Készítette: Tóth Krisztián. Web: http://krissz.hu

Neptúnium

93
237
6, 5, 4, 3
Np
6d1
5f4
Neptúnium
Alapadatok
Név, vegyjel, rendszám neptúnium, Np, 93
Elemi sorozat aktinoidák
Csoport, periódus, mező ?, 7, f
Megjelenés ezüstös fémes
Atomtömeg (237) g/mol
Elektronszerkezet [Rn] 5f4 6d1 7s2
Elektronok héjanként 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot szilárd
Sűrűség (szobahőm.) 20,2 g/cm³
Olvadáspont 910 K
(637 °C, 1179 °F)
Forráspont 4273 K
(4000 °C, 7232 °F)
Olvadáshő 3,20 kJ/mol
Párolgáshő 336 kJ/mol
Moláris hőkapacitás (25 °C) 29,46 J/(mol·K)
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet 3 alak: rombos,
tetragonális és köbös
Oxidációs állapotok 6, 5, 4, 3
(amfoter oxid)
Elektronegativitás 1,36 (Pauling-skála)
Ionizációs energia 1.: 604,5 kJ/mol
Atomsugár 175 pm
Egyéb jellemzők
Mágnesség  ?
Elektromos ellenállás (22 °C) 1,220 µΩ·m
Hővezetési tényező (300 K) 6,3 W/(m·K)
CAS-szám 7439-99-8

A Neptúnium bővebb leírása

Története

A 93-as elem felfedezésének legalább három téves bejelentése volt: a bohémium, az 1934-ben az ausonium, majd 1939-ben a sequanium.

A neptúniumot 1940-ben fedezte fel Edwin McMillan és Philip H. Abelson a kaliforniai Berkeley városában. Az elem nevét a Neptunusz bolygóról kapta (ez az Uránusz – az urán névadója – után következő bolygó).[2] A Walter Russell spirális elrendezésű periódusos rendszere által korábban megjósolt elemet a University of California Berkeley Radiation Laboratory-ban állították elő: uránt bombáztak lassú neutronokkal, melynek során a 2,4 nap felezési idejű 239Np izotóp keletkezett. Ez volt az első mesterségesen előállított transzurán elem.

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

Előfordulása

Nyomnyi mennyiségű neptúnium – az uránércekben végbemenő elemátalakulási (transzmutációs) folyamatokból származó bomlástermékeként – a természetben is előfordul.[1] A mesterséges 237Np-et – a plutónium előállítás melléktermékeként – leggyakrabban kimerült fűtőelemrudakból nyerik ki, és 237NpF3bárium vagy lítium gőzzel 1200 °C körüli hőmérsékleten végzett redukciójával állítják elő.

2 NpF3 + 3 Ba → 2 Np + 3 BaF2

A kimerült fűtőelemrudak tömegének kb. 0,05%-a neptúnium-237, ami a bennük található plutónium mennyiségének kb. 5%-a.[3]

Előállítása

Kémiailag a neptúniumfémet NpF3 bárium vagy lítium gőzökkel mintegy 1200 °C-on végzett redukciójával állítják elő[1], a neptúnium legnagyobb részét ugyanakkor nukleáris reakciókban termelik:

  • Amikor egy 235U mag befog egy neutront, akkor gerjesztett állapotú 236U-tá alakul. A gerjesztett 236U magok mintegy 81%-a maghasadást szenved, de a maradék gamma-sugárzással alapállapotba jut. További neutronbefogással 237U keletkezik, melynek felezési ideje 7 nap, így rövid idő alatt 237Np-re bomlik.
\mathrm{^{235}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{236m}_{\ 92}U\ \xrightarrow[120 \ ns]{} \ ^{236}_{\ 92}U\ +\ \gamma}
\mathrm{^{236}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{237}_{\ 92}U\ \xrightarrow[6,75 \ nap]{\beta^-} \ ^{237}_{\ 93}Np}
  • 237U keletkezhet 238U-ból is (n,2n) folyamat révén. Ez a reakció csak nagyon gyors neutronok hatására megy végbe.
  • A 237Np az 241Am alfa-bomlásának terméke.

A neptúnium nehezebb izotópjai gyorsan elbomlanak, könnyebb izotópok pedig nem keletkezhetnek neutronbefogás révén, így a kihűlt fűtőelemrudakból kémiai elválasztással nyert neptúnium csaknem tiszta 237Np.

Tulajdonságai

Az ezüstös színű neptúniumfém kémiailag eléggé reakcióképes, és legalább három allotróp módosulatban fordul elő:[1]

  • α-neptúnium, ortorombos szerkezet, sűrűsége 20,45 g/cm3
  • β-neptúnium (280 °C felett), tetragonális kristályrács, sűrűsége (313 °C-on) 19,36 g/cm3
  • γ-neptúnium (577 °C felett), köbös rács, sűrűsége (600 °C-on) 18 g/cm3

Felhasználása

Plutónium-238 termelés prekurzora

A 237Np-ot neutronokkal besugározva állítják elő az alfa-sugárzó 238Pu-at, melyet az űrrepülésben és katonaságban alkalmazott radioizotópos termoelektromos generátorokban használnak. A 237Np egy neutron befogásával 238Np-cá alakul, mely két napos felezési idejű béta-bomlással 238Pu-cá alakul.[4]

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

Nagy mennyiségű 238Pu van a kimerült fűtőelemrudakban is, de ezt el kellene választani a többi plutónium izotóptól.

Fegyverkénti alkalmazás

A neptúnium hasadóanyag, elméletileg fel lehet használni gyorsneutronos reaktorban vagy nukleáris fegyverben. 1992-ben az USA Energiaügyi Hivatala nyilvánosságra hozta azt a korábban titkosított információt, hogy a neptúnium-237 „felhasználható nukleáris robbanóeszköz céljára”.[5] Nem valószínű, hogy neptúniumból valaha is készítettek volna tényleges fegyvert. Számítások szerint a kritikus tömeg 50–60 kg között lehet.[6] 2009-es adatok szerint a világ polgári célú atomreaktorainak éves neptúnium-237 termelése több mint 1000 kritikus tömegnyi volt, de ennek az izotópnak a besugárzott fűtőelemrudakból történő kinyerése nagy kihívás lenne az ipar számára.

2002 szeptemberében a University of California Los Alamos National Laboratory kutatói létrehozták az első, neptúniumból és dúsított uránból (U-235) álló kritikus tömeget, és felfedezték, hogy a neptúnium kritikus tömege körülbelül 60 kg[6], ami azt jelenti, hogy „ugyanolyan jó robbanóanyag, mint az U-235”. Az Amerikai Egyesült Államok szövetségi kormánya 2004 márciusában terveket készített, hogy Amerika elválasztott neptúnium készletét átszállítsák egy nevadai nukleáris hulladék hasznosító telepre.

Egyéb

A 237Np-et felhasználják a nagy energiájú (MeV) neutronokat érzékelő eszközökben.[7]

Jelentősége a nukleáris hulladékban

A neptúnium-237 a legnagyobb mozgékonyságú aktinoida a mélygeológiai tárolók környezetében[8], így ez az izotóp és anyaelemei, például az amerícium-241 nukleáris esélyesek elemátalakítási reakcióban történő megsemmisítésre.[9] Az épületekben használt ionizációs kamra füstérzékelőkben – az ionizáló sugárforrásként használt (szokásosan) 0,2 mikrogramm amerícium-241 bomlása révén – felgyűlik a neptúnium. A füstérzékelőkben használt 432 év felezési idejű amerícium-241 22 év elteltével körülbelül 5%, 43 évesen mintegy 10% neptúniumot tartalmaz. 432 év elteltével a füstdetektor eredeti amerícium tartalmának a fele neptúniummá alakul.

Hosszú felezési ideje miatt 10 000 év múlva a teljes sugárzás döntő részét a neptúnium fogja adni. Mivel nem látható előre, hogy ilyen hosszú idő alatt mi történik az izotópot tartalmazó védőburkolattal, a neptúnium kinyerése minimalizálná a környezet szennyezését a radioaktív hulladék esetleges (több száz év múlva bekövetkező) mobilizálódása esetén.[10][11]

Izotópjai

A neptúniumnak 19 radioaktív izotópját jellemezték, közölük a legstabilabb a 2,14 millió év felezési idejű 237Np, a 154 000 éves felezési idővel rendelkező sup>236Np és a 396,1 napos felezési idejű 235Np. A többi izotóp felezési ideje nem haladja meg a 4,5 napot, a többségé pedig 50 percnél is kevesebb. A neptúniumnak 4 metastabil állapota ismert, ezek közül a legstabilabb a 236mNp (t½ 22,5 óra).

A neptúnium izotópok atomtömege 225,0339 u (225Np) és 244,068 u (244Np) közötti tartományba esik. A legstabilabb – 237Np – izotópnál könnyebbek elsősorban elektronbefogással bomlanak, a bomlás terméke uránizotóp (de néhány alfa-bomló izotóp is van, ezek protaktíniummá alakulnak). A nehezebbb izotópok főként béta-bomlók, a fő bomlástermék a plutónium.

A 237Np atommagja hasadásra képes.[6] A szokásos nehéz atommagok többségétől eltérően a 237Np bomlási sorának végső terméke nem az ólom valamely izotópja, hanem a bizmut-209. Ezt a bomlási sor neptúnium sornak hívják.

Vegyületei

A neptúnium oldatban négy oxidációs állapotban képez ionokat:

  • Np3+ (halvány bíbor színű), a Pm3+ritkaföldfém ionnal analóg
  • Np4+ (sárgászöld)
  • NpO2+ (zöldeskék)
  • NpO22+ (halvány rózsaszín)

A neptúnium tri- és tetrahalogenideket – például NpF3, NpF4, NpCl4, NpBr3, NpI3, valamint különböző összetételű, az urán-oxigén rendszerben találhatóhoz hasonló oxidokat – például Np3O8 és NpO2 – képez.

A neptúnium(V)-fluorid (NpF5) az urán-hexafluoridhoz hasonlóan illékony.

A többi aktinoidához hasolóan a neptúnium is könnyen képez dioxid alapú neptunil magot (NpO2), mely karbonáttal és más oxigéntartalmú részecskékkel (OH, NO2, NO3 és SO2−4) könnyen képez töltéssel rendelkező komplexet. Ezek mozgékonysága többnyire elég nagy, és kevéssé kötődnek meg a talajban.

  • [NpO2(OH)2]
  • [NpO2(CO3)]
  • [NpO2(CO3)2]3–
  • [NpO2(CO3)3]5–