Pluton (pierwiastek)

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Pluton
neptun ← pluton → ameryk
Wygląd
srebrzystobiały
Pluton
Widmo emisyjne plutonu
Widmo emisyjne plutonu
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.

pluton, Pu, 94
(łac. plutonium)

Grupa, okres, blok

–, 7, f

Stopień utlenienia

III, IV, V, VI

Właściwości metaliczne

aktynowiec

Właściwości tlenków

amfoteryczne

Masa atomowa

[244][2][a]

Stan skupienia

stały

Gęstość

19816 kg/m³

Temperatura topnienia

640 °C[1]

Temperatura wrzenia

3228 °C[1]

Numer CAS

7440-07-5

PubChem

23940

Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Pluton (Pu, łac. plutonium) – pierwiastek chemiczny z grupy aktynowców w układzie okresowym. Nazwa pochodzi od planety karłowatej Pluton.

Pluton to transuranowiec, radioaktywny metal, po raz pierwszy wytworzony i zbadany przez zespół kierowany przez amerykańskiego chemika Glenna T. Seaborga w 1941 roku. Uczeni wykorzystali uran, który bombardowali jądrami deuteru (izotop wodoru). Ze względu na tajność Projektu Manhattan, pracę na temat pierwiastka opublikowano dopiero w 1946 roku. Najważniejszym jego izotopem jest 239Pu, stosowany do produkcji broni i w energetyce jądrowej. Orientacyjna cena 1 grama dwutlenku plutonu wynosi 5800 dolarów. Czysty pluton potrafi osiągnąć cenę dwukrotnie wyższą[3].

Dwutlenek plutonu 238 rozgrzany do czerwoności pod wpływem własnego promieniowania
Pierścień z plutonu o czystości 99,96%. Waży około 5,3 kg, ma średnicę 11 cm i wystarczy do skonstruowania jednej bomby jądrowej. Taki kształt został wybrany ze względów bezpieczeństwa (mniejsza koncentracja materiału).
Roztwory związków plutonu, w których pluton występuje w różnych stopniach utlenienia

Właściwości chemiczne[edytuj | edytuj kod]

Pluton jest stosunkowo reaktywny chemicznie. Wystawiony na działanie powietrza pokrywa się powoli warstwą żółtych tlenków. Tworzy związki, w których występuje na czterech stopniach utlenienia, III, IV, V i VI, z których najtrwalszy jest stopień IV, zaś dla Pu(VI) znany jest tylko jeden związek – heksafluorek plutonu, PuF
6
[4].

Właściwości fizyczne[edytuj | edytuj kod]

Występuje w sześciu odmianach krystalicznych: α, β, γ, δ, δ' i ε. Odmiany α i β należą do jednoskośnego układu krystalograficznego. Z kolei struktura formy γ jest rombowa, δ i ε należą do sieci regularnej, zaś odmiana δ' jest tetragonalna. Odznacza się bardzo słabym przewodnictwem elektrycznym, przy czym pluton α ma przewodnictwo gorsze od bizmutu, uważanego za metal najsłabiej przewodzący prąd elektryczny. Formy α, β, γ i ε charakteryzują się spadkiem oporności wraz z temperaturą, co jest typowe dla półprzewodników[4].

Pu jest bardzo radioaktywny – na tyle że proces rozpadu promieniotwórczego z emisją cząstek alfa powoduje wydzielenie dużych ilości ciepła (0,567 W/g w przypadku 238Pu). Izotop ten jest często wykorzystywany w radioizotopowych generatorach termoelektrycznych do zasilania energią elektryczną urządzeń kosmicznych.

Ze względu na silną radioaktywność pluton jest zabójczy dla człowieka nawet w minimalnych ilościach (kumuluje się w tkance kostnej). Ze względu na mniejszą masę krytyczną niż w przypadku uranu bomby plutonowe mogą być mniejsze. Kilogram 239Pu może wyzwolić taką energię jak wybuch 20 000 ton trotylu. Ogrzewany do temperatury 320–480 °C zmniejsza swoją objętość, wykazując anomalną rozszerzalność cieplną.

Występowanie[edytuj | edytuj kod]

Otrzymywany jest sztucznie, aczkolwiek stwierdzono występowanie jego śladowych ilości w rudach uranu. Występuje tam w postaci izotopu 239Pu, powstającego jako produkt naturalnych reakcji jądrowych, oraz cięższego 244Pu. Ten izotop ma okres połowicznego rozpadu ponad 80 milionów lat i jest najcięższym z pierwotnych nuklidów występujących na Ziemi[5].

Izotopy i otrzymywanie[edytuj | edytuj kod]

Opisano własności 20 izotopów plutonu o liczbie masowej od 228 do 247[6]. Wszystkie izotopy są nietrwałe, najdłużej żyjącym izotopem jest 244Pu z czasem połowicznego rozpadu 80,8 miliona lat. Kolejnymi są: 242Pu – 373,3 tysiąca lat, 239Pu – 24,11 tysiąca lat. Pozostałe mają czas połowicznego rozpadu mniejszy niż 7000 lat, a 16 z nich ma czas połowicznego rozpadu większy od 20 minut. Izotopy plutonu mają osiem izomerów jądrowych, wszystkie mają czas połowicznego zaniku mniejszy niż jedną sekundę[7].

Zastosowanie komercyjne mają dwa izotopy plutonu 238Pu i 239Pu[8].

Izotop 238 przy czasie rozpadu około 88 lat i cieple rozpadu 260 W/kg jest dobrym źródłem energii dla radioizotopowych generatorach termoelektrycznych, które mają działać przez kilkadziesiąt lat. Izotop ten uzyskuje się głównie przez bombardowanie uranu 238 jądrami deuteru:

239Pu ulega rozszczepieniu neutronami termicznymi i jest używany w reaktorach jądrowych oraz w bombach jądrowych (np. w bombie Fat Man zrzuconej na Nagasaki). Izotop ten powstaje przez bombardowanie neutronami izotopu 238U. Reakcja ta zachodzi w reaktorach jądrowych – powstały w ten sposób pluton ulega w nich rozszczepieniu, odgrywając ważną rolę w funkcjonowaniu reaktora:

W reaktorach komercyjnych ilość energii powstającej z wytworzonego w reaktorze plutonu jest większa niż wytworzona z rozpadu paliwa pierwotnego 235U. Konstruuje się też reaktory powielające, w których w wypalonym paliwie jest więcej plutonu niż plutonu i uranu 235 w paliwie przed załadunkiem.

Syntetyczny pluton w środowisku[edytuj | edytuj kod]

W wyniku atmosferycznych i podwodnych prób jądrowych, prowadzonych intensywnie w latach 60. XX wieku, a mniej intensywnie do lat 80., do środowiska zostały wprowadzone znaczne ilości plutonu, o aktywności rzędu 1016 Bq[potrzebny przypis]. Wprowadzone do stratosfery drobne cząstki zawierające pluton opadały systematycznie na powierzchnię Ziemi tworząc tzw. globalny opad promieniotwórczy. W chwili obecnej cały rozproszony w atmosferze pluton znajduje się na powierzchni Ziemi, w powierzchniowej warstwie gleby (co jest wynikiem silnego wiązania przez substancje organiczne), gdzie podlega procesom migracji i resuspensji (unoszeniu do przypowierzchniowej warstwy atmosfery). Niewielkie ilości plutonu (w porównaniu z opadem globalnym) wprowadziła do środowiska katastrofa w Czarnobylu. W odróżnieniu od opadu globalnego, opad czarnobylski miał charakter bardzo niejednorodny, tzn. na pewnych obszarach (np. Polska północno-wschodnia) występowały niewielkie powierzchniowo tereny o szczególnie dużej zawartości plutonu. Było to związane z opadaniem cząstek zawierających pluton w wyniku wystąpienia np. miejscowych opadów atmosferycznych.

Uwagi[edytuj | edytuj kod]

  1. Wartość w nawiasach klamrowych jest liczbą masową najtrwalszego izotopu tego pierwiastka, z uwagi na to, że nie posiada on trwałych izotopów, a tym samym niemożliwe jest wyznaczenie dla niego standardowej względnej masy atomowej. Bezwzględna masa atomowa tego izotopu wynosi: 244,06420 u (244
    Pu
    ).

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. a b David R. Lide (red.), CRC Handbook of Chemistry and Physics, wyd. 90, Boca Raton: CRC Press, 2009, s. 4-26, ISBN 978-1-4200-9084-0 (ang.).
  2. Thomas Prohaska i inni, Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report), „Pure and Applied Chemistry”, 94 (5), 2021, s. 573–600, DOI10.1515/pac-2019-0603 (ang.).
  3. U.S. Department of Energy Plutonium Certified Reference Materials Price List.
  4. a b Włodzimierz Trzebiatowski, Chemia nieorganiczna, wyd. VIII, Warszawa: PWN, 1978, s. 241–242.
  5. D.C. Hoffman i inni, Detection of Plutonium-244 in Nature, „Nature”, 234, 1971, s. 132–134, DOI10.1038/234132a0.
  6. Plutonium [dostęp 2014-06-28].
  7. Periodic Table of Elements, Pu – Plutonium [dostęp 2014-06-28] (ang.).
  8. David L. Heiserman, Exploring Chemical Elements and Their Compounds, McGraw-Hill, 1991, ISBN 978-0-8306-3015-8.