Neptunij

Sa Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigacija, traži
Neptunij,  93Np
Neptunium2.jpg
Neptunij u periodnom sistemu
Hemijski element, Simbol, Atomski broj Neptunij, Np, 93
Serija Aktinoidi
Grupa, Perioda, Blok Ac, 7, f
Izgled srebreno bijeli
CAS registarski broj 7439-99-8
Zastupljenost 4 · 10-17[1] %
Atomske osobine
Atomska masa 237,0482 u
Atomski radijus (izračunat) 130 (-) pm
Kovalentni radijus - pm
Van der Waalsov radijus - pm
Elektronska konfiguracija [Rn] 5f46d17s2
Broj elektrona u energetskom nivou 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
1. energija ionizacije 604,5 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje čvrsto
Kristalna struktura ortorombska,
tetragonalna i kubična
Gustoća 20450 kg/m3
Tačka topljenja 912 K (639[2] °C)
Tačka ključanja 4175 K (3902[2] °C)
Molarni volumen 11,59 · 10-6 m3/mol
Toplota isparavanja 1420[1] kJ/mol
Toplota topljenja 39,91[1] kJ/mol
Brzina zvuka ? m/s
Specifična električna provodljivost 0,82 · 106 S/m pri 293 K
Toplotna provodljivost 6,3 W/(m · K) kod 300 K
Hemijske osobine
Oksidacioni broj 3, 4, 5, 6, 7
Elektrodni potencijal -1,79 V (Np3+ + 3e- → Np)
Elektronegativnost 1,36 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR
235Np

sin

396,1 d α 5,192 231Pa
ε 0,124 235U
236Np

sin

1,54 · 105 god ε 0,940 236U
β- 0,490 236Pu
α 5,020 232Pa
237Np

u tragovima

2,144 · 106 god α 4,959 233Pa
Sigurnosno obavještenje

Oznake upozorenja

Oznaka upozorenja nepoznata[3]
Obavještenja o riziku i sigurnosti R: /
S: /
Ostala upozorenja
Radioaktivnost
Radioaktivni element

Radioaktivni element
Ukoliko je moguće i u upotrebi, koriste se SI osnovne jedinice.
Ako nije drugačije označeno, svi podaci su podaci dobiveni mjerenjima u normalnim uslovima.

Neptunij je hemijski element sa simbolom Np i atomskim brojem 93. U periodnom sistemu elemenata nalazi se u grupi aktinoida (f-blok 7. periode). Neptunij je prvi među takozvanim tranuranijskim elementima, koji se, osim tragova neptunija i plutonija, na Zemlji više ne nalaze u prirodi. Neptunij je otrovni i radioaktivni teški metal. Ime je dobio po planeti Neptun, jer ta planeta u Sunčevom sistemu slijedi nakon Urana. Analogno planetama, neptunij također slijedi uranij u periodnom sistemu, a nakon njega slijedi plutonij, najteži element koji se može naći u prirodi, sa atomskim brojem 94.

Historija[uredi | uredi izvor]

Mendeljejev periodni sistem iz 1871. sa prazninom za neptunij u donjoj ivici, nakon uranija (U = 240)

U maju 1934. njemačka fizičarka i hemičarka Ida Noddack-Tacke objavila je zapažanja o tadašnjim prazninama u periodnom sistemu elemenata te je na kraju svog rada postavila teoriju o mogućnosti postojanja transuranskih elemenata.[4] Nekoliko sedmica kasnije Enrico Fermi objavio je tri svoj rada na istu temu.[5][6][7] Noddack se u septembru 1934. u nizu diskusija razišla sa Fermijem po pitanju navodnog otkrića elementa 93. U svojim izlaganjima, ona je između ostalog predvidjela njegovo otkriće pomoću cijepanja atomskih jezgara indukovanih neutronima. Bilo bi zamislivo da bi se bombardovanjem teških jezgara neutronima, ona raspala u nekoliko većih (naglašeno) "komada", koji bi možda bili izotopi već poznatih elemenata ali ne i susjedi (u PSE) ozračenih elemenata, izjavila je Noddack.[8]

Radioaktivni element neptunij prvi put su sintetizirali 1940. naučnici Edwin M. McMillan i Philip H. Abelson bombardiranjem jezgara uranija neutronima.[9][10][11]

Navedena vremena odnose se na vremena poluraspada.

Arthur C. Wahl i Glenn T. Seaborg otkrili su 1942. izotop neptunija 237Np. On je nastao iz izotopa uranija 237U, koji emitira β-zrake sa vremenom poluraspada od sedam dana, ili (n, 2n) procesom iz izotopa 238U. Izotop 237Np emitira alfa-zrake a ima vrijeme poluraspada od oko 2.144.000 godina.[12]

Godine 1950. iz izotopa uranija 233U, 235U i 238U putem bombardiranja deuteronima dobijeni su izotopi neptunija 231Np, 232Np i 233Np.[13] Godine 1958. iz visokoobogaćenog uranija 235U, također bombardiranjem deuteronima, dobijeni su izotopi 234Np, 235Np i 236Np.[14] Jednosatna aktivnost neptunija, koja je ranije pripisivana izotopu 241Np, zapravo "pripada" izotopu 240Np.[15]

Dobijanje[uredi | uredi izvor]

Neptunij nastaje kao "sporedni proizvod" u proizvodnji energije u nuklearnim reaktorima. U jednoj toni potrošenog nuklearnog goriva prosječno se nalazi 500 grama neptunija.[16] Tako nastali neptunij gotovo u potpunosti se sastoji iz izotopa 237Np. On nastaje iz uranija 235U nakon dvostrukog zahvata neutrona i konačnim beta-raspadom.

Metalni neptunij se može izdvojiti iz svojih spojeva putem redukcije. Tako naprimjer neptunij(III)-fluorid reagira sa elementarnim barijem ili litijem pri temperaturi od 1200 °C.

Osobine[uredi | uredi izvor]

Fizičke[uredi | uredi izvor]

Metalni neptunij ima srebrenast izgled, hemijski je veoma reaktivan i postoji u najmanje tri različite modifikacije:[1]

Modifikacije pri atmosferskom pritisku
Oznaka faze stabilni temperaturni
raspon
gustoća (pri temperaturi) kristalni sistem
α-Np 20,25 g/cm3 (20 °C) ortorompski
β-Np iznad 280 °C 19,36 g/cm3 (313 °C) tetragonalni
γ-Np iznad 577 °C 18,0 g/cm3 (600 °C) kubični

Smatra se da je neptunij jedan od najgušćih hemijskih elemenata. Pored renija, osmija, iridija i platine, on je jedan od malobrojnih elemenata sa gustoćom iznad 20 g/cm3.

Hemijske[uredi | uredi izvor]

Neptunij gradi cijeli niz spojeva u kojima se može nalaziti u oksidacijskim stanjima od +3 do +7. Tako neptunij zajedno s plutonijem posjeduje najviše moguće oksidacijsko stanje među svim aktinoidima. U vodenim rastvorima ioni neptunija imaju vrlo karakterističnu boju. Tako naprimjer ion Np3+ je ljubičast, dok je Np4+ žuto-zelen, a NpVO2+ zelen. Osim njih, ion NpVIO22+ je ružičasto-crven dok je NpVIIO23+ tamno zelen.[2]

Biološki aspekt[uredi | uredi izvor]

Do danas nisu poznate biološke funkcije neptunija.[17] Anaeorobni mikroorganizmi mogu reducirati Np(V) do Np(IV) pomoću nekih iona poput Mn(II/III)- i Fe(II).[18] Također su ispitivani neki faktori, koji utječu na biosorpciju[19][20] i bioakumulaciju[21] neptunija putem bakterija.

Izotopi[uredi | uredi izvor]

Ukupno je poznato 20 izotopa neptunija te pet nuklearnih izomera. Najduže "živući" izotopi su 237Np sa vremenom poluraspada od 2,144 miliona godina, 236Np sa 154 hiljade godina i 235Np sa 396,1 dana. Ostali izotopi i nuklearni izomeri imaju vremena poluraspada između 45 nanosekundi (237m1Np) i 4,4 dana (234Np).

  • 235Np se raspada sa vremenom poluraspada od 396,1 dana, tako što se 99,9974% raspadne putem elektronskog zahvata na uranij 235U a 0,0026% putem alfa-raspada na protaktinij 231Pa, koji se nalazi jedan korak iza 235U u takozvanoj uranij-aktinij seriji.
  • 236Np se raspada sa vremenom poluraspada od 154.000 godina, tako što se 87,3% raspadne putem elektronskog zahvata na uranij 236U, 12,5% se raspada putem beta-raspada na plutonij 236Pu a 0,16% putem alfa-raspada na protaktinij 232Pa. Uranij 236U nalazi se u torijevoj seriji (lancu) raspada te se sa vremenom poluraspada od 23,42 miliona godina raspada do svog "zvaničnog" početnog nuklida 232Th. Izotop 236Pu se raspada uz vrijeme poluraspada od 2,858 godine[22] putem alfa-raspada na "međuproizvod" 232U, koji se uz vrijeme poluraspada od 68,9 godina opet raspada do 228Th, izotop na glavnoj grani raspadnog lanca.
  • 237Np raspada se sa vremenom poluraspada od 2,144 miliona godina putem alfa-raspada na protaktinij 233Pa. 237Np je tako i glavno polazište neptunijeve serije, lanca raspada koji završava stabilnim izotopom talija 205Tl.

Cijepanje atoma[uredi | uredi izvor]

Kao i kod svih tranuranijskih nuklida, i kod izotopa neptunija moguće je cijepanje atoma pobuđeno neutronima. Izotopi sa neparnim brojem neutrona u jezgru, počev od vrlo postojanog 236Np, imaju vrlo veliki poprečni presjek za cijepanje pomoću termalnih neutrona. Kod izotopa 236Np taj presjek iznosi 2600 barna[23]. On je, dakle, "lahko cjepljiv".

Kod izotopa 237Np koji nastaje iz goriva u nuklearnim reaktorima, poprečni presjek cijepanja iznosi samo 20 milibarna.[23] Ipak, taj izotop je i dalje pogodan zbog drugih fizičkih osobina atoma, kojim je moguće održati lančanu fisijsku reakciju njegovim cijepanjem pomoću brzih neutrona u čistom materijalu. U američkoj nacionalnoj laboratoriji Los Alamos njegova kritična masa je eksperimentalno procijenjena na oko 60 kg.[24][25][26] Stoga se izotop neptunija 237Np smatra mogućim materijalom za izradu nuklearnog oružja.[27][28]

Upotreba[uredi | uredi izvor]

U nuklearnim reaktorima iz 235U nastali neptunij 237Np može se upotrijebiti za dobijanje 238Pu koji se koristi u RTG baterijama. U tu svrhu se on izdvaja iz iskorištenog nuklearnog goriva te se njime pune nuklearne gorive šipke, koje sadrže samo neptunij. Takve šipke se ponovno vraćaju u nuklearni reaktor gdje se iznova bombardiraju neutronima te iz 237Np nastaje izotop plutonija 238Pu.[29]

Navedena vremena odnose se na vremena poluraspada.

Spojevi[uredi | uredi izvor]

Neptunij u oksidacijskim stanjima od +3 do +7 u vodenom rastvoru.

Oksidi[uredi | uredi izvor]

Poznati su oksidi neptunija u stanjima od +4 do +6: neptunij(IV)-oksid (NpO2), neptunij(V)-oksid (Np2O5) i neptunij(VI)-oksid (NpO3 · H2O).[2] Neptunij-dioksid (NpO2) je hemijski najstabilniji oksid neptunija te je primjenu našao u nuklearnim gorivim šipkama.

Halogenidi[uredi | uredi izvor]

Kod neptunija poznati su halogenidi u oksidacijskim stanjima od +3 do +6.[2] Za stanje +3 poznati su odgovarajući spojevi četiri halogena: fluora, hlora, broma i joda. Osim njih, on gradi i halogenide sa stanjima od +4 do +6.

U oksidacijskom stanju +6, od posebnog značaja je neptunij-heksafluorid (NpF6). To je narandžasta čvrsta tvar izuzetno velike volatilnosti (isparljivosti), jer već pri 56 °C prelazi u gasovito stanje. U tom pogledu ima dosta sličnosti sa uranij-heksafluoridom i plutonij-heksafluoridom, pa se na isti način kao i oni može upotrijebiti za obogaćivanje i odvajanje izotopa.

Oksidacijski broj F Cl Br I
+6 neptunij(VI)-fluorid
NpF6
narandžast
+5 neptunij(V)-fluorid
NpF5
svijetlo plav
+4 neptunij(IV)-fluorid
NpF4
zelen
neptunij(IV)-hlorid
NpCl4
crveno-smeđ
neptunij(IV)-bromid
NpBr4
tamno crven
+3 neptunij(III)-fluorid
NpF3
ljubičast
neptunij(III)-hlorid
NpCl3
zelen
neptunij(III)-bromid
NpBr3
zelen
neptunij(III)-jodid
NpI3
ljubičast

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ a b c d Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3, str. 413–419.
  2. ^ a b c d e Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. izdanje, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, str. 2149.
  3. ^ EU ovaj element još uvijek nije stavila na spisak opasnih elemenata, međutim trenutno nije moguće pronaći pouzdani izvor ili literaturu o opasnim svojstvima ove supstance. Radioaktivnost ne spada u opasna svojstva koja se ovdje navode.
  4. ^ Ida Noddack: Das Periodische System der Elemente und seine Lücken, u: Angewandte Chemie, 1934, 47 (20), str. 301–305 (doi:10.1002/ange.19340472002).
  5. ^ E. Fermi: Radioactivity Induced by Neutron Bombardment, u: Nature, 1934, 133, str. 757–757 (doi:10.1038/133757a0)
  6. ^ E. Fermi: Element No. 93, u: Nature, 1934, 133, str. 863–864 (doi:10.1038/133863e0).
  7. ^ E. Fermi: Possible Production of Elements of Atomic Number Higher than 92, u: Nature, 1934, 133, str. 898–899 (doi:10.1038/133898a0)
  8. ^ Ida Noddack: Über das Element 93, u: Angewandte Chemie, 1934, 47 (37), str. 653–655 (doi:10.1002/ange.19340473707)
  9. ^ E. McMillan, P. H. Abelson: Radioactive Element 93, u: Physical Review, 1940, 57, str. 1185–1186 (doi:10.1103/PhysRev.57.1185.2)
  10. ^ Neue Elemente, u: Angewandte Chemie, 1947, 59 (2), str. 61–61.
  11. ^ A. B. Garrett: The Chemistry of Elements 93, 94, 95 and 96 (Neptunium, Plutonium, Americium and Curium), u: The Ohio Journal of Science, 1947, XLVII (3), str. 103–106 (PDF).
  12. ^ K. Wirtz: Die neuen Elemente Neptunium, Plutonium, Americium und Curium. u: Zeitschrift für Naturforschung. 1, 1946, str. 543–544
  13. ^ L. B. Magnusson, S. G. Thompson, G. T. Seaborg: New Isotopes of Neptunium, u: Physical Review, 1950, 78 (4), str. 363–372 (doi:10.1103/PhysRev.78.363)
  14. ^ J. E. Gindler, J. R. Huizenga, D. W. Engelkemeir: Neptunium Isotopes: 234, 235, 236, u: Physical Review, 1958, 109 (4), str. 1263–1267 (doi:10.1103/PhysRev.109.1263)
  15. ^ Richard M. Lessler, Maynard C. Michel: Isotopes Np240 and Np241, u: Physical Review, 1960, 118 (1), str. 263–264 (doi:10.1103/PhysRev.118.263)
  16. ^ Klaus Hoffmann (1979). Kann man Gold machen? Gauner, Gaukler und Gelehrte. Aus der Geschichte der chemischen Elemente. Leipzig, Jena, Berlin: Urania-Verlag. str. 233. 
  17. ^ The Biochemical Periodic Tables – Neptunium
  18. ^ J. E. Banaszak, S. M. Webb, B. E. Rittmann, J.-F. Gaillard, D. T. Reed: Fate of Neptunium in an anaerobic, methanogenic microcosm, u: Mat Res Soc Symp Proc., 1999, 556, str. 1141–1149 (apstrakt; PDF).
  19. ^ T. Sasaki, T. Kauri, A. Kudo: Effect of pH and Temperature on the Sorption of Np and Pa to mixed anaerobic bacteria, u: Appl. Radiat. Isot., 2001, 55 (4), str. 427–431 (PMID 11545492).
  20. ^ W. Songkasiri, D. T. Reed, B. E. Rittmann: Bio-sorption of Neptunium(V) by Pseudomonas Fluroescens, u: Radiochimica Acta, 2002, 90, str. 785–789.
  21. ^ A. J. Francis, J. B. Fillow, C. J. Dodge, M. Dunn, K. Mantione, B. A. Strietelmeier, M. E. Pansoy-Hjelvik, H. W. Papenguth: Role of Bacteria as Biocolloids in the Transport of Actinides from a Deep Underground Radioactive Waste Repository, u: Radiochimica Acta, 1998, 82, str. 347–354 (apstrakt; PDF).
  22. ^ G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties, u: Nuclear Physics A, 729, 2003, str. 3–128 (PDF).
  23. ^ a b G. Pfennig, H. Klewe-Nebenius, W. Seelmann-Eggebert (ur.): Karlsruher Nuklidkarte, 6. izd., korigirano, ponovno izdanje 1998.
  24. ^ P. Weiss: Little-studied metal goes critical – Neptunium Nukes?, u: Science News, 26. oktobar 2002. (puni tekst), pristupljeno 5. decembra 2008.
  25. ^ Russell D. Mosteller, David J. Loaiza, Rene G. Sanchez: Creation of a Simplified Benchmark Model for the Neptunium Sphere Experiment, PHYSOR 2004 - The Physics of Fuel Cycles and Advanced Nuclear Systems: Global Developments Chicago, Illinois, SAD, 25-29. april 2004, na CD-ROMu, American Nuclear Society, Lagrange Park, IL. (2004) (PDF).
  26. ^ Rene G. Sanchez, David J. Loaiza, Robert H. Kimpland et al.: Criticality of a 237Np Sphere, u: Nuclear Science and Engineering, 2008, 158, str. 1–14 (PDF).
  27. ^ David Albright, Kimberly Kramer: Neptunium 237 and Americium: World Inventories and Proliferation Concerns, august 2005 (PDF).
  28. ^ Walter Seifritz: Nukleare Sprengkörper – Bedrohung oder Energieversorgung für die Menschheit?, Thiemig-Verlag, München 1984.
  29. ^ Robert G. Lange, Wade P. Carroll: Review of recent advances of radioisotope power systems, Energy Conversion and Management, 2008, 49 (3), str. 393–401 (doi:10.1016/j.enconman.2007.10.028).