Torium

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
AktiniumToriumProtaktinium
Ce

Th

-  
 
 
Th-TableImage.png
Yleistä
Nimi Torium
Tunnus Th
Järjestysluku 90
Luokka Aktinoidi
Lohko f-lohko
Ryhmä -
Jakso 7
Tiheys 11,724[1]×103 kg/m3
Kovuus 3,0 (Mohsin asteikko)
Väri hopeanvalkoinen
Löytövuosi, löytäjä 1828, Jöns Jacob Berzelius
Atomiominaisuudet
Atomipaino 232,0377(4) [2] amu
Atomisäde, mitattu (laskennallinen) 180 pm
Kovalenttisäde 206±6 pm
Orbitaalirakenne [ Rn] 6d27ss
Elektroneja elektronikuorilla 2, 8, 18, 32, 18, 10, 2
Hapetusluvut +I,+II,+III,+IV
Kiderakenne pintakeskinen kuutiollinen (face centered cubic, FCC)
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto kiinteä
Sulamispiste 2023 K (1750[3] °C)
Kiehumispiste 5061 K (4788 °C)
Höyrystymislämpö 514[4] kJ/mol
Sulamislämpö 13,81[5] kJ/mol
Äänen nopeus 2490 m/s 293,15 K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus 1,3 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti 0,118 kJ/kg K
Sähkönjohtavuus 6.7×106 S/m
Lämmönjohtavuus 54,0 W/(m×K)
CAS-numero 7440-29-1
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa

Torium on alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Th (lat. thorium) ja järjestysluku 90. Torium on radioaktiivinen aktinoidisarjan metalli ja uraanin lisäksi ainut selvästi radioaktiivinen alkuaine, jota esiintyy maankuoressa merkittäviä määriä. Lähes kaikki luonnon torium on sen pitkäikäisintä isotooppia torium-232 (232Th), jonka puoliintumisaika on 14,05 miljardia vuotta.

Toriumia on tutkittu käytettäväksi uraanille vaihtoehtoisena ydinpolttoaineena uudenlaisissa ydinreaktoreissa.

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ruotsalainen kemisti Jöns Jacob Berzelius löysi toriumin vuonna 1828 Morten Thrane Esmarkin löytämästä norjalaisesta toriittimineraalista. Berzelius nimesi alkuaineen skandinaavisen ukkosenjumala Thorin mukaan.[6][7] Aineella ei kuitenkaan ollut juuri mitään käyttöä, ennen kuin kaasulyhdyn hehkusukka keksittiin vuonna 1885.[8]

Berzelius ei eristänyt toriumia sen metallisessa muodossa; tämän tekivät ensimmäisinä vuonna 1914 D. Lely Jr. ja L. Hamburger. He valmistivat 99 % puhdasta toriummetallia pelkistämällä toriumkloridia natriumilla.[9] Yksinkertaisemman menetelmän, jolla lisäksi saavutettiin vielä puhtaampi lopputuote, keksivät 1927 Marden ja Rentschler. He pelkistivät toriumoksidia kalsiumilla kalsiumkloridin kanssa.[9]

Radioaktiivisuuden tutkimuksen varhaisvaiheissa muutamille toriumin isotoopeille annettiin omia nimiään: 227Th oli radioaktinium, 228Th:sta on käytetty nimeä radiotorium, 230Th:sta nimeä ionium, 231Th:sta nimeä uraani Y ja 234Th oli uraani X1.[10] Nämä nimet ovat kaikki vanhentuneita, paitsi ionium nimitystä käytetään edelleen merenpohjan sedimenttien ionium-torium iänmääritysmenetelmästä puhuttaessa.[11]

Esiintyminen ja yleisyys[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Toriumia
Monatsiittihiekkaa

Toriumia esiintyy luonnossa monatsiitti mineraalissa (Ce, La, Nd, Th)PO4, joka on tärkein toriumin malmimineraali. Monatsiittia esiintyy laajalti maapallolla, ja yksittäiset esiintymät voivat olla suuria. Monatsiitti ei reagoi kovin helposti kemiallisesti ja tämä tekee sen käsittelystä toriumin tuottamiseksi hankalaa.[12]

Muita toriumia sisältäviä mineraaleja ovat esimerkiksi brockiitti, cerianiitti, cheraliitti, ekaniitti, eukseniitti, grayiitti, huttoniitti, perrieriitti, torianiitti, toriitti, tshevkiniitti, ja zirkeliitti. Harvinainen torianiitti sisältää yleensä enintään 12 % toriumdioksidia ThO2. Koska ThO2:n ja uraanidioksidin UO2 rakenne on samanlainen, näitä aktinoidien oksideja esiintyy usein samoissa mineraaleissa vaihtelevin pitoisuuksin.[13][a] Myös mineraalin, josta torium ensiksi löydettiin, toriitin (ThSiO4) toriumpitoisuus voi olla korkea.[15]

Torium on yleisyydeltään noin lyijyn ja molybdeenin luokkaa[16] ja yleisempää kuin sitä paremmin tunnetut alkuaineet tina, vismutti, kadmium, elohopea tai hopea.[17] Se on noin 2-5 kertaa yleisempää maan kuoressa kuin luonnonuraani[18] ja noin 300-400 kertaa yleisempää kuin uraanin harvinaisempi 235U isotooppi. Maankuoressa toriumia on 5-20 μg/g.[19] Torium on jakautunut suhteellisen tasaisesti eri puolilla maapalloa. Merivedessä sitä on vain vähän, noin 6×10-4 μg/l, mikä on paljon vähemmän kuin uraanin pitoisuus merissä.[20]

Käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vanha toriumdioksinen kaasulyhdyn hehkusukka.
Toriumdioksidia sisältäviä linssejä. Vasemmanpuoleinen on kellastunut radioaktiivisuuden vaikutuksesta vuosien aikana.

Toriumia ja sen yhdisteitä, varsinkin toriumdioksidia, käytetään mm. seosmetalleina, kaasuvalaisinten hehkusukissa, erikoislaseissa, hehkulangoissa, elektroniikassa, katalysaattoreina ja kaasuja imevänä aineena tyhjiötekniikassa. Torium on uraanin ohella ainoita radioaktiivisia aineita, joilla on muita ominaisuuksia kuin radioaktiivisuutta hyödyntäviä sovellutuksia. Toriumin käyttö on kuitenkin merkittävästi vähentynyt nykyaikana johtuen radioaktiivisuuden aiheuttamista terveys- ja ympäristöhaitoista.[21]

Toriumdioksidin saostaminen lasiin parantaa sen taitekerroin ja vähentää dispersiota. Sovelluksissa ThO2 tunnetaan joskus myös englanninkielisellä nimellä thoria. Sitä käytetään myös joissain kuumuutta kestävissä laboratorioiden upokkaissa.[22]

Toriumvoimalat[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Toriumin hyödyntämistä ydinvoimaloissa uraanin sijasta on tutkittu jonkin verran. Sellaisenaan torium ei ole fissiili ja energiantuottamiseen vaadittavaa ydinketjureaktiota ei saavuteta, sillä toriumin hajotessa ei synny riittävästi vapaita neutroneja. Toriumista voidaan kuitenkin valmistaa neutronipommituksella 233U-isotooppia, joka puolestaan on fissiili ja ylläpitää ydinketjureaktiota.[6] Toriumia ei tarvitse kuitenkaan isotooppisesti rikastaa, kuten uraania, vaan sen käyttö perustuu ns. torium-ydinpolttoainekiertoon. Toriumin käyttöön ydinpolttoaineena vaaditaan hyötöreaktori (Breeder Reactor), joista eräs, ehkä tunnetuin alakategoria on sulasuolareaktori (MSR - Molten Salt Reactor).

Toriumin käyttöä ydinpolttoaineena on puolusteltu sen suurella polttoainehyötysuhteella sekä luonnollisella runsaudella, torium-ydinpolttoainekierrossa kaikki torium voitaisiin käyttää energiantuottoon (fissio), kun taas tyypillisessä 235U-uraanivoimalassa, ydinpolttoaineen sisältämästä noin 3-5 %-ista 235U:ttä energian tuottoon kuluu vain noin 60-70 %.lähde? Eli polttoaineesta energiantuottoon, riippuen reaktorityypistä, kuluu tavallisesti 0,5-1,5 %.lähde? Osa (20-30 %) 235U:stä ei osallistu reaktioon ja poistuu käytetyn polttoaineen mukana käyttämättömänä.lähde? 233U voidaan saostaa ei-fissiilin 238U:n joukkoon, jolloin toriumista tuotettua ydinpolttoainetta ei voi käyttää ydinaseen valmistamiseen[23].

Suurimpia toriumpolttoaineen haittoja on 233U:n valmistamisen teknologinen vaikeus ja tästä johtuva prosessin kalleus.[24]

Fysikaaliset ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Puhtaassa muodossaan torium on hopeinen, valkoinen metalli. Sitä voidaan muotoilla, venyttää, takoa ja saostaa muihin metalleihin.[25] Se säilyttää kiiltonsa useita kuukausia. Oksidoituessaan ilman vaikutuksesta se saa pinnalleen oksidikerroksen muuttaen samalla värinsä harmaaksi ja lopulta mustaksi.[9][26] Yli 130 asteen lämpötilassa hienojakoinen torium syttyy itsestään palamaan.[27] Toriumilla on kaikista aktinoideista korkein sulamispiste, 1750 °C mutta sen tiheys 11,724×103 kg/m3 on aktinoidisarjan toiseksi alhaisin, aktiniumin jälkeen.[28]

Toriumista tulee suprajohtavaa alle 1,368 K lämpötilassa.[29] Yhdisteistä toriumhydridi Th4H15 on suprajohtavaa alle 7,5–8 K lämpötilassa. Huoneenlämpötilassa se johtaa sähköä kuten metalli.[30] Torium on paramagneettista ja sen magneettinen suskeptibiliteetti huoneenlämmössä on 0,412×4π×10−9 m3/kg.[31]

Kemialliset ominaisuudet ja yhdisteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Valkoinen toriumdioksidi ThO2 on eniten tutkittu ja tärkein toriumin yhdiste. Pelkästään sitä käsitteleviä patentteja on myönnetty yli 430, joista 53 liittyy yhdisteen käyttämiseen katalyyttinä. Myös toriummonoksidin ThO olemassaolosta on viitteitä, vaikkakin metallisen toriumin pinnalle muodostuva musta oksidikerros on koostumukseltaan lähinnä ThO(OH,Cl)H, jossa torium esiintyy +IV hapetusluvulla.[32]

Toriumilla on halideja kaikkien halogeenien kanssa: toriumfluoridi ThF4, toriumbromidi ThBr4, toriumkloridi ThCl4 ja toriumjodidit ThI4, ThI3 ja ThI2.[33] Kaikki hapetusluvun +IV tetrahalidit ovat hygroskooppisia aineita, jotka liukenevat hyvin poolisiin liuottimiin kuten veteen. Myös oksyhalideja kuten ThOF2 ja ThOCl2 tunnetaan.[34]

Muita toriumyhdisteitä on mm. toriumnitraatti, toriumkarbidi ja toriumoksalaatti. Torium reagoi vedyn kanssa muodostaen hydridit ThH2 ja Th4H15.[35] Useita binäärisiä toriumin kalkogeenejä ja oksykalkogeenejä tunnetaan rikin, seleenin ja telluurin kanssa.[36]

Isotoopit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Toriumin kaikki isotoopit ovat radioaktiivisia. Luonnossa (lähes 100 %) esiintyvä 232Th-isotooppi on heikosti radioaktiivinen alfasäteilijä. Sen puoliintumisaika on yli 14 miljardia vuotta, mikä on enemmän kuin maapallon ikä ja hieman suurempi kuin arvioitu maailmankaikkeuden ikä. Muita toriumin isotooppeja esiintyy radioaktiivisissa mineraaleissa vain hivenmääriä, ja ne ovat syntyneet radioaktiivisten hajoamisten seurauksena, yleensä uraanin isotoopeista 235U ja 238U, sillä ne ovat näistä alkavien pitkien hajoamissarjojen välijäseniä. 232Th:sta alkava hajoamissarja tunnetaankin nimellä toriumsarja. 232Th alfahajoaa radioaktiiviseksi radium-228:ksi, jonka puoliintumisaika on 5,7 vuotta. Tämä hajoaa välijäsenten kuten toisen toriumisotoopin 228Th ja huoneilmastakin mahdollisesti löytyvän radon-220:n kautta pysyväksi lyijyn isotoopiksi. Toriumsarjan loppupään hajoaminen on nopeaa, koska kaikkien muiden kuin 228Ra:n ja 228Th:n yhteenlasketut puoliintumisajat ovat alle 5 päivää.[37][38]

Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi
209Th 3,8 ms α
210Th 9 ms α
211Th 37 ms α
212Th 30 ms α
213Th 140 ms α
214Th 100 ms α
215Th 1,2 s α
216Th 28 ms α
217Th 0,237 ms α
218Th 0,109 μs α
219Th 1,05 μs α
220Th 9,7 μs α
221Th 1,68 ms α
222Th 2,8 ms α
223Th 0,60 s α
224Th 1,05 s α
225Th 8,0 min α (~90 %)
EC (~10%)
Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi
226Th 30,57 min α
227Th 18,68 d α
228Th 1,9116 a α
229Th 7 340 a α
230Th 7,538 · 104 a α
231Th 25,52 h β
232Th 1,405 · 1010 a α
SF (1,1 · 10-9 %)
233Th 22,3 min β
234Th 24,10 d β
235Th 7,1 min β
236Th 37,5 min β
237Th 5,0 min β
238Th 9,4 min β

Lähde:[39][40]

EC = Elektronisieppaus
SF = Spontaani fissio
α = Alfahajoaminen
β+ = Beeta-plus-hajoaminen
β = Beeta-miinus-hajoaminen
IT = Isomeerinen transitio
m = Välitila tai virittynyt atomi

Eri toriumin isotoopin käyttäytyvät kemiallisesti identtisesti, mutta niiden fysikaaliset ominaisuuksissa on jonkin verran vaihtelua: Esimerkiksi isotooppisesti puhtaiden 228Th, 229Th, 230Th, ja 232Th tiheydet ovat 11,52, 11,58, 11,63, ja 11,73 g/cm3.[41] Isotoopin 229Th odotetaan olevan fissiili niin, että sen kriittinen massa olisi 2 839 kg, tosin teräksestä valmistettua neutroniheijastinta käytettäessä se putoaisi 994 kg:aan.[41] Vaikka 232Th ei ole fissiili, se on fertiili nuklidi, joka voidaan muuttaa fissiiliksi 233U:ksi neutronisieppauksella.[41]

Isotooppien atomimassat:

Isotooppi 227Th 228Th 229Th 230Th 231Th 232Th 234Th
Atomimassa, u 227,027703 228,028715 229,031755 230,033127 231,036298 232,038054 234,043593

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Huomautukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Nimi torianiitti viittaa mineraaliin jossa on 75–100 mol% ThO2:ta; uranotorianiitissa on 25–75 mol%; torium-uraniniitissa 15–25 mol%, ja uraniniitissa 0–15 mol% ThO2[14]

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Wickleder et al. s. 62
  2. Meija, Juris et al.: Atomic Weights of the Elements 2013 (IUPAC technical report). Pure and Applied Chemistry, 2016, 88. vsk, nro 3, s. 272-274. IUPAC. Artikkelin verkkoversio (pdf) Viitattu 12.12.2016. (englanniksi)
  3. Wickleder et al. s. 62
  4. Wickleder et al. s. 62
  5. Wickleder et al. s. 62
  6. a b Marko Hamilo: Torium sai nimensä sodan jumalalta Helsingin Sanomat 1.11.2005. Viitattu 14.7.2010.
  7. Henriksen, Petter: Morten Thrane Esmark Store norske leksikon. Oslo: Kunnskapsforlaget. Viitattu 20.11.2016. (norjaksi)
  8. Wickleder et al. s. 52
  9. a b c Meister, George: Production of Rarer Metals (pdf) Oak Ridge, Tennessee: United States Atomic Energy Commission. Viitattu 13.12.2016. (englanniksi)
  10. Wickleder et al. s. 52
  11. Rafferty, John P.: Geochronology, Dating, and Precambrian Time: The Beginning of the World As We Know It, The Geologic History of Earth, s. 150. The Rosen Publishing Group, 2010. ISBN 1-61530-125-9. Kirja Googlen teoshaussa. (englanniksi)
  12. Wickleder et al. s. 56
  13. Wickleder et al. s. 55-56
  14. Wickleder et al. s. 55
  15. Wickleder et al. s. 55
  16. Wickleder et al. s. 55
  17. Nagy s. 155 Viite Googlen teoshaussa
  18. Nagy s. 155
  19. Nagy s. 155
  20. Nagy s. 155
  21. Wickleder et al. s. 52-53
  22. Wickleder et al. s. 52
  23. Wickleder et al. s. 53
  24. Wickleder et al. s. 53
  25. Wickleder et al. s. 61-63
  26. Wickleder et al. s. 61-63
  27. Toriumin kansainvälinen kemikaalikortti Viitattu 12.12.2016.
  28. Wickleder et al. s. 61-62
  29. Nagy s. 132 Viite Googlen teoshaussa
  30. Wickleder et al. s. 64-66
  31. Wickleder et al. s. 61
  32. Wickleder et al. s. 70
  33. Wickleder et al. s. 78
  34. Wickleder et al. s. 80-81
  35. Wickleder et al. s. 64-66
  36. Wickleder et al. s. 95-97
  37. Wickleder et al. s. 53
  38. 232 Th decay chain Viitattu 10.11.2016. (englanniksi)
  39. Wickleder et al. s. 54-55
  40. Audi, G. et al.: The NUBASE2012 evaluation of nuclear properties. Chinese Physics C, 2012, 36. vsk, nro 12, s. 1157-1286. IOP Publishing. Artikkelin verkkoversio Viitattu 9.11.2016. (englanniksi)
  41. a b c Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport (pdf) Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire. Viitattu 13.12.2016. (englanniksi)

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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