Полоний

У этого термина существуют и другие значения, см. Полоний (значения).

Поло́ний — радиоактивный химический элемент 16-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы VI группы), 6-го периода в периодической системе Д. И. Менделеева, с атомным номером 84, обозначается символом Po (лат. Polonium). Относится к группе халькогенов. При нормальных условиях представляет собой мягкий радиоактивный металл (согласно другим данным — полуметалл) серебристо-белого цвета^[2][3], из-за высокой радиоактивности значительно нагревается.

Полоний
← Висмут | Астат →
84 Te ↑ Po ↓ Lv Периодическая система элементов 84Po
Внешний вид простого вещества
Серебристо-белый мягкий металл
Тонкая плёнка металлического полония на диске из нержавеющей стали
Свойства атома
Название, символ, номер	Поло́ний / Polonium (Po), 84
Атомная масса (молярная масса)	208,9824 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p4
Радиус атома	176 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	146 пм
Радиус иона	(+6e) 67 пм
Электроотрицательность	2,3 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Po ← Po3+ 0,56 В Po ← Po2+ 0,65 В
Степени окисления	−2, +2, +4, +6
Энергия ионизации (первый электрон)	813,1 (8,43) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	9,196[1] г/см3
Температура плавления	527 K (254 °C)[1]
Температура кипения	1235 K (962 °C)][1]
Мол. теплота плавления	10 кДж/моль
Мол. теплота испарения	102,9 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	26,4[2] Дж/(K·моль)
Молярный объём	22,7 см3/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая
Параметры решётки	a = 3,35 Å
Номер CAS	7440-08-6

84	Полоний
Po (209)
4f145d106s26p4

История и происхождение названия

Элемент открыт в 1898 году супругами Пьером Кюри и Марией Склодовской-Кюри в урановой смоляной руде^[4]. Об открытии они впервые сообщили 18 июля на заседании Парижской академии наук в докладе под названием «О новом радиоактивном веществе, содержащемся в смоляной обманке»^[5]. Элемент был назван в честь родины Марии Склодовской-Кюри — Польши (лат. Polonia)^{[3][прим. 1]}.

В 1902 году немецкий учёный Марквальд выделил новый элемент, который он назвал радиотеллуром. Кюри, прочтя заметку об этом открытии, сообщила, что это — элемент полоний, открытый ими четырьмя годами ранее. Марквальд не согласился с такой оценкой, заявив, что полоний и радиотеллур — разные элементы. После ряда экспериментов с элементом супруги Кюри доказали, что полоний и радиотеллур обладают одним и тем же периодом полураспада. Марквальд был вынужден признать свою ошибку^[6][7].

Нахождение в природе

Радионуклиды полония входят в состав естественных радиоактивных рядов:

²¹⁰Po (Т_1/2 = 138,376 сут), ²¹⁸Po (Т_1/2 = 3,10 мин) и ²¹⁴Po (Т_1/2 = 1,643⋅10⁻⁴ с) — в ряд ²³⁸U;

²¹⁶Po (Т_1/2 = 0,145 с) и ²¹²Po (Т_1/2 = 2,99⋅10⁻⁷ с) — в ряд Th;

²¹⁵Po (Т_1/2 = 1,781⋅10⁻³ с) и ²¹¹Po(Т_1/2 = 0,516 с) — в ряд ²³⁵U.

Поэтому полоний всегда присутствует в урановых и ториевых минералах. Равновесное содержание полония в земной коре — около 2⋅10⁻¹⁴ % по массе^[2].

Физические и химические свойства

Полоний — мягкий серебристо-белый радиоактивный металл (часто относят к полуметаллам).

Металлический полоний быстро окисляется на воздухе. Известны диоксид полония (РоО₂)_x и монооксид полония РоО. С галогенами образует тетрагалогениды. При действии кислот переходит в раствор с образованием катионов Ро²⁺ розового цвета:

${\displaystyle {\ce {Po + 2 HCl -> PoCl2 + H2 ^}}}$${\displaystyle .}$

При растворении полония в соляной кислоте в присутствии магния образуется полоноводород:

${\displaystyle {\ce {Po + Mg + 2 HCl -> MgCl2 + H2Po,}}}$

который при комнатной температуре находится в жидком состоянии (от −36,1 до 35,3 °C), но неустойчив при температурах выше 0 °C, также склонен к радиолизу.

В индикаторных количествах получены кислотный триоксид полония РоО₃ и соли полониевой кислоты, не существующей в свободном состоянии — полонаты К₂РоО₄. Образует галогениды состава PoX₂, PoX₄ и PoX₆. Подобно теллуру полоний способен с рядом металлов образовывать химические соединения — полониды.

Полоний является единственным химическим элементом, который при низкой температуре образует одноатомную простую кубическую кристаллическую решётку^[8].

Изотопы

Основная статья: Изотопы полония

На начало 2006 года известны 33 изотопа полония в диапазоне массовых чисел от 188 до 220. Кроме того, известны 10 метастабильных возбуждённых состояний изотопов полония. Стабильных изотопов не имеет^[2]. Наиболее долгоживущие изотопы, ²⁰⁹Po и ²⁰⁸Po имеют периоды полураспада 125 и 2,9 года соответственно. Некоторые изотопы полония, входящие в радиоактивные ряды урана и тория, имеют собственные наименования, которые сейчас в основном рассматриваются как устаревшие:

Изотоп	Название	Обозначение	Радиоактивный ряд
210Po	Радий F	RaF	238U
211Po	Актиний C′	AcC′	235U
212Po	Торий C′	ThC′	232Th
214Po	Радий C′	RaC′	238U
215Po	Актиний A	AcA	235U
216Po	Торий A	ThA	232Th
218Po	Радий A	RaA	238U

Получение

На практике в граммовых количествах нуклид полония ²¹⁰Ро синтезируют искусственно, облучая металлический ²⁰⁹Bi тепловыми нейтронами в ядерных реакторах. Получившийся ²¹⁰Bi за счёт β-распада превращается в ²¹⁰Po. При облучении того же изотопа висмута протонами по реакции

²⁰⁹Bi + p → ²⁰⁹Po + n

образуется самый долгоживущий изотоп полония ²⁰⁹Po.

В реакторах с жидкометаллическим носителем в качестве теплоносителя может применяться эвтектика свинец-висмут. Такой реактор, в частности, был установлен на подводной лодке К-27. В активной зоне реактора висмут может переходить в полоний.

Микроколичества полония извлекают из отходов переработки урановых руд. Выделяют полоний экстракцией, ионным обменом, хроматографией и возгонкой.

Металлический Po получают термическим разложением в вакууме сульфида PoS или диоксида (PoO₂)_x при 500 °C.

Более 95 % мирового производства полония-210 приходится на Россию^{[9][нет в источнике]}, однако практически весь он поставляется в США, где используется в основном для производства промышленных и бытовых антистатических ионизаторов воздуха.^{[нет в источнике]}

На 2006 год, по утверждению британского учёного и писателя Джона Эмсли, в год производилось около 100 граммов ²¹⁰Ро.^[10]

Стоимость

По данным британских экспертов, микроскопические дозы полония-210 стоят миллионы долларов США^[11]. С другой стороны, согласно утверждению радиохимика, д. х. н. Б. Жуйкова, получаемый из висмута полоний-210 очень дёшев^[9]. Согласно данным на 2006 год, за производство 9,6 граммов полония-210 заводу «Авангард»^{[прим. 2]} платили порядка 10 миллионов рублей^[12], что сопоставимо со стоимостью трития^[13]. Однако, американская компания United Nuclear, получающая изотоп из России, на 2006 год продавала образцы по цене 69 USD, утверждая, что для накопления смертельной дозы потребовалось бы более 1 миллиона долларов^[14].

Применение

Полоний-210 в сплавах с бериллием и бором применяется для изготовления компактных и очень мощных нейтронных источников, практически не создающих γ-излучения (но короткоживущих ввиду малого времени жизни ²¹⁰Po: Т_1/2 = 138,376 суток) — альфа-частицы полония-210 рождают нейтроны на ядрах бериллия или бора в (α, n)-реакции. Это герметичные металлические ампулы, в которые заключена покрытая полонием-210 керамическая таблетка из карбида бора или карбида бериллия. Такие нейтронные источники легки и портативны, совершенно безопасны в работе и очень надёжны. Например, советский нейтронный источник ВНИ-2 представляет собой латунную ампулу диаметром 2 и высотой 4 сантиметра, ежесекундно излучающую до 90 миллионов нейтронов^[15].

Полоний-210 часто применяется для ионизации газов (в частности, воздуха). В первую очередь ионизация воздуха необходима для борьбы со статическим электричеством (на производстве, при обращении с особо чувствительной аппаратурой)^[16]. Например, для прецизионной оптики изготавливаются кисточки удаления пыли. Для окраски автомобилей в гаражах используются пульверизаторы с подачей воздуха, проходящего через антистатический ионизатор с полонием («ионную пушку»)^[17]. Другое, уже ушедшее в прошлое применение эффекта ионизации газа — в электродных сплавах автомобильных свечей зажигания для уменьшения напряжения возникновения искры^[18].

Важной областью применения полония-210 является его использование в виде сплавов со свинцом, иттрием или самостоятельно для производства мощных и весьма компактных источников тепла для автономных установок, например, космических. Один кубический сантиметр полония-210 выделяет около 1320 Вт тепла. Эта мощность весьма велика, она легко приводит полоний в расплавленное состояние, поэтому его сплавляют, например, со свинцом. Хотя эти сплавы имеют заметно меньшую энергоплотность (150 Вт/см³), тем не менее, они более удобны к применению и безопасны, так как полоний-210 испускает почти исключительно альфа-частицы, а их проникающая способность и длина пробега в плотном веществе минимальны. Например, у советских самоходных аппаратов космической программы «Луноход» для обогрева приборного отсека применялся полониевый обогреватель.

Полоний-210 может послужить в сплаве с лёгким изотопом лития (⁶Li) веществом, которое способно существенно снизить критическую массу ядерного заряда и послужить своего рода ядерным детонатором^{[источник не указан 1834 дня]}. Кроме того, полоний пригоден для создания компактных «грязных бомб» и удобен для скрытной транспортировки, так как практически не испускает гамма-излучения^[15]. Изотоп испускает гамма-кванты с энергией 803 кэВ с выходом только 0,001 % на распад^[19].

Полоний является стратегическим металлом, должен очень строго учитываться, и его хранение должно быть под контролем государства ввиду угрозы ядерного терроризма.

Токсичность

Полоний-210 обладает особо высокой радиотоксичностью и является исключительно сильным канцерогеном, имеет период полураспада 138 дней 9 часов^[20][21]. Его удельная активность (166 ТБк/г, тепловыделение 148 Вт/г) настолько велика, что, хотя он излучает только альфа-частицы, брать его руками нельзя, поскольку результатом будет лучевое поражение кожи и, возможно, всего организма: полоний довольно легко проникает внутрь сквозь кожные покровы. Он опасен и на расстоянии, превышающем длину пробега альфа-частиц, так как его соединения саморазогреваются из-за очень сильного удельного тепловыделения, возгоняются и переходят в аэрозольное состояние^{[источник не указан 1834 дня]}. ПДК в водоёмах и в воздухе рабочих помещений 11,1⋅10⁻³ Бк/л и 7,41⋅10⁻³ Бк/м^3[21]. Поэтому работают с полонием-210 только в герметичных боксах (перчаточных или с механическими манипуляторами). Опасны также и все соединения полония, наиболее токсичным из которых является полоноводород^{[источник не указан 1877 дней]}.

Положительно заряженные альфа-частицы, излучаемые полонием, не проходят через кожу, однако при попадании полония внутрь организма, — при ингаляции, проникновении через кожные покровы или проглатывании, — альфа-частицы необратимо вызовут опасные радиобиологические эффекты внутри организма человека (в первую очередь они обусловлены радиолизом воды), что может привести к лучевой болезни, мутациям, развитию злокачественных новообразований (среди них — лейкоз и некоторые виды неходжкинских лимфом, также характерны, учитывая особенности аккумуляции полония в организме, рак почек, печени, селезёнки), нарушению кроветворения и гибели^{[22][прим. 3]}.

По оценке специалистов, летальная доза полония-210 для взрослого человека оценивается в пределах от 0,1—0,3 ГБк (0,6—2 мкг) при попадании изотопа в организм через лёгкие до 1—3 ГБк (6—18 мкг) при попадании в организм через пищеварительный тракт^[23].

Более долгоживущие полоний-208 (период полураспада 2,898 года) и полоний-209 (период полураспада 103 года) обладают несколько меньшей радиотоксичностью на единицу массы, обратно пропорционально периоду полураспада. Сведений о радиотоксичности других, короткоживущих изотопов полония мало. В организме человека полоний ведёт себя подобно своим химическим гомологам, селену и теллуру, концентрируется в печени, почках, селезёнке и костном мозге^{[источник не указан 1834 дня]}. Период полувыведения из организма − от 30 до 50 дней, выделяется в основном через почки^{[источник не указан 1834 дня]}. Были сообщения^{[источник не указан 1834 дня]} об успешном использовании 2,3-димеркаптопропанола для выведения полония из организма крыс — 90 % животных, которым внутривенно вводилась смертельная доза полония-210 (9 нг/кг массы тела), выжили, тогда как в контрольной группе все крысы погибли в течение полутора месяцев.

Случаи отравления полонием-210

• Смерть Александра Литвиненко в 2006 году, который скончался в результате отравления полонием-210.
• Полоний был обнаружен^{[источник не указан 4258 дней]} в личных вещах Ясира Арафата, который скончался в 2004 году. Проведена эксгумация тела^[24]. Первоначально швейцарская сторона международной комиссии подтвердила факт отравления полонием^[25]. Однако позже согласилась с выводами российской и французской стороны об отсутствии доказательств отравления^[26].
• Роман Цепов.

Содержание полония в продуктах

Полоний-210 в небольших количествах находится в природе и накапливается табаком^[27][28][29], вследствие чего является одним из заметных факторов, который наносит вред здоровью курильщика. Другие природные изотопы полония распадаются очень быстро, поэтому не успевают накапливаться в табаке^[30]. «Производители табака обнаружили этот элемент более 40 лет назад, попытки удалить его были безуспешны», — говорится в статье^[29] 2008 года исследователей из американского Стэнфордского университета и клиники Майо в Рочестере^[31].