Curium

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
AmerikiumCuriumBerkelium
Gd

Cm

-  
 
 
Cm-TableImage.png
Yleistä
Nimi Curium
Tunnus Cm
Järjestysluku 96
Luokka aktinoidi
Lohko f-lohko
Ryhmä -
Jakso 7
Tiheys 13,5×103 kg/m3
Väri hopeanvalkoinen
Löytövuosi, löytäjä 1944, Glenn T. Seaborg, R. A. James, L. O. Morgan ja A. Ghiorso
Atomiominaisuudet
Atomipaino 247,0703 amu
Atomisäde, mitattu (laskennallinen) 174,3 pm[1] pm
Orbitaalirakenne [Rn] 5f76d17s2
Elektroneja elektronikuorilla 2, 8, 18, 32, 25, 9, 2
Hapetusluvut +III, +IV
Kiderakenne heksagonaalinen tiivispakkaus
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto kiinteä
Sulamispiste 1613 K (1340 °C)
Kiehumispiste 3383 K (3110 °C)
Sulamislämpö 13,85 kJ/mol[2] kJ/mol
Muuta
Elektronegatiivisuus 1,3 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti luotettavaa dataa ei saatavissa kJ/kg K
Sähkönjohtavuus 1,25 µΩ·m S/m
CAS-numero 7440-51-9
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa
Pala metallista curiumia.

Curium on transuraaneihin ja aktinoideihin kuuluva keinotekoisesti valmistettu alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Cm (lat. curium) ja järjestysluku on 96. Curium on erittäin radioaktiivinen alkuaine, jolla ei ole pysyviä isotooppeja. Se on hopeanväristä, kovaa metallia, jonka tiheys on 13,5 g/cm3.[3] Sulamispiste on 1 340 °C ja kiehumispiste on 3 110 °C, mitkä ovat korkeita arvoja aktinoidille. Pysyvimmän isotoopin 247Cm puoliintumisaika on noin 15,6 miljoonaa vuotta.[4][5][6][7]

Curiumia voidaan tuottaa pommittamalla uraania tai plutoniumia neutroneilla ydinreaktoreissa. Yksi tonni käytettyä ydinpolttoainetta sisältää noin 20 grammaa curiumia. Luonnossa sitä ei tavata. Curiumia voidaan käyttää kannettavana energianlähteenä ydinparistona, koska sen radioaktiivisuus synnyttää lämpöä. Curiumilla toimivia ydinparistoja on käytetty navigaatiopoijuissa ja avaruustutkimuksessa. Curiumin avulla valmistettua plutoniumin 238Pu-isotooppia on käytetty jopa sydämentahdistimien voimanlähteenä.[8]

Curiumia valmistivat ensimmäisenä Glenn T. Seaborg, R.A. James, L.O. Morgan ja Albert Ghiorso vuonna 1944 pommittaessaan plutoniumin 239Pu-isotooppia alfahiukkasilla syklotronissa. Louis Werner ja Isadore Perlman valmistivat vuonna 1951 ensimmäisen kerran punnittavissa olevia määriä curiumia (40 µg epäpuhdasta 242Cm-oksidia). Samana vuonna onnistuttiin myös ensimmäisen kerran valmistamaan puhdasta metallista curiumia. Nimen curium sai Marie ja Pierre Curiesta. Vaikka curium löydettiin ennen sitä jaksollisessa järjestelmässä edeltävää amerikiumia, sen ominaisuuksista tiedetään edelleen vähemmän kuin amerikiumista. Curium on järjestysluvultaan suurin alkuaine, jota on voitu valmistaa grammamääriä.[8][9][10]

Fysikaaliset ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Curiumin α-muodon kiderakenne, heksagonaalinen tiivispakkaus.

Curium on kovaa, tiheää, taottavaa, kiiltävää metallia ja väriltään hopeanvalkoista. Sen sekä fysikaaliset että kemialliset ominaisuudet muistuttavat gadoliniumia. Curiumin sulamispiste 1 340 °C on huomattavasti korkeampi kuin sitä edeltävien transuraanien (neptunium 637 °C, plutonium 639 °C ja amerikium 1 173 °C), mutta lähellä gadoliniumin sulamispistettä 1 312 °C.[11] Curiumin kiehumispiste on 3 110 °C.[12] Curiumin tiheys on 13,5 g/cm3, mikä on huomattavasti vähemmän kuin neptuniumilla (20,45 g/cm3) ja plutoniumilla (19,8 g/cm3), mutta on suurempi kuin useimmilla muilla metalleilla.[13]

Curiumilla on kolme kiderakennetta, joista α-Cm on vakaampi huoneenlämpötilassa. Sen alkeiskoppi on heksagonaalinen tiivispakkaus (dhcp, avaruusryhmä P63/mmc, hilavakiot a = 349 pm ja c = 1133 pm[a]), joka on samanlainen kuin α-lantaanilla.[15] Paineen kasvaessa 23 GPa yli, edelleen huoneenlämpötilassa, α-Cm muuttuu β-Cm muodoksi. Tällä on pintakeskinen kuutiollinen symmetria (fcc, avaruusryhmä Fm3m) ja hilavakio a = 493 pm. Jos paine kasvaa yli 43 GPa, curium muuttuu ortorombiseksi γ-Cm (Im3m) rakenteeksi, joka on samanlainen kuin α-uraanilla. Muita rakenteenmuutoksia ei ole havaittu 52 GPa paineeseen saakka.[b][16]

Metallinen curium on paramagneettista ja noudattaa Curie–Weissin lakia 100 ja 550 K välillä, magneettisen momentin ollessa 8,07 mB. 244Cm-metallille Néelin lämpötila on 52-65 K. Neutronidiffraktiolla on saatu selville että α-Cm järjestyy antiferromagneettisesti alle 52 K lämpötiloissa. Toisilla menetelmillä on havaittu 248Cm:n muuttuvan antiferromagneettiseksi 65 K lämpötilassa, mutta kuitenkin niin että β-Cm muuttuu ferrimagneettiseksi lähellä 200 K.[17]

Metallinen curium saa ilmassa nopeasti pinnalleen oksidikerroksen, joka voi olla aluksi CmO-oksidia muuttuen Cm2O3 ja edelleen CmO2-oksidiksi lämpötilan kasvaessa. Curium-metalli on altista korroosiolle, johtuen radioaktiivisuuden aiheuttamasta itselämpeämisestä. Se liukenee useimpiin happoihin. Hienojakoinen curium on pyroforista.[18]

Curiumin resistiivisyys huoneenlämpötilassa on 1,25 µΩ·m, ja se kasvaa nopeasti lämpötilan noustessa.[19]

Kemialliset ominaisuudet ja yhdisteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Curiumionit esiintyvät liuoksissa lähes yksinomaan +III hapetusluvulla. +IV hapetusluvun yhdisteitä ovat vain muutamat kiinteät aineet kuten oksidi CmO2 ja fluoridi CmF4. Liuoksissa curium(IV) voi esiintyä vain erittäin hapettavissa olosuhteissa ja se pelkistyy helposti curium(III):ksi radiolyysillä tai jo pelkän veden vaikutuksesta. Liuoksissa curium(III)-ionit ovat värittömiä tai heikosti vihertäviä, kun taas +IV-ionit ovat kellertäviä. Kokeelliset havainnot suuremmista hapetusluvuista kuin +IV ovat hyvin vähäisiä. Curiumin kemiallinen käyttäytyminen poikkeaa toriumista ja uraanista, mutta muistuttaa amerikiumia ja useita lantanoideja. Sen läheisin lantanoidianalogi on gadolinium. Curium ionit ovat Lewisin happoja ja muodostavat ioniluonteisia sidoksia.[20][21]

Curium esiintyy usein oksideinaan. Mustaa curiumdioksidia CmO2 syntyy curiumin hapettuessa ilman vaikutuksesta. Valkoista Cm2O3 (sulamispiste 2270±25 °C) on valmistettu hajottamalla 244CmO2:ta 600 °C lämpötilassa ja alhaisessa paineessa.[22]

Curiumin halideista tunnetaan hapetusluvun +III yhdisteet CmF3, CmCl3, CmBr3 ja CmI3 sekä +IV hapetusluvun CmF4 ja useita muita monimutkaisempia fluorideja.[23]

Curiumhydridiä valmistettiin ensimmäisen kerran vuonna 1970 244Cm metallin reagoidessa vedyn kanssa 200–250 °C lämpötilassa.[24] Curium muodostaa binäärisiä yhdisteitä alkuaineiden N, P, As, ja Sb kanssa, kun nämä reagoivat curiumhydridin kanssa.[25] Myös curiumhydroksidi Cm(OH)3, curiumnitraatti Cm(NO3)3 ja kidevedellinen curiumoksalaatti Cm2(C2O4)3·10H2O tunnetaan.[26]

Metallista curiumia voidaan valmistaa pelkistämällä curiumfluoridia CmF3 bariumilla tai litiumilla yli 1300 °C lämpötilassa.[27]

Isotoopit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Curiumille tunnetaan ainakin 17 isotooppia, joiden massaluvut ovat 236-252 välillä. Kaikki ovat radioaktiivisia. Ainoastaan isotooppeja 242Cm, 244Cm, ja 248Cm voidaan tuottaa niin suuria määriä, että niitä voidaan käyttää kemian tutkimukseen. Lisäksi curiumilla on vähintään 7 isomeeria.[28][29]

Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi
236Cm 6,8 min β+ (82,2%) α (18,2%) SF (< 0.1%)
237Cm  ? (~2 min) β+, α
238Cm 2,3 h EC (<90%), α (>10%)
239Cm 2,9 h EC
240Cm 27 d (α), 1,9·106 a (SF) α, SF
241Cm 32,8 d EC (99,0%), α (1,0%)
242Cm 162,8 d (α), 7,0·106 a (SF) α, SF
243Cm 29,1 a α (99,76%), EC (0,24%)
244Cm 18,10 a (α), 2,3·107 a (SF) α, SF
245Cm 8500 a α
246Cm 4760 a (α), 1,8·107 a (SF) α, SF
247Cm 1,56·107 a α
247mCm 23,7 µs IT
248Cm 34800 a α (91,61%), SF (8,39%)
249Cm 64,15 min β-
249mCm 23 µs α
250Cm ~8300 a SF (~74%), α (~18%), β- (~8%)
251Cm 16,8 min β-
252Cm < 2 d β-

Lähde:[29][30]

Kriittinen massa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Curiumin isotoopeille on kirjallisuudessa esitetty varsin pieniä kriittisiä massoja:[31]

Isotooppi 242Cm 243Cm 244Cm 245Cm 246Cm 247Cm 248Cm 250Cm
kriittinen massa, kg 25 7,5 33 6,8 39 7 40,4 23,5

Taulukossa on curiumin isotooppien kriittisiä massoja pallomaiselle kappaleelle, ilman neutronimoderaattoria tai -heijastinta. Metallisella heijastimella (30 cm terästä), parittomien isotooppien kriittiset massat ovat noin 3–4 kg. Kun heijastimena on vesi (paksuus ~20–30 cm), kriittinen massa voi olla niinkin pieni kuin 59 grammaa 245Cm:lle, 155 grammaa 243Cm:lle ja 1550 grammaa 247Cm isotoopille.[31] Jos 245Cm ja 247Cm isotoopeilla on todellakin näin pieni kriittinen massa, niin niitä voitaisiin teoriassa käyttää kannettavissa ydinaseissa plutoniumin tai uraanin sijasta, mutta tälläisistä ei ole julkista tietoa saatavilla. 243Cm ei sovellu ydinaseeseen, johtuen lyhyestä puoliintumisajasta ja voimakkaasta α-säteilystä joka aiheuttaa ylikuumenemista. Näissä luvuissa on kuitenkin merkittävää epätarkkuutta. Kriittisten massojen virherajojen ollessa yleensä noin 20 %, joissakin tutkimuksissa on 242Cm ja 246Cm nuklidien kriittisiksi massoiksi arvioitu 371 kg ja 70,1 kg, vastaavasti.[32]

Käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Curiumin säteily on niin voimakasta, että metalli loistaa sen avulla purppuraisena pimeässä.
Mars Exploration Rover Spirit tutkimusmönkijän alfahiukkasröntgenspektrometri.

Vaikka curiumia voitaisiin teoriassa käyttää ydinpolttoaineena, käytännössä niin ei tehdä johtuen huonosta saatavuudesta ja korkeasta hinnasta. Curiumin isotooppeja 242Cm 244Cm on tutkittu käytettäviksi kannettavana energianlähteenä avaruustekniikassa ja lääketieteessä, koska ne voivat synnyttää lämpöenergiaa peräti 122 wattia (242Cm) ja 2,8 wattia (244Cm) grammaa kohti.[33] Isotooppi 243Cm jonka puoliintumisaika on noin 30 vuotta, voisi myös soveltua tähän, sillä se tuottaa lämpöä ~1,6 W/g, mutta sen hajoamistuotteet säteilevät voimakasta beeta- ja gammasäteilyä. Eniten lämpöä tuottavan 242Cm isotoopin haitta taas on korkea hinta, noin $2000 USD/g[34], minkä takia sitä ei ole tähän tarkoitukseen juurikaan käytetty. Vaikka 244Cm on α-säteilijä, se hajoaa myös spontaanilla fissiolla tuottaen suuren määrän neutroneita ja gammasäteilyä. Verrattuna 238Pu isotooppia käyttävään radioisotooppiseen termosähkögeneraattoriin, 244Cm emittoi 500 kertaisesti neutroneja ja sen gammasäteily vaatii 20 kertaa paksumman säteilysuojauksen (noin 2 tuumaa lyijyä 1 kW voimanlähteelle, verrattuna 0,1 tuumaa vastaavalle 238Pu-paristolle). Säteilyltä suojaaminen, sekä curiumin kalleus ja valmistamisen hankaluus rajoittavat sen käyttöä voimanlähteenä.[34]

Lupaavin sovellus 242Cm isotoopille on tuottaa siitä plutoniumin isotooppia 238Pu, joka soveltuu paremmin ydinparistoihin. 238Pu:ta on käytetty jopa sydämentahdistimien voimanlähteenä.[35] Curiumia pommittamalla voidaan tuottaa myös sitä raskaampia alkuaineita. Esimerkiksi törmäyttämällä 248Cm kohtiota hapella tai magnesiumilla voidaan tuottaa transaktinoidi seaborgiumin isotooppia (265Sg) tai hassiumia (269Hs ja 270Hs).[36]

Curiumia on käytetty alfahiukkasten lähteenä avaruusluotainten röntgenspektrometreissä ainakin Sojourner, Spirit, Opportunity ja Curiosity Mars-mönkijöissä ja komeetta 67P/Tšurjumov–Gerasimenkolle laskeutuneessa Philae-sondissa.[37]

Curium ympäristössä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Curiumia ei esiinny luonnossa, muuta kuin ihmisen toiminnan seurauksena. Maapallon syntyessä mahdollisesti olemassa ollut curium on jo hajonnut. Isotooppi 242Cm on merkittävä transuraani ydinaseen tai ydinonnettomuuden aiheuttamassa radioaktiivisessa laskeumassa. Koska sen puoliintumisaika on vain 163 päivää, se kuitenkin häviää jo muutamassa vuodessa. Tästä johtuen maapallolla ei ole enää tätä nuklidia ydinkokeiden tai Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden jäljiltä. Ydinlaskeumassa on myös pysyvämpää isotooppia 244Cm, mutta sen määrät ovat vähäisiä.[38]

Curiumia on käytetyssä ydinpolttoaineessa, jossa sen pitkäikäisemmät isotoopit 245Cm ja 246Cm (puoliintumisajat tuhansia vuosia) osaltaan vaikeuttavat ydinjätteen loppusijoitusta.[39]

Ympäristössä curium ei liukene juurikaan veteen, mutta kiinnittyy tiukasti maaperän hiukkasiin.[40]

Haitallisuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kaikki curiumin isotoopit, etenkin alfahajoavat isotoopit joiden puoliintumisaika on lyhyt, ovat vaarallisia organismeille elimistöön päästessään. 243Cm, 245Cm, 247Cm ja 250Cm on luokiteltu myös ulkoisesti vaarallisiksi ihmisille. Lisäksi jotkut curiumin hajoamistuotteet ovat vaarallisia korkean beeta- tai gammasäteilynsä vuoksi. Laboratoriossa kaikki makroskooppisten määrien käsittely tehdään aina eristetyssä kaapissa.[40]

Curiumia on helpompi saada elimistöön hengittämällä kuin suun kautta nautittuna, koska vain 0,05 % ruuan mukana tulleesta curiumista jää elimistöön. Noin 45 % curiumista, joka on päässyt verenkiertoon, kerääntyy maksaan, 45 % jää luihin ja lopuista 10 %:sta suurin osa poistuu ulosteen mukana. Biologinen puoliintumisaika luustossa on 50 vuotta, maksassa 20 vuotta. Elimistössä curium aiheuttaa syöpää.[40]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Lumetta, Gregg J. et al.: ”luku 9”, Curium, s. 1397-1443. Teoksessa: Morss, Lester R. et al. (toim.) The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements, 3. painos. Dordrecht: Springer, 2006. ISBN 1402035985. Teoksen verkkoversio (PDF). (englanniksi)
  • Lehto, Jukka & Hou, Xiaolin: Chemistry and Analysis of Radionuclides. Weinheim: Wiley-VCH, 2011. ISBN 978-3-5276-3302-9. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)

Huomautukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Nämä hilavakiot 244Cm isotoopille.[14]
  2. Näistä kolmesta curiumin rakenteesta käytetään joskus myös merkintöjä Cm I, II ja III.

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Lumetta et al. s. 1403
  2. Lumetta et al. s. 1403
  3. Lumetta et al. s. 1403, 1410
  4. Lumetta et al. s. 1399
  5. Curium Properties americanelements.com. Viitattu 3.11.2016. (englanniksi)
  6. Curium element facts Chemicool. Viitattu 3.11.2016. (englanniksi)
  7. Curium 3rd1000.com. Viitattu 3.11.2016. (englanniksi)
  8. a b Marko Hamilo: Marie Curie, aina ensimmäinen nainen Helsingin Sanomat 20.9.2005 (alkuainesarjan artikkeli curiumista). Viitattu 22.11.2015.
  9. Lumetta et al. s. 1397
  10. Werner, L. B. & Perlman, I.: First Isolation of Curium. Journal of the American Chemical Society, 1951, 73. vsk, nro 1. American Chemical Society. Artikkelin verkkoversio Viitattu 30.11.2016. (englanniksi)
  11. Lumetta et al. s. 1410
  12. Lumetta et al. s. 1411
  13. Lumetta et al. s. 1403, 1410
  14. Lumetta et al. s. 1410
  15. Lumetta et al. s. 1410
  16. Lumetta et al. s. 1410
  17. Lumetta et al. s. 1411
  18. Lumetta et al. s. 1412
  19. Schenkel R.: The electrical resistivity of 244Cm metal. Solid State Communications, 1977, 23. vsk, nro 6. Elsevier. Artikkelin verkkoversio Viitattu 8.11.2016. (englanniksi)
  20. Lumetta et al. s. 1416
  21. Lehto & Hou s. 304
  22. Lumetta et al. s. 1419-1421
  23. Lumetta et al. s. 1417
  24. Lumetta et al. s. 1416
  25. Lumetta et al. s. 1412
  26. Lumetta et al. s. 1421-1422
  27. Lumetta et al. s. 1411-1412
  28. Lumetta et al. s. 1398
  29. a b Audi, G. et al.: The NUBASE2012 evaluation of nuclear properties. Chinese Physics C, 2012, 36. vsk, nro 12. IOP Publishing. Artikkelin verkkoversio Viitattu 9.11.2016. (englanniksi)
  30. Lumetta et al. s. 1399
  31. a b Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport (pdf) Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire. Viitattu 25.11.2016. (englanniksi)
  32. Okundo, H. & Kawasaki, H.: Critical and Subcritical Mass Calculations of Curium-243 to −247 Based on JENDL-3.2 for Revision of ANSI/ANS-8.15. Journal of Nuclear Science and Technology, 2002, 39. vsk, nro 10. Artikkelin verkkoversio Viitattu 29.11.2016. (englanniksi)
  33. Lumetta et al. s. 1398
  34. a b G.L. Kulcinski: Basic elements of static RTGs (pdf) (NEEP 602 Course Notes, Nuclear Power in Space) 2000. University of Wisconsin Fusion Technology Institute. Viitattu 3.11.2016. (englanniksi)
  35. David Prutchi: Nuclear Pacemakers (pdf) prutchi.com. Viitattu 25.11.2016. (englanniksi)
  36. Holleman, Arnold F. & Wiberg, Nils (2007) Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. painos, de Gruyter, Berliini, ISBN 978-3-11-017770-1, s. 1980-1981
  37. Alpha Particle X-Ray Spectrometer (APXS) NASA. Viitattu 21.11.2016. (englanniksi)
  38. Lehto & Hou s. 303
  39. Lehto & Hou s. 303
  40. a b c Radiological and Chemical Fact Sheets to Support Health Risk Analyses for Contaminated Areas (pdf) maaliskuu 2007. Argonne National Laboratory. Viitattu 8.11.2016. (englanniksi)

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Curium.
Wikisanakirja
Wikisanakirjassa on tähän liittyvä sananselitys: curium.