Плутоний

ПЛУТОНИЙ (от назв. планеты Плутон; лат. Plutonium) Pu, искусств. радиоактивный хим. элемент III гр. периодич. системы, ат. н. 94, ат. м. 244,0642; относится к актиноидам. Стабильных изотопов не имеет. Известны 15 изотопов с мае. ч. 232-246. Наиб. долгоживущие изотопы - ²⁴⁴Pu (T_1/2 8,26·10⁷ лет), ²⁴²Pu (T_1/2 3,76 · 10⁵ лет, поперечное сечение захвата тепловых нейтронов s 1,9· 10^{- 27} м²), ²³⁹ Pu (T_1/2 2,41 ·10⁴ лет, s 2,71 · 10^{- 26}м²) и ²³⁸Pu (T_1/2 87,74 г, s 5 ·10 ^-26 м²)-a-излучатели. В природе плутоний встречается в ничтожных кол-вах в урановых рудах (²³⁹ Pu); он образуется из U под действием нейтронов, источниками к-рых являются р-ции (a,n), протекающие при взаимод. a-частиц с легкими элементами (входящими в состав руд), спонтанное деление ядер U и космич. излучение. Конфигурация внеш. электронных оболочек атома 5s² 5p⁶5d¹⁰5f ⁶6s²6p⁶7s²; степень окисления от + 3 до + 7, наиб. устойчива + 4; электроотрицательность по Полингу 1,2; атомный радиус 0,160 нм, ионные радиусы Pu³⁺, Pu⁴⁺, Pu⁵⁺ и Pu⁶⁺ соотв. 0,0974, 0,0896, 0,087 и 0,081 нм.

Свойства. Плутоний-хрупкий серебристый металл. Существует в шести кристаллич. модификациях (табл. 1); т. пл. 640⁰C, т. кип. 3352⁰C; рентгеновская плотн. 19,86 г/см³; 32,77 Дж/(моль · К); 56,46 Дж / (моль · К); ур-ние температурной зависимости давления пара над жидким плутонием: lg p (мм рт. ст.) = -17120/T+ 4,592 (1210-1620 К); теплопроводность 0,033 Вт/(см·К) (313 К); r 145 мкОм·см для a-Pu; парамаг-нетик, магн. восприимчивость изменяется от 2,52· 10^-6 (при 140⁰C, b-Pu) до 2,35·10^{- 6} (400⁰C, d-Pu); g жидкого плутония при 640⁰C (0,437-0,475)· 10^{- 2} Н/см; ур-ние температурной зависимости вязкости lg h = 672/T+ 0,037 (920- 1220 К); при нагр. от 310⁰C до 480⁰C сжимается.

Компактный плутоний медленно окисляется на воздухе, порошок и стружка пирофорны; медленно взаимод. с водой, раств. в соляной к-те, HClO₄, HBr и H₃PO₄, пассивируется конц. HNO₃, CH₃COOH и H₂SO₄; в р-рах щелочей заметно не растворяется. При 50-300⁰C плутоний взаимод. с H₂, давая гидрид PuH_2+х (x = 0-0,7)-черные кристаллы с кубич. гра-нецентрир. решеткой. При избытке H₂ образуется три-гидрид PuH₃-черные кристаллы с гексагон. решеткой (а = 0,378 нм, с = 0,676 нм, пространств. группа P6₃/mmc); — 193,2 кДж/моль. Для дигидрида PuH₂ -156,7 кДж/моль (923 К); ур-ние температурной зависимости давления разложения: lgp 1(мм рт. ст.) = 10,01 — 8156/T (400-800 К); выше 400 ⁰C в вакууме разлагается с образованием мелкодисперсного плутония; на воздухе быстро окисляется при 150 ⁰C; разлагается соляной и серной к-тами; используют в качестве исходного в-ва для синтеза др. соед. Pu.

При прокаливании оксалата, пероксида и др. соединений плутония на воздухе или в атмосфере O₂ при 700-1000 ⁰C получают диоксид PuO₂; ур-ние температурной зависимости давления пара: lg p (мм. рт. ст.) = 8,072 - 29240/T(2000-2400 К); не раств. в воде и орг. р-рителях, медленно взаимод. с горячей смесью конц. HNO₃ с HF (см. также табл. 2); PuO₂-весовая форма при определении плутония, его используют также для приготовления топлива в ядерной энергетике. Сескви-оксид Pu₂O₃ (т. пл. 2085 ⁰C), синтезированный нагреванием PuO₂ и углерода в токе Не при 1625⁰C, имеет гексагон. кристаллич. решетку (а = 0,3841 нм, с = 0,5958 нм, пространств. группа Р3тb); — 1688,6 кДж/моль; Pu₂O₃, полученный восстановлением PuO₂ металлическим плутонием или гидридом плутония при 1500 ⁰C, - кристаллы с кубич. объемноцент-рир. решеткой (а = 1,104 нм, пространств. группа Ia3, a-форма) или с кубич. гранецентрир. решеткой (а = 0,5409 нм, a'-форма).

Гидраты пероксида PuO₄·nH₂O (п = 2, 3) образуются при добавлении H₂O₂ к кислым р-рам соединений плутония; плохо раств. в воде и орг. р-рителях; при нагр. превращ. в PuO₂. Гидр оксид Pu(OH)₄ · xH₂O получают при действии щелочи на r-ры Pu^{4 +} ; произведение р-римости 7·10^-56, р-римость при 25 ⁰C в 1 M р-ре Na₂SO₄ (рН 6,2) 5,9 мг/мл, в 1 M р-ре Na₂CO₃-1,572 мг/л, в насыщ. р-ре KCl-6,92 · 10 ^-6 моль/л.

Гексафторид PuF₆-T. кип. 62,2⁰C; 220,7 Дж/(моль·К); ур-ния температурной зависимости давления пара: над твердым PuF₆ lg p (мм рт. ст.) = — 2095/T+ 3,499 (273-324,59 К), над жидким- lg p (мм рт. ст.) = - 1807,5/T- 1,5340 (324,59 — 350,17 К); сильный фторирующий агент и окислитель; бурно реагирует с водой; получают действием F₂ на PuF₄ или PuO₂ при 600-700⁰C. Тетрафторид PuF₄ -т. кип. 1277⁰C; С⁰_р 116,36 Дж/(моль·К); 167,14 Дж/(моль·К); ур-ние температурной зависимости давления пара: lg p (мм рт. ст.) = 5,58 - 10040/T (700-1200 К); плохо раств. в воде и орг. р-рителях; получают нагреванием PuO₂ или PuF₃ в токе HF и O₂ при 450-600⁰C. Трифторид PuF₃, трихлорид PuCl₃ (т. кип. 1767⁰C) и трибромид PuBr₃ синтезируют взаимод. PuO₂ соотв. с безводным HF (при 250-300⁰C), HCl (CCl₄ или SCl₂ выше 750⁰C) и HBr (при 800⁰C), трииодид PuI₃-взаимод. безводного газообразного HI с металлическим плутонием при 450⁰C.

Табл. 1.-ХАРАКТЕРИСТИКА КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МОДИФИКАЦИЙ ПЛУТОНИЯ

Табл. 2.-ХАРАКТЕРИСТИКА СОЕДИНЕНИЙ ПЛУТОНИЯ

Моносульфид PuS синтезируют восстановлением PuF₃ парами Ba в тигле, изготовленном из BaS, при 1250⁰C, действием паров S на металлический плутоний (стружка) при 300 ⁰C или нагреванием гидридов плутония в токе H₂S до 400-600⁰C. Сульфид состава Pu₂S₃-Pu₃S₄ получен нагреванием PuCl₃ в токе H₂S при 840-916⁰C. Известен монофосфид PuP, к-рый образуется при взаимодействии плутония с парами P при 650-805⁰C. Соединения плутония с кремнием-моносили-цид PuSi, сесквисилицид Pu₂Si₃ и дисилицид PuSi₂-синтезируют взаимод. PuO₂, PuF₃ или металлического плутония соотв. с SiC, Si и CaSi₂ при высоких т-рах.

Формальные окислит. потенциалы плутония (в В) в 1 M р-ре HClO₄:

Плутоний в степени окисления + 7 впервые получили в 1967 H. H. Крот и А. Д. Гельман окислением озоном в щелочной среде. В кислых водных р-рах плутоний существует в виде ионов Pu³⁺ (для водного р-ра —591,2 кДж/моль, цвет в р-ре сине-фиолетовый), Pu⁴⁺ (для водного р-ра — 541,3 кДж/моль, желто-коричневый), (для водного р-ра — 923,8 кДж / моль, светло-розовый), (для водного р-ра — 819,6 кДж/моль, розово-оранжевый). Ионы Pu⁴⁺ и PuO⁺₂ в водных р-рах диспропорционируют:

Склонность ионов плутония к диспропорционированию и комплек-сообразованию уменьшается в ряду Pu⁴⁺>Pu³⁺> > >. Pu(IV) можно получить окислением Pu(III) в кислых р-рах ионами , _и Ce^{4 +}, а также при восстановлении Pu(VI) ионами Fe²⁺, I^- , . Pu(IV) образует полимерные цепи даже в кислых р-рах, скорость полимеризации определяется концентрацией к-ты и плутония, присутствием др. ионов и т-рой. Pu(VI) можно получить окислением Pu(III) или Pu(IV) в р-рах HNO₃ ионами Ag²⁺, , или в разб. HClO₄, а также действием O₃, Ce⁴⁺.

Получение. Наиб. важный в практич. отношении изотоп ²³⁹Pu получают в ядерных реакторах при длит. облучении нейтронами прир. или обогащенного U:

При захвате нейтронов ²³⁹Pu образуются более тяжелые изотопы плутония с мас. ч. 240-242:

Одновременно в результате ядерной р-ции образуется ²³⁸Pu:

Обычно содержание ²³⁹Pu в смеси составляет 90-95%, ²⁴⁰Pu-1-7%, содержание др. изотопов не превышает десятых долей процента. Долгоживущие изотопы Pu и ²⁴⁴Pu получают при длит. облучении нейтронами ²³⁹Pu. Выход ²⁴²Pu составляет неск. десятков процентов, a ²⁴⁴Pu - доли процента от содержания ²⁴²Pu. Весовые кол-ва изотопно чистого ²³⁸Pu образуются при облучении нейтронами ²³⁷Np. Легкие изотопы плутония с мас. ч. 232-237 обычно получают на циклотроне при облучении изотопов U a-частицами. Выделение и очистку изотопов плутония осуществляют преим. экстракционными и сорбционными методами. Для пром. произ-ва ²³⁹Pu используют пьюрекс-процесс, основанный на экстракции трибутилфосфатом в легком разбавителе. В первом цикле осуществляют совместную очистку Pu и U от продуктов деления, а затем их разделение. Во втором и третьем циклах плутоний подвергают дальнейшей очистке и концентриро-ванию. Металлический плутоний получают восстановлением PuF₄ или PuCl₃ кальцием или магнием.

Применение. Изотоп ²³⁹Pu (наряду с U) используют в качестве ядерного топлива энергетич. реакторов, работающих на тепловых и особенно на быстрых нейтронах, а также при изготовлении ядерного оружия. Критич. масса для ²³⁹Pu в виде металла составляет 5,6 кг. Изотоп ²³⁹Pu является также исходным в-вом для получения в ядерных реакторах трансплутониевых элементов. ²³⁸Pu применяют в малогабаритных ядерных источниках электрич. тока, используемых в космич. исследованиях, а также в стимуляторах сердечной деятельности человека.

Произ-во плутония в капиталистич. странах составляет неск. десятков т в год.

Плутоний высокотоксичен; ПДК для ²³⁹Pu в открытых водоемах и в воздухе рабочих помещений составляет соотв. 81,4 и 3,3·10^-5Бк/л.

Впервые плутоний получили и идентифицировали в 1940 Г. Си-борг, Э. Макмиллан, Дж. Кеннеди и А. Валь.

Лит.: Плутоний. Справочник, под ред. О. Вика, пер. с англ., M., 1971; Громов Б. В., Савельева В. И., Шевченко В. Б., Химическая технология облученного ядерного топлива, M., 1983; Мефодьева M. П., Крот H. H., Соединения трансурановых элементов, M., 1987; Cleveland J. M., The chemistry of plutonium, N.Y., 1970. Б. Ф. Мясоедов.