Америций

Америций
← Плутоний | Кюрий →
95 Eu ↑ Am ↓ (Uqe) Периодическая система элементов 95Am
Внешний вид простого вещества
Образец америция
Свойства атома
Название, символ, номер	Америций / Americium (Am), 95
Группа, период, блок	3 (устар. 3), 7, f-элемент
Атомная масса (молярная масса)	[243] (массовое число наиболее устойчивого изотопа)[1]
Электронная конфигурация	[Rn] 5f^77s^2
Радиус атома	173 пм
Химические свойства
Радиус иона	(+4e) 92 (+3e) 107 пм
Электроотрицательность	1,3 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Am←Am^4+ −0,90 В Am←Am^3+ −2,07 В Am←Am^2+ −1,95 В
Степени окисления	+3, +4, +5, +6
Энергия ионизации (первый электрон)	578 (6,0[2]) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	13,67 г/см³
Температура плавления	1448 К (1176 °C, 2149 °F)
Температура кипения	2880,15 К (2607 °C, 4725 °F)
Мол. теплота плавления	(10,0) кДж/моль
Мол. теплота испарения	238,5 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	25,85[2] Дж/(K·моль)
Молярный объём	20,8 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Гексагональная
Параметры решётки	a=3,468 c=11,24[3]
Отношение c/a	3,24
Номер CAS	7440-35-9
Наиболее долгоживущие изотопы
Основная статья: Изотопы америция Изотоп Распростра- нённость Период полураспада Канал распада Продукт распада ^241Am синт. 432,2 года СД – α ^237Np ^242m1Am синт. 141 год ИП ^242Am α ^238Np СД – ^243Am синт. 7370 лет СД – α ^239Np

95	Америций
Am (243)
5f^77s^2

Амери́ций (химический символ — Am, от лат. Americium) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) седьмого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 95.

Относится к семейству актиноидов. Америций — четвёртый синтезированный трансурановый элемент. Все изотопы радиоактивны.

Простое вещество америций — тяжёлый металл серебристо-белого цвета.

История

Элемент был получен искусственно в 1944 году в Металлургической лаборатории Чикагского университета Гленном Сиборгом с сотрудниками, причём открытие было засекречено. Интересно, что об открытии америция и кюрия Сиборг впервые публично объявил на детской радиопередаче Quiz Kids^[англ.], когда один из слушателей спросил его, какие трансурановые элементы были открыты во время войны. Официальное сообщение об открытии на совещании Американского химического общества последовало только через пять дней после радиопередачи, 11 ноября 1945 года^[4].

Впоследствии америций обнаруживался в районах испытаний ядерного оружия, проведённых между 1945 и 1980 годами, а также в местах ядерных аварий, таких как чернобыльская катастрофа. Например, анализ следов взрыва на полигоне, на котором происходило испытание термоядерного взрывного устройства Иви Майк (1 ноября 1952 г., атолл Эниветак) выявил высокие концентрации различных актинидов, включая америций. Но из-за военной тайны эти данные были опубликованы только в 1956 году^[5]. В тринитите, стеклообразном веществе, образовавшемся на месте испытания ядерной бомбы на базе в Тринити возле Аламогордо (штат Нью-Мексико) 16 июля 1945 года были обнаружены следы америция-241. Повышенные уровни америция были также обнаружены в 1968 году в Гренландии на месте крушения американского бомбардировщика Boeing B-52, который нёс четыре водородные бомбы^[6].

Происхождение названия

Электронная оболочка америция

Внешняя электронная оболочка нового элемента (5f) оказалась аналогичной электронной оболочке европия (4f). Поэтому элемент назвали америцием в честь Америки, как европий — в честь Европы^[7].

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома америция: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶5f⁷7s².

Америций — это радиоактивный ковкий и тягучий металл серебристо-белого цвета. Светится в темноте за счёт собственного α-излучения. Похож на металлы редкоземельного семейства. Имеет две аллотропные формы.

В низкотемпературной форме (плотность 13,67 г/см³) обладает двойной плотно упакованной гексагональной структурой, которая при 1074 °C преобразуется в гранецентрированную кубическую. Температура плавления — 1175 °C. Температура кипения — 2607 °С.

Химические свойства

По химическим свойствам америций подобен лантаноидам^[2]. Сильный восстановитель.

• Окисляется кислородом, при его недостатке образуя оксид америция(II)^[2], а при избытке — диоксид:

${\displaystyle {\mathsf {2Am+O_{2}\ {\xrightarrow {t}}\ 2AmO}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Am+O_{2}\ {\xrightarrow {t}}\ AmO_{2}}}}$

• Реагирует с горячей водой^[8]

${\displaystyle {\mathsf {2Am+6H_{2}O\ {\xrightarrow {}}\ 2Am(OH)_{3}\downarrow +3H_{2}\uparrow }}}$

• Взаимодействует с разбавленными кислотами, образуя соли трёхвалентного америция^[2]:

${\displaystyle {\mathsf {2Am+6HCl\ {\xrightarrow {}}\ 2AmCl_{3}+3H_{2}\uparrow }}}$

${\displaystyle {\mathsf {8Am+30HNO_{3}\ \xrightarrow {} \ 8Am(NO_{3})_{3}+3N_{2}O\uparrow +15H_{2}O}}}$

• Сильными окислителями переводится в оксокатионы^[8]:

${\displaystyle {\mathsf {Am+2HNO_{3}+3O_{3}\ {\xrightarrow {}}\ AmO_{2}(NO_{3})_{2}+3O_{2}\uparrow +H_{2}O}}}$

• Может также окисляться до гидроксида америция(IV) различными окислителями^[8]:

${\displaystyle {\mathsf {Am+2H_{2}O+2NaClO\ {\xrightarrow {}}\ Am(OH)_{4}\downarrow +2NaCl}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Am+2H_{2}O_{2}\ {\xrightarrow {}}\ Am(OH)_{4}\downarrow }}}$

• При нагревании с галогенами даёт три- и тетрагалогениды, в зависимости от условий проведения реакции^[8]:

${\displaystyle {\mathsf {2Am+3F_{2}\ {\xrightarrow {<200^{o}C}}\ 2AmF_{3}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {Am+2F_{2}\ {\xrightarrow {>400^{o}C}}\ AmF_{4}}}}$

• Энергично реагирует с водородом при температуре 50-60 °C, образуя гидриды нестехиометрического состава^[2]:

${\displaystyle {\mathsf {2Am+nH_{2}\ {\xrightarrow {50-60^{o}C}}\ 2AmH_{n}}}}$ (n = 2,7 ± 0,3).

Изотопы

Основная статья: Изотопы америция

Америций не имеет стабильных изотопов. Самым долгоживущим изотопом америция является ²⁴³Am; его период полураспада составляет 7350 ± 9 лет.

Получение

²⁴¹Am сейчас получают в промышленном количестве при распаде ²⁴¹Pu: Pu-241 -> (13,2 года, бета-распад) -> Am-241, а ²⁴³Am при распаде ²⁴³Pu.

²⁴¹Pu образуется во всех ядерных реакторах при захвате нейтрона ураном-238.

1. ²³⁸U + n → ²³⁹U
2. ²³⁹U β-распад → ²³⁹Np
3. ²³⁹Np β-распад → ²³⁹Pu
4. ²³⁹Pu + n → ²⁴⁰Pu
5. ²⁴⁰Pu + n → ²⁴¹Pu
6. ²⁴¹Pu β-распад (13,2 года) → ²⁴¹Am (период полураспада 432,2 года)
7. ²⁴¹Pu + n → ²⁴²Pu
8. ²⁴²Pu + n → ²⁴³Pu
9. ²⁴³Pu → ²⁴³Am (период полураспада 4,956(3) часа, бета-распад)

Так как ²⁴¹Pu обычно присутствует в только что выработанном оружейном плутонии, с распадом ²⁴¹Pu в веществе накапливается ²⁴¹Am. В связи с этим он играет важную роль в старении плутониевого оружия. Свежеизготовленный оружейный плутоний содержит 0,5-1,0 % ²⁴¹Pu, реакторный плутоний имеет от 5-15 % до 25 % ²⁴¹Pu. Через несколько десятилетий почти весь ²⁴¹Pu распадётся в ²⁴¹Am. Энергетика альфа-распада ²⁴¹Am и относительно короткое время жизни создают высокую удельную радиоактивность и тепловой выход (106 Вт/кг, для примера у ²⁴¹Pu тепловой выход 3,4 Вт/кг). Большая часть альфа- и гамма-активности старого оружейного плутония обусловливается ²⁴¹Am.

Применение

Детектор дыма

Самый долгоживущий изотоп америция, ²⁴³Am, имеет период полураспада 7,37 тыс. лет и используется для радиохимических исследований и накопления более отдалённых трансуранов, вплоть до фермия.

Значительно многообразнее применение самого первого обнаруженного изотопа америция — ²⁴¹Am. Он имеет период полураспада 433,2 года. Этот изотоп, распадаясь, испускает альфа-частицы и мягкие (60 кэВ) гамма-лучи (для примера: энергия жёстких гамма-квантов, испускаемых кобальтом-60, — более 1 МэВ: 1,173 и 1,332 МэВ). Защита от мягкого излучения Am-241 сравнительно проста и немассивна: вполне достаточно сантиметрового слоя свинца. В промышленности используются различные контрольно-измерительные и исследовательские приборы с америцием-241, в частности, для непрерывного измерения толщины стальной (от 0,5 до 3 мм) и алюминиевой (до 50 мм) ленты, а также листового стекла. Аппаратуру с америцием-241 используют и для снятия электростатических зарядов в промышленности с пластмасс, синтетических плёнок и бумаги. Он находится и внутри некоторых детекторов дыма (~0,26 микрограмма на детектор).

Ядерный изомер америций-242m обладает высоким сечением деления тепловыми нейтронами (6000 барн), большим количеством выделяемых нейтронов на одно деление (3,6) и относительно большим периодом полураспада (141 год)^[9], что делает его подходящим топливом для сверхкомпактных ядерных реакторов (критическая масса — 3,78 кг, меньше только у некоторых изотопов калифорния). Предполагается, например, использовать его для ядерных реакторов на межпланетных космических кораблях^[10]. Однако получение этого изотопа в граммовых количествах пока только обсуждается (предполагается получать его из ²⁴¹Am, который содержится в ОЯТ в количестве порядка килограмма на тонну).

Опасность

Америций — высокотоксичный элемент. Значение ПДК для америция в воздухе — около 1⋅10⁻⁴ Бк/л, в воде водоёмов — около 70-80 Бк/л.

Преступления, связанные с америцием

В апреле 2021 года в грузинском городе Кутаиси были задержаны два человека, которые попытались незаконно продать америций-241 за 300 тысяч евро^[11].

Примечания

1. Meija J. et al. Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2016. — Vol. 88, no. 3. — P. 265—291. — doi:10.1515/pac-2015-0305.
2. Громов Б. В. Америций // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: А — Дарзана. — С. 125. — 623 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-008-8.
3. WebElements Periodic Table of the Elements | Americium | crystal structures  (неопр.). Дата обращения: 10 августа 2010. Архивировано 25 марта 2010 года.
4. Pepling, Rachel Sheremeta Chemical & Engineering News: It's Elemental: The Periodic Table – Americium  (неопр.) (2003). Дата обращения: 7 июля 2010. Архивировано 27 декабря 2007 года.
5. Fields P. R., Studier M. H., Diamond H., Mech J. F., Inghram M. G., Pyle G. L., Stevens C. M., Fried S., Manning W. M., Ghiorso A., Thompson S. G., Higgins G. H., Seaborg G. T. Transplutonium Elements in Thermonuclear Test Debris (англ.) // Physical Review : journal. — 1956. — Vol. 102, no. 1. — P. 180—182. — doi:10.1103/PhysRev.102.180. — Bibcode: 1956PhRv..102..180F.
6. Архивированная копия (англ.). Дата обращения: 9 октября 2019. Архивировано из оригинала 18 декабря 2008 года.Архивированная копия  (неопр.). Дата обращения: 9 октября 2019. Архивировано из оригинала 18 декабря 2008 года.
7. Seaborg G. T. The Transuranium Elements (англ.) // Science. — 1946. — Vol. 104, no. 2704. — P. 379—386. — doi:10.1126/science.104.2704.379. — Bibcode: 1946Sci...104..379S. — PMID 17842184. — JSTOR 1675046.
8. Химические свойства неорганических веществ / под ред. Р. А. Лидина. — 3-е изд., испр. — М.: Химия, 2000. — С. 348—349. — 480 с. — ISBN 5-7245-1163-0.
9. Энциклопедия нейтронных данных  (неопр.) (pdf). Росфонд (Российская библиотека файлов оценённых нейтронных данных). Дата обращения: 26 июня 2011. Архивировано 22 августа 2011 года.
10. IOP Publishing
11. Двух человек задержали в Грузии за попытку сбыта радиоактивного вещества  (неопр.). Дата обращения: 25 апреля 2021. Архивировано 7 апреля 2022 года.

Ссылки

• Америций на Webelements
• Америций в Популярной библиотеке химических элементов