Полоній

Полоній (Po)
Атомний номер	84
Зовнішній вигляд простої речовини	сріблясто-сірий металоїд
Властивості атома
Атомна маса (молярна маса)	208,9824 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома	176 пм
Енергія іонізації (перший електрон)	813,1(8,43) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація	[Xe] 4f^14 5d^10 6s^2 6p^4
Хімічні властивості
Ковалентний радіус	146 пм
Радіус іона	(+6e) 67 пм
Електронегативність (за Полінгом)	2,0
Електродний потенціал	Po←Po^3+ 0,56В Po←Po^2+ 0,65В
Ступені окиснення	6, 4, 2
Термодинамічні властивості
Густина	9,32 г/см³
Молярна теплоємність	0,125 Дж/(К·моль)
Теплопровідність	n/a Вт/(м·К)
Температура плавлення	527 К
Теплота плавлення	(10) кДж/моль
Температура кипіння	1235 К
Теплота випаровування	(102,9) кДж/моль
Молярний об'єм	22,7 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки	кубічна
Період ґратки	3,350 Å
Відношення с/а	n/a
Температура Дебая	n/a К
Інші властовості
Критична точка	н/д
H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og * La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu ** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Полоній у Вікісховищі

Полоній (Po) — радіоактивний хімічний елемент з атомним номером 84, перший елемент, відкритий за своїми радіоактивними властивостями П'єром Кюрі і Марією Склодовською-Кюрі у 1898 році при дослідженні уранової руди. Елемент названий на честь Польщі (лат. Polonia) — батьківщини Марії Склодовської-Кюрі.

Полоній — м'який, сріблясто-білий метал. Його густина 9,36 г/см³. За хімічними властивостями полоній найближчий до телуру. На повітрі Полоній окиснюється. Середній вміст (кларк) полонію в земній корі 2×10^-14 % мас.

Історія

Полоній був відкритий П'єром та Марією Кюрі у 1898 році в урановій смоляній обманці^[1]. Аналіз цього мінералу показав, що його активність у 2.5 рази вища за активніть очищеного урану.

Елемент був названий на честь батьківщини Марії Склодовської-Кюрі — Польщі (лат. Polonia).

У 1902 році німецький вчений Вільгельм Марквальд^[en] відкрив новий елемент. Він назвав його радіотелуром. Кюрі, прочитавши нотатку про відкриття, повідомила, що це елемент полоній, відкритий ними чотирма роками раніше. Марквальд не погодився з такою оцінкою, заявивши, що полоній і радіотелур різні елементи. Після ряду експериментів з елементом, подружжя Кюрі довели, що полоній і радіотелур мають один і той же період напіврозпаду. Марквальд був змушений відступити.

Перший зразок полонію, вагою 0,1 мг, був виділений у 1910 році.

Полоній є першим елементом, знайденим за своєю радіоактивністю^[2]. У 1911 році Марі Склодовська-Кюрі отримала Нобелівську Премію з хімії "За визнання її заслуг у розвитку хімії завдяки відкриттю елементів радію і полонію, виділенню радію та вивченню природи і сполук цього особливого елемента"^[3].

Присутність у природі

Радіонукліди полонію входять до складу природних радіоактивних рядів:

²¹⁰Po (Т_1/2 = 138,376 діб), ²¹⁸Po (Т_1/2 = 3,10 хв) і ²¹⁴Po (Т_1/2 = 1,643 × 10⁻⁴ с) — до ряду ²³⁸U;

²¹⁶Po (Т_1/2 = 0,145 с) і ²¹²Po (Т_1/2 = 2,99 × 10⁻⁷ с) — до ряду Th;

²¹⁵Po (Т_1/2 = 1,781 × 10⁻³ с) і ²¹¹Po(Т_1/2 = 0,516 с) — до ряду ²³⁵U.

Тому полоній завжди присутній в уранових і торієвих мінералах. Рівноважний вміст полонію в земній корі 2 × 10⁻¹⁴% по масі.

Файл:E8LQnK.gif

Нуклеосинтез (трансмутація)

Ізотопи

Станом на 2024 рік відомі 42 ізотопи полонію в діапазоні масових чисел від 186 до 227^[4]. Крім того, відомі 10 метастабільних збуджених станів ізотопів полонію. Стабільних ізотопів не виявлено. Найтриваліші ізотопи, ²⁰⁹Po і ²⁰⁸Po мають періоди напіврозпаду 102 і 2,9 роки відповідно. Деякі ізотопи полонію, що входять до радіоактивних рядів урану і торію, мають власні назви, які зараз переважно розглядаються як застарілі:

Ізотоп	Назва	Позначення	Радіоактивний ряд
^210Po	Радій F	RaF	^238U
^211Po	Актиній C'	AcC'	^235U
^212Po	Торій C'	ThC'	^232Th
^214Po	Радій C'	RaC'	^238U
^215Po	Актиній A	AcA	^235U
^216Po	Торій A	ThA	^232Th
^218Po	Радій A	RaA	^238U

Теоретично, згідно з моделлю Гартрі-Фока-Боголюбова (HFB-14)^[5], полоній має ще 45 ізотопів.

Властивості

Полоній — м'який сріблясто-білий радіоактивний метал.

Металевий полоній швидко окиснюється на повітрі. Відомі діоксид полонію (PoO₂)_x і монооксид полонію PoO. З галогенами утворює тетрагалогеніди. При дії кислот переходить у розчин з утворенням катіонів Ро²⁺ рожевого кольору:

Ро + 2HCl → PoCl₂ + Н₂↑.

При розчиненні полонію в соляній кислоті в присутності магнію утворюється полоноводень:

Ро + Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂Po,

який при кімнатній температурі знаходиться в рідкому стані (від −36,1 до 35,3 °C)

У індикаторних кількостях отримані кислотний триоксид полонію PoO₃ та солі полонієвої кислоти, що не існує у вільному стані — полонати K₂РоО₄. Відомий також діоксид полонію PoO₂. Утворює галогеніди PoX₂, PoX₄ и PoX₆. Подібно до телуру полоній здатний утворювати хімічні сполуки з рядом металів — полоніди.

Полоній є єдиним хімічним елементом, який за низької температури утворює одноатомну^{[джерело?]} просту кубічну кристалічну решітку.^[6]

Отримання

Полоній виділяють, використовуючи методи осадження, екстракції, хроматографії, електрохімії.

Вперше полоній виділили та очистили Марія та Пʼєр Кюрі з мінералу уранініту. Вони опрацювали декілька тон мінералу заради отримання мінімальної кількості полонію. У середньому, тонна уранових мінералів містить лише біля 100 мкг полонію^[2]. Лише у 1906 році була виведена схема отримання та очищення полонію з уранініту. Через незначну отриману кількість полонію, до 1944 року усі його хімічні властивості (з одним виключенням^[7]) були досліджені лише у мікрокількостях. Нова ера у методах видобування полонію почалася у другу світову війну, коли в рамках Мангеттенського проєкту вчені звернули увагу на полоній, що повинен був стати тригером для початку реакції для детонування ядерних бомб. Ці розробки були засекречені до 1980х^[8]. Проєкт з вивчення полонію отримав назву Дайтонський і розпочався у 1943 році. За декілька років вчені переробили 37 тон мінералів, і отримали 9 мг (або 1.5 ТБк^[9][10]) полонію, винайшовши три основних методи очищення полонію з уранініту. Найефективнишим з них вважається "вологий" метод, де подрібнений оксид свинцю переводили у нітрат свинцю шляхом обробки нітратною кислотою і нейтралізацією карбонатом свинцю. І хоч ці методи і дозволили отримувати чистий полоній, його вартість таким чином залишалась дуже високою, бо потрібно працювати з тонами мінералів, що, окрім грошей, займало багато часу. Тому сьогодні цей метод вже не використовується для основного отримання полонію, але процедура очищення залишається дуже схожою. З 1944 року полоній отримують шляхом радіаційної обробки бісмуту^[11].

Застосування

Полоній-210 в сплавах з берилієм і бором застосовується для виготовлення компактних і дуже потужних нейтронних джерел, що практично не створюють γ- випромінювання (та, на жаль, вони мають малий час напівжиття ²¹⁰Po: Т_1/2 = 138,376 діб). Альфа-частинки полонію-210 народжують нейтрони на ядрах берилію або бору в (α, n)-реакції. Джерела нейтронів мають вигляд герметичних металевих ампул, в які вкладена керамічна таблетка з карбіду бору або карбіду берилію, вкрита полонієм-210. Такі нейтронні джерела легкі і портативні, абсолютно безпечні в роботі і дуже надійні. Наприклад, латунна ампула діаметром два і заввишки чотири сантиметри щосекунди дає до 90 мільйонів нейтронів.

Полоній часто застосовувався раніше (іноді й зараз) для іонізації газів (зокрема повітря). У першу чергу іонізація повітря необхідна для боротьби із статичною електрикою (на виробництві, при роботі з особливо чутливою апаратурою) ^[12]. Наприклад, для прецизійної оптики виготовляються пензлики видалення пилу^[13]. Інше застосування ефекту іонізації газу — в електродних сплавах автомобільних свічок запалювання для зменшення напруги виникнення іскри.^[14]

Важливою сферою застосування полонію є його використання у вигляді сплавів зі свинцем, ітрієм або самостійно для виробництва потужних і дуже компактних джерел тепла для автономних установок, які використовуються, наприклад, в космічній галузі. Один кубічний сантиметр полонію-210 виділяє близько 1320 Вт тепла. Ця потужність досить велика, вона легко приводить полоній в розплавлений стан, саме тому його сплавляють зі свинцем. Хоча ці сплави мають помітно меншу енергогустину (150 Вт/см³), однак вони зручніші до застосування і безпечні, оскільки полоній-210 випускає альфа-частинки, проникна здатність і довжина пробігу яких мінімальні. Наприклад, у радянськогому місяцеході для обігріву приладового відсіку застосовувався полонієвий обігрівач.^[15]

Полоній-210 може послужити в сплаві з легким ізотопом літію (⁶Li) як речовина, яка здатна істотно знизити критичну масу ядерного заряду і працювати свого роду ядерним детонатором. Тому полоній є стратегічним металом.

Біологічна роль

Полоній — надзвичайно токсичний метал. Має період напіврозпаду 138 днів і 9 годин. Його питома активність (166 ТБк/г) настільки велика, що, хоча він випромінює тільки альфа-частинки, брати його руками не можна, результатом буде променеве ураження шкіри і, можливо, всього організму: полоній досить легко проникає всередину крізь шкірні покриви. Він небезпечний і на відстані, що перевищує довжину пробігу альфа-частинок, оскільки його сполуки саморозігріваються і переходять в аерозольний стан. Гранично допустима концентрація у водоймах і в повітрі робочих приміщень — 11,1 × 10^-3 Бк/л і 7,41 × 10^-3 Бк/м³ відповідно. Саме тому з полонієм-210 працюють лише в герметичних боксах.

Полоній-210 в невеликих кількостях знаходиться в природі і накопичується тютюном, внаслідок чого є одним з помітних факторів, який завдає шкоду здоров'ю курця. Інші природні ізотопи полонію розпадаються дуже швидко, тому не встигають накопичуватися в тютюні. ^[16] «Виробники тютюну виявили цей елемент більш як 40 років тому, спроби вилучити його були безуспішними», — йдеться в статті дослідників з американського Стенфордського університету й клініки Майо в Рочестері.^[17]

Точних відомостей про вплив радіаційного отруєння полонієм на людину не існують, оскільки досліди на людині не проводилися (проводилися лише вимірювання кінетики малих доз полонію в організмі людини, а також спостереження декількох відомих випадків гострого або хронічного отруєння полонієм). За оцінкою фахівців, що була опублікована ^[18] у науковому журналі Journal of Radiological Protection, яка базується на математичній моделі радіаційного отруєння, летальна доза полонію-210 для дорослої людини оцінюється в межах від 0,1–0,3 ГБк (0,6-2 мкг), при потраплянні ізотопу в організм через легені, до 1–3 ГБк (6-18 мкг), при потраплянні в організм через травний тракт.

Триваліші полоній-208 (період напіврозпаду 2,898 роки) і полоній-209 (період напіврозпаду 103 роки) мають дещо меншу радіотоксичність на одиницю маси, що обернено пропорційна періоду напіврозпаду. Відомостей про радіотоксичність інших, недовговічних ізотопів полонію мало. В організмі людини полоній поводиться подібно до своїх хімічних гомологів селену і телуру: концентрується в печінці, нирках, селезінці і кістковому мозку. Період напіввиведення з організму — від 30 до 50 діб, виділяється в основному через нирки. Є повідомлення про успішне використання 2,3-димеркаптопропанол^[en] у для виведення полонію з організму щурів — 90% тварин, яким у вену вводилася смертельна доза полонію-210 (9 нг/кг ваги), вижили, тоді як в контрольній групі всі щури загинули протягом півтора місяця.^[19]

Цікаве

Колишній агент ФСБ Олександр Литвиненко був отруєний полонієм-210.

Література

• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2007. — Т. 2 : Л — Р. — 670 с. — ISBN 57740-0828-2.

Виноски

1. E. Rutherford. Radioactive Substances and Their Radiations. — Лондон : Forgotten Books. — С. 20. — ISBN 1451001983, 9781451001983.
2. Bagnall, K. W. (1 січня 1962). Emeléus, H. J.; Sharpe, A. G. (ред.). The Chemistry of Polonium. Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry. Т. 4. Academic Press. с. 197—229. doi:10.1016/s0065-2792(08)60268-x.
3. Friedrich, Christoph; Remane, Horst (16 травня 2011). Marie Curie: Recipient of the 1911 Nobel Prize in Chemistry and Discoverer of the Chemical Elements Polonium and Radium. Angewandte Chemie International Edition (англ.). Т. 50, № 21. с. 4752—4758. doi:10.1002/anie.201008063. ISSN 1433-7851. Процитовано 21 листопада 2024.
4. Fry, C.; Thoennessen, M. (1 травня 2013). Discovery of the thallium, lead, bismuth, and polonium isotopes. Atomic Data and Nuclear Data Tables. Т. 99, № 3. с. 365—389. doi:10.1016/j.adt.2012.01.005. ISSN 0092-640X. Процитовано 22 листопада 2024.
5. Templeton, D. H.; Howland, J. J.; Perlman, I. (1 листопада 1947). Artificial Radioactive Isotopes of Polonium. Physical Review (англ.). Т. 72, № 9. с. 758—765. doi:10.1103/PhysRev.72.758. ISSN 0031-899X. Процитовано 22 листопада 2024.
6. Игорь Иванов. (12 липня 2007). Разгадана загадка полония [Розгадано загадку полонію] (рос.) . с. 1. Архів оригіналу за 22 серпня 2011. Процитовано 4 травня 2010. Обчислення, проведені чеськими дослідниками дали відповідь на запитання, яке давно мучило фізиків: чому полоній надає перевагу кубічній кристалічній ґратці?
7. Curie, P.; Debierne, A. (1 лютого 1910). Sur le polonium. Le Radium (фр.). Т. 7, № 2. с. 38—40. doi:10.1051/radium:019100070203801. ISSN 0370-3223. Процитовано 24 січня 2024.
8. Herran, Nestor (6 вересня 2018). Polonium in the Playhouse: The Manhattan Project’s Secret Chemistry Work in Dayton, Ohio. Ambix. Т. 65, № 4. с. 407—408. doi:10.1080/00026980.2018.1518681. ISSN 0002-6980. Процитовано 24 січня 2024.
9. Moyer, H. V. ed (1 січня 1955). POLONIUM (English) . № TID-5221. doi:10.2172/4367751. Процитовано 24 січня 2024.
10. Robinson, P. L. (1 серпня 1958). Chemistry of the rare radioelements. Polonium-Actinium: K. W. Bagnall: Butterworths Scientific Publications, London, 1957. x + 177 pp., 30s. Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry. Т. 7, № 1. с. 159—160. doi:10.1016/0022-1902(58)80046-9. ISSN 0022-1902. Процитовано 24 січня 2024.
11. Reed, B. Cameron (1 травня 2019). Rousing the dragon: Polonium production for neutron generators in the Manhattan Project. American Journal of Physics (англ.). Т. 87, № 5. с. 377—383. doi:10.1119/1.5094138. ISSN 0002-9505. Процитовано 24 січня 2024.
12. Іонізатори повітря
13. Антистатичний пензлик. Архів оригіналу за 4 червня 2011. Процитовано 1 квітня 2011.
14. J. H. Dillon. Polonium Alloy for Spark Plug Electrodes^{[недоступне посилання з липня 2019]}. J. Appl. Phys. 11, 291 (1940).
15. «Ядерний Центр Росії — Саров». Архів оригіналу за 1 травня 2007. Процитовано 1 квітня 2011.
16. Полоній-210 в тютюновому диму. Архів оригіналу за 8 серпня 2010. Процитовано 1 квітня 2011.
17. РІА Новини: Тютюн містить радіоактивний полоній-210. Архів оригіналу за 22 серпня 2011. Процитовано 1 квітня 2011.(рос.)
18. Polonium-210 as a poison ^{[недоступне посилання]}
19. Rencováa J.; Svoboda V.; Holuša R.; Volf V. та ін. (1997). Reduction of subacute lethal radiotoxicity of polonium-210 in rats by chelating agents. International Journal of Radiation Biology. 72 (3): 341—8. doi:10.1080/095530097143338. PMID 9298114.

Посилання

• Про полоній на сайті WebElements (англ.)