединений. При щелочной раскрытии концентратов в осадке остаются гидроокиси всех металлов, а в раствор переходит тринатрий фосфат. Осадок отделяют и растворяют в соляной кислоте; снижая рН этого раствора до 3,6-5, окружающих торий в виде гидроокиси. Из выделенных и очищенных соединений тория получают ТhO 2, ТhС1 4 и ТhF 4, основные исходные вещества для производства металлического тория металлопластиковые термическими методами или электролизом расплавленных солей. К металло-термических методов относятся: восстановление ТhО 2 кальцием при наличии СаС1 2 в атмосфере аргона при 1100-1200 ? С, восстановления ТhС1 4 магнием при 825-925 ? С и восстановления ТhF4 кальцием при наличии 2nС1 2 из получением сплава тория и последующим отделением цинка нагреванием сплава в вакуумной печи при 1100 ? С. Во всех случаях получают торий в форме порошка или губки. Электролиз расплавленных солей ведется из электролитов, содержащих ТhС1 4 и МаС1, или ванн, состоящие из смеси ТhF 4, КаС1, КС1. Торий выделяется на катоде в виде порошка, отделяемого затем от электролита обработкой водой или разбавленными щелочами. Для получения компактного тория применяют метод порошковой металлургии (спекание заготовок проводят в вакууме при 1100-1350 ? С) или плавку в индукционных вакуумных печах в тиглях из ZrO 2 или ВеО. Для получения тория особо высокой чистоты используют метод термической диссоциации лодиду тория. [1]


4. Применение

Благодаря постоянной скорости радиоактивного распада и наличия в материалах материнских и дочерних изотопов торий используют для измерения геологического возраста пород и окаменелостей. Соответствующее идею высказал Пьер Кюри еще в 1904 году.

Также торий используют:

  • в авиационно-космическом конструировании как легирующий элемент для магния, что заметно увеличивает прочность и жаростойкость его сплавов.
  • для легирования вольфрама, что улучшает его структуру. Добавка 0,8-1% ТhO 2 до вольфрама стабилизирует структуру нитей ламп накаливания (нити накаливания ламп, электроды)
  • как катализатор в процессах крекинга нефти, производства азотных удобрений и органического синтеза.
  • как добавка к стеклу, что увеличивает показатель его преломления и уменьшает дисперсию. Это имеет применение в высококачественных линзах для фотокинокамер и научных инструментов.
  • Торий и его соединения широко применяют в составе катализаторов в органическом синтезе, для легирования магниевых и др.. сплавов, которые приобрели большое значение в реактивной авиации и ракетной технике. Металлический торий используется в ториевых реакторах.

4.1. Использование в качестве ядерного топлива

Торий не может быть ядерным топливом непосредственно. Но под действием нейтронов (например, в ядерных реакторах) происходят такие ядерные реакции :

  • 232 Th + n → 233 Th → 233 Pa + e -
  • 233 Pa → 233 U + e -

Полученный в результате изотоп урана 233 U является прекрасным ядерным топливом, по некоторым показателям превышает традиционный 235 U.

5. Биологическая роль

Биологической роли торий не имеет в биосфере не встречается. Если попадает в желудок человека (в обычном виде и в виде большинства соединений) выводится из организма. Опасно попадание в состав крови.

Примечания

  1. а б в г Любич А.И., Пчелинцев В.А. Физические основы металлургии цветных и редкоземельных металлов: Учеб. пособие. - М.: Изд-во СумГУ, 2009 ISBN 978-966-657-255-7 с.209 - 212

Литература


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам