Neptunium

Neptunium is en cheemsch Element mit dat Atomteken Np un de Atomtall 93. Dorbi hannelt sik dat üm en Swoormetall, dat giftig un radioaktiv is, un in’t Periodensystem to de Grupp vun de Actinoiden höört. Neptunium is dat eerste Transuran, also dat eerste Element achter dat Uran, de in de Natur – afsehn vun Plutoniumsporen, de eerst na Inföhren vun den Begreep opdeckt weern – nich vörkamt. De Naam is ut dat Sünnsystem afleidt, woneem de Planeten Uranus, Neptun un Pluto openanner folgt, jüst so as in’t Periodensystem de Elementen Uran, Neptunium un Plutonium.

93 U ← Neptunium → Pu Pm ↑ Np ↓ nix Periodensystem
Allgemeen
Naam, Teken, Atomtall	Neptunium, Np, 93
Cheemsch Serie	Actinoid
Klöör	sülvern
Atommass	237,0482 u
Elektronenkonfiguratschoon	[Rn]5f46d17s2
Elektronen je Schaal	2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
Physikaalsche Egenschoppen
Phaas	Faststoff
Dicht	20,45 g·cm−3 (bi RT)
Smöltpunkt	912 K (639 °C)
Kaakpunkt	4175 K (3.902°C)
Atomare Egenschoppen
Kristallstruktur	orthorhombsch (α-Np)
Ionisatschoonsenergien	1.: 604,5 kJ/mol
Atomradius	155 pm
Annere Egenschoppen
Isotopen (Utwahl)
Hööftartikel: Isotopen vun Neptunium Iso VN t½ VO VE (MeV) VP 235Np nee 396,1 d α 5,192 231Pa ε 0,124 235U 236Np nee 1,54 · 105 a ε 0,940 236U β- 0,490 236Pu α 5,020 232Pa 237Np nee 2,144 · 106 a α 4,959 233Pa 238Np nee 2,117 d β- 238Pu 239Np nee 2,355 d β- 239Pu

Historie

In’n Mai 1934 hett sik Ida Noddack to de Lücken in’t Periodensystem vun de Elementen utlaten, de dat dormols noch geven het. An’t Enn vun ehr Arbeit schreev se wieter över de Mööglichkeit vun Transuranen^[1]. Wenige Weken later hett Enrico Fermi to dit Thema dree Arbeiten publizeert^[2][3][4]. In’n November 1934 hett sik Noddack kritisch mit de vörgeevliche Opdecken vun’t Element 93 vun Fermi utenannersett. In ehr Afhanneln hett se ünner annern de Opdecken vun de neutroneninduzeert Karnsplitten vörweg nahmen. Se segg, dat dat mööglich weer, dat swore Karns in verschedene grote Stücken verfallt, wenn se mit Neutronen beschaten warrt. Disse Brookstücken weer denn woll Isotopen vun bekannte Elementen, aver keen Navers vun de bestrahlten Elementen^[5].

Dat radioaktive Element Neptunium is 1940 to’n eersten mol dör E. M. McMillan un P. H. Abelson bi’t Bescheten vun Uran mit Neutronen synthetiseert worrn^[6][7][8].

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2,355\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }$

Anmarken: De angeven Tieten sünd Halfweertstieten.

In’t Johr 1942 hebbt Arthur C. Wahl un Glenn T. Seaborg dat Neptunium-Isotop ²³⁷Np opdeckt. Dat entsteiht ut ²³⁷U, wat en β-Strahler mit en Halfweertstiet vun ruchweg söven Daag is. Ut ²³⁸U warrt dat dör en (n, 2n)-Vörgang billt. ²³⁷Np is en α-Strahler mit en Halfweertstiet vun 2,144 · 10⁶ Johren.^[9]

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ {\xrightarrow[{}]{(n,\ 2n)}}\ _{\ 92}^{237}U\ {\xrightarrow[{7\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{237}Np\ {\xrightarrow[{2,144\ x\ 10^{6}\ a}]{\alpha }}\ _{\ 92}^{233}U} }$

Ut ²³³U, ²³⁵U un ²³⁸U weern 1950 dör Bescheten mit Deuteronen de Neptunium-Isotopen ²³¹Np, ²³²Np un ²³³Np tüügt^[10]. In’t Johr 1958 weer ut hoochanriekert ²³⁵U dör Bescheten mit Deuteronen de Neptunium-Isotopen ²³⁴Np, ²³⁵Np un ²³⁶Np tüügt^[11]. De 1-Stünnen Neptunium-Aktivität, de vörher dat ²⁴¹Np torekent weer, höört dorgegen to dat Isotop ²⁴⁰Np.^[12]

Winnen un Dorstellen

En nickelbeschicht Neptunium-Kugel in Halfschalen vun hoochanriekert Uran (swart anlopen)

Winnen vun Neptunium-Isotopen

Neptunium entsteiht as „Biprodukt“ bi’t Energiewinnen in Karnreakters. Een Tünn verbrukten Karnbrennstoff schall ruchweg 500 g Neptunium bargen^[13]. Neptunium, dat op dissen Weg entstahn is, besteiht meist blots ut dat Isotop ²³⁷Np. Entstahn deit dat ut dat Uran-Isotop ²³⁵U dör dubbelten Neutroneninfang mit ansluten β-Zerfall.

${\displaystyle \mathrm {^{235}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{236}U_{m}\ {\xrightarrow[{120\ ns}]{}}\ _{\ 92}^{236}U\ +\ \gamma } }$

${\displaystyle \mathrm {^{236}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{237}U\ {\xrightarrow[{6,75\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{237}Np} }$

Dorstellen vun elementar Neptunium

Metallsch Neptunium kann dör Redukschoon ut sien Verbinnen dorstellt warrn. As eerst is Neptunium(III)-fluorid mit elementar Barium oder Lithium bi 1200 °C to’n reageeren bröcht worrn:

${\displaystyle \mathrm {2\ NpF_{3}\ +\ 3\ Ba\ \longrightarrow \ 2\ Np\ +\ 3\ BaF_{2}} }$

Egenschoppen

physikaalsch

Neptinium is en Metall mit en sülvern Utsehn, dat cheemsch reaktiv is un in tomindst dree verschedene Modifikatschonen vörkummt^[14]:

Modifikatschonen bi Atmosphärendruck

Phasenbeteken	bestännig Temperaturrebeet	Dicht (Temperatur)	Kristallsystem
α-Np		20,25 g/cm3 (20 °C)	orthorhombsch
β-Np	över 280 °C	19,36 g/cm3 (313 °C)	tetragonal
γ-Np	över 577 °C	18,0 g/cm3 (600 °C)	kuubsch

cheemsch

Neptunium bill en Reeg vu Verbinnen, in de dat in de Oxidatschoonsstopen +3 bit +7 hebben kann. Tosamen mit Plutonium billt Neptunium dormit de höchste Oxidatschoonsstoop vun all Actinoiden. In waterige Lösen hebbt de Neptinium-Ionen tyypsche Klören: so is Np³⁺ purpurvigelett, Np⁴⁺ geelgröön, Np^VO₂⁺ gröön, Np^VIO₂²⁺ rosaroot un Np^VIIO₂³⁺ deepgröön^[15].

bioloogsch

En bioloogsche Funkschoon is vun’t Neptunium nich bekannt^[16], as dat ok to vermoden is bi en Elemente, dat in de Natur nich vörkummt. Anaerobe Mikroorganismen künnt mit Mn(II/III)- un Fe(II)-Spezies Np(V) to Np(IV) reduzeeren.^[17]. Bito weern de Fakters ünnersöcht, de de Biosorpschoon^[18][19] un Bioakkumulatschoon^[20] vun’t Neptunium dör Bakterien beinflussen doot.

Isotopen

Vun’t Neptunium sünd aktuell twintig Isotopen un fief Karnisomeren bekannt. De längste Halfweertstiet hett dorbi dat ²³⁷Np mit 2,144 Mio. Johren, folgt vun ²³⁶Np mit 154.000 Johren un ²³⁵Np mit 396,1 Daag. De annern Isomeren un Isotopen hebbt Halfweertstieten twüschen 45 Nanosekunnen un 4,4 Daag.

• ²³⁵Np verfallt to 99,99740 % dör Elektroneninfang to Uran ²³⁵U un in de annern 0,00260 % dör Alphaverfall to Protactinium ²³¹Pa, dat sik een Stoop achter ²³⁵U op de Uran-Actinium-Reeg befinnt.

• ²³⁶Np maakt in 87,3 % vun all Fäll en Elektroneninfang un wannelt sik dorbi in Uran ²³⁶U. In 12,5 % vun de Fäll warrt dorut Plutonium ²³⁶Pu dör Betaverfall un in de restlichen 0,16 % dörlöpt dat en Alphaverfall un wannelt sik to Protactinium ²³²Pa. Dat Uran ²³⁶U liggt op de Thorium-Reeg un verfallt mit 23,42 Millionen Johren Halfweertstiet to Thorium ²³²Th. Dat ²³⁶Pu verfallt wieter mit en Halfweertstiet vun 2,858 Johren^[21] dör Alphaverfall to ²³²U, wat dorna mit 68,9 Johren to ²²⁸Th.

• ²³⁷Np verfallt dör Alphaverfall to Protactinium ²³³Pa. Dat Neptunium-Isotop is de offizielle Utagngspunkt vun de Neptunium-Reeg, en Verfallskeed, de bi’t Isotop Thallium ²⁰⁵Tl ophöört.

Splittborkeit

As bi de all Transuranen is ok bi de Neptunium-Isotopen Karnsplitten mööglich, de dör Neutronen utlöst waart. De Isotopen, de in’n Karn en ungrade Neutronentall hebbt – vun de Isotopen mit grote Halfweertstiet also dat ²³⁶Np – hebbt en groten Wirkdweersnitt för’t Splitten mit thermische Neutronen. Bi’t ²³⁶Np liggt de bi 2600 Barn^[22], dat also licht to splitten geiht.

Bi dat in’n Karnbrennstoff anfallen ²³⁷Np bedriggt de dorgegen blots 20 Millibarn^[22]. Man, dat Isotop is dör annere karnphysikaalsche Egenschoppen egent, üm mit dat Splitten dör gaue Neutronen in’t reine Material en Kedenreakschoon oprecht to hollen. In’t Los Alamos National Laboratory is sien kritische Masse in Experimenten op ruchweg 60 kg bestimmt worrn^[23][24]. Dat heet, ²³⁷Np is en Material, dat för Karnwapen insett warrn künn^[25][26].

Anwennen

Dat Isotop ²³⁷Np, dat in Karnreakters ut ²³⁵U brööt warrt, kann to’n Winnen vun ²³⁸Pu bruukt warrn, wat in Radionuklidbatterien nütt warrt. Dorto warrt dat – tosamen mit lütte Mengden vun annere Neptuniumisotopen – vun afbrennten Karnbrennstoff afscheedt un in Brennstääv füllt, de blots Neptunium bargt. De warrt den wedder in Karnreakters insett, woneem se mit Neutronen bestrahlt warrt. Dorbi warrt ut dat ²³⁷Np dat Isotop ²³⁸Pu brööt.

${\displaystyle \mathrm {^{237}_{\ 93}Np\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ {\xrightarrow[{2,117\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu} }$

Verbinnen

Neptunium-Ionen in de Oxidationsstopen +3 bit +7 in waterige Lösen.

Oxiden

Oxiden sünd vun’t Neptunium in de Oxidatschoonsstopen +4 bit +6 bekannt:Neptunium(IV)-oxid (NpO₂), Neptunium(V)-oxid (Np₂O₅) un Neptunium(VI)-oxid (NpO₃ · H₂O)^[27]. Neptuniumdioxid (NpO₂) is dat cheemsch bestännigste Oxid vun’t Neptunium un warrt in Brennstääv verwennt.

Halogeniden

För Neptunium sünd Halogeniden in de Oxidatschoonsstopen +3 bit +6 bekannt^[28]. Verbinnen vun all veer Halogenen Fluor, Chlor, Brom un Jod sünd in de Stoop +3 bekannt. In de Oxidatschoonsstoop +6 is sünners dat Neptuniumhexafluorid (NpF₆) vun gröttere Bedüden. Dat is en orangen Faststoff, de licht flüchtig is un al bi 56 °C in’n gasförmigen Tostand wesselt. In disse Egenschop is dat jüst so as dat Uranhexafluorid un dat Plutoniumhexafluorid un kann dorüm jüst so ok bi’t Anriekern un bi’t Isotopenscheden insett warrn.

Oxidatschoonstall	F	Cl	Br	I
+6	Neptunium(VI)-fluorid NpF6 orange
+5	Neptunium(V)-fluorid NpF5 hellblau
+4	Neptunium(IV)-fluorid NpF4 gröön	Neptunium(IV)-chlorid NpCl4 rootbruun	Neptunium(IV)-bromid NpBr4 düsterroot
+3	Neptunium(III)-fluorid NpF3 vigelett	Neptunium(III)-chlorid NpCl3 gröön	Neptunium(III)-bromid NpBr3 gröön	Neptunium(III)-iodid NpI3 vigelett

Metallorgaansche Verbinnen

Analog to Uranocen, en Organometallverbinnen in de Uran vun twee Cyclooctatetraen-Liganden komplexeert is, sünd solke Komplexe ok vun Neptunium dorstellt worrn^[29].

Sekerheit

En Inorden na de Gefohrstoffverordnung gifft dat nich, vun wegen dat dor blots de cheemschen Gefohren binnen staht. De speelt bi Neptunium keen Rull gegenöver de Gefohr, de vun de Radioaktivität utgeiht.

Literatur

• Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie, System Nr. 71, Transurane:
  • Deel A 1 II, S. 14–17
  • Deel A 2, S. 100–118, 180–181, 250–253, 258
  • Deel B 1, S. 1–9
  • Deel C, S. 2–3, 7–10, 82–83, 92–114, 157–159, 174–175, 189–194, 200–201, 228, 245, 248–249, 251, 272
  • Deel D 1, S. 27–30, 37–58, 100–105
• C. Keller: „Die Chemie des Neptuniums“, in: Fortschr. chem. Forsch., 1969/70, 13/1, S. 1–124; Eerste Siet.
• Zenko Yoshida, Stephen G. Johnson, Takaumi Kimura, John R. Krsul: Neptunium, in: Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Rgv.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements, Springer, Dordrecht 2006; ISBN 1-4020-3555-1, S. 699–812; DOI: 10.1007/1-4020-3598-5_6.
• RADIOCHEMISTRY OF NEPTUNIUM 1974.
• Kurt Starke: „Zur Frühgeschichte des Neptuniums“, in: Isotopes in Environmental and Health Studies, 1990, 26 (8), S. 349–351; DOI: 10.1080/10256019008624331.