Plutonium

Plutonium (chemická značka Pu) je šestý člen z řady aktinoidů, druhý transuran, radioaktivní, řetězovou reakcí štěpitelný, toxický kovový prvek, připravovaný uměle bombardováním uranu v jaderných reaktorech, především pro výrobu atomových bomb. Je využitelné rovněž jako palivo pro jaderné reaktory a jako zdroj energie pro radioizotopový termoelektrický generátor.

Plutonium
  [Rn] 5f6 7s2
244 Pu
94
  
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
↓ Periodická tabulka ↓

Malé kousky plutonia focené vůči pravítku s palcovou a centimetrovou škálou

Obecné
Název, značka, číslo Plutonium, Pu, 94
Cizojazyčné názvy lat. Plutonium
Skupina, perioda, blok 7. perioda, blok f
Chemická skupina Aktinoidy
Koncentrace v zemské kůře 2×10−15 ppm
Vzhled stříbrobílý kov
Identifikace
Registrační číslo CAS 7440-07-5
Atomové vlastnosti
Relativní atomová hmotnost 244,064
Atomový poloměr 150 pm
Kovalentní poloměr 162 pm
Iontový poloměr (Pu3+) 108 pm
(Pu4+) 93 pm
(Pu5+) 80 pm
(Pu6+) 73 pm
Elektronová konfigurace [Rn] 5f6 7s2
Oxidační čísla III, IV, V, VI, VII, VIII[1]
Elektronegativita (Paulingova stupnice) 1,28
Ionizační energie
První 5,5 eV
Druhá 13,0 eV
Třetí 23,5 eV
Čtvrtá 39,5 eV
Látkové vlastnosti
Krystalografická soustava α-modifikace
jednoklonná
β-modifikace
jednoklonná tělesně centrovaná
γ-modifikace
kosočtverečná plošně centrovaná
δ-modifikace
krychlová plošně centrovaná
δ´-modifikace
čtverečná tělesně centrovaná
ε-modifikace
krychlová tělesně centrovaná
Molární objem 12,29×10−6 m3/mol
Teplota změny modifikace 122 °C (α → β)
203 °C (β → γ)
317 °C (γ → δ)
453 °C (δ → δ´)
477 °C (δ´ → ε) °C (395,15 K)
Mechanické vlastnosti
Hustota 19,816 g/cm3 (mod. α, 21 °C)
17,77 g/cm3 (mod. β, 150 °C)
17,19 g/cm3 (mod. γ, 210 °C)
15,92 g/cm3 (mod. δ, 320 °C)
15,99 g/cm3 (mod. δ´, 465 °C)
16,48 g/cm3 (mod. ε, 500 °C)
16,185 g/cm3 (950 °C)
Skupenství pevné
Povrchové napětí 550 ± 55 mN/m (při tt)
Rychlost zvuku 2 260 m/s
Termické vlastnosti
Tepelná vodivost (0 °C) 6,16 W m−1 K−1
(25 °C) 6,70 W m−1 K−1
(77 °C) 7,90 W⋅m−1⋅K−1
Součinitel délkové roztažnosti 54×10−6 K−1
Molární atomizační entalpie 364,4 kJ/mol
Standardní molární entropie S° 51,5 J K−1 mol−1 (mod. α)
Termodynamické vlastnosti
Teplota tání 641 °C (914,15 K)
Teplota varu 3 232 °C (3 505,15 K)
Specifické teplo tání 2,828 kJ/mol
Specifické teplo varu 333,5 kJ/mol (1 320 °C)
Entalpie změny modifikace ΔHα→β 3,77 kJ/mol (α → β)
0,669 kJ/mol (β → γ)
0,619 kJ/mol (γ → δ)
0,042 kJ/mol (δ → δ´)
1,858 kJ/mol (δ´ → ε)
Molární tepelná kapacita 36,99 J K−1 mol−1 (α mod., 67 °C)
34,31 J K−1 mol−1 (β mod., 200 °C)
37,02 J K−1 mol−1 (γ mod., 270 °C)
37,66 J K−1 mol−1 (δ mod.)
35,1 J K−1 mol−1 (ε mod.)
41,8 J K−1 mol−1 (kapalina, 675 °C)
Elektromagnetické vlastnosti
Měrný elektrický odpor 141,4×10−8 Ω m (107 °C)
Teplota přechodu do supravodivého stavu 0,5 K
Standardní elektrodový potenciál (Pu3+ → Pu0) -2,031 V
(Pu4+ → Pu3+) 1,006 V
(Pu5+ → Pu4+) 1,099 V
Magnetické chování paramagnetický
Měrná magnetická susceptibilita 2,52×10−6 cm3/g (20 °C)
Bezpečnost

Radioaktivní
I V (%) S T1/2 Z E (MeV) P

{{{izotopy}}}

Není-li uvedeno jinak, jsou použity
jednotky SI a STP (25 °C, 100 kPa).
Sm
⋏
Neptunium ≺Pu≻ Americium

Základní fyzikálně-chemické vlastnosti
Zabarvení roztoků solí plutonia v různých mocenstvích

Plutonium je radioaktivní kovový prvek stříbřitě bílé barvy, která se působením vzdušného kyslíku mění na šedavou. Čisté plutonium je podobně jako uran ve formě hoblin a pilin samozápalné, proto jeho zpracování vyžaduje extrémní opatrnost.

Ve sloučeninách se vyskytuje v mocenství od Pu+3 po Pu+7[1], přičemž stálejší jsou sloučeniny s nižší valencí. Soli plutonia vykazují v roztoku rozdílné zabarvení podle mocenství plutoniového iontu. Nejběžnější oxidační číslo plutonia je +IV a v tomto oxidační stupni vytváří plutonium amfoterní oxid plutoničitý PuO2. To znamená, že tento oxid se v roztocích kyselin rozpouští za vzniku plutoničitých solí a v zásadách za vzniku komplexního aniontu a vytváří plutoničitany. Plutoničité soli nejsou v roztocích úplně stabilní a částečně nebo úplně hydrolyzují, to je možno potlačit snížením pH (přidáním kyseliny) do roztoku.

Čistý kov lze připravit redukcí fluoridu plutonia kovovým lithiem nebo baryem při teplotě kolem 1200 °C.

PuF6 + 6 Li → Pu + 6 LiF
PuF6 + 3 Ba → Pu + 3 BaF2

Historie objevu

Plutonium bylo poprvé připraveno roku 1940 dvěma vědeckými týmy bombardováním 238U neutrony. V jaderné laboratoři v Berkeley na kalifornské univerzitě ho připravili Edwin M. McMillan a Philip Abelson a v britské Cambridgi ohlásili jeho přípravu Norman Feather a Egon Bretscher.

Příprava a izolace čistého kovu se uskutečnila 23. února 1941 v Berkeley bombardováním uranu jádry deuteria v cyklotronu. Jako autoři tohoto experimentu jsou označováni Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, J. W. Kennedy a A. C. Wahl. Vzhledem k probíhající druhé světové válce byly výsledky tohoto bádání udržovány v tajnosti, zvláště proto, že jedna ze dvou atomových bomb svržených USA na Japonsko byla vyrobena právě z plutonia.

Výskyt a izotopy

Plutonium patří mezi uměle připravené prvky a v přírodě je možné se setkat jen se skutečně ultrastopovými množstvími v uranových rudách, kde mohou jednotlivé atomy vzniknout z 238U po záchytu neutronu a následných dvou rozpadech β.

Mezi 20 známými izotopy plutonia existuje několik, které vykazují dostatečně velký poločas rozpadu, aby je bylo možno prakticky využít. Nejdelší poločas (asi 80 milionů let) má 244Pu, nejdůležitější izotop 239Pu se rozpadá s poločasem 24 110 let, 240Pu 6561 let, 241Pu 14,325 roků, 242Pu 375 000 let a 238Pu má poločas rozpadu 87,7 let; existuje však celá řada dalších izotopů:

Izotoppoločas rozpadudruh rozpaduprodukt rozpadu
228Pu1,1 sα224U
229Pu67 sα (50 %) / ε (50 %)225U / 229Np
230Pu102 sα226U
231Pu8,6 minε (90 %) / α (10 %)231Np / 227U
232Pu33,8 minε (90 %) / α (10 %)232Np / 228U
233Pu20,9 minε (99,88 %) / α (0,12 %)233Np / 229U
234Pu8,8 hε (94 %) / α (6 %)234Np / 230U
235Pu25,3 minε (100,00 %) / α (2,8×10−3 %)235Np / 231U
236Pu2,858 rα (100 %) / SF (1,9×10−7 %)232U / různé
237Pu45,64 dε (100,00 %) / α (4,2×10−3 %)237Np/ 233U
238Pu87,7 rα (100 %) / SF (1,9×10−7 %)234U / různé
239Pu24 110 rα / SF (3×10−10 %)235U / různé
240Pu6 561 rα / SF (5,7×10−6 %)236U / různé
241Pu14,329 rβ− (100,00 %)/ α (2,5×10−3 %)
SF (<2×10−14 %)		241Am / 237U / různé
242Pu375 000 rα (100 %)/ SF (5,5×10−4 %)238U / různé
243Pu4,956 hβ−243Am
244Pu8×107 rα (99,88 %) / SF (0,12 %)240U / různé
245Pu10,5 hβ−245Am
246Pu10,84 dβ−246Am
247Pu2,27 dβ−247Am

Výroba a využití

Jaderné zbraně
Výbuch plutoniové jaderné bomby svržené na Nagasaki

Plutonium je od 40. let 20. století nejvíce vyráběným umělým prvkem a to především proto, že izotop 239Pu je vhodný pro výrobu atomové bomby. Stejně jako v případě 235U dochází při nahromadění větších kvant čistého izotopu k nastartování řetězové štěpné reakce, kdy po rozpadu jednoho atomového jádra vznikají obvykle tři neutrony, které působí rozpady dalších okolních jader a rozpad se nekontrolovaně rozrůstá. Kritické množství čistého kovového plutonia 239Pu je přibližně 10,5 kg, s použitím neutronového odrážeče lze toto množství snížit až kolem 2,5 kg. Plutoniová jaderná puma má sílu výbuchu přibližně 20 kilotun TNT na každý kilogram rozštěpeného plutonia.

Princip výroby 239Pu spočívá v reakci 238U s neutronem za vzniku 239U v jaderném reaktoru. Jádro 239U je značně nestabilní a rozpadem β rychle vzniká izotop neptunia 239Np, jež se opět rychle dalším β-rozpadem mění na 239Pu. Tento izotop plutonia se chová jako α zářič a relativně snadno se dále zpracovává.

 238
92 U +  1
0 n →  239
92 U →  239
93 Np +  0
−1 e →  239
94 Pu +  0
−1 e

Při výrobě izotopu 238Pu se uran 238U bombarduje jádry deuteria:

 238
92 U +  2
1 D →  238
93 Np + 2  1
0 n →  238
94 Pu +  0
−1 e

V případě, že jádro 239Pu zachytí další neutron, dojde k jeho přeměně na 240Pu. Tento izotop je z hlediska další manipulace a zpracování rizikový protože je β–zářičem a zároveň není vhodný pro výrobu atomové zbraně. Protože izotopy 239Pu a 240Pu lze jen velmi obtížně oddělovat, je při výrobě 239Pu z 238U v jaderném reaktoru nutno pečlivě volit dobu setrvání 238U v reaktoru. Při dlouhodobém ozařování sice roste množství 239Pu, ale současně narůstá i podíl nechtěného izotopu 240Pu. Na druhé straně je ekonomicky značně nákladné oddělovat izotopy plutonia od zbytku jaderného paliva z reaktoru a je proto otázkou komplikovaných výpočtů určit, v jakém stádiu výroby má být reakce přerušena a materiál chemicky přepracován na čisté plutonium. Další důležitou proměnnou veličinou je zde pochopitelně i procentuální vsázka 238U do jaderné reakce.

Další využití
  • Podobně jako v případě uranu může být řetězová reakce, v níž po záchytu neutronu dojde k rozpadu atomového jádra prvku za uvolnění dalších neutronů a kinetické energie štěpných produktů, využita i pro výrobu energie v upravených jaderných reaktorech. V současné době pracuje na světě několik jaderných reaktorů na bázi směsi 239Pu a 240Pu, obecně jsou však tyto reaktory pokládány za méně bezpečné než klasické uranové vzhledem k vysoké toxicitě plutonia a jeho sloučenin.
  • Izotop 238Pu s poločasem rozpadu 88 let slouží často jako energetický zdroj především v kosmických sondách. V tzv. radioizotopovém termoelektrickém generátoru se mění tepelná energie uvolněná samovolným jaderným rozpadem na elektrickou pomocí termočlánků. Pro tyto účely jsou vhodné izotopy s poločasem rozpadu v řádu desítek let, protože uvolněná energie je dostatečně velká, aby mohla být prakticky využita a zároveň zaručuje použitelnost zdroje po dobu minimálně 50 let. Produkovaný výkon generátoru dosahuje stovek wattů, což postačuje pro udržení provozu základních elektrických přístrojů vesmírné sondy. Plutoniové generátory zásobují energií např. sondy Galileo nebo Cassini a udržovaly několik let v provozu vědecké přístroje, zanechané na Měsíci kosmonauty v rámci projektu Apollo. 238PuO2 byl použit také jako palivo pro sondu New Horizons.
  • Spíše jako zajímavost může sloužit informace, že výše uvedené generátory elektrické energie v některých případech slouží jako energetický zdroj pro kardiostimulátory, medicínské přístroje sloužící ke zklidnění srdečního rytmu u osob s rizikem infarktu. V současné době jsou pro tyto účely používány především lithiové baterie s dlouhou životností a indukčním dobíjením, ale před jejich vynálezem byl energetický zdroj fungující na principu jaderného rozpadu 238Pu přijatelnou alternativou.

Zdravotní rizika

Plutonium je jako těžký kov extrémně toxický, v praxi lze však u něho těžko rozlišit škodlivé účinky způsobené radiací od škodlivých účinků chemických; je často pokládáno za jednu z nejtoxičtějších anorganických látek. Podle některých údajů mohou být už mikrogramová množství tohoto prvku smrtelně jedovatá pro člověka, pokud se dostanou do krevního oběhu. Jiné zdroje však považují údaje o extrémní toxicitě plutonia za nadhodnocené. J. Marhold cituje z prací, kde je uvedena dávka LD50 u psa i. v. 0,3 mg/kg. Toxikologie zná i mnohem prudší jedy. Za hlavní nebezpečí se považuje depozice v kostech.

Radiačně nebezpečný je především izotop 241Pu, který jako β-zářič má daleko negativnější dopad na lidské zdraví než zbylé izotopy plutonia, zářiče α. Je pochopitelné, že mimořádné nebezpečí by hrozilo při nastartování řetězové štěpné reakce, kdy se plutonium stává zdrojem silného neutronového toku. K tomu však může dojít pouze při neopatrné manipulaci s většími objemy čistého plutonia; v počátcích výzkumu plutonia v laboratořích v Berkeley skutečně několikrát došlo k vysoké expozici pracovníků neutrony, konkrétně nehody při experimentech s kritickým množstvím, 21. srpna 1945 nehoda Harryho K. Daghliana Jr. (1921–1945) a 21. května 1946 nehoda Louise P. Slotina (1910–1946). Při těchto nehodách došlo k vysokému ozáření menšího počtu osob, H. K. Daghlian zemřel 26 dní po nehodě, L. P. Slotin po 9 dnech.

Odkazy

Reference
  1. http://www.ptable.com/#Property/Valence

Literatura
  • Cotton F. A., Wilkinson J.: Anorganická chemie, souborné zpracování pro pokročilé, ACADEMIA, Praha 1973
  • Holzbecher Z.: Analytická chemie, SNTL, Praha 1974
  • Dr. Heinrich Remy, Anorganická chemie 1. díl, 1. vydání 1961
  • N. N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemie prvků II. 1. díl, 1. vydání 1993 ISBN 80-85427-38-9
  • VOHLÍDAL, Jiří; ŠTULÍK, Karel; JULÁK, Alois. Chemické a analytické tabulky. 1. vyd. Praha: Grada Publishing, 1999. ISBN 80-7169-855-5.

Související články

Externí odkazy
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.