Плутонијум

Плутонијум (Pu, лат. plutonium) је хемијски елемент из групе актиноида. 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 Sm ↑ Pu ↓ (Uqo) 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)
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. (t1/2) 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 –

Плутонијум је радиоактиван метал из групе актиноида. 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 ²³⁸U атомима деутеријума добивши тако изотоп ²³⁸Pu. При том експерименту, најпре је направљен узорак ²³⁸U у облику оксида U₃O₈ 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 ²³⁸Pu. Недвосмислени доказ о добијању елемента 94 дао је Архур Вал 23/24. фебруара 1941. године.

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

Други изотоп плутонијума добијен је бомбардовањем брзим неутронима:

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

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. 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 µg добијена је у августу/септембру 1942. када ју је изоловала група научника Барис Канингам, Мајкл Кефола и Луис Вернер. 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 ²³⁹Pu, 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. ²³⁹Eka Re). 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.

Особине

Физичке

При нормалним условима температуре и притиска, плутонијум је сребрнасто-сјајни тешки метал, веома велике густине (19,86 g/cm³). 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 ²³⁹Pu). 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 α-Pu 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. Истопљени плутонијум има највишу вискозност од свих елемената у течном стању. 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. Ипак, тачна мерења омета стално одавање топлоте узроковано радиоактивним распадом плутонијума ²³⁹Pu. 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
α-Pu	0 K – 395 K	19,77 g/cm³ (293 K)	моноклински	примитивна	P21/m (бр. 11)
β-Pu	395 K – 479 K	17,7 g/cm³ (395 K)	моноклински	центрирана по бази	I2/m (бр. 12 поз. 3)
γ-Pu	479 K – 592 K	17,14 g/cm³ (479 K)	орторомгични	плошно центрирана	Fddd (бр. 70)
δ-Pu	592 K – 730 K	15,9 g/cm³ (592 K)	моноклински	центрирана по бази	Cm (бр. 8)
δ'-Pu	730 K – 749 K	16,0 g/cm³ (730 K)	тетрагонални	просторно центрирана	I4/mmm (бр. 139)
ε-Pu	749 K – 914 K	16,5 g/cm³ (749 K)	кубнни	просторно центрирана	Im${\bar {3}}$m
течни	914 K – 3503 K	16,63 g/cm³ (914 K)	—	—	—

Осим наведених, познате су и модификације при високом притиску, које се добију из α-Pu при притиску изнад 40 GPa, а кристализирају се у просторној групи P6₃.

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. 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. 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 Pu³⁺ је љубичаст, јон Pu⁴⁺ смеђ, Pu^VO₂⁺ розе боје, Pu^VIO₂²⁺ наранџаст, а Pu^VIIO₂³⁺ зелен.

Изотопи

До данас је измерено и испитано 20 изотопа и 15 нуклеарних изомера плутонијума, чији масени бројеви се крећу од 228 до 247. Времена полураспада се крећу од 37 · 10⁻¹² секунди за изомер ^236m1Pu до око 80 милиона година за изотоп ²⁴⁴Pu. „Најдуговјечнији” изотопи са временима полураспада дужим од 11 дана имају масене бројеве између 236 и 244. Једини изузетак међу њима је ²⁴³Pu чије време полураспада износи краће од 5 сати. Неки од изотопа се сматрају почетним тачкама за одређене радиоактивне ланце распада.

• Изотоп ²³⁶Pu се распада преко торијумовог низа. Он има време полураспада од 2,858 године, а распада се α-распадом на свој „међупроизвод”, изотоп ²³²U, који се даље са временом полураспада од 68,9 година опет распада на ²²⁸Th, што представља главни низ распада. Овај изотоп се добија у веома малим количинама у нуклеарним реакторима који раде на бази уранијума.
• Изотоп ²³⁷Pu путем захвата електрона током времена полураспада од 45,2 дана претвара се у изотоп нептунијума ²³⁷Np са вероватноћом од 99,9958%, што представља главну полазну тачку нептунијумовог низа. Осталих 0,0042% атома овог изотопа распада се α-распадом до уранијума ²³³U, који се такође распада нептунијумовим низом.
• ²³⁸Pu је изотоп који се распада α-распадом са временом полураспада од 87,7 година. Најпре прелази у уранијум ²³⁴U те се даље распада низом распада уранијум-радијумовим низом.
• ²³⁹Pu је најчешће произведени изотоп плутонијума. Има време полураспада од 24.110 година и претежно се распада емитујући α-зраке до уранијума ²³⁵U. Даљи распад одвија се путем уранијум-актинијумовог низа, за природну радиоактивност, почев од изотопа ²³⁵U. Само 3 · 10⁻¹⁰ % атома овог изотопа распада се спонтаним распадом.
• Изотоп ²⁴⁰Pu с временом полураспада од 6.564 године распада до ²³⁶U емитујући α-зрачење. Тај изотоп уранијума се распада с временом полураспада од 23,4 милиона година до природног изотопа торијума ²³²Th. Даљи распад одвија се дуж торијумовог низа.
• Изотоп ²⁴¹Pu 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 и вероватноћом од 99,9975% путем β-распада на изотоп америцијума ²⁴¹Am, док се с вероватноћом од само 0,0025% распада α-распадом на уранијум ²³⁷U. Даље се америцијум ²⁴¹Am α-распадом и уранијум²³⁷U распадају до истог дугоживећег изотопа нептунијума ²³⁷Np.
• Плутонијум ²⁴²Pu се распада истим ланцем распада као и изотоп ²³⁸Pu. Међутим, док ²³⁸Pu долази у низ распада као споредни ланац на ²³⁴U, изотоп ²⁴²Pu стоји још више пре уранијума ²³⁸U. Плутонијум ²⁴²Pu се распада α-распадом на ²³⁸U, представљајући почетак природног уранијум-радијумовог низа. Са временом полураспада од 375 хиљада година, ²⁴²Pu је најдуговечнији изотоп плутонијума након ²⁴⁴Pu.
• ²⁴³Pu има релативно краће време полураспада од 4,956 сати. Овај изотоп најпре β-зрачењем прелази у америцијум ²⁴³Am, који даље прелази у нептунијум ²³⁹Np а овај даље се распада на плутонијум ²³⁹Pu. На тај начин овај изотоп представља продужетак уранијум-актинијумовог низа.
• Изотоп плутонијума ²⁴⁴Pu сматра се јединим изотопом плутонијума који се, условно, може пронаћи у природи. Његово време полураспада је веома дуго и износи око 80 милиона година. Он је почетна тачка торијумовог низа, а који се због тога понегде зове и плутонијум-торијумов низ. Изотоп ²⁴⁴Pu се распада α-распадом на ²⁴⁰U, овај двоструким β-распадом преко нептунијума ²⁴⁰Np до ²⁴⁰Pu, а овај опет се путем даљњег двоструког α-распада преко ²³⁶U до торијума ²³²Th. Након изотопа торијума следи распад дуж торијумовог низа.

Литература

• Asimov, Isaac (1988). „Nuclear Reactors”. Understanding Physics. New York: Barnes & Noble Publishing. ISBN 0-88029-251-2. 
• Bernstein, Jeremy (2007). Plutonium: a History of the World's most Dangerous Element. Washington, D.C.: Joseph Henry Press. ISBN 978-0-309-10296-4. OCLC 76481517. 
• Clark, Ronald (1961). The Birth of the Bomb: The Untold Story of Britain's Part in the Weapon That Changed the World. London: Phoenix House. OCLC 824335. 
• Eagleson, Mary (1994). Concise Encyclopedia Chemistry. Berlin: Walter de Gruyter. ISBN 978-3-11-011451-5. 
• Emsley, John (2001). „Plutonium”. Nature's Building Blocks: An A–Z Guide to the Elements. Oxford (UK): Oxford University Press. ISBN 0-19-850340-7. 
• Gosling, F. G. (1999). The Manhattan Project: Making the Atomic Bomb (PDF). Oak Ridge: United States Department of Energy. ISBN 0-7881-7880-6. DOE/MA-0001-01/99. Архивирано из оригинала (PDF) 24. 2. 2009. г. Приступљено 15. 2. 2009. 
• Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2nd изд.). Oxford (UK): Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4. 
• Heiserman, David L. (1992). „Element 94: Plutonium”. Exploring Chemical Elements and their Compounds. New York (NY): TAB Books. стр. 337–340. ISBN 0-8306-3018-X. 
• Hoddeson, Lillian; Henriksen, Paul W.; Meade, Roger A.; Westfall, Catherine L. (1993). Critical Assembly: A Technical History of Los Alamos During the Oppenheimer Years, 1943–1945. New York: Cambridge University Press. ISBN 0-521-44132-3. OCLC 26764320. 
• Hunner, Jon (2004). Inventing Los Alamos. ISBN 978-0-8061-3891-6. 
• Hurst, D. G.; Ward, A. G. (1956). Canadian Research Reactors (PDF). Ottawa: Atomic Energy of Canada Limited. OCLC 719819357. Приступљено 6. 2. 2015. 
• Jha, D. K. (2004). Nuclear Energy. Discovery Publishing House. ISBN 81-7141-884-8. 
• Kaku, Michio; Trainer, Jennifer (1983). Nuclear Power, Both Sides: The Best Arguments for and Against the Most Controversial Technology. W. W. Norton & Company. ISBN 9780393301281. Приступљено 8. 12. 2013. 
• Kay, A. E. (1965). plutonium 1965. Taylor & Francis. 
• Lide, David R., ур. (2006). Handbook of Chemistry and Physics (87th изд.). Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group. ISBN 0-8493-0487-3. 
• Magurno, B. A.; Pearlstein, S., ур. (1981). Proceedings of the conference on nuclear data evaluation methods and procedures. BNL-NCS 51363. (PDF). II. Upton: Brookhaven National Laboratory. Приступљено 6. 8. 2014. 
• Martin, James E. (2000). Physics for Radiation Protection. Wiley-Interscience. ISBN 0-471-35373-6. 
• McLaughlin, Thomas P.; Monahan, Shean P.; Pruvost, Norman L. (2000). A Review of Criticality Accidents (PDF). Los Alamos: Los Alamos National Laboratory. LA-13638. Приступљено 6. 2. 2015. 
• Miner, William N.; Schonfeld, Fred W. (1968). „Plutonium”. Ур.: Clifford A. Hampel. The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York (NY): Reinhold Book Corporation. стр. 540–546. LCCN 68029938. 
• Moody, Kenton James; Hutcheon, Ian D.; Grant, Patrick M. (2005). Nuclear forensic analysis. CRC Press. ISBN 0-8493-1513-1. 
• Rhodes, Richard (1986). The Making of the Atomic Bomb. New York: Simon & Schuster. ISBN 0-671-65719-4. 
• Seaborg, G. T.; Seaborg, E. (2001). Adventures in the Atomic Age: From Watts to Washington. Farrar, Straus and Giroux. ISBN 0-374-29991-9. 
• Sklar, Morty (1984). Nuke-Rebuke: Writers & Artists Against Nuclear Energy & Weapons. The Contemporary anthology series. The Spirit That Moves Us Press. 
• Stockholm International Peace Research Institute (2007). SIPRI Yearbook 2007: Armaments, Disarmament, and International Security. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-923021-1. 
• Till, C. E.; Chang, Y. I. (2011). Plentiful Energy: The Story of the Integral Fast Reactor, the Complex History of a Simple Reactor Technology, with Emphasis on Its Scientific Basis for Non-specialists. Charles E. Till and Yoon Il Chang. ISBN 978-1-4663-8460-6. 
• Wahlen, R. K. (1989). History of 100-B Area (PDF). Richland, Washington: Westinghouse Hanford Company. WHC-EP-0273. Архивирано из оригинала (PDF) 27. 3. 2009. г. Приступљено 15. 2. 2009. 
• Welsome, Eileen (2000). The Plutonium Files: America's Secret Medical Experiments in the Cold War. New York: Random House. ISBN 0-385-31954-1. 

Спољашње везе

• „Alsos Digital Library for Nuclear Issues - Plutonium”. Washington and Lee University. Архивирано из оригинала 3. 2. 2009. г. Приступљено 15. 2. 2009. 
• Sutcliffe, W. G.; et al. (1995). „A Perspective on the Dangers of Plutonium”. Lawrence Livermore National Laboratory. Архивирано из оригинала 29. 9. 2006. г. 
• Johnson, C. M.; Davis, Z.S. (1997). „Nuclear Weapons: Disposal Options for Surplus Weapons-Usable Plutonium”. CRS Report for Congress # 97-564 ENR. Приступљено 15. 2. 2009. 
• „Physical, Nuclear, and Chemical, Properties of Plutonium”. IEER. 2005. Приступљено 15. 2. 2009. 
• Bhadeshia, H. „Plutonium crystallography”. 
• Samuels, D. (2005). „End of the Plutonium Age”. Discover Magazine. 26 (11). 
• Pike, J.; Sherman, R. (2000). „Plutonium production”. Federation of American Scientists. Архивирано из оригинала 3. 2. 2009. г. Приступљено 15. 2. 2009. 
• „Plutonium Manufacture and Fabrication”. 
• Ong, C. (1999). „World Plutonium Inventories”. Nuclear Files.org. Архивирано из оригинала 5. 8. 2014. г. Приступљено 15. 2. 2009. 
• „Challenges in Plutonium Science”. Los Alamos Science. I & II (26). 2000. Приступљено 15. 2. 2009. 
• „Plutonium”. Royal Society of Chemistry. Приступљено 6. 2. 2015. 
• „Plutonium”. The Periodic Table of Videos. University of Nottingham. Приступљено 6. 2. 2015.