актиниды

В самом низу таблицы Менделеева обычно две строки, каждая из которых состоит из 14 элементов. Это лантаноиды и актиноиды, которые были выделены из группы 3 (скандиды) и, в некотором смысле, каждый из них занимает то же место в периодической таблице, что и металлы, давшие им свои названия, — лантан и актиний. Хотя сами они формально к ним не относятся, в силу очень схожих химических свойств местонахождение всех этих элементов до сих пор вызывает споры среди химиков. Герои сегодняшней статьи, актиниды, представляют собой особую группу – все они радиоактивны, и большинство из них рукотворные.

В природе встречаются только первые несколько актинидов, а в большем количестве встречаются только торий и уран. Они обладают более разнообразными свойствами, чем их аналоги из 5-го периода — лантаноиды.

Первоначально торий был помещен в группу 4, а уран в группу 6, что хорошо согласовывалось с их химическими характеристиками, особенно с максимальной валентностью. Однако по мере получения дополнительных элементов помимо урана (трансураноидов) стало ясно, что они образуют ряд, аналогичный лантаноидам (конечные актиноиды уже очень похожи на них). Все они серебристые металлы (последние несколько не были получены в количествах, достаточных, чтобы их увидеть), достаточно химически активные. Наибольшее применение до сих пор имели торий, уран и искусственно полученный плутоний.

Первым известным актинидом был уран. Это произошло в 1789 г., и первооткрыватель, немецкий химик М. Клапрот (он же получил циркон и церий), дал ему «имя» в честь планеты Уран, которую наблюдали всего восемь лет назад. Неудивительно поэтому, что следующие элементы были названы нептунием и плутоном еще в XNUMX веке (несмотря на недавнюю «деградацию» Плутона, элемент, носящий его имя, является самым важным из трансуранистов). На рубеже XNUMX и XNUMX веков химики нередко увековечивали открытые небесные тела в?именах? полученные элементы — у нас есть еще церий и палладий (от названий астероидов). Возвращаясь к урану, оказалось, что открытое Клапротом вещество было одним из его оксидов, а чистый металл был получен только через полвека. Этот элемент вызвал проблемы и у других исследователей. Изначально он считался трехвалентным, и только Менделеев?удвоился? его максимальная степень окисления и его атомная масса.

В конце 40 века А. Беккерель открыл спонтанное излучение солей урана, что дало начало увлекательной истории понимания строения атома, но эта история, наверное, известна всем читателям. Важнейшим урановым минералом является уранинит, разновидностью которого является настуран (меконий урана), являющийся его оксидом. Интересно, что до 70-х годов урановые руды добывались почти исключительно для извлечения радия (используемого для лечения рака), а сам уран был побочным продуктом. Его соединения, используемые для окрашивания стекла и керамики, были малопригодны. В настоящее время интенсивно используются месторождения даже с низким содержанием этого элемента, но давно известно, что к такому важному стратегическому ресурсу, как уран, неприменимы обычные экономические критерии. Также в Польше были запущены проекты по возобновлению добычи урана на судетских рудниках (эксплуатировавшихся до 40-х годов) и в местах его залегания в Свентокшиских горах. Польские урановые месторождения тоже сыграли свою роль в трагических страницах нашей истории – в 1828-х годах политзаключенные и подневольные рабочие добывали сырье для производства советских ядерных бомб. Второй из значимых актинидов, торий, был открыт в XNUMX г. шведским химиком Й. Берцелиусом (создателем используемой до сих пор символики элементов, он же получил церий и селен) и назван в честь скандинавского бога гром. Он встречается в некоторых минералах, а в промышленных масштабах его получают при переработке монацитового песка (смесь фосфатов лантанидов), в котором он появляется в виде примеси.

Двуокись тория используется как стойкий керамический материал специального назначения в химической промышленности и для изготовления гильз накаливания для газовых ламп (с добавлением церия). Стоит отметить, что в настоящее время торий и уран являются двумя важнейшими элементами, вносящими вклад в тепловой баланс Земли, нагревая ее недра энергией своего радиоактивного распада. При изучении природного ряда радиоактивных элементов, образованных долгоживущими изотопами урана и тория, на рубеже 238-х и XNUMX-х веков были обнаружены другие актиниды — актиний и протактиний, встречающиеся в минимальных количествах. В середине ХХ века после их искусственного получения выяснилось, что также нептуний и плутоний в следовых количествах являются компонентами земной коры. Они образуются в результате захвата нейтронов ядрами урана-XNUMX и серии последовательных бета-распадов, приводящих к увеличению атомного номера. Будущее покажет, по мере увеличения чувствительности наших исследовательских инструментов, присутствуют ли на Земле другие трансурановые виды. Несмотря на присутствие в урановых минералах, руды этого элемента не являются сырьем для производства актинидов. Гораздо проще это сделать с помощью искусственных ядерных превращений в ускорителях частиц и ядерных реакторах.

Transuranowce — это работа американских физиков и химиков, которые в середине ХХ века располагали лучшими ускорителями и исследовательскими лабораториями, созданными при реализации Проект Манхэттен — программа создания атомной бомбы (первые атомы элементов 99 и 100 были получены в остатках пробного взрыва термоядерного заряда). По мере увеличения атомного номера трансураниды становятся менее прочными и их труднее получить (конечные актиноиды были получены только по количеству отдельных атомов). Однако самый важный из них, плутоний, производится в количестве сотен килограммов в специально приспособленных реакторах. Его химические свойства широко изучались при разработке атомной бомбы, и теперь они известны гораздо лучше, чем многие другие распространенные элементы.

За исключением трех указанных выше металлов, остальные актиниды не нашли широкого применения. Они используются в качестве источников излучения, например, америций в детекторах дыма. Наиболее важная роль актинидов заключается в производстве энергии контролируемым образом в реакторе (в основном уран-235) или неуправляемым образом в ядерном оружии (здесь обычно плутоний-239). Кроме того, реакторы используются для производства различных радиоактивных изотопов (используя генерируемый в них нейтронный поток), производства делящихся материалов (торий-232 и уран-238 превращаются в уран-233 и плутоний-239, которые хорошо ядерное топливо), а в последнее время предпринимаются попытки их использования для проведения химических синтезов под действием выделяющейся энергии (так называемые химикоядерные реакторы). При переработке отработавшего ядерного топлива также образуется ряд ценных радиоактивных и нерадиоактивных веществ, например, дорогие платиновые металлы.

Отдельный вопрос — подготовка делящихся веществ для реакторов. Не все изотопы актинидов расщепляются одинаково легко. Наиболее важными из них являются уран-235, уран-233 и плутоний-239. Последние два производятся в так называемом дублирующие реакторы, но первый должен быть изолирован от природного урана, в котором он присутствует в количестве менее одного процента. Эта операция технологически очень продвинута (используются минимальные различия в массах изотопов урана), и лишь немногие страны могут ее осуществить. Обращение с ураном-238, образующимся в виде отходов, остается проблемой. Он используется в качестве контейнеров для высокорадиоактивных веществ (чем выше атомный номер, тем больше излучения поглощается) и в качестве сердечников снарядов (здесь используется высокая плотность урана). Последнее применение вызывает большие споры, поскольку приводит к загрязнению окружающей среды радиоактивными материалами, например, во время войны в Персидском заливе (1991 г.). По этому поводу стоит упомянуть, что не человек построил первый реактор на Земле. Оказалось, что около 2 миллиардов лет назад в Окло (Габон) находился природный реактор, работа которого стала возможной благодаря специфическому сочетанию геологических факторов на месте залегания урановых руд. Так что «nihil novi sub sole»!

Важнейшим достижением физики и химии актинидов и особенно трансуранидов, помимо познания тайн строения атома, является освоение новых технологий. Работа с высокорадиоактивными веществами и операции с (буквально) отдельными атомами вынудили разработать методы исследования и инструменты, адаптированные к такой деятельности. Более раннее знание лантаноидов и методов их разделения позволило изучить аналогичные трансурановые элементы. Все это уже дает окупаемость в различных областях биотехнологии, таких как генная инженерия. Кстати, автор хочет разоблачить появляющиеся в Интернете рецепты «домашнего» изготовления атомной бомбы. Плутоний сам по себе является высокотоксичным веществом (во много раз более токсичным, чем цианиды, известные своими ядовитыми свойствами), и работа с ним без надлежащей защиты должна закончиться трагически. К счастью, никто не сделает делящиеся материалы доступными для домашних экспериментаторов. Понимание актиноидов позволило нам значительно расширить наши знания о строении материи; ведь все началось с соли урана. И технологии их переработки, изначально окутанные строгой военной тайной, уже пробрались под соломенные крыши? (пока что гражданские лаборатории и промышленные предприятия), как это случилось со многими материалами, присутствующими в наших домах, разработаны для нужд покорения космоса.

Актиниды могут стать решением энергетических и экологических проблем нашей планеты — атомная электростанция выбрасывает гораздо меньше радиоактивных загрязнителей, чем угольная электростанция той же мощности (уран и торий примешиваются к ископаемому топливу, и вдобавок огромные количества оксидов углерода и серы). Однако убеждение многих обществ, в том числе и нашего, в них сталкивается со многими трудностями. В этом предостережении есть смысл, ибо неумелое использование актинидов (как, впрочем, и многих других веществ) ставит нас в роль ученика колдуна, высвобождающего силы, над которыми он не в силах был распоряжаться…