Берклий

Бе́рклий (Bk, лат. Berkelium) — искусственно полученный радиоактивный трансурановый химический элемент группы актиноидов с атомным номером 97. Берклий не имеет стабильных изотопов, наиболее долгоживущий нуклид ²⁴⁷Bk имеет период полураспада 1380 лет.

Берклий
← Кюрий | Калифорний →
97 Tb ↑ Bk ↓ (Upu) Периодическая система элементов 97Bk
Внешний вид простого вещества
Радиоактивный металл серебристо-белого цвета
Свойства атома
Название, символ, номер	Бе́рклий / Berkelium (Bk), 97
Атомная масса (молярная масса)	247,0703 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Rn] 5f9 7s2
Радиус атома	297 пм
Химические свойства
Электроотрицательность	1,3 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Bk←Bk4+ -1,05 В Bk←Bk3+ -2,01 В Bk←Bk2+ -1,6 В
Степени окисления	+3, +4
Энергия ионизации (первый электрон)	598 (6,20) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	α-форма: 14,78 г/см³ β-форма: 13,25 г/см³
Температура плавления	1050 °С[1]
Температура кипения	2630 °С[1]
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	двойная гексагональная (α-форма)[1]
Параметры решётки	a = 3,416 Å; c = 11,069 Å; z = 2[1]
Отношение c/a	3,24
Номер CAS	7440-40-6

97	Берклий
Bk (247)
5f97s2

История

60-дюймовый циклотрон

Получен в 1949 г. учеными Национальной лаборатории им. Лоуренса в г. Беркли (Калифорния, США; прежнее название — Радиационная лаборатория) С. Томпсоном, Г. Сиборгом, А. Гиорсо при бомбардировке мишени из америция-241 ускоренными на 60-дюймовом циклотроне α-частицами:

${\displaystyle \mathrm {{}_{95}^{241}Am} +\mathrm {{}_{2}^{4}He} \rightarrow \mathrm {{}_{97}^{243}Bk} +\mathrm {2{}_{0}^{1}n} }$

Пятилетняя задержка после синтеза Кюрия была связана с отсутствием материала для исходной мишени — изотопа америция ²⁴¹Am. Для химической идентификации нового элемента использовали хорошо отработанный к тому времени метод ионообменной хроматографии.

Происхождение названия

Берклий является химическим аналогом тербия, получившего название от небольшого селения Иттербю в Швеции, рядом с которым был обнаружен минерал, содержащий среди прочих редкоземельных металлов и тербий. Поэтому было решено назвать 97-й элемент по названию города Беркли (Berkeley), в котором он был впервые получен.

Изотопы

Основная статья: Изотопы берклия

Всего известно девять изотопов берклия, с массами от 243 до 251.

Среди них есть и сравнительно долгоживущие, например, ²⁴⁷Bk (Т_1/2 = 1380 лет) и ²⁴⁹Bk (β-излучатель с периодом полураспада Т_1/2 = 314 дней); период полураспада остальных изотопов составляет несколько часов. Все изотопы берклия образуются в ядерных реакциях в ничтожных количествах. Лишь ²⁴⁹Bk удается получить в заметных количествах при облучении в реакторах урана, плутония, америция, кюрия. Способность его ядер к делению на тепловых нейтронах в несколько раз выше, чем у ядер ²³⁵U и ²³⁹Pu, обычно используемых в качестве делящихся материалов.

Средняя энергия α-излучения ²⁴⁵Вk, ²⁴⁷Вk, ²⁴⁹Вk равна соответственно 7,45⋅10⁻³; 5,70; 7,94⋅10⁻⁵ МэВ/(Бк·с).

Физические свойства

Простое вещество берклий — радиоактивный металл серебристо-белого цвета. Существует в виде двух модификаций^[1]:

• Двойная гексагональная плотноупакованная кубическая решётка типа α-La, (α)-форма. Параметры ячейки a = 0,3416 нм, c = 1,1069 нм. Рассчитанная плотность равна 14,78 г/см³.
• Гранецентрированная кубическая решётка, (β)-форма. Параметр ячейки a = 0,4997 нм. Рассчитанная плотность равна 13,25 г/см³.

Температура полиморфного перехода (α → β) составляет ~980 °C^[2]. Энтальпия перехода равна 3,66 кДж/моль. Объёмный модуль упругости равен 20 ГПа (2⋅10¹⁰ Па)

Вычислены также некоторые физические константы берклия. Стандартная энтальпия образования равна 382 ± 18 кДж/моль, энтальпия плавления равна 7,92 кДж/моль, энтальпия испарения равна 320 ± 8 кДж/моль, энтальпия сублимации равна 280 кДж/моль, кристаллическая энтропия составляет 76,2 ± 1,3 Дж(К·моль) согласно первой оценке и 78,2 ± 1,3 Дж(К·моль) согласно последним данным.

При 34 К происходит антиферромагнитный переход, в интервале температур 70—250 К является парамагнетиком^[3].

Химические свойства

Установлено, что берклий очень реакционноспособен, по своим химическим свойствам подобен тербию^[1]. В своих соединениях он имеет степени окисления +3 (преимущественно) и +4. Существование четырёхвалентного берклия позволяет отделять этот элемент от других актиноидов и лантаноидов (продуктов деления), которые либо не имеют такой валентной формы, либо труднее в неё переводятся.

Взаимодействует с кислородом (триоксид и диоксид), галогенами и серой. Известны двойные соли и металлоорганические соединения берклия. Образует комплексные соединения с минеральными и органическими кислотами. Наиболее устойчивы соединения берклия в растворе при степени окисления +3. При рН близких к щелочной среде Bk³⁺ образует нерастворимый основной гидроксид. Оксиды, фториды, фосфаты и карбонаты берклия нерастворимы в воде. В четырёхвалентном состоянии берклий является сильным окислителем.

Получение

Изотопы берклия с массовыми числами до 248 получают из соответствующих изотопов америция или кюрия по реакции (α, n) или (α, p, n). ²⁴⁹Bk образуется в ядерном реакторе при облучении нейтронами ²³⁸U или ²³⁹Pu. ²⁵⁰Bk получают облучением ²⁴⁹Bk по реакции (n, γ). Во время хранения и перед утилизацией топлива большая часть его распадается путём бета-распада до ²⁴⁹Cf. Последний имеет период полураспада 351 год, который является относительно длительным по сравнению с другими изотопами, полученными в реакторе^[4].

Все изотопы берклия имеют период полураспада слишком короткий, чтобы быть первичными радионуклидами^[англ.]. Поэтому любой изначальный берклий, то есть берклий, который присутствовал на Земле во время её формирования, к настоящему времени распался.

На Земле берклий в основном сосредоточен в определённых районах, которые использовались для испытаний ядерного оружия в атмосфере между 1945 и 1980 годами, а также на местах ядерных инцидентов, таких как Чернобыльская катастрофа, авария на АЭС Три-Майл-Айленд и крушение Б-52 на авиабазе Туле в 1968 году. Анализ обломков на полигоне Айви Майк, где происходили испытания первой водородной бомбы США (1 ноября 1952 г., атолл Эниветак), выявил высокие концентрации различных актинидов, включая берклий. По соображениям военной тайны этот результат был опубликован только в 1956 году^[5].

Применение

Нуклид ²⁴⁹Bk используется для получения изотопов калифорния. Использовался для получения теннессина^[6].

Биологическая роль

При введении крысам нитрата ²⁴⁹Bk радионуклид распределяется между скелетом (40 %) и печенью (18 %). Выведение из организма крыс происходит в основном с мочой 18,2 % и калом 10 %. Максимальные дозы в костной ткани, не влияющие на сокращение продолжительности жизни крыс, составляют 6,3 Гр (β-излучение) при введении 37×10⁸ кБк на кг массы тела крыс^[7].