Neptunium

Neptunium
93 Np
Pm ↑ Np ↓ (UQP) Tableau périodique l'uranium ← → neptunium plutonium
Apparence
métallique argenté
Propriétés générales
Nom, symbole, nombre	neptunium, Np, 93
Prononciation	/ n ɛ p tj U n Je ə m / nep--əm -neE TEW
Élément Catégorie	actinides
Groupe, période, bloc	n / a, 7, fa
Poids atomique standard	(237)
Configuration électronique	[ Rn ] 5f 4 6d 1 7s 2 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
Histoire
Découverte	Edwin McMillan et Philip H. Abelson (1940)
Propriétés physiques
Phase	solide
Densité (à proximité rt)	20,45 g · cm -3
Point de fusion	910 K , 637 ° C, 1179 ° F
Point d'ébullition	4273 K, 4000 ° C, 7232 ° F
La chaleur de fusion	3,20 kJ · mol -1
Chaleur de vaporisation	336 kJ · mol -1
Capacité thermique molaire	29,46 J · mol -1 · K -1
La pression de vapeur
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k à T (K) 2194 2437
Propriétés atomiques
États d'oxydation	7, 6, 5, 4, 3 ( l'oxyde amphotère)
Électronégativité	1,36 (échelle de Pauling)
énergies d'ionisation	1er: 604,5 kJ · mol -1
Rayon atomique	155 h
Rayon covalente	190 ± 13 heures
Miscellanées
Crystal structure	orthorhombique
Ordre magnétique	paramagnétique
Résistivité électrique	(22 ° C) 1,220 μΩ · m
Conductivité thermique	6,3 W · m -1 · K -1
Numéro de registre CAS	7439-99-8
La plupart des isotopes stables
Article détaillé: Isotopes du neptunium
iso N / A demi-vie DM DE ( MeV) DP 235 Np syn 396,1 d α 5,192 231 Pa ε 0,124 235 U 236 Np syn 1,54 × 10 5 y ε 0,940 236 U β - 0,940 236 Pu α 5,020 232 Pa 237 Np trace 2,144 × 10 6 y SF & α 4,959 233 Pa 239 Np trace 2,356 d β - 0,218 239 Pu

Le neptunium est un élément chimique avec le symbole Np et de numéro atomique 93. Un métal radioactif, le neptunium est la première élément transuraniens, et appartient à la actinides série. Son plus stable isotope , ²³⁷ Np, est un sous-produit de réacteurs nucléaires et plutonium production, et il peut être utilisé comme composant dans équipement de détection de neutrons. Neptunium se retrouve également dans l'état de traces dans l'uranium des minerais en raison de réactions de transmutation.

Histoire

Le tableau périodique de Mendeleïev Dmitri publié dans les années 1870 a montré un "-" en place après l'uranium similaire à plusieurs autres endroits pour que les éléments inconnus au point. En outre, une publication 1913 des isotopes radioactifs connus par Kasimir Fajans montre la place vide après uranium.

Faux rapports de la découverte

En 1934, Odolen Koblic extrait une petite quantité de matériau à partir de l'eau de lavage de rôti pechblende. Il a pris l'échantillon était l'élément 93, et l'a appelé bohemium, mais après avoir été analysés, il se est avéré que l'échantillon est un mélange de tungstène et vanadium . Aussi en 1934, Enrico Fermi a tenté de bombarder l'uranium avec des neutrons pour produire des éléments 93 et 94 . Il a également été rejeté, mais sans le savoir, avait découvert la fission nucléaire . En 1938, Horia Hulubei, un physicien roumain; et Yvette Cauchois, un chimiste français; prétendait avoir découvert élément 93 par l'intermédiaire de la spectroscopie en minéraux. Ils ont appelé leur élément sequanium, mais la demande a été opposé à l'époque car le neptunium a été pensé pour produire exclusivement artificiellement. Cependant, comme le neptunium ne se produit dans la nature, il est possible que Hulubei Cauchois et ont en fait découvrir neptunium.

Découverte réelle

La recherche de l'élément 93 en minéraux a été grevé par le fait que les prédictions sur les propriétés chimiques de l'élément 93 étaient basées sur un tableau périodique qui ne avait pas la série des actinides, et donc placé thorium ci-dessous hafnium, protactinium ci-dessous le tantale et l'uranium-dessous tungstène. Ce tableau périodique suggéré que cet élément 93, à ce moment souvent nommée eka-rhénium, devrait être similaire au manganèse ou le rhénium. Avec cette idée fausse qu'il était impossible d'isoler l'élément 93 de minéraux, bien que le neptunium a été retrouvé plus tard dans le minerai d'uranium, en 1952.

Enrico Fermi croit que bombardant l'uranium avec des neutrons et beta ultérieure décroissance conduirait à la formation de l'élément 93. séparation chimique des nouveaux éléments formés à partir de l'uranium matériau à faible demi-vie cédé, et, par conséquent, Fermi a annoncé la découverte d'une nouvelle élément en 1934, bien que ce fut bientôt jugée erronée. Bientôt il a été spéculé et prouvé plus tard que la plupart du matériel est créé par la fission nucléaire de l'uranium par des neutrons. De petites quantités de neptunium devaient être produites dans Les expériences de Otto Hahn en fin des années 1930 à la suite de la désintégration de ²³⁹ U. Hahn et ses collègues ont confirmé expérimentalement production et des propriétés chimiques du ²³⁹ U, mais ne ont pas réussi à isoler et à détecter le neptunium.

Neptunium (du nom de la planète Neptune , la prochaine planète à partir Uranus , après quoi l'uranium a été nommé) était découverte par Edwin McMillan et Philip H. Abelson en 1940 à la Berkeley Radiation Laboratory de la Université de Californie, Berkeley. L'équipe a produit le neptunium isotope ²³⁹ Np (2,4 jours demi-vie ) en bombardant l'uranium avec des neutrons lents. Ce était la première élément transuranien produit synthétiquement et la première série des actinides Transuranien découvert.

Occurrence

L'isotope le plus stable est de neptunium Np ^237, avec une demi-vie de deux millions d'années. Ainsi, tous les neptunium primordiale aurait pourri maintenant. Cependant, des traces de neptunium isotopes neptunium 237 travers neptunium 240, sont trouvés naturellement produits de désintégration du réactions de transmutation dans minerais d'uranium.

Artificial ²³⁷ Np est obtenu par une réaction de NpF ₃ ²³⁷ avec un liquide de baryum ou de lithium à environ 1200 ° C et est le plus souvent extrait de passé barres de combustible nucléaire dans des quantités de kg en tant que sous-produit de plutonium production.

2 NpF ₃ + 3 Ba → 2 Np + 3 BaF ₂

En poids, neptunium 237 décharges sont environ 5% plus grande que les rejets de plutonium et environ 0,05% de les rejets de combustible nucléaire usé. Cependant, même cette fraction se élève encore à plus de cinquante tonnes par an.

Caractéristiques

Argenté en apparence, le neptunium métallique est chimiquement assez réactive et se trouve dans au moins trois allotropes :

• α-neptunium, orthorhombique, la densité 20,45 g / cm ³
• β-neptunium (au-dessus de 280 ° C), tétragonale, de la densité (313 ° C) 19,36 g / cm ³
• γ-neptunium (au-dessus de 577 ° C), cubique, la densité (600 ° C) 18 g / cm ³

Neptunium a la plus large gamme de liquides de tout élément, 3363 K, entre le point de fusion et le point d'ébullition. Ce est la plus dense de tous les actinides et la cinquième la plus dense de tous les éléments naturels. Neptunium n'a aucun rôle biologique. Il ne est pas absorbée par le tube digestif. Lorsqu'il est injecté dans le corps, il se accumule dans os, qui il est lentement libéré de.

Isotopes

19 neptunium des radio-isotopes ont été caractérisés, avec le plus stable étant Np ²³⁷ avec une demi-vie de 2,14 millions d'années, ²³⁶ Np avec une demi-vie de 154.000 années, et Np ^235, avec une demi-vie de 396,1 jours. Tout le reste isotopes radioactifs ont des demi-vies qui sont inférieures à 4,5 jours, et la majorité d'entre eux ont des demi-vies qui sont moins de 50 minutes. Cet élément a aussi 4 États méta, avec l'être le plus stable ^236m Np (t _½ 22,5 heures).

Les isotopes du neptunium varient en poids atomique de 225.0339 u ⁽²²⁵ Np) à 244,068 u ⁽²⁴⁴ Np). Le primaire mode de désintégration avant l'isotope le plus stable, ²³⁷ Np, est capture d'électrons (avec une bonne partie de émission alpha), et le mode primaire après est- émissions beta. Le primaire produits de désintégration avant ²³⁷ Np éléments sont 92 ( uranium ) isotopes (émission alpha produit élément 91, protactinium , cependant) et les produits de base après 94 éléments (sont plutonium ) isotopes.

²³⁷ Np est fissiles. ²³⁷ Np se désintègre finalement à former de bismuth -209 et thallium -205, contrairement à la plupart des autres noyaux lourds communs qui se désintègrent à faire isotopes de plomb. Cette chaîne de désintégration est connu comme le série neptunium.

Synthèse

Chimiquement, le neptunium est préparé par la réduction de NpF baryum ou ₃ avec la vapeur de lithium à environ 1200 ° C. La plupart Np est produite dans les réactions nucléaires:

• Lorsqu'un ²³⁵ U atome capture un neutron, il est converti à un état excité du ²³⁶ U. Environ 81% des ²³⁶ noyaux excités U subir une fission, mais le reste désintégration de l'état de ²³⁶ U fondamental en émettant rayonnement gamma. Plus capture de neutrons crée ²³⁷ U qui a une demi-vie de sept jours et se désintègre en Np ²³⁷ travers donc rapidement désintégration bêta. Au cours de la désintégration bêta, les excités ²³⁷ U émet un électron, tandis que le atomique interaction faible convertit un neutron à un proton , créant ainsi ²³⁷ Np.

• U ²³⁷ est également produite par une ( n , 2n) une réaction avec ²³⁸ U. Cela se produit uniquement avec des neutrons très énergétiques.
• ²³⁷ Np est le produit de désintégration alpha de ²⁴¹ Am.

Isotopes plus lourds du neptunium décroissance rapidement, et isotopes les plus légers du neptunium ne peuvent pas être produits par capture de neutrons, séparation de manière chimique du neptunium partir refroidi combustible nucléaire usé donne presque pur ²³⁷ Np.

Chimie

ions Neptunium en solution.

Cet élément a quatre ioniques états d'oxydation tandis que dans une solution:

• Np ³⁺ (violet pâle), analogue à la rare Pm ion de terre ³⁺
• Np ⁴⁺ (jaune-vert)
• NpO +
  2 (vert-bleu)
• NpO 2+
  2 (rose pâle)

Neptunium (III) l'hydroxyde ne est pas soluble dans l'eau et ne se dissout pas dans un excès d'alcali. Neptunium (III) est sensible à l'oxydation au contact de l'air formant le neptunium (IV).

formes de tri- et tétra Neptunium halogénures tels que NpF _{3, 4} NpF, NPCl _4, NpBr _3, Npl _3, et oxydes des différentes compositions telles que se trouvent dans la uranium oxygène système, y compris Np ₃ O ₈ et NpO _2.

Neptunium hexafluorure, NpF _6, est volatile comme l'hexafluorure d'uranium.

Neptunium, comme protactinium , l'uranium , le plutonium et l'américium forme facilement un dioxo linéaire neptunyl noyau (NpO ₂ ^{n +),} dans ses états 5+ 6+ et d'oxydation, complexes facilement avec des ligands O-donateurs durs tels que OH ^-, NO ₂ ^-, NO ₃ ^- et SO ₄ ^2- pour former des complexes solubles anioniques qui ont tendance à être facilement mobile avec une faible affinité pour le sol.

• NpO ₂ (OH) ₂ ^-
• NpO ₂ (CO ₃₎ ^-
• NpO ₂ (CO _{3) 2} ^3-
• NpO ₂ (CO _{3) 3} ^5-

Applications

Précurseur en plutonium 238 production

²³⁷ Np est irradié par des neutrons pour créer ²³⁸ Pu, un alpha émetteur pour radio-isotopes générateurs thermiques pour les satellites et les applications militaires. ²³⁷ Np va capturer un neutron pour former ²³⁸ Np et désintégration bêta avec une demi-vie de deux jours pour ²³⁸ Pu.

²³⁸ Pu existe aussi en quantités non négligeables dans les combustible nucléaire usé, mais devrait être séparé de l'autre isotopes du plutonium.

applications Armes

Neptunium est fissiles, et pourrait théoriquement être utilisé comme combustible dans une réacteur à neutrons rapides ou d'une arme nucléaire , avec un masse critique d'environ 60 kg. En 1992, le US Department of Energy déclassifié la déclaration que neptunium 237 "peut être utilisé pour un dispositif explosif nucléaire". Il ne croit pas que une arme réelle n'a jamais été construit en utilisant le neptunium. En 2009, la production mondiale du neptunium-237 par les réacteurs de puissance commerciaux était plus de 1000 masses critiques par an, mais pour extraire l'isotope d'éléments combustibles irradiés serait une grande entreprise industrielle.

En Septembre 2002, des chercheurs à la Los Alamos National Laboratory créé brièvement le nucléaire d'abord connu masse critique en utilisant le neptunium en combinaison avec des coquilles de uranium enrichi ( U-235), en découvrant que la masse critique d'une sphère nue de neptunium 237 "varie de poids de kg dans les années cinquante élevés à de faibles années soixante," montrant qu'il "est à peu près aussi bon un matériau à la bombe que U-235. "Le gouvernement fédéral des États-Unis ont fait Plans d'Mars 2004 à déplacer l'approvisionnement de l'Amérique du neptunium séparé vers un site de stockage de déchets nucléaires dans Nevada.

applications de Physique

²³⁷ Np est utilisé dans des dispositifs de détection de haute énergie (MeV) neutrons.

Rôle dans les déchets nucléaires

Neptunium-237 est le plus mobile des actinides dans le environnement de stockage géologique profond. Cela rend et ses prédécesseurs tels que américium 241 candidats d'intérêt pour la destruction par transmutation nucléaire. Neptunium accumule dans les détecteurs ménages chambre d'ionisation fumée commerciales de la désintégration de la (généralement) 0,2 microgramme de l'américium-241 initialement présent en tant que source de rayonnement ionisant. Avec une demi-vie de 432 années, l'américium-241 dans un détecteur de fumée comprend environ 3% neptunium après 20 ans, et environ 15% au bout de 100 ans.

En raison de sa longue demi-vie, le neptunium devient le principal contributeur de la radiation totale de 10000 années. Comme on ne sait pas ce qui arrive à l'enceinte de confinement dans cette longue laps de temps, une extraction du neptunium serait minimiser la contamination de l'environnement si les déchets nucléaires pourrait être mobilisé après plusieurs milliers d'années.

Littérature

• Guide de la Elements - Revised Edition, Albert Stwertka, (Oxford University Press; 1998) ISBN 0-19-508083-1
• Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Hrsg.): La chimie des actinides et Transactinide Elements, Springer-Verlag, Dordrecht 2006, ISBN 1-4020-3555-1.
• Ida Tacke (1934). "Über das Element 93" Zeitschrift für Angewandte Chemie 47 (37):. 653. doi: 10.1002 / ange.19340473707. http://www.chemteam.info/Chem-History/Noddack-1934.html.