Americij

Americij (latinski: americium) jest hemijski element sa simbolom Am i atomskim brojem 95. U periodnom sistemu svrstan je u grupu aktinoida (7. perioda, f-blok) te se ubraja u transuranijske elemente. Uz europij, jedini je element nazvan po nekom kontinentu. To je radioaktivni srebreno-sjajni metal, koji se vrlo lahko može oblikovati. Ne postoji nijedan stabilni izotop americija. Na Zemlji se pojavljuje isključivo kao sintetički element. Prvi je put dobijen u jesen 1944, ali njegovo otkriće nije odmah objavljeno. Međutim, njegovo postojanje indirektno je objavio njegov otkrivač, američki hemičar Glenn T. Seaborg tokom gostovanja u jednoj radioemisiji za djecu.

Americij,  ₉₅Am

Americij u periodnom sistemu
↓                                                                     ↓                                                             →                                                             →
Hemijski element, Simbol, Atomski broj	Americij, Am, 95
Serija	Aktinoidi
Grupa, Perioda, Blok	Ac, 7, f
Izgled	srebrenasto bijeli metal
Zastupljenost	0 %
Atomske osobine
Atomska masa	243,061375[1] u
Atomski radijus (izračunat)	184 (-) pm
Kovalentni radijus	- pm
Van der Waalsov radijus	228,5 pm
Elektronska konfiguracija	[Rn] 5f77s2
Broj elektrona u energetskom nivou	2, 8, 18, 32, 25, 8, 2
1. energija ionizacije	578 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje	čvrsto
Kristalna struktura	heksagonalna
Gustoća	13670 kg/m3
Magnetizam	paramagnetičan (${\displaystyle \chi _{m}}$ = 7,1 · 10−4)[2]
Tačka topljenja	1449 K (1176 °C)
Tačka ključanja	2880 K (2607 °C)
Molarni volumen	1,778 · 10-5 m3/mol
Toplota isparavanja	238,5 kJ/mol
Toplota topljenja	14,4 kJ/mol
Brzina zvuka	m/s
Specifična toplota	0,11 J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost	147,1[1] S/m pri 293,15 K
Toplotna provodljivost	10[1] W/(m · K) kod 300 K
Hemijske osobine
Oksidacioni broj	2, 3, 4, 5, 6, (7)
Elektrodni potencijal	−2,070 V (Am3+ + 3e− → Am)[1]
Elektronegativnost	1,3 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR 240Am sin 50,8 h ε 240Pu α (1,9 · 10−4 %) 236Np 241Am sin 432,2 god α (≈ 100 %) 5,486 237Pu SR (4,3 · 10−10 %) ? ? 242Am sin 16,02 h β− (≈ 82,7 %) 0,665 242Cm ε (17,3 %) 0,751 242Pu 243Am sin 7370 god α (≈ 100 %) 5,438 239Np SR (4,7 · 10−9 %) ? ?
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja Oznaka upozorenja nepoznata[3]
Obavještenja o riziku i sigurnosti	R: / S: /
Ostala upozorenja
Radioaktivnost
Radioaktivni element Radioaktivni element
Ako je moguće i u upotrebi, koriste se osnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.

Americij također nastaje i u nuklearnim reaktorima, gdje je prosječno u toni potrošenog nuklearnog goriva približno 100 grama ovog elementa. Najčešće se koristi kao izvor ionizirajućeg zračenja, naprimjer, u spektroskopiji fluorescencijom i detektorima dima na bazi ionizacije. Izotop americija ²⁴¹Am razmatran je za korištenje u radionuklidnim baterijama (RTG) za svemirske letjelice i sonde, gdje bi zamijenio plutonij (²³⁸Pu) zbog znatno dužeg vremena poluraspada od 432,2 godine, pa bi se takve letjelice mogle napajati električnom energijom više stotina godina.

Historija

Americij je u kasnu jesen 1944. sintetizirala grupa naučnika: Glenn T. Seaborg, Ralph A. James, Leon O. Morgan i Albert Ghiorso na Univerzitetu Kalifornije u Berkeleyju pomoću 60-inčnog ciklotrona, kao i naučnici u metalurškoj laboratoriji Univerziteta u Chicagu (danas: Nacionalna laboratorija Argonne). Nakon neptunija i plutonija americij je bio četvrti transuranijski element koji je otkriven od 1940, dok je kirij sa višim atomskim brojem od njega otkriven treći već na ljeto 1944. Ime elementa odabrano je kao referenca za oba kontinenta Amerike, analogno elementu europiju, metalu rijetkih zemalja koji je u periodnom sistemu tačno iznad americija.^[4][5]

Za sintezu novih elemenata po pravilu su se koristili oksidi polaznih elemenata. Najprije se nanosio rastvor plutonij-nitrata (koji se sastojao iz izotopa ²³⁹Pu) na platinsku foliju površine približno 0,5 cm². Zatim se rastvor uparavao, a ostatak se žario dok ne pređe u oksid (PuO₂). Nakon bombardiranja u ciklotronu sloj se skida i rastvara u dušičnoj kiselini, a potom se ponovo taloži kao hidroksid pomoću koncentriranog vodenog rastvora amonij-hidroksida. Talog se ponovo rastvara u perhlornoj kiselini. Daljnje odvajanje nastavlja se pomoću ionskoizmjenjivačkih sredstava. Naučnici su u eksperimentima uspjeli sintetizirati niz od četiri izotopa americija: ²⁴¹Am, ²⁴²Am, ²³⁹Am und ²³⁸Am.

Prvi je izoliran izotop ²⁴¹Am iz jednog uzroka plutonija koji je bio izložen neutronima. Taj izotop raspao se na ²³⁷Np emitirajući α-čestice. Vrijeme poluraspada ovog α-raspada najprije je bilo procijenjeno na 510 ± 20 godina, međutim, danas je u nauci općeprihvaćeno da ta vrijednost iznosi 432,2 godine.^[6]

${\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{240}Pu\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{241}Pu\ {\xrightarrow[{14,35\ a}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{241}Am\ \left(\ {\xrightarrow[{432,2\ a}]{\alpha }}\ _{\ 93}^{237}Np\right)} }$

Navedeno vrijeme predstavlja vrijeme poluraspada.

Kao drugi izotop dobijen je ²⁴²Am putem ponovljenog bombardiranja neutronima prethodno sintetiziranog ²⁴¹Am. Nakon što je dobijen, uslijedio je vrlo brzi β-raspad, pri čemu je nastao ²⁴²Cm, izotop već ranije otkrivenog elementa kirija. Vrijeme poluraspada ovog β-raspada najprije je procijenjeno na 17 sati, a danas je poznato da ta vrijednost iznosi 16,02 sati.^[6].

${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am\ \left(\ {\xrightarrow[{16,02\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{242}Cm\right)} }$

Otkriće novog elementa prvi je put objavljeno 11. novembra 1945. u američkoj radioemisiji Quiz Kids, u kojoj je učestvovao Glenn T. Seaborg, što se dogodilo prije zvanične objave otkrića na simpoziju Američkog hemijskog društva. Jedan od mlađih slušalaca upitao je Seaborga jesu li tokom Drugog svjetskog rata u okviru istraživanja nuklearnog oružja otkriveni neki novi elementi. Seaborg je potvrdno odgovorio na pitanje i time istovremeno otkrio postojanje i sljedećeg težeg elementa, kirija.^[7]

Americij (²⁴¹Am i ²⁴²Am) i njegovo dobijanje kasnije su patentirani pod nazivom "Element 95 and method of producing said element" (bos. Element 95 i metoda njegovog dobijanja), pri čemu je kao otkrivač naveden samo Seaborg.^[8]

U elementarnom obliku prvi je put dobijen tek 1951. putem redukcije americij(III)-fluorida barijem.^[9]

Osobine

U periodnom sistemu s atomskim brojem 95 u seriji je aktinoida. Prethodnik mu je plutonij, a slijedi kirij. Analog americija u seriji lantanoida jest europij.

Fizičke

Americij je vještački radioaktivni element. Svježe proizvedeni americij jest srebreno-sjajni metal, koji na sobnoj temperaturi polahko poprimi mat-sjaj. Lahko se može kovati i deformirati. Njegova tačka topljenja iznosi 1176 °C^[10] a tačka ključanja 2607 °C. Specifična težina mu je 13,67 g/cm³.^[10][11] Pojavljuje se u dvije alotropske modifikacije.

Pri standardnim uvjetima temperature i pritiska stabilna modifikacija α-Am se kristalizira u heksagonalnom kristalnom sistemu u prostornoj grupi P6₃/mmc sa parametrima rešetke a = 346,8 pm i c = 1124 pm kao i četiri formulske jedinice po elementarnoj ćeliji. Kristalna struktura sastoji se iz dvostrukog heksagonalnog najgušćeg kuglastog pakovanja (dhcp) uz redoslijed slojeva ABAC pa je prema tome izotip strukture α-lantana.^[11][12]

Pri visokom pritisku α-Am prelazi u β-Am. Beta modifikacija se kristalizira u kubičnom kristalnom sistemu u prostornoj grupi Fm${\displaystyle {\bar {3}}}$m sa parametrom rešetke a = 489 pm,^[11][12] što odgovara kubičnoj plošno centriranoj rešeci (fcc) odnosno kubičnom najgušćem kuglastom pakovanju sa redoslijedom slogova ABC.

Entalpija rastvora metalnog americija u HCl pri standardnim uslovima iznosi −620,6 ± 1,3 kJ·mol⁻¹. Polazeći od ove vrijednosti došlo se do prvobitnih izračuna o standardnoj entalpiji nastanka (Δ_fH⁰) iona Am³⁺_(aq) od −621,2 ± 2,0 kJ·mol⁻¹ kao i standardnog potencijala Am³⁺ / Am⁰ od −2,08 ± 0,01 V.^[13]

Hemijske

On je vrlo reaktivan element, koji lahko reagira s kisikom iz zraka i dobro se rastvara u kiselinama. Dosta je stabilan prema bazama. Najstabilnije oksidacijsko stanje americija je +3, pa su spojevi Am(III) relativno dobro otporni na oksidaciju i redukciju. Počev od americija u periodnom sistemu pa naviše, slijede aktinoidi koji su prema svojim hemijskim osobinama više slični lantanoidima nego elementima d-bloka.

Americij se može javiti i u oksidacijskim stanjima +2, +4, +5, +6 i +7. Prema oksidacijskom broju varira i boja iona americija u vodenim rastvorima kao i boja njegovih spojeva u čvrstom stanju:
Am³⁺ (žuto-roza), Am⁴⁺ (žuto-crven), Am^VO₂⁺ (žut), Am^VIO₂²⁺ (limun žut), Am^VIIO₆⁵⁻ (tamno zelen).

Za razliku od svog homologa europija (americij ima elektronsku konfiguraciju analognu europiju), ioni Am³⁺ se ne mogu reducirati do Am²⁺ u vodenom rastvoru. Spojevi americija od oksidacijskog stanja +4 i većem su snažna oksidacijska sredstva koja se mogu porediti sa permanganatnim ionom (MnO₄⁻) u kiselom rastvoru.^[14] Ioni Am⁴⁺ koji nisu postojani u vodenim rasvorima mogu se dobiti iz Am(III) samo pomoću snažnih oksidacijskih sredstava. U čvrstom obliku poznata su dva spoja americija u oksidacijskom stanju +4: americij(IV)-oksid (AmO₂) i americij(IV)-fluorid (AmF₄).

Rasprostranjenost

Smatra se da neki izotopi americija nastaju r-procesom pri supernovi ali se na Zemlji ne nalaze u prirodi zbog svog relativno kratkog vremena poluraspada u odnosu na starost planete.

Međutim, danas se americij dobija kao nusproizvod u nuklearnim centralama. Izotop ²⁴¹Am nastaje kao proizvod raspada (između ostalog u potrošenim gorivim šipkama) iz izotopa plutonija ²⁴¹Pu. U jednoj toni potrošenog nuklearnog goriva prosječno se nalazi oko 100 g raznih izotopa americija.^[15] Uglavnom su to izotopi α-emiteri ²⁴¹Am i ²⁴³Am, koji su zbog svog, nešto dužeg, vremena poluraspada nepoželjni za trajno odlaganje nuklearnog otpada, pa se zbog toga ubrajaju u "transuranijski otpad". Smanjenje dugoročne radioaktivnosti u odlagalištima nuklearnog otpada je moguće putem izdvajanja dugoživući izotopa iz potrošenog nuklearnog goriva. Da bi se u njemu smanjilo prisustvo americija, istražuju se, između ostalog, strategije particioniranja i transmutiranja.^[16][17]

Upotreba

Americij-241 nalazi se u detektorima dima

U svrhu upotrebe americija, od najvećeg interesa su njegova dva najduže živuća izotopa ²⁴¹Am i ²⁴³Am. Najčešće se koristi u obliku oksida AmO₂.

Ionizacijski detektor dima

Alfa zračenje izotopa ²⁴¹Am od posebnog značaja je za proizvodnju ionizacijskih detektora dima.^[18] On se upotrebljava umjesto ²²⁶Ra jer znatno manje emitira γ-zračenje. Osim toga, u odnosu na radij njegova aktivnost je gotovo petostruka. Niz raspada ²⁴¹Am "završava" tokom perioda upotrebe gotovo direktno nakon njegovog α-raspada do izotopa neptunija ²³⁷Np, čije daljnje vrijeme poluraspada iznosi oko 2,144 miliona godina.

Radionuklidne baterije

Postoje prijedlozi da se izotop ²⁴¹Am, zbog svog relativnog dugog vremena poluraspada, koristi za punjenje radionuklidnih baterija (RTG) koje se koriste za pogon svemirskih sondi. Zahvaljujući vremenu poluraspada od 432,2 godine ovaj izotop bi mogao bi u RTG baterijama davati energiju svemirskim sondama nekoliko stotina godina umjesto samo nekoliko decenija kao što je to slučaj sa punjenjem izotopom ²³⁸Pu.^[19] Radionuklidne baterije punjene americijem mogle bi vrlo brzo doći u upotrebu, jer se Evropska svemirska agencija (ESA) opredijelila upravo za ovaj izotop a razvoj takvih baterija bi mogao biti okončan tokom 2020ih.^[20]

Biološki značaj

Nisu poznate biološke funkcije americija.^[21] Neka istraživanja sugeriraju upotrebu imobiliziranih bakterijskih ćelija u svrhu uklanjanja americija i drugih teških metala iz tekućih voda. Tako naprimjer enterobakterije iz roda Citrobacter putem aktivnosti fosfataze iz njenih ćelijskih zidova mogu istaložiti neke izotope americija iz vodenih rastvora kao i vezati ih kao metalno-fosfatni kompleks.^[22] Osim toga, proučavaju se faktori koji utječu na biosorpciju i bioakumulaciju americija u bakterijama^[23][24] i gljivama.^[25]