Этот химический элемент признан альтернативой урану как ядерному топливу. У него много плюсов, поэтому именно на торий делают ставку стратеги, курирующие сферу энергобезопасности.
Что представляет собой
Торий как элемент представлен в таблице Менделеева под номером 90. Открывает группу актиноидов. Радиоактивен незначительно.
Это серебристо-белый мягкий блестящий металл.
По составу – три десятка изотопов. Только у одного (232) период полураспада – 13,9 млрд. лет – втрое превышает возраст Земли. Время распада остальных – часы или годы.
Почти 100% тория природного происхождения – мононуклид-232.
Международное обозначение элемента – Th, Thorium.
Как был открыт
К получению тория причастны ученые нескольких стран:
- Первые крупицы вещества получил гуру европейских химиков Йенс Берцелиус (первая треть 19 века). Образцом стал минерал с сульфатом тория в составе.
- Торий как металл выделил через полвека его коллега и соотечественник швед Ларс Нильсон.
- Радиоактивность элемента обнаружили (1898 год) полька Мария Склодовска-Кюри и немец Герберт Шмидт.
Первооткрыватель назвал вещество торием в честь верховного бога скандинавского пантеона Тора. Минерал стал торитом.
Анналы науки хранят имя человека, далекого от химии. 17-летний американец, житель Детройта, соорудил в пристройке к дому ядерный реактор. Ему удалось добыть радиоактивный элемент из сеток накаливания газовых светильников. Пресса окрестила его «радиоактивным бойскаутом», феномен – «случаем с Дэвидом Ханом».
Как представлен в природе
Торий содержат магматические породы, пегматиты, редкоземельные и другие минералы (12 наименований). Главные источники вещества – редкоземельные элементы и минерал монацит. Но отдельно не добывается, только с другими элементами.
Вместе с ураном входит примесью в граниты.
Тонна земной коры содержит 10,5 г тория, литр морской воды – 0,05 мкг.
Месторождения ториевых минералов есть на всех континентах.
Богатые залежи у Норвегии и Индии.
Российские ресурсы сосредоточены в основном за Уралом: Омская, Томская, Новосибирская, Мурманская области, Республика Тыва, Красноярский край, Саха-Якутия.
Физико-химические характеристики
Химический элемент торий – типичный актиноид:
- С трудом растворяется в кислотах. Легко – в царской водке (азотно-соляном кислотном концентрате).
- Устойчив к агрессивным щелочам.
- Реакция с газами, галогенами, серой, кремнием, другими элементами запускается при нагреве.
Оксид вещества не окисляется, самый тугоплавкий среди оксидов.
Металл более уязвим:
- На воздухе тускнеет, темнеет (постепенно).
- Коррозия определяется температурой: на влажном холоде замедленна, в горячей воде – молниеносна.
- Нагревшись, горит ярким белым пламенем.
Порошок легко воспламеняется, поэтому хранится притопленным в керосине.
- При минус 272°С элемент становится сверхпроводником.
Структура кристаллической решетки элемента меняется с кубической на центрированную по граням. Порог перехода – 1400°С.
Свойства атома | |
---|---|
Название, символ, номер | Торий / Thorium (Th), 90 |
Атомная масса (молярная масса) |
232,03806(2) а. е. м. (г/моль) |
Электронная конфигурация | [Rn] 6d2 7s2 |
Радиус атома | 180 пм |
Химические свойства | |
Ковалентный радиус | 165 пм |
Радиус иона | (+4e) 102 пм |
Электроотрицательность | 1,3 (шкала Полинга) |
Степени окисления | 4 |
Энергия ионизации (первый электрон) |
670,4 (6,95) кДж/моль (эВ) |
Термодинамические свойства простого вещества | |
Плотность (при н. у.) | 11,78 г/см³ |
Температура плавления | 2028 K |
Температура кипения | 5060 K |
Уд. теплота плавления | 16,11 кДж/моль |
Уд. теплота испарения | 513,7 кДж/моль |
Молярная теплоёмкость | 26,23 Дж/(K·моль) |
Молярный объём | 19,8 см³/моль |
Кристаллическая решётка простого вещества | |
Структура решётки | кубическая, гранецентрированая |
Параметры решётки | 5,080 Å |
Температура Дебая | 100,00 K |
Прочие характеристики | |
Теплопроводность | (300 K) (54,0) Вт/(м·К) |
Номер CAS | 7440-29-1 |
Торий причислен к тяжелым металлам: кубик с ребром 1 см весит 11,7 грамма.
Технология получения
Процесс получения вещества несложен:
- Монацитовую руду обогащают.
- На продукт воздействуют кислотами либо щелочами.
- Извлекают «редкие земли» – экстрагируя, затем сорбируя.
- Из конгломерата металлических соединений выделяют фторид, хлорид либо диоксид тория.
Металлическую форму вещества получают методом металлотермии. Процесс проходит с участием магния, кальция или натрия при 910-990°С.
Преимущества перед ураном
Торий рассматривают как альтернативу урана.
У элемента ряд преимуществ:
- Запасы втрое – вчетверо больше.
- Процесс безопаснее. Реактор, работающий на тории, лишен избыточной реактивности. Аварии типа Чернобыля или Фукусимы исключены.
- Новые порции топлива загружаются каждые 10 лет (а не полтора года, как у урана).
Нуклид-232 не делится. Но, прихватив нейтрон, превращается в уран-233 с делимым ядром. То есть в реакторе торий «оборачивается» топливом, пригодным для получения энергии. Реально отладить цикличность, при которой урана-233 на выходе получится больше, чем на входе.
Этим плотно занимаются США, Китай, Норвегия, Индия. Для России значение ториевой энергетики возрастает в связи с освоением Арктики.
Стоимость металла не превышает $100 за кг.
Где используется
Металл легко обрабатывать: он мягкий, ковкий, вязкий.
Несмотря на слабую радиоактивность, нашел применение как мирный атом и компонент продуктов других сфер.
Атомная промышленность
Главная сфера применения вещества – атомный сектор.
Облученный в реакторе ториевый изотоп-232, через цепочку реакций, превращается в уран-233. Он легче традиционных урана-235 и плутония, но работает не хуже.
Глобальные запасы тория втрое — вчетверо превышают урановый «резерв». Энергетика на его основе решит проблему безопасного использования атома.
Другие сферы
Металлический торий приносит пользу другим отраслям промышленности:
- Металлургия. Это лигатура, улучшающая параметры сплавов (повышение порога на разрыв, жаропрочность). Оксид вещества – печной элемент-резистор. Емкости из окиси тория применяются для работ при 2550-3150°C.
- Авиастроение. Окись тория – упрочняющий элемент композитов.
- Гидроэлектростанции. Оксид вещества используется для узлов и конструкций, функционирующих в экстремальных условиях. Им выкладывают изнутри камеры сгорания и газодинамические каналы.
- Синтез. Соединения, чистое вешество – составляющая катализаторов.
Катодами с веществом, оксидом снабжены источники света: магнетроны, электронные, ксеноновые дуговые, генераторные.
Один процент оксида тория «обездвиживает» структуру вольфрамовых нитей ламп накаливания.
Влияние на живые организмы
Малотоксичный торий присутствует в растениях, организме человека и животных.
Им богаты морская флора и фауна.
Человек получает ежесуточно 3 мкг вещества с пищей и водой. Они выводятся естественным путем.
«Накопители» вещества – селезенка, печень, лимфоузлы, костный мозг, надпочечники.
Негативное влияние на человека возможно при контакте с веществом.
Ограничения
Радиоактивность элемента незначительна, однако при долгом воздействии срабатывает «накопительный» эффект. Что представляет опасность для человека.
Поэтому гранит, используемый как строительный либо декоративный материал, проверяют. Материал с некоторых месторождений использовать запрещено.