Plutónium

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
94 neptúniumplutóniumamerícium
Sm

Pu

(Uqq)
Általános
Név, vegyjel, rendszám plutónium, Pu, 94
Elemi sorozat aktinoidák
Csoport, periódus, mező n/a, 7, f
Megjelenés Pu,94.jpg
Atomtömeg (244) g/mol
Elektronszerkezet [Rn] 5f6 7s²
Elektronok héjanként 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot szilárd
Sűrűség (szobahőm.) 19,816 g/cm³
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on 16,63 g/cm³
Olvadáspont 912,5 K
(639,4 °C, 1182,9 °F)
Forráspont 3501 K
(3228 °C, 5842 °F)
Olvadáshő\Delta_{fus}{H}^\ominus 2,82 kJ/mol
Párolgáshő \Delta_{vap}{H}^\ominus 333,5 kJ/mol
Moláris hőkapacitás (25 °C) 35,5 J/(mol·K)
Gőznyomás
P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
T/K 1756 1953 2198 2511 2926 3499
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet monoklin
Oxidációs szám 6, 5, 4, 3
(amfoter oxid)
Elektronegativitás 1,28 (Pauling-skála)
Ionizációs energia 1.: 584,7 kJ/mol
Atomsugár 175 pm
Egyebek
Mágnesség nincs adat
Elektromos ellenállás (0 °C) 1,460 µΩ·m
Hőmérséklet-vezetési tényező (300 K) 6,74W/(m·K)
Hőtágulási együttható (25 °C) 46,7 µm/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd) (20 °C) 2260 m/s
Young-modulus 96 GPa
Nyírási modulus 43 GPa
Poisson-tényező 0,21
CAS-szám 7440-07-5
Fontosabb izotópok
Fő cikk: Plutónium izotópjai
Izotóp t.e. felezési idő B.m. B.e. (MeV) B.t.
238Pu mest. 88 y SF - -
α 5,5 234U
239Pu nyomokban 24,1 E3 y SF - -
α 5,245 235U
240Pu mest. 6,5 E3 y SF - -
β 0,005 240Am
242Pu mest. 373 E3 y SF - -
α 4,984 238U
244Pu mest. 80,8 E6 y α 4,666 240U
SF - -
Hivatkozások

A plutónium (latinul: Plutonium; vegyjel: Pu) mesterséges, radioaktív, transzurán kémiai elem. Rendszáma: 94. Az aktinoidák közé tartozik, ezüstszürke megjelenésű fém, levegő hatására matt oxidréteg keletkezik rajta. Az elem normál körülmények között 6-féle allotróp módosulattal rendelkezik, 4-féle oxidációs állapotban fordul elő. Reagál szénnel, halogénekkel, nitrogénnel és szilíciummal. Ha nedves levegő éri, oxidokat és hidrideket képez, amelyek akár a minta térfogatának 70%-át is kitehetik. Ezek pelyheket alkotva por formájában pirofórosak (öngyulladóak). A csontokban felhalmozódhat. A felsorolt tulajdonságok tekintetében kezelése meglehetősen veszélyes.

A plutónium a legnehezebb Föld keletkezése előtti elem annak legstabilabb izotópja, a Pu-244 révén, melynek felezési ideje (80 millió év), elegendő ahhoz, hogy nyomnyi mennyiségben megtalálható legyen a természetben. A plutónium nagy része a maghasadás révén keletkezik, ekkor ugyanis a felszabaduló neutronok az urán-238 magokat plutóniummagokká alakítják.

A plutónium-239-et (felezési idő 24 100 év) és 241-et hasadóanyagként használják, azaz atommagjaik nagyenergiájú neutronokkal bombázva felhasadnak, energia, gammasugárzás és még több neutron keletkezésének kíséretében. Ezek a neutronok képesek lesznek fenntartani egy láncreakciót, melyet az atomerőművekben, illetve az atombombákban hasznosítanak.

A plutónium-238 alfa-sugárzó, felezési ideje 88 év. A radioizotópos termoelektromos generátorok hőforrásaként használják, amelyek bizonyos űreszközök működtetésére szolgálnak. A plutónium-240 erős spontán maghasadó anyag, bármely minta neutronfluxusát megnöveli, amelyben megtalálható. A plutónium-240 jelenléte akadályozó tényező a minta fegyverekben vagy reaktorokban való felhasználhatóságában. A különböző plutóniumizotópok szétválasztása nehéz és költséges eljárás, ezért azokat speciális reaktorokban gyártják.

Plutóniumot először a Glenn T. Seaborg és Edwin McMillan által vezetett kutatócsoport állított elő 1940-ben a berkeleyi California Egyetem laboratóriumában. Urán-238 izotópot bombáztak deuteronokkal (deutérium-atommagok). A plutónium nyomokban a természetben is előfordul. Nagy mennyiségben történő gyártására először a Manhattan terv keretében, a második világháború idején került sor az atombombák kifejlesztésekor. Az első – Trinity kódnevű – kísérleti atomrobbantásra 1945 júliusában került sor, a második („Kövér ember” névre keresztelt) atombomba Nagaszaki városát pusztította el 1945 augusztusában. Mindkét esetben plutónium-239 volt a töltetben. A háború alatt és után számos titkos és orvosi etikába ütköző sugárkísérletet hajtottak végre embereken, számtalan halálos kimenetelű volt közöttük. Az atomerőművekből származó plutóniumhulladék és a hidegháborúban gyártott és később leszerelt atomfegyverek radioaktív hulladékának tárolása komoly környezetvédelmi probléma. A mára már betiltott föld feletti kísérleti atomrobbantások során plutónium került a felső légkörbe is.

Tulajdonságok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Fizikai tulajdonságok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A plutónium a többi fémhez hasonlóan világos ezüstszürke, első látásra sokban hasonlít a nikkelre, ugyanakkor nagyon gyorsan oxidálódik, szürkés, mások beszámolója alapján sárga vagy olívazöld réteg alakul ki rajta. Szobahőmérsékleten az α-módosulat a leggyakoribb, melynek keménysége és törékenysége a szürke öntöttvashoz hasonló. Megfelelő fémekkel ötvözve puhává és hajlékonnyá alakítható. A többi fémtől eltérően nem jó hő- és elektromos vezető. Viszonylag alacsony olvadáspontú (~640 °C), viszont szokatlanul magas a forráspontja (~3228 °C).

A plutóniumra legjellemzőbb bomlás az α-bomlás, mely során nagyenergiájú héliumatommagok szabadulnak fel. Egy 5 kg-os plutónium-239 tömb kb. 12,5·1024 atomot tartalmaz. A 24 100 éves felezési idővel számolva másodpercenként kb. 11,5·1012 db atom bomlik el, egyenként 5,157 MeV energia kisugárzása közben. Ez 9,68 W teljesítménynek felel meg. Tapintásakor az alfa-részecskék sebességcsökkenése által termelődő miatt melegnek tapasztaljuk.

Elektromos ellenállása szobahőmérsékleten a fémekhez képest igen magas, és a hőmérséklet csökkenésével tovább nő (amely éppen ellentétes a fémek esetében megszokott viselkedéssel). Ez a tendencia folytatódik egészen 100 K-es hőmérsékletig lemenve, mely érték alatt az ellenállás gyorsan csökken friss minták esetében. Az ellenállás ezután nőni kezd egészen 20 K-es értékig a sugárkárosodás miatt, melynek mértéke függ a minta izotópösszetételétől. A minta önbesugárzása miatt bekövetkező kristályrácsfáradás miatt az atomok rendezettsége csökken.

A legtöbb anyaggal ellentétben a plutónium sűrűsége olvadáskor megnő (csakúgy, mint víz esetében) 2,5 %-kal, de a folyékony fém sűrűsége lineárisan csökken a hőmérséklet növelésével. Az olvadáspont közelében a folyékony fém igen magas viszkozitással és felületi feszültséggel bír a többi fémmel ellentétben.

Allotróp módosulatok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A plutónium 6 allotróp módosulata adott külső nyomáson[1]

A plutóniumnak normál körülmények között 6 allotróp módosulata létezik, magas hőmérsékleten egy igen szűk nyomástartományban pedig egy hetedik zéta (ζ) módosulat keletkezik. Ezen eltérő szerkezetek meglehetősen hasonló nagyságú belső energiával rendelkeznek, de a sűrűségükben és kristályszerkezetükben jelentősen különböznek. Ez teszi nagyon érzékennyé a hőmérsékleti, nyomásbeli és kémiai körülményekkel szemben, továbbá ennek köszönhető a nagymértékű térfogatváltozás az egyes fázisátalakulások során. A különböző módosulatok sűrűsége 16,00 g/cm³ és 19,86 g/cm³ értékek között mozog.

A sok módosulat létezése teszi rendkívül bonyolulttá a plutónium gyártását és kezelését, hiszen könnyen zajlanak le állapotváltozások a fémben. Szobahőmérsékleten az α-módosulat stabilis, amely az öntöttvashoz hasonló tulajdonságú, míg egy kevéssel magasabb hőmérsékleten átalakul a könnyen formálható β-módosulattá. A fázisdiagram komplikáltságának oka jelenleg nem teljesen tisztázott. Az α-módosulat alacsony szimmetriájú monoklin szerkezetű, ez okozza törékenységét, keménységét, nagy kompresszibilitását és alacsony hővezető képességét.

A δ-módosulat normális esetben 310 °C és 452 °C értékek között áll fenn, de szobahőmérsékleten is megőrzi stabilitását, ha a fémet alacsony százalékban ötvözzük galliummal, alumíniummal vagy cériummal. Ekkor megmunkálhatóvá és hegeszthetővé válik. A δ-módosulat erősen fémes jellegű, szilárdsága és alakíthatósága hasonló az alumíniuméhoz. Az atomfegyverek okozta lökéshullámok képesek annyira összenyomni a bomba plutónium töltetét, hogy a hagyományos δ-módosulat a sűrűbb α-módosulattá alakuljon, jelentősen elősegítve a szuperkritikus állapot létrejöttét. Az ε-fázis, a plutónium legmagasabb hőmérsékletű szilárd allotrópja rendkívül magas atomi öndiffúziós képességgel rendelkezik más elemekhez képest.

Maghasadás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

99,96 %-os tisztaságú 5,3 kg tömegű, kb 11 cm átmérőjű, biztonságos geometriai konstrukciójú, atombomba magjához alkalmas plutóniumgyűrű

A plutónium 5f alhéján található elektronok átmenetet képeznek a lokalizált és delokalizált állapotok között, így az elemet az egyik legbonyolultabb szerkezetűnek tartják. A plutónium-239, a plutónium-241 az urán-233 és urán-235 fisszilis energiahordozók, azaz képesek láncreakció fenntartására. A fisszilitás kritériuma, hogy az adott atommag képes legyen neutronok által gerjesztett maghasadásra, a magreakció során több neutron keletkezik, amelyek újabb magokat hasíthatnak (láncreakció).

A tiszta plutónium-239 sokszorozási tényezője nagyobb lehet mint 1, azaz a hasadás során keletkező neutronok száma több, mint a reakcióban elfogyó neutronoké (a sokszorozási tényező nem más, mint e két mennyiség hányadosa). Ez azt is jelenti, hogy ha a fém megfelelő mennyiségben és geometriai elrendezésben van jelen, akkor elérheti a kritikus tömeget. A maghasadás során az atommagot egyben tartó kötési energia elektromágneses és kinetikus energia formájában felszabadul (utóbbi nagy része gyorsan termikus energiává alakul). Egy kilogramm plutónium-239 robbanása ekvivalens 21 000 tonna TNT-ével. Ez indokolja széles körű felhasználását a reaktorokban és atomfegyverekben.

A plutónium-239 mellett jelenlévő Pu-240 rontja az atombomba hatékonyságát, mivel relatíve magas a spontán maghasadási sebessége (~440 hasadás/s/gramm, amely több mint 1000 neutron/s/grammot jelent). Ez nagyban megnöveli a predetonáció (idő előtti spontán robbanás) veszélyét, és emiatt csak kisebb hatékonyságú bombát lehet belőle készíteni. Ezért a plutóniumot a benne található plutónium-240 izotóptartalom alapján több minőségi kategóriába sorolják. A 4 %-nál kevesebbet tartalmazó fémet az Amerikai Egyesült Államok Haditengerészete fegyverek készítésére használja, az alacsonyabb radioaktivitás miatt ez tárolható a hajó vagy tengeralattjáró legénységének közelében is. A 7 %-nál kevesebbet tartalmazót szintén fegyverek készítésére, a 7-19 %-ot tartalmazót hajók és tengeralattjárók (nukleáris) üzemanyagaként, a 19 %-nál többet tartalmazót pedig erőművekben.

Kémiai tulajdonságok, vegyületei[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Five liuids in glass bottles: violet, label Pu(III); dark brown, label Pu(IV)HClO4; light purple, label Pu(V); light brown, label Pu(VI); dark green, label Pu(VII).
A plutónium különböző oldatbeli oxidációs állapotai

Szobahőmérsékleten a tiszta plutónium szürkés színű, de ha levegőn állni hagyjuk, oxidréteg alakul ki rajta. Ötféle oxidációs állapot ismert, mellettük az előfordulás formája

  • Pu(III), Pu3+ (kék levendula színű)
  • Pu(IV), Pu4+ (sárgásbarna)
  • Pu(V), PuO+2 (rózsaszín)
  • Pu(VI), PuO2+2 (rózsaszínes narancssárga)
  • Pu(VII), PuO3−5 (zöld) – ez az oxidációs szám ritka

Az ionok színe az oxidációs számtól és a savanion minőségétől függ. A savanion határozza meg a plutónium komplex vegyületeiben a koordinációs számot. Fémplutóniumot PuF4 báriummal, kalciummal vagy lítiummal való reakciójával állítanak elő 1200 °C-on. Oldódik tömény sósavban, HI-oldatban, perklórsavban (HClO4). Az oxigén és a vízgőz megtámadja, de alkálifémek nem. Az olvasztott fémet vákuum alatt vagy inert atmoszférában kell tárolni elkerülendő a levegővel való reakciót. 135 °C-on levegőn öngyulladó, CCl4-ba helyezve pedig robban.

A black block on a table with red spots on top and yellow powder around it.
A pirofóros plutónium izzó parázshoz hasonlatos.
20 mikrogramm tiszta plutónium-hidroxid.[2]

A plutónium meglehetősen reaktív fém. Nedves levegőn vagy nedves argonatmoszférában gyorsan oxidálódik különféle oxidok és hidridek keletkezése közben. Ha a fém hosszú ideig van kitéve meghatározott mennyiségű vízgőz hatásának, a felületén PuO2-réteg alakul ki. Plutónium hidrid is keletkezik (PuH2), de vízfeleslegben csak fent említett plutónium-(IV)-oxid. Az oxidréteg miatt a fém pirofóros, azaz öngyulladásra hajlamos, ezért tárolják inert nitrogén vagy argonatmoszférában. Az oxigén jelenléte a nedvesség káros hatását késlelteti passziváló hatása miatt.

Tiszta hidrogénnel nagyon hevesen reagál, ekkor plutónium-hidrid keletkezik. A folyamat reverzíbilis. Oxigénnel reagáltatva PuO [plutónium-(II)-oxid], PuO2 [plutónium-(IV)-oxid], és köztes oxidációs állapotú oxidok keletkeznek. A plutónium-oxidok a fémet térfogatának 40 %-val is megnövelhetik. Halogénekkel a PuX3 összegképletnek megfelelő halogenideket képez, ahol X=F, Cl, Br, I, fluorral a 4-es oxidációs számig is elmegy. Oxohalogenidek közül eddig az alábbiakat figyelték meg: PuOCl, PuOBr és PuOI. Szénnel PuC-t képez (~-karbid), nitrogénnel PuN-et (~-nitrid), szilíciummal PuSi2-et (~-szilicid).

Az olvasztótégelyeknek ellen kell állnia a fém erős redukáló tulajdonságainak, erre a hőálló fémek közül a volfrám és tantál, illetve stabilis oxidjaik, karbidjaik, nitridjeik és szilicidjeik alkalmasak. Kisebb darabok biztonságos öntésére használják még az elektromos ívkemencét is.

Elektronszerkezete meglehetősen bonyolult.

Fordítás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ez a szócikk részben vagy egészben a Plutonium című angol Wikipédia-szócikk fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel.

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Plutónium témájú médiaállományokat.
  1. A graph showing change in density with increasing temperature upon sequential phase transitions between alpha, beta, gamma, delta, delta' and epsilon phases
  2. Pure plutonium hydroxide in capillary tube, LBNL Image Library