Непту́ний (химический символ — Np, от лат. Neptunium) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) седьмого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 93. Относится к семейству актиноидов. Один из изотопов (нептуний-237) является родоначальником вымершего радиоактивного ряда нептуния. Нептуний является первым трансурановым элементом.
| Нептуний | ||||
|---|---|---|---|---|
| ← Уран | Плутоний → | ||||
| ||||
| Внешний вид простого вещества | ||||
 Шарик из нептуния-237 |
||||
| Свойства атома | ||||
| Название, символ, номер | Нептуний / Neptunium (Np), 93 | |||
| Группа, период, блок |
3 (устар. 3), 7, f-элемент |
|||
| Атомная масса (молярная масса) |
237,048 а. е. м. (г/моль) | |||
| Электронная конфигурация | [Rn] 5f46d17s2 | |||
| Радиус атома | 130 пм | |||
| Химические свойства | ||||
| Радиус иона | (+4e) 95 (+3e) 110 пм | |||
| Электроотрицательность | 1,36 (шкала Полинга) | |||
| Электродный потенциал |
Np←Np4+ −1,30 В Np←Np3+ −1,79 В Np←Np2+ −0,3 В |
|||
| Степени окисления | +2, +3, +4, +5, +6, +7 | |||
| Энергия ионизации (первый электрон) |
0,0 (0,00) кДж/моль (эВ) | |||
| Термодинамические свойства простого вещества | ||||
| Плотность (при н. у.) | 20,25 г/см³ | |||
| Температура плавления | 913 K | |||
| Температура кипения | 4175 K | |||
| Мол. теплота плавления | (9,6) кДж/моль | |||
| Мол. теплота испарения | 336 кДж/моль | |||
| Молярная теплоёмкость | 29,62[1] Дж/(K·моль) | |||
| Молярный объём | 21,1 см³/моль | |||
| Кристаллическая решётка простого вещества | ||||
| Структура решётки | Орторомбическая | |||
| Параметры решётки | a=6,663 b=4,723 c=4,887[2] | |||
| Отношение c/a | - | |||
| Прочие характеристики | ||||
| Теплопроводность | (300 K) (6,3) Вт/(м·К) | |||
| Номер CAS | 7439-99-8 | |||
| 93 | Нептуний
|
| 5f46d17s2 | |
Простое вещество нептуний — радиоактивный очень тяжёлый металл серебристо-белого цвета.
История
правитьДо принятия теории расщепления атомного ядра, которая обосновала существование синтезированного позднее реального такого элемента, трижды были сделаны оказавшиеся ошибочными объявления о независимых открытиях элемента 93: «аусоний» (Ausonium) в Италии (Энрико Ферми), «богемий» (Bohemium) в Чехословакии в 1934 и «секваний» (Sequanium) в Румынии, Х. Хулубей в 1939 году.
Нептуний впервые был получен искусственно Э. М. Макмилланом и Ф. Х. Абельсоном в 1940 году при бомбардировке ядра урана нейтронами в циклотроне в Беркли[3]. Первый полученный искусственно трансурановый элемент[4]. Получил название в честь планеты Нептун — последней от Солнца. Реакция синтеза: 238U(n,γ)239U(β−)239Np. Название нептуния образовано от названия восьмой в Солнечной системе планеты Нептун. Это название было ранее использовано немецко-российским химиком И. Р. Германом (Hans Rudolph Hermann), который в 1877 году утверждал, что открыл новый химический элемент в минерале танталит; в действительности он принял за новый элемент смесь ниобия и тантала[5].
Нахождение в природе
правитьНептуний обнаруживается в следовых количествах в урановых рудах.
Основная масса нептуния, присутствующего в окружающей среде, возникла в результате атмосферных ядерных взрывов, произведённых начиная с первого в мире испытания ядерного оружия в 1945 году до их запрета согласно Московскому договору 1963 года. Количество нептуния, выброшенного в окружающую среду в результате этих взрывов, оценивается в 2500 кг. Ввиду небольшого периода полураспада большинства изотопов, количество выброшенного нептуния уменьшилось к настоящему времени на несколько порядков.
Природные источники нептуния никакого практического значения не имеют. В настоящее время нептуний извлекается из продуктов длительного облучения урана в ядерных реакторах как побочный продукт при извлечении плутония.
Физические свойства
правитьПолная электронная конфигурация атома нептуния: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65f46d17s2.
Элементарный нептуний — ковкий, сравнительно мягкий металл с серебристым блеском. Это один из самых тяжёлых металлов: по плотности уступает лишь осмию, иридию, платине и рению.
Металлический нептуний имеет три полиморфные модификации: α-форма с орторомбической кристаллической решёткой (устойчива ниже 280 °C), β-форма с тетрагональной решёткой (стабильна при 280—576 °C) и модификация с кубической гранецентрированной решёткой (при выше 576 °C)[4].
Изотопы
правитьНептуний не имеет стабильных изотопов, на Земле он встречается лишь в следовых количествах.
Радиоактивные свойства некоторых изотопов нептуния:
| Массовое число | Период полураспада | Тип распада |
|---|---|---|
| 231 | 50 минут | α |
| 232 | 13 минут | электронный захват |
| 233 | 35 минут | α (1 %), электронный захват (99 %) |
| 234 | 4,4 дня | α (1 %), электронный захват (99 %) |
| 235 | 410 дней | β+ (1 %), электронный захват (99 %) |
| 236 | 5000 лет | α |
| 237 | 2,20⋅106 лет | α |
| 238 | 2,1 дня | β− |
| 239 | 2,33 дня | β− |
| 240 | 7,3 минут | β− |
| 241 | 16 минут | β− |
Химические свойства
правитьС сухим воздухом взаимодействует медленно, покрываясь тонкой оксидной плёнкой. При высокой температуре на воздухе он быстро окисляется до NpO2. Пирофорен в мелкодисперсном состоянии[4].
Является химически активным металлом: растворяется в соляной кислоте, образует оксиды, гидриды, галогениды, при нагревании реагирует с азотом, кремнием, фосфором, другими неметаллами. Образует сплавы с ураном, плутонием и другими металлами. В соединениях имеет степени окисления от +3 до +7[4]. В растворах нептуний образует ионы Np3+, Np4+, NpO2+, NpO22+ и NpO53−.
Ионы нептуния склонны к гидролизу, диспропорционированию и комплексообразованию. Окрашивают водные растворы в фиолетово-голубой (Np3+), жёлто-зелёный (Np4+), голубовато-зелёный (NpO2+), розовый (NpO22+) и зелёный или коричневый цвета (NpO23+, соответственно в щелочной или кислой среде)[4].
Интересной особенностью катионов нептуноила NpO22+ является их способность притягиваться друг к другу за счет катион-катионных взаимодействий[6].
Получение
правитьНептуний образуется как побочный продукт в любом реакторе, работающем на уране-235. Основной реакцией в них является деление ядер урана-235 нейтронами, однако часть ядер урана-235 захватывает нейтрон без деления, превращаясь в изотоп уран-236. Он в дальнейшем тоже может захватить нейтрон, образуя короткоживущий бета-радиоактивный уран-237, который с периодом 6,7 суток распадается в нептуний-237. Отработанное ядерное топливо типичного водо-водяного реактора содержит примерно 0,5 кг нептуния-237 на тонну[7].
Другой изотоп, нептуний-239, образуется при захвате нейтрона ураном-238. Сначала при этом образуется изотоп уран-239, который с периодом 23 минуты распадается в нептуний-239. Нептуний-239 имеет период полураспада 2,3 суток, он распадается в плутоний-239.
Нептуний получают восстановлением фторида нептуния(IV) парами бария при 1600 К:
В год в мире производится несколько сот кг нептуния[4].
Применение
правитьИзотоп нептуний-237 используется при получении плутония-238[4]. Нептуний-239 образуется в ядерных реакторах в результате распада урана-239 и в свою очередь распадается с образованием плутония-239. В дальнейшем продукты реакции используются в ядерных реакциях.
Физиологическое действие
править
При радиоактивном распаде нептуний испускает высокоэнергетические α-частицы и β-частицы со средней энергией. Физиологическое действие нептуния зависит от его валентного состояния и путей попадания в организм. 60—80 % нептуния откладывается в костях, а радиобиологический период полувыведения нептуния из организма составляет 200 лет. Это приводит к серьёзному радиационному поражению костной ткани. Радиотоксичность нептуния ниже, чем у плутония, ввиду меньшей удельной активности.
Предельно допустимые количества изотопов нептуния в организме: 237Np — 0,06 мккюри (100 мкг), 238Np, 239Np — 25 мккюри (1 нг). Для 237Np ПДК в воздухе рабочих помещений 2,6⋅10−3 Бк/м³.
Примечания
править- ↑ Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — Москва: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 216. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5-85270-039-8.
- ↑ WebElements Periodic Table of the Elements | Neptunium | crystal structures. Дата обращения: 10 августа 2010. Архивировано 6 июля 2010 года.
- ↑ Morss L. neptunium (англ.). Encyclopædia Britannica. Дата обращения: 31 декабря 2021.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Нептуний : [арх. 21 февраля 2023] / Мясоедов Б. Ф. // Нанонаука — Николай Кавасила. — М. : Большая российская энциклопедия, 2013. — С. 383—384. — (Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов ; 2004—2017, т. 22). — ISBN 978-5-85270-358-3.
- ↑ Chemical Notes : The New Metals Ilmenium and Neptunium (англ.) // Nature. — 1877. — Vol. 15. — P. 520–521. — doi:10.1038/015520a0.
- ↑ Nikolai N Krot, Mikhail S Grigoriev. Cation–cation interaction in crystalline actinide compounds // Russian Chemical Reviews. — 2004. — Т. 73, вып. 1. — С. 89–100. — ISSN 0036-021X. — doi:10.1070/RC2004v073n01ABEH000852. Архивировано 3 декабря 2023 года.
- ↑ Отработанное ядерное топливо тепловых реакторов. Дата обращения: 1 января 2024. Архивировано 15 мая 2021 года.
Ссылки
править
- Нептуний на Webelements Архивная копия от 23 октября 2004 на Wayback Machine
- Нептуний в Популярной библиотеке химических элементов Архивировано 22 августа 2011 года.
Литература
править- Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3 (Мед-Пол). — 639 с. — ISBN 5-82270-039-8.