Кюрий

Кюрий
← Америций | Берклий →
96 Gd ↑ Cm ↓ (Upn) Периодическая система элементов 96Cm
Внешний вид простого вещества
Образец кюрия
Свойства атома
Название, символ, номер	Кю́рий / Curium (Cm), 96
Группа, период, блок	3 (устар. 3), 7, f-элемент
Атомная масса (молярная масса)	247,0703 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Rn] 5f^76d^17s^2
Радиус атома	299 пм
Химические свойства
Электроотрицательность	1,3 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Cm←Cm^3+ -2,06 В Cm←Cm^2+ -1,2 В
Степени окисления	+3, +4
Энергия ионизации (первый электрон)	581(6,02) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	13,51[1] г/см³
Температура плавления	1358 °С[1]
Температура кипения	3110 °С[1]
Молярная теплоёмкость	27[1] Дж/(K·моль)
Молярный объём	18,28 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Гексагональная
Параметры решётки	a = 3,496 Å, c = 11,331 Å[1]
Отношение c/a	3,24
Номер CAS	7440-51-9

96	Кюрий
Cm (247)
5f^76d^17s^2

Кю́рий (химический символ — Cm, от лат. Curium) — 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 96.

Относится к семейству актиноидов.

Простое вещество кюрий — это синтезированный радиоактивный трансурановый металл серебристого цвета.

История

После завершения работ, связанных с получением плутония, внимание исследователей Металлургической лаборатории (ныне — Аргоннская национальная лаборатория) было обращено на синтез и идентификацию новых трансурановых элементов^[2]. В этой работе участвовали Г. Сиборг, А. Гиорсо, Л. О. Морган и Р. А. Джеймс. На протяжении довольно длительного периода синтезировать и идентифицировать элементы № 95 и № 96 не удавалось, так как предполагалось, что они будут иметь сходство с плутонием и довольно легко окисляться до шестивалентного состояния. Но в 1944 году, когда было установлено, что эти элементы являются аналогами лантаноидов и входят в отдельную группу элементов, называемую актиноидами, открытие состоялось. Первым, в 1944 году, был открыт кюрий. Его получили при бомбардировке ²³⁹Pu α-частицами.

${\displaystyle \mathrm {{}_{94}^{239}Pu} +\mathrm {{}_{2}^{4}He} \rightarrow \mathrm {{}_{96}^{242}Cm} +\mathrm {{}_{0}^{1}n} }$

Разделение америция и кюрия было сопряжено с большими трудностями, так они очень схожи по своим химическим свойствам. Трудность разделения отображена в первоначальных названиях элементов «пандемониум» и «делириум», что в переводе с латыни означает «ад» и «бред». Они были разделены методом ионного обмена с использованием ионообменной смолы дауэкс-50 и α-оксиизобутирата аммония в качестве элюента.

Кюрий был впервые выделен в чистом виде Л. В. Вернером и И. Перлманом в 1947 году в виде гидроксида, полученного из гидроксида америция, подвергнутого облучению нейтронами.

Происхождение названия

Назван в честь Пьера и Марии Кюри — по примеру расположенного в периодической таблице прямо над ним гадолиния, названного в честь химика Юхана Гадолина^[3]. В символе элемента (Cm) его латинского названия первая буква обозначает фамилию Кюри, вторая — имя Марии, а также последнюю в его полном названии — Curium^[4].

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома кюрия: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶5f⁷6d¹7s².

Кюрий — это мягкий металл серебристо-белого цвета. Радиоактивен, вследствие α-распада светится в темноте. Наиболее устойчивые изотопы — ²⁴⁷Cm (период полураспада 15,8 млн лет) и ²⁴⁸Cm (период полураспада 340 тыс лет)^[1].

Химические свойства

Наиболее стабильная степень окисления кюрия в водном растворе — +3^[1]. В степени окисления +4 кюрий присутствует в твёрдых оксиде кюрия(IV) и фториде кюрия(IV)^[5], в степени окисления +6 — в соединениях с катионом CmO2+
2^[1]. Разбавленные водные растворы солей Cm³⁺ бесцветны^[1]; для концентрированных растворов характерна бледно-зелёная^[6] или желтоватая^[1] окраска, в темноте они светятся бледно-голубым цветом^[1].

Изучение химии кюрия осложнено его высокой радиоактивностью: растворы его солей подвержены интенсивному разогреву и радиолизу.

Получение

Определённые изотопы кюрия производят в атомных реакторах. Путём последовательного захвата нейтронов ядрами элемента-мишени, в качестве которых могут выступать уран или плутоний, происходит накопление атомов кюрия. Одна тонна отработанного ядерного топлива содержит около 20 грамм кюрия. После накопления кюрия в достаточных количествах его выделяют методами химической переработки, концентрируют и вырабатывают оксид кюрия.

Кюрий — крайне дорогой металл. На 2014 год он используется только в самых важных областях ядерных технологий. Тем не менее, в США и России существуют так называемые кюриевые программы, основной задачей которых являются^[7]:

• Максимальное увеличение количества кюрия в облучённом топливе.
• Максимальное сокращение сроков наработки кюрия.
• Разработка рациональных технологий облучения топлива и разработка топливных композиций.
• Снижение цен на кюрий.

Это связано с тем, что спрос на кюрий в основных его областях использования многократно превышает предложение. Получение достаточных количеств кюрия способно решить проблему производства компактных космических реакторов, самолётов с ядерными двигателями и др^{[источник не указан 241 день]}.

Согласно отчёту комиссии РАН под руководством академика В. А. Тартаковского от 23 апреля 2010 года, на исследовательских реакторах ГНЦ НИИАР (г. Димитровград) создана уникальная технология производства кюрия-244^[8].

Изотопы и их применение

Основная статья: Изотопы кюрия

Кюрий-242 в виде окиси (плотность около 11,75 г/см³ и период полураспада 162,8 суток^[9]) применяется для производства компактных и чрезвычайно мощных радиоизотопных источников энергии (энерговыделение около 1169 Вт/см³), при этом 1 грамм металлического кюрия-242 выделяет около 120 Вт. Несмотря на относительно небольшой период полураспада, продуктом его альфа-распада является заметно более долгоживущий плутоний-238, благодаря чему источник тепла на основе кюрия-242 служит заметно дольше, чем, например, полониевый, но при этом заметно теряет в тепловыделении (поскольку у дочернего продукта распада заметно меньше удельная активность, и, следовательно, удельное тепловыделение). Интегральная энергия альфа-распада одного грамма кюрия-242 за год составляет приблизительно 480 кВт·ч.

Другой важной областью применения кюрия-242 является производство нейтронных источников высокой мощности для «поджигания» (запуска) специальных атомных реакторов.

Сходными свойствами обладает более тяжёлый изотоп кюрия — кюрий-244 (период полураспада 18,11 года^[9]). Он также является альфа-излучателем, но его энерговыделение ниже, около 2,83 Вт/грамм. Кюрий-244 с вероятностью на уровне 1,37·10⁻⁶ способен к спонтанному делению^[9], что вносит существенный вклад в нейтронный радиационный фон от отработавшего ядерного топлива некоторых реакторов.

Кюрий-245 (период полураспада 8,25 тыс. лет^[9]) перспективен для создания компактных атомных реакторов с сверхвысоким энерговыделением. Изыскиваются способы рентабельного производства этого изотопа, который является почти чистым альфа-излучателем (вероятность спонтанного деления 6,1·10⁻⁹)^[9].

Самым долгоживущим изотопом кюрия является альфа-активный (без признаков других типов радиоактивного распада) кюрий-247, период полураспада которого составляет 15,6 млн лет^[9].

Кюрий как источник нейтронов

Четные изотопы кюрия обладают высокой интенсивностью спонтанного деления — миллионы и десятки миллионов делений на грамм в секунду, это на четыре порядка больше, чем изотопы плутония, и на 8—9 порядков больше, чем изотопы урана^[10][11], при этом каждое деление дает в среднем 3 нейтрона. Поэтому кюрий иногда используется как компактный источник нейтронов, например, для нейтронно-активационного анализа (именно такой источник был установлен на марсоходе Кьюриосити)^[12]. Благодаря высокой интенсивности спонтанного деления, именно изотопы кюрия вносят основной вклад в нейтронный фон ОЯТ, несмотря на то, что содержание кюрия в нем не превышает 40 г/т.

Безопасность

При употреблении кюрия только 0,05 % его всасывается в организм, из этого количества 45 % откладывается в печени (период полувыведения — около 20 лет), 45 % — в костях (период полувыведения — около 50 лет), остальные 10 % выводятся из организма^[13]. При попадании в организм кюрий нарушает процесс образования эритроцитов^[14]. Внутривенное введение растворов солей кюрия крысам приводило к опухоли костей, а вдыхание кюрия — к раку лёгких и раку печени^[13].

Некоторые продукты распада кюрия испускают сильное бета- и гамма-излучение^[13].

Изотопы кюрий-242 и кюрий-244 обладают исключительно высокой радиотоксичностью, притом кюрий-242 с более коротким периодом полураспада является крайне сильным ядом, значительно опаснее кюрия-244. Токсичность кюрия, как и токсичность всех трансурановых элементов, зависит от изотопного состава, и возрастает с увеличением доли относительно короткоживущих альфа-излучающих нуклидов.

Примечания

1. Химическая энциклопедия, 1990, Т. 2. Кюрий, с. 560.
2. Рич, 1985, с. 115.
3. Гольданский, 1953, с. 144.
4. Леенсон, 2017, Кюрий.
5. Keenan, Thomas K. (1961). "First Observation of Aqueous Tetravalent Curium". Journal of the American Chemical Society. 83 (17): 3719. doi:10.1021/ja01478a039.
6. Greenwood, p. 1265
7. Элементиада  (неопр.). Дата обращения: 25 декабря 2015. Архивировано 25 декабря 2015 года.
8. Отчет комиссии по проведению экспертизы работ Петрика В.И  (неопр.). Дата обращения: 23 апреля 2010. Архивировано 3 мая 2010 года.
9. Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 45, iss. 3. — P. 030001-1—030001-180. — doi:10.1088/1674-1137/abddae.
10. Физика деления атомных ядер. — 1957 / Просмотр издания // Электронная библиотека /// История Росатома  (неопр.). Дата обращения: 7 января 2024. Архивировано 7 января 2024 года.
11. Источник  (неопр.). Дата обращения: 7 января 2024. Архивировано 7 января 2024 года.
12. Элемент №98  (неопр.). Дата обращения: 7 января 2024. Архивировано 7 января 2024 года.
13. Curium Архивная копия от 14 марта 2013 на Wayback Machine (in German)
14. CRC Handbook, 2014—2015, p. 4–11.

Литература

• Химическая энциклопедия / под ред. И. Л. Кнунянца — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2 : Даф-Мед. — 671 с. — ISBN 5-82270-035-5
• CRC Handbook of Chemistry and Physics : [англ.] / W. M. Haynes. — 95th Ed. — Boca Raton, FL : CRC Press, Taylor & Francis Group, 2014—2015. — 2666 p. — ISBN 978-1-4822-0868-9.
• Гольданский В. И. Элемент № 96 — Кюрий // Новые элементы в Периодической системе Д. И. Менделеева / Отв. ред. К. В. Астахов. — М.: Издательство Академии наук СССР, 1953. — С. 144—145. — 168 с. — (Научно-популярная серия).
• Кузнецов В. И. 96-й элемент-кюрий. Практическое использование кюрия // Трансурановые элементы. — М.: Знание, 1969. — С. 17—19. — 48 с. — (Физика, астрономия).
• Леенсон, Илья. Язык химии. Этимология химических названий. — М.: Corpus, 2017. — 464 с. — ISBN 978-5-17-095739-2.
• Рич В. И. Кони и всадники (кюрий, америций) // В поисках элементов. — М.: Химия, 1985. — С. 115—117. — 168 с.
• Curium Data Sheets, ORNL 1966
• Curium Data Sheets, ORNL 1973

Ссылки

• Кюрий на Webelements (англ.)
• Кюрий в Популярной библиотеке химических элементов, Издательство «Наука», 1977.