Плутонијум

Плутонијум (, лат. ) је хемијски елемент из групе актиноида.^[2] Име је добио по патуљастој планети Плутону.

Плутонијум

Општа својства
Име, симбол	плутонијум, Pu
Изглед	сребрнасто бео, потамњује до тамно сиве на ваздуху
У периодноме систему
Водоник Хелијум Литијум Берилијум Бор Угљеник Азот Кисеоник Флуор Неон Натријум Магнезијум Алуминијум Силицијум Фосфор Сумпор Хлор Аргон Калијум Калцијум Скандијум Титанијум Ванадијум Хром Манган Гвожђе Кобалт Никл Бакар Цинк Галијум Германијум Арсен Селен Бром Криптон Рубидијум Стронцијум Итријум Цирконијум Ниобијум Молибден Технецијум Рутенијум Родијум Паладијум Сребро Кадмијум Индијум Калај Антимон Телур Јод Ксенон Цезијум Баријум Лантан Церијум Празеодијум Неодијум Прометијум Самаријум Европијум Гадолинијум Тербијум Диспрозијум Холмијум Ербијум Тулијум Итербијум Лутецијум Хафнијум Тантал Волфрам Ренијум Осмијум Иридијум Платина Злато Жива Талијум Олово Бизмут Полонијум Астат Радон Францијум Радијум Актинијум Торијум Протактинијум Уранијум Нептунијум Плутонијум Америцијум Киријум Берклијум Калифорнијум Ајнштајнијум Фермијум Мендељевијум Нобелијум Лоренцијум Радерфордијум Дубнијум Сиборгијум Боријум Хасијум Мајтнеријум Дармштатијум Рендгенијум Коперницијум Нихонијум Флеровијум Московијум Ливерморијум Тенесин Оганесон ↑ Pu ↓ () нептунијум ← плутонијум → америцијум ‍
Атомски број (Z)	94
Група, периода	група Н/Д, периода 7
Блок	f-блок
Категорија	актиноид
Рел. ат. маса (Ar)	244,0642053(56)[1]
Масени број	244 (најстабилнији изотоп)
Ел. конфигурација
по љускама	2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
Физичка својства
Тачка топљења	912,5 K ​(639,4 °‍C, ​1182,9 °F)
Тачка кључања	3505 K ​(3228 °‍C, ​5842 °F)
Густина при с.т.	19,816 g/cm3
течно ст., на т.т.	16,63 g/cm3
Топлота фузије	2,82 kJ/mol
Топлота испаравања	333,5 kJ/mol
Мол. топл. капацитет	35,5 J/(mol·K)
Напон паре P (Pa) 100 101 102 на T (K) 1756 1953 2198 P (Pa) 103 104 105 на T (K) 2511 2926 3499
Атомска својства
Електронегативност	1,28
Енергије јонизације	1: 584,7 kJ/mol
Атомски радијус	159 pm
Ковалентни радијус	187±1 pm
Спектралне линије
Остало
Кристална структура	​моноклинична
Брзина звука	2260 m/s
Топл. ширење	46,7 µm/(m·K) (на 25 °‍C)
Топл. водљивост	6,74 W/(m·K)
Електроотпорност	1,460 µΩ·m (на 0 °‍C)
Магнетни распоред	парамагнетичан
Јангов модул	96 GPa
Модул смицања	43 GPa
Поасонов коефицијент	0,21
CAS број	7440-07-5
Историја
Именовање	по патуљастој планети Плутону, који је именован по класичном богу подземља Плутону
Откриће	Глен Т. Сиборг, Артур Вал, Џозеф Кенеди, Едвин Макмилан (1940–1)
Главни изотопи
изотоп расп. пж. (1/2) ТР ПР 238Pu трагови 87,74 y СФ – α 234U 239Pu трагови 2,41×104 y СФ – α 235U 240Pu трагови 6500 y СФ – α 236U 241Pu syn 14 y β− 241Am СФ – 242Pu syn 3,73×105 y СФ – α 238U 244Pu трагови 8,08×107 y α 240U СФ –
референце • Википодаци

Плутонијум је радиоактиван метал из групе актиноида.^[3] први пут добијен и испитан од стране америчког хемичара Глена Сиборга 1941. године. Научници су искористили уранијум, који су бомбардовали језгрима деутеријума (изотоп водоника). Плутонијум је веома реактиван. Ако дуго стоји на ваздуху прекрива се златним слојем оксида. Јавља се у 6 алотропских модификација и гради једињења у којима се јавља са четири оксидациона броја. Познато је 15 изотопа плутонијума чије се атомске масе крећу између 232 и 246. Због високог степена радиоактивности смртоносан је за човека чак и у минималним количинама. Опаснији је од уранијума због мање критичне масе.

Према свом редном броју, он је најтежи елемент који се налази у природи. Међутим, у природи се налази само у траговима унутар веома старих стена. Трагови овог елемента се јављају међу рудама уранијума. Веће количине овог елемента добијају се вештачки, претежно у атомским централама и реакторима. Као један од малобројних хемијских елемената подложних фисији, игра веома важну улогу за производњу нуклеарног оружја. На пример, основни реактивни материјал у атомској бомби баченој 9. аугуста 1945. на Нагасаки био је плутонијум. Овај елемент настаје током рада нуклеарних реактора из уранијумских шипки нуклеарног горива.

Историја

Плоча плутонијума на блоку од калцијум хлорида.

Плутонијум

Плутонијум су открили амерички научници Глен Т. Сиборг, Артур Вал, Џозеф Кенеди, Мајкл Кефола и Едвин Макмилан. Они су 14. децембра 1940. извели експеримент у циклотрону, бомбардујући мету од уранијума ²³⁸ атомима деутеријума добивши тако изотоп ²³⁸. При том експерименту, најпре је направљен узорак ²³⁸ у облику оксида у танком слоју на плочи од бакра. У овој реакцији емитована су два неутрона. Укратко након тога, настао је нептунијум као међупроизвод, који се одмах распао на ²³⁸. Недвосмислени доказ о добијању елемента 94 дао је Архур Вал 23/24. фебруара 1941. године.^[4][5]

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{1}^{2}D\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ +\ 2\ _{0}^{1}n\quad$ ;\quad _{\ 93}^{238}Np\ {\xrightarrow[{2,117\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu} }

Други изотоп плутонијума добијен је бомбардовањем брзим неутронима:

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23,5\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2,3565\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }$

Наведена времена су времена полураспада.

Новооткривеном елементу је дато име у марту 1942. године по у то време најудаљенијој откривеној планети Плутону, а која је опет добила име по истоименом божанству из римске митологије: …назван по планети која следи након Нептуна, а у аспекту ужасавајућег деловања плутонијумске атомске бомбе далеко више му одговара извођење из имена Плутона, божанства подземља.^[6] Према томе, три дотад најтежа позната елемента, уранијум, нептунијум и плутонијум добили су имена према истоименим планетама: Урану, Нептуну и Плутону. Прва мерљива количина плутонијума од око 4 добијена је у августу/септембру 1942. када ју је изоловала група научника Барис Канингам, Мајкл Кефола и Луис Вернер.^[7] Откриће је држано у тајности током Другог светског рата. Са првом производњом плутонијума у већем обиму отпочело се у оквирима америчког пројекта „Менхетн”. Прва експлозија атомске бомбе којој је сведочило човечанство био је тест „Тринити”, чија је основа био плутонијум ²³⁹, као и за бомбу Дебељко ((језик: енглески)) која је у августу 1945. разорила јапански град Нагасаки. Џозеф Хамилтон је изводио тестове на добровољцима, дајући им плутонијум, а због огромне отровности овог елемента данас су такви тестови забрањени.

Чак и пре открића плутонијума, у Немачкој је Карл Фридрих фон Вајцекер наговијестио да је у нуклеарним реакторима могућ настанак новог елемента ека-ренијума (тј. ²³⁹).^[8] Осим њега, Фридрих Георг Хоутерманс је такође 1942. предвидео теоретско постојање неког трансуранијумског елемента у свом тајном извјештају. Међутим у оквирима нацистичког уранијумског пројекта, према данашњим сазнањима, до краја Другог светског рата није дошло до синтезе плутонијума.^[9]

Особине

Физичке

При нормалним условима температуре и притиска, плутонијум је сребрнасто-сјајни тешки метал, веома велике густине (19,86 ^3[10]). Као и сви актиноиди, он такође постоји само у виду радиоактивних изотопа. Он се загрејава сам од себе, тако да на пример 100 грама плутонијума емитује око 0,2 вата топлоте (односи се на изотоп ²³⁹).^[11] У поређењу с другим металима, плутонијум је врло слаб проводник топлоте и електричне струје. Метал се кристализује независно од температуре у укупно шест алотропских модификација. Оне се једним делом знатно разликују по својој густини. На собној температури стабилна модификација је моноклинска. Код плутонијума при вишим температурама јавља се врло редак случај аномалије густине, јер она расте при преласку из δ' модификације у ε модификацију. При његовом топљењу, слично као код воде, густина му расте.^[12] Истопљени плутонијум има највишу вискозност од свих елемената у течном стању.^[13] Међутим, и поред неуобичајено високе магнетне сусцептибилности за метале и тенденције усмеравања при ниским температурама, плутонијум не показује усмеравање у широким распонима температуре па се стога може сматрати да је парамагнетичан.^[12] Ипак, тачна мерења омета стално одавање топлоте узроковано радиоактивним распадом плутонијума ²³⁹. Из истог разлога немогуће је постићи температуре плутонијума блиске апсолутној нули.

Модификација при атмосферском притиску

Опис фазе	Стабилан у температурном подручју	Густина (температура)	Кристални систем	Бравеова решетка	Просторна група
[14]	0 – 395		моноклински	примитивна	(бр. 11)
[15]			моноклински	центрирана по бази	(бр. 12 поз. 3)
[16]			орторомгични	плошно центрирана	(бр. 70)
[17]			моноклински	центрирана по бази	(бр. 8)
[18]			тетрагонални	просторно центрирана	(бр. 139)
[19]			кубнни	просторно центрирана
течни[20]			—	—	—

Осим наведених, познате су и модификације при високом притиску, које се добију из при притиску изнад 40 , а кристализирају се у просторној групи 6₃.^[21]

Хемијске

Разна оксидациона стања плутонијума у воденим растворима

Плутонијум је неплеменити, веома реактивни метал. Изложен ваздуху, брзо реагује с кисеоником и влагом. При томе метал постаје мат и превлачи се тамним, плаво-црним слојем оксида, док дужим стајањем на ваздуху ствара се тамнији, сиво-зелени, прашкасти слој оксида који лако скида.^[22] При загрејавању, метал реагује са већином неметала и водом. Међутим на собној температури, плутонијум не нападају ни базини раствори, нити вода. У концентрираној азотној киселини он није растворљив због пасивизације своје површине.^[11] Плутонијум се раствара у хлороводоничној и азотној киселини али уз додатак флуорида. У том случају, јони флуорида се поништавају и онемогућавају пасивизирање метала које се иначе јавља нападањем чисте азотне киселине. Хемијске особине плутонијума углавном су сличне као и код осталих актиноида. Као и код већине ових елемената, његове хемијске особине су под знатним утицајем његове снажне радиоактивности, а због загрејавања метала и емитовања јаког радиоактивног зрачења, његове везе са другим елементима врло лако пуцају.

Овај елемент може да гради цели низ једињења у којима се може налазити у оксидационим стањима од +3 до +7, што значи да плутонијум заједно с нептунијем гради највиша оксидациона стања међу свим актиноидима. Најстабилнији је у оксидационом стању +4. У воденим растворима, јони плутонијума имају карактеристичне боје. Тако на пример јон ³⁺ је љубичаст, јон ⁴⁺ смеђ, розе боје, наранџаст, а зелен.^[23]

Изотопи

До данас је измерено и испитано 20 изотопа и 15 нуклеарних изомера плутонијума, чији масени бројеви се крећу од 228 до 247.^[24] Времена полураспада се крећу од 37 · 10⁻¹² секунди за изомер до око 80 милиона година за изотоп ²⁴⁴. „Најдуговјечнији” изотопи са временима полураспада дужим од 11 дана имају масене бројеве између 236 и 244. Једини изузетак међу њима је ²⁴³ чије време полураспада износи краће од 5 сати.^[24] Неки од изотопа се сматрају почетним тачкама за одређене радиоактивне ланце распада.

• Изотоп ²³⁶ се распада преко торијумовог низа. Он има време полураспада од 2,858 године,^[24] а распада се α-распадом на свој „међупроизвод”, изотоп ²³², који се даље са временом полураспада од 68,9 година опет распада на ²²⁸, што представља главни низ распада. Овај изотоп се добија у веома малим количинама у нуклеарним реакторима који раде на бази уранијума.
• Изотоп ²³⁷ путем захвата електрона током времена полураспада од 45,2 дана^[24] претвара се у изотоп нептунијума ²³⁷ са вероватноћом од 99,9958%, што представља главну полазну тачку нептунијумовог низа. Осталих 0,0042% атома овог изотопа распада се α-распадом до уранијума ²³³, који се такође распада нептунијумовим низом.
• ²³⁸ је изотоп који се распада α-распадом са временом полураспада од 87,7 година.^[24] Најпре прелази у уранијум ²³⁴ те се даље распада низом распада уранијум-радијумовим низом.
• ²³⁹ је најчешће произведени изотоп плутонијума. Има време полураспада од 24.110 година^[24] и претежно се распада емитујући α-зраке до уранијума ²³⁵. Даљи распад одвија се путем уранијум-актинијумовог низа, за природну радиоактивност, почев од изотопа ²³⁵. Само 3 · 10⁻¹⁰ % атома овог изотопа распада се спонтаним распадом.
• Изотоп ²⁴⁰ с временом полураспада од 6.564 године^[24] распада до ²³⁶ емитујући α-зрачење. Тај изотоп уранијума се распада с временом полураспада од 23,4 милиона година до природног изотопа торијума ²³². Даљи распад одвија се дуж торијумовог низа.
• Изотоп ²⁴¹ се често означава као почетак нептунијумовог низа, јер (при продужењу низа) се налази пре нептунијума. Он се распада са временом полураспада од 14,35 година^[24] и вероватноћом од 99,9975% путем β-распада на изотоп америцијума ²⁴¹, док се с вероватноћом од само 0,0025% распада α-распадом на уранијум ²³⁷. Даље се америцијум ²⁴¹ α-распадом и уранијум²³⁷ распадају до истог дугоживећег изотопа нептунијума ²³⁷.
• Плутонијум ²⁴² се распада истим ланцем распада као и изотоп ²³⁸. Међутим, док ²³⁸ долази у низ распада као споредни ланац на ²³⁴, изотоп ²⁴² стоји још више пре уранијума ²³⁸. Плутонијум ²⁴² се распада α-распадом на ²³⁸, представљајући почетак природног уранијум-радијумовог низа. Са временом полураспада од 375 хиљада година,^{[24] 242} је најдуговечнији изотоп плутонијума након ²⁴⁴Pu.
• ²⁴³ има релативно краће време полураспада од 4,956 сати.^[24] Овај изотоп најпре β-зрачењем прелази у америцијум ²⁴³, који даље прелази у нептунијум ²³⁹ а овај даље се распада на плутонијум ²³⁹. На тај начин овај изотоп представља продужетак уранијум-актинијумовог низа.
• Изотоп плутонијума ²⁴⁴ сматра се јединим изотопом плутонијума који се, условно, може пронаћи у природи.^[25] Његово време полураспада је веома дуго и износи око 80 милиона година.^[24] Он је почетна тачка торијумовог низа, а који се због тога понегде зове и плутонијум-торијумов низ. Изотоп ²⁴⁴ се распада α-распадом на ²⁴⁰, овај двоструким β-распадом преко нептунијума ²⁴⁰ до ²⁴⁰, а овај опет се путем даљњег двоструког α-распада преко ²³⁶ до торијума ²³². Након изотопа торијума следи распад дуж торијумовог низа.