Kaliforn - Californium

Kaliforn,  98 Cf
Bardzo mały krążek ze srebrzystego metalu, powiększony, aby pokazać jego metaliczną teksturę
Kaliforn
Wymowa / ˌ K ® l ɪ F ɔːr n i ə m / ( KZ -if- lub -nee-əm )
Wygląd zewnętrzny srebrzysty
Liczba masowa [251]
Kaliforn w układzie okresowym
Wodór Hel
Lit Beryl Bor Węgiel Azot Tlen Fluor Neon
Sód Magnez Aluminium Krzem Fosfor Siarka Chlor Argon
Potas Wapń Skand Tytan Wanad Chrom Mangan Żelazo Kobalt Nikiel Miedź Cynk Gal German Arsen Selen Brom Krypton
Rubid Stront Itr Cyrkon Niob Molibden Technet Ruten Rod Paladium Srebro Kadm Ind Cyna Antymon Tellur Jod Ksenon
Cez Bar Lantan Cer Prazeodym Neodym promet Samar Europ Gadolin Terb Dysproz Holmium Erb Tul Iterb Lutet Hafn Tantal Wolfram Ren Osm Iryd Platyna Złoto Rtęć (pierwiastek) Tal Ołów Bizmut Polon Astatin Radon
Francium Rad Aktyn Tor Protaktyn Uran Neptun Pluton Ameryk Kiur Berkel Kaliforn Einsteina Ferm Mendelew Nobel Wawrzyńca Rutherford Dubnium Seaborgium Bohrium Hass Meitnerium Darmsztadt Rentgen Kopernik Nihon Flerow Moskwa Livermorium Tennessine Oganesson
Dy

Cf

(Upb)
berkelkaliforneinstein
Liczba atomowa ( Z ) 98
Grupa grupa nie dotyczy
Okres okres 7
Blok   f-blok
Konfiguracja elektronów [ Rn ] 5f 10 7s 2
Elektrony na powłokę 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
Właściwości fizyczne
Faza STP solidny
Temperatura topnienia 1173  K (900 ° C, 1652 ° F)
Temperatura wrzenia 1743 K ​(1470 °C, ​2678 °F) (szacowanie)
Gęstość (w pobliżu  rt ) 15,1 g / cm 3
Właściwości atomowe
Stany utleniania +2, +3 , +4, +5
Elektroujemność Skala Paulinga: 1,3
Energie jonizacji
Kolorowe linie w zakresie spektralnym
Linie widmowe kalifornu
Inne właściwości
Naturalne występowanie syntetyczny
Struktura krystaliczna podwójne sześciokątny gęstego upakowania (DHCP)
Podwójnie sześciokątna, zamknięta struktura krystaliczna dla kalifornu
Twardość Mohsa 3-4
Numer CAS 7440-71-3
Historia
Nazewnictwo po Kalifornii , gdzie została odkryta
Odkrycie Laboratorium Krajowe im. Lawrence'a Berkeleya (1950)
Główne izotopy kalifornu
Izotop Obfitość Okres półtrwania ( t 1/2 ) Tryb zaniku Produkt
248 Por syn 333,5 d α (100%) 244 cm²
SF  (2,9× 10-3 %)
249 Por syn 351 lat α (100%) 245 cm²
SF (5,0× 10-7 %)
250 Cf syn 13.08 lat α (99,92%) 246 cm²
SF (0,08%)
251 Por syn 898 lat α 247 cm²
252 Por syn 2,645 lat α (96,91%) 248 cm
SF (3,09%)
253 Por syn 17,81 dnia β (99,69%) 253 Es
α (0,31%) 249 cm²
254 Cf syn 60,5 dnia SF (99,69%)
α (0,31%) 250 cm
Kategoria Kategoria: Kaliforn
| Bibliografia

Kaliforn jest radioaktywny pierwiastek z symbolem Cf i liczbie atomowej 98. Element najpierw syntetyzowany w 1950 w Lawrence Berkeley National Laboratory (następnie University of California Radiation Laboratory), przez bombardowanie kiur z alfa cząstek ( helowo-4 jonów ) . Jest aktynowców element szóstym elementem transuran być syntetyzowana , i ma drugą najwyższą masę atomową wszystkich elementów, które są produkowane w ilościach na tyle duża, aby zobaczyć się gołym okiem (po einsteinium ). Element został nazwany na cześć uniwersytetu i amerykańskim stanie z Kalifornii .

Istnieją dwie formy krystaliczne dla kalifornu pod normalnym ciśnieniem: jedna powyżej i jedna poniżej 900 ° C (1650 ° F). Trzecia forma istnieje pod wysokim ciśnieniem. Kaliforn powoli matowieje w powietrzu w temperaturze pokojowej. Związki kalifornu są zdominowane przez stopień utlenienia +3 . Najbardziej stabilnym z dwudziestu znanych izotopów kalifornu jest kaliforn-251, którego okres półtrwania wynosi 898 lat. Ten krótki okres półtrwania oznacza, że ​​pierwiastek nie występuje w znaczących ilościach w skorupie ziemskiej. Kaliforn-252 z okresem półtrwania wynoszącym około 2,645 lat jest najczęściej używanym izotopem i jest produkowany w Narodowym Laboratorium Oak Ridge w Stanach Zjednoczonych oraz w Instytucie Badawczym Reaktorów Atomowych w Rosji.

Kaliforn jest jednym z nielicznych pierwiastków transuranowych, które mają praktyczne zastosowanie. Większość z tych zastosowań wykorzystuje właściwość niektórych izotopów kalifornu do emitowania neutronów . Na przykład kaliforn może być używany do wspomagania rozruchu reaktorów jądrowych i jest wykorzystywany jako źródło neutronów podczas badania materiałów za pomocą dyfrakcji neutronów i spektroskopii neutronowej . Kaliforn może być również stosowany w syntezie jądrowej pierwiastków o większej masie; oganesson (pierwiastek 118) został zsyntetyzowany przez bombardowanie atomów kalifornu-249 jonami wapnia-48 . Użytkownicy kalifornu muszą brać pod uwagę problemy radiologiczne i zdolność pierwiastka do zakłócania tworzenia czerwonych krwinek poprzez bioakumulację w tkance szkieletowej.

Charakterystyka

Właściwości fizyczne

Kaliforn jest srebrzystobiałym metalem z aktynowca o temperaturze topnienia 900 ± 30 °C (1650 ± 50 °F) i szacowanej temperaturze wrzenia 1745 K (1470 °C; 2680 °F). Czysty metal jest plastyczny i można go łatwo ciąć żyletką. Metal kaliforn zaczyna parować powyżej 300 ° C (570 ° F) po wystawieniu na działanie próżni. Poniżej 51 K (-222 ° C; -368 ° F) metal kaliforn jest albo ferromagnetyczny lub ferrimagnetyczny (działa jak magnes), między 48 a 66 K jest antyferromagnetyczny (stan pośredni), a powyżej 160 K (-113 ° C; -172 ° F) jest paramagnetyczny (zewnętrzne pola magnetyczne mogą uczynić go magnetycznym). Tworzy stopy z metalami lantanowcami , ale niewiele wiadomo o powstałych materiałach.

Element ten ma dwie krystaliczne formy przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym : a podwójne sześciokątny gęstego upakowania formularza nazwany alfa (α) i sześcienny płaskocentryczną formy wyznaczonego beta (P). Forma α występuje w temperaturze poniżej 600–800 °C z gęstością 15,10 g/cm 3 , a forma β występuje w temperaturze powyżej 600–800 ° C z gęstością 8,74 g/cm 3 . Przy ciśnieniu 48  GPa forma β zmienia się w rombowy układ kryształów w wyniku delokalizacji elektronów 5f atomu , co uwalnia je do wiązania.

Moduł objętościowy materiału jest miarą jego odporności na równomierne ciśnienie. Moduł objętościowy kalifornu wynosi50 ± 5 GPa , który jest podobny do trójwartościowych metali lantanowców, ale mniejszy niż bardziej znane metale, takie jak aluminium (70 GPa).

Właściwości chemiczne i związki

Reprezentatywne związki kalifornu
stan pogarszać formuła kolor
+2 bromek kalifornu(II) CfBr 2 żółty
+2 jodek kalifornu(II) CfI 2 ciemnofioletowy
+3 tlenek kalifornu(III) por. 2 O 3 żółty zielony
+3 fluorek kalifornu(III) cfF 3 jasno zielony
+3 chlorek kalifornium(III) CfCl 3 szmaragdowo-zielony
+3 bromek kalifornu(III) CfBr 3 żółtawa zieleń
+3 jodek kalifornu(III) CfI 3 cytrynowo żółty
+3 poliboran kalifornu(III) CF [B 6 O 8 (OH) 5 ] bladozielony
+4 tlenek kalifornu(IV) CfO 2 czarny brązowy
+4 fluorek kalifornu(IV) cfF 4 Zielony

Kaliforn wykazuje stopnie utlenienia 4, 3 lub 2. Zwykle tworzy osiem lub dziewięć wiązań z otaczającymi atomami lub jonami. Przewiduje się, że jego właściwości chemiczne są podobne do innych pierwiastków, głównie 3+ walencyjnych aktynowców oraz pierwiastka dysprozu , który jest lantanowcem powyżej kalifornu w układzie okresowym. Związki na stopniu utlenienia +4 są silnymi utleniaczami, a te na stopniu +2 są silnymi środkami redukującymi .

Element powoli matowieje w powietrzu w temperaturze pokojowej, a tempo zwiększa się po dodaniu wilgoci. Kaliforn reaguje po podgrzaniu z wodorem , azotem lub chalkogenem (pierwiastek rodziny tlenu); reakcje z suchym wodorem i wodnymi kwasami mineralnymi są szybkie.

Kaliforn jest rozpuszczalny w wodzie tylko jako kation kaliforn(III) . Próby redukcji lub utlenienia jonu +3 w roztworze nie powiodły się. Pierwiastek tworzy rozpuszczalny w wodzie chlorek , azotan , nadchloran i siarczan i wytrąca się jako fluorek , szczawian lub wodorotlenek . Kaliforn jest najcięższym aktynowcem wykazującym właściwości kowalencyjne, co obserwuje się w przypadku boranu kalifornowego.

Izotopy

Dwadzieścia radioizotopów kalifornu zostały scharakteryzowane, najbardziej stabilny jest kaliforn-251 z okresem półtrwania 898 lat, kaliforn-249 z okresem półtrwania 351 lat, kaliforn-250 z okresem półtrwania 13,08 lat i kaliforn -252 z okresem półtrwania 2,645 lat. Wszystkie pozostałe izotopy mają okres półtrwania krótszy niż rok, a większość z nich ma okres półtrwania krótszy niż 20 minut. Izotopy kalifornu mają liczbę masową od 237 do 256.

Kaliforn-249 powstaje w wyniku rozpadu beta berkelu-249, a większość innych izotopów kalifornu powstaje przez poddanie berkelu intensywnemu promieniowaniu neutronowemu w reaktorze jądrowym . Chociaż kaliforn-251 ma najdłuższy okres półtrwania, jego wydajność produkcyjna wynosi tylko 10% ze względu na tendencję do zbierania neutronów (wysoka zdolność wychwytywania neutronów ) i skłonność do interakcji z innymi cząstkami (wysoki przekrój neutronów ).

Californium-252 jest bardzo silnym emiterem neutronów , co czyni go niezwykle radioaktywnym i szkodliwym. CALIFORNIUM-252 ulega alfa rozkładowi 96,9% Czas do wytworzenia Curium -248, a pozostałe 3,1% rozpadów są spontaniczne rozszczepienia . Jeden mikrogram (μg) kalifornu-252 emituje 2,3 miliona neutronów na sekundę, średnio 3,7 neutronów na spontaniczne rozszczepienie. Większość innych izotopów rozpadu kalifornu do izotopów kiuru ( liczba atomowa 96) poprzez rozpad alfa.

Historia

Duże elementy wyposażenia z mężczyzną stojącym w pobliżu.
Cyklotron o średnicy 60 cali (1,52 m) użyty do pierwszej syntezy kalifornu

Kaliforn został po raz pierwszy zsyntetyzowany w University of California Radiation Laboratory w Berkeley , przez badaczy fizyki Stanleya G. Thompsona , Kenneth Street, Jr. , Alberta Ghiorso i Glenna T. Seaborga około 9 lutego 1950 roku. Było to szóste transuran. element do odkrycia; zespół ogłosił swoje odkrycie 17 marca 1950 roku.

Do produkcji kalifornu, mikrogramowego celu z kiuru-242 (242
96
Cm
) został zbombardowany cząsteczkami 35 MeV -alfa (4
2
On
) w cyklotronie o średnicy 60 cali (1,52 m) w Berkeley, który produkował kaliforn-245 (245
98
cf
) plus jeden wolny neutron (
n
).

242
96
Cm
+ 4
2
On
245
98
cf
+ 1
0

n

W celu identyfikacji i wyodrębnienia pierwiastka podjęto metody wymiany jonowej i adsorpcji. W tym eksperymencie wyprodukowano tylko około 5000 atomów kalifornu, a ich okres półtrwania wynosił 44 minuty.

Odkrywcy nazwali nowy pierwiastek imionami uniwersytetu i państwa. Było to zerwanie z konwencją stosowaną dla pierwiastków 95 do 97, która czerpała inspirację ze sposobu nazewnictwa pierwiastków znajdujących się bezpośrednio nad nimi w układzie okresowym. Jednak pierwiastek znajdujący się bezpośrednio nad pierwiastkiem 98 w układzie okresowym, dysproz , ma nazwę, która oznacza po prostu „trudny do zdobycia”, więc badacze postanowili porzucić nieformalną konwencję nazewnictwa. Dodali, że „najlepsze, co możemy zrobić, to zwrócić uwagę, [że] ... poszukiwacze sto lat temu mieli trudności z dostaniem się do Kalifornii”.

Ważone ilości kalifornu zostały po raz pierwszy wyprodukowane przez napromieniowanie tarcz plutonowych w Reaktorze Testowania Materiałów w Krajowej Stacji Testowej Reaktorów we wschodnim Idaho ; i te odkrycia zostały zgłoszone w 1954 roku. W tych próbkach zaobserwowano wysoki współczynnik spontanicznego rozszczepienia kalifornu-252. Pierwszy eksperyment z kalifornem w postaci stężonej miał miejsce w 1958 roku. Izotopy kaliforn-249 do kaliforn-252 wyizolowano w tym samym roku z próbki plutonu-239 , która została napromieniowana neutronami w reaktorze jądrowym przez pięć lat. Dwa lata później, w 1960 roku, Burris Cunningham i James Wallman z Lawrence Radiation Laboratory Uniwersytetu Kalifornijskiego stworzyli pierwsze związki kalifornu — trichlorek kalifornu, tlenochlorek kalifornu i tlenek kalifornu — traktując kaliforn parą i kwasem solnym.

High Flux Isotope Reactor (HFIR) w Oak Ridge National Laboratory (ORNL) w Oak Ridge w stanie Tennessee , rozpoczął produkcję małych partii kaliforn w 1960 roku. Do 1995 roku HFIR nominalnie wyprodukował 500 miligramów (0,018 uncji) kalifornu rocznie. Pluton dostarczony przez Wielką Brytanię do Stanów Zjednoczonych w ramach umowy o wzajemnej obronie z 1958 r. został użyty do produkcji kalifornu.

Komisja Energii Atomowej sprzedawane kaliforn-252 do odbiorców przemysłowych i akademickich w roku 1970 do 10 $ za mikrograma i średnio 150 mg (0,0053 uncji) z kaliforn-252 zostały wysłane każdego roku od 1970 do 1990 roku Californium metalu po raz pierwszy przygotowany w 1974 przez Haire'a i Baybarza, którzy zredukowali tlenek kalifornu(III) metalicznym lantanem, aby uzyskać mikrogramowe ilości warstw o ​​grubości poniżej mikrometra.

Występowanie

Ślady kalifornu można znaleźć w pobliżu obiektów, które wykorzystują pierwiastek do poszukiwania minerałów i zabiegów medycznych. Pierwiastek jest dość nierozpuszczalny w wodzie, ale dobrze przylega do zwykłej gleby; a jego stężenie w glebie może być 500 razy wyższe niż w wodzie otaczającej cząstki gleby.

Opad atmosferycznych testów nuklearnych przed 1980 r. wniósł niewielką ilość kalifornu do środowiska. W radioaktywnym pyle zebranym z powietrza po wybuchu jądrowym zaobserwowano izotopy kalifornu o liczbach masowych 249, 252, 253 i 254. Kaliforn nie jest głównym radionuklidem w miejscach spuścizny Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych , ponieważ nie był produkowany w dużych ilościach.

Kiedyś uważano, że kaliforn jest wytwarzany w supernowych , ponieważ ich rozpad odpowiada 60- dniowemu okresowi półtrwania 254 Cf. Jednak późniejsze badania nie wykazały żadnego widma kalifornowego, a obecnie uważa się, że krzywe jasności supernowych podążają za rozpadem niklu-56 .

W pierwiastków transuranowych z ameryk do ferm , w tym Californium, sposób naturalny w naturalny reaktor jądrowy w Oklo , ale już nie tak.

Produkcja

Kaliforn jest produkowany w reaktorach jądrowych i akceleratorach cząstek . Californium-250 jest wytwarzany przez bombardowanie berkelium-249 (249
97
Bk
) z neutronami, tworząc berkel-250 (250
97
Bk
) poprzez wychwytywanie neutronów (n,γ), które z kolei szybko ulegają rozpadowi beta ) do kalifornu-250 (250
98
cf
) w następującej reakcji:

249
97
Bk
(n,γ)250
97
Bk
250
98
cf
+ β

Bombardowanie kalifornu-250 neutronami daje kaliforn-251 i kaliforn-252.

Długotrwałe napromienianie neutronami ameryku , kiuru i plutonu wytwarza miligramowe ilości kalifornu-252 i mikrogramowe ilości kalifornu-249. Od 2006 r. izotopy kiuru od 244 do 248 są napromieniowane przez neutrony w specjalnych reaktorach w celu wytworzenia głównie kalifornu-252 z mniejszymi ilościami izotopów od 249 do 255.

Mikrogramowe ilości kalifornu-252 są dostępne do użytku komercyjnego za pośrednictwem amerykańskiej Komisji Regulacji Jądrowych . Kaliforn-252 produkuje się tylko w dwóch miejscach: w Oak Ridge National Laboratory w Stanach Zjednoczonych oraz w Instytucie Badawczym Reaktorów Atomowych w Dimitrowgradzie w Rosji . Od 2003 r. oba zakłady produkują odpowiednio 0,25 grama i 0,025 grama kalifornu-252 rocznie.

Wytwarzane są trzy izotopy kalifornu o znaczących okresach półtrwania, co wymaga łącznie 15 wychwytywania neutronów przez uran-238 bez rozszczepienia jądra lub rozpadu alfa występującego podczas procesu. Kaliforn-253 znajduje się na końcu łańcucha produkcyjnego, który zaczyna się od uranu-238, zawiera kilka izotopów plutonu , ameryku , kiuru , berkelu i izotopów kalifornu od 249 do 253 (patrz diagram).

Złożony schemat przepływu przedstawiający różne izotopy.
Schemat produkcji kalifornu-252 z uranu-238 przez napromieniowanie neutronami

Aplikacje

Duża stożkowa konstrukcja na bloczku z człowiekiem na górze i dwoma przy podstawie.
Pięćdziesięciotonowa beczka transportowa zbudowana w Oak Ridge National Laboratory, która może przetransportować do 1 grama 252 Cf. Potrzebne są duże i mocno osłonięte pojemniki transportowe, aby zapobiec uwolnieniu wysoce radioaktywnych materiałów w przypadku normalnych i hipotetycznych wypadków.

Californium-252 ma wiele specjalistycznych zastosowań jako silny emiter neutronów, a każdy mikrogram świeżego kalifornu wytwarza 139 milionów neutronów na minutę. Ta właściwość sprawia, że ​​kaliforn jest użyteczny jako źródło rozruchu neutronowego w niektórych reaktorach jądrowych oraz jako przenośne (nieoparte na reaktorze) źródło neutronów do analizy aktywacji neutronowej w celu wykrycia śladowych ilości pierwiastków w próbkach. Neutrony z kalifornium są stosowane w leczeniu niektórych nowotworów szyjki macicy i mózgu, gdzie inna radioterapia jest nieskuteczna. Jest używany w zastosowaniach edukacyjnych od 1969 roku, kiedy Georgia Institute of Technology otrzymał pożyczkę 119 μg kalifornu-252 z Savannah River Plant . Jest również używany z internetowymi analizatorami pierwiastków węgla i analizatorami materiałów sypkich w przemyśle węglowym i cementowym.

Penetracja neutronów do materiałów sprawia, że ​​kaliforn jest przydatny w przyrządach wykrywających, takich jak skanery prętów paliwowych ; radiografia neutronowa elementów samolotów i broni w celu wykrycia korozji , złych spawów, pęknięć i uwięzionej wilgoci; oraz w przenośnych wykrywaczach metali. Wilgotnościomierze neutronowe wykorzystują kaliforn-252 do znajdowania warstw wody i ropy naftowej w szybach naftowych, jako przenośne źródło neutronów do poszukiwania złota i srebra do analizy na miejscu oraz do wykrywania ruchu wód gruntowych. Głównymi zastosowaniami kalifornu-252 w 1982 r. były, w kolejności zastosowania, rozruch reaktora (48,3%), skanowanie pręta paliwowego (25,3%) i analiza aktywacji (19,4%). Do 1994 roku większość kalifornu-252 była wykorzystywana w radiografii neutronowej (77,4%), ze skanowaniem pręta paliwowego (12,1%) i rozruchem reaktora (6,9%) jako ważne, ale odległe zastosowania wtórne.

Kaliforn-251 ma bardzo małą obliczoną masę krytyczną około 5 kg (11 funtów), wysoką śmiertelność i stosunkowo krótki okres toksycznego napromieniowania środowiska. Niska masa krytyczna kalifornu doprowadziła do pewnych przesadnych twierdzeń o możliwych zastosowaniach tego pierwiastka.

W październiku 2006 roku, naukowcy ogłosił, że trzy atomy oganesson (elementu 118) zostały zidentyfikowane w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej , Rosji , jako iloczyn bombardowania kaliforn-249 z wapnia-48 , dzięki czemu jest najcięższym elementem kiedykolwiek zsyntetyzowany. Cel tego eksperymentu zawierał około 10 mg CALIFORNIUM-249, osadzonej na folii tytanu 32 cm 2 obszaru. Kaliforn był również używany do produkcji innych pierwiastków transuranowych; na przykład pierwiastek 103 (później nazwany lawrencium ) został po raz pierwszy zsyntetyzowany w 1961 roku przez bombardowanie kalifornu jądrami boru .

Środki ostrożności

Kaliforn, który bioakumuluje się w tkance szkieletowej, uwalnia promieniowanie, które zaburza zdolność organizmu do tworzenia czerwonych krwinek . Pierwiastek nie odgrywa naturalnej roli biologicznej w żadnym organizmie ze względu na swoją intensywną radioaktywność i niskie stężenie w środowisku.

Kaliforn może dostać się do organizmu po spożyciu skażonej żywności lub napojów lub poprzez oddychanie powietrzem z zawieszonymi cząsteczkami pierwiastka. Raz w ciele, tylko 0,05% kalifornu dotrze do krwioobiegu. Około 65% tego kalifornu odkłada się w szkielecie, 25% w wątrobie, a reszta w innych narządach lub jest wydalana głównie z moczem. Połowa kalifornu zdeponowanego w szkielecie i wątrobie zniknęła odpowiednio za 50 i 20 lat. Kaliforn w szkielecie przylega do powierzchni kości, zanim powoli migruje w całej kości.

Ten pierwiastek jest najbardziej niebezpieczny, jeśli zostanie wprowadzony do organizmu. Ponadto kaliforn-249 i kaliforn-251 mogą powodować zewnętrzne uszkodzenia tkanek poprzez emisję promieniowania gamma . Promieniowanie jonizujące emitowane przez kaliforn na kościach i wątrobie może powodować raka.

Uwagi

Bibliografia

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Multimedia związane z Kalifornium w Wikimedia Commons