Торий

Торий
← Актиний | Протактиний →
90 Ce ↑ Th ↓ (Ubb) Периодическая система элементов 90Th
Внешний вид простого вещества
Металлический торий
Свойства атома
Название, символ, номер	Торий / Thorium (Th), 90
Группа, период, блок	3 (устар. IIIB), 7, f-элемент
Атомная масса (молярная масса)	232,03806(2) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Rn] 6d27s2
Радиус атома	180 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	165 пм
Радиус иона	(+4e) 102 пм
Электроотрицательность	1,3 (шкала Полинга)
Степени окисления	+2, +3, +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 К (1754,85 °С)
Температура кипения	5060 К (4786,85 °С)
Мол. теплота плавления	16,11 кДж/моль
Мол. 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

90	Торий
Th 232,0377
6d27s2

То́рий (химический символ — Th, от лат. Thorium) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) седьмого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 90.

Относится к семейству актиноидов.

Простое вещество торий — тяжёлый слаборадиоактивный металл серебристого-белого цвета.

История

Впервые торий выделен Йёнсом Берцелиусом в 1828 году из минерала, позже получившего название торит (содержит силикат тория). Первооткрыватель назвал элемент в честь бога грома из скандинавской мифологии — Тора.

Нахождение в природе

Торий почти всегда содержится в минералах редкоземельных элементов, которые служат одним из источников его получения. Содержание тория в земной коре — 8—13 г/т, в морской воде — 0,05 мкг/л. В магматических породах содержание тория уменьшается от кислых (18 г/т) к основным (3 г/т). Значительное количество тория накапливается в связи с пегматитовыми и постмагматическими процессами, при этом его содержание увеличивается с повышением количества калия в породах. Основная форма нахождения тория в породах в виде основной составной части уран-ториевых, либо изоморфной примеси в акцессорных минералах. В постмагматических процессах в определённых благоприятных условиях (обогащённость растворов галогенами, щелочами и углекислотой) торий способен мигрировать в гидротермальных растворах и фиксироваться в скарновых уран-ториевых и гранат-диопсидовых ортитсодержащих месторождениях. Здесь главными минералами тория являются монацитовый песок и ферриторит. Накапливается торий также в некоторых грейзеновых месторождениях, где он концентрируется в ферриторите, либо образует минералы, содержащие титан, уран и др. Входит в состав, в виде примесей, наряду с ураном, в почти любые слюды, (флогопит, мусковит и др.) — породообразующих минералов гранита. Поэтому граниты некоторых месторождений ввиду слабой, но при длительном воздействии на человека опасной радиации запрещено использовать в качестве наполнителя для бетона при строительстве жилых зданий либо (в зависимости от удельной активности) для строительства производственных сооружений и даже для строительства дорог вне населённых пунктов.

Месторождения

Торий содержится в основном в 12 минералах.

Месторождения этих минералов известны в Австралии, Индии, Норвегии, США, Канаде, ЮАР, Бразилии, Пакистане, Малайзии, Шри-Ланке, Кыргызстане и других странах.

• 
  Монацит-(Ce)
• 
  Торианит
• 
  Умбозерит
• 
  Эвксенит
• 
  Эшинит-(Ce)
• 
  Виикит

Добыча

При получении тория торийсодержащие монацитовые концентраты подвергают вскрытию при помощи кислот или щелочей. Редкоземельные элементы извлекают экстракцией с трибутилфосфатом и сорбцией. Далее торий из смеси соединений металлов выделяют в виде диоксида, тетрахлорида или тетрафторида.

Металлический торий затем выделяют из галогенидов или оксида методом металлотермии (кальций-, магний- или натрийтермии) при 900—1000 °С:

${\ce {ThF4 + 2 Ca -> Th + 2 CaF2}}$

электролизом ThF₄ или KThF₅ в расплаве KF при 800 °С на графитовом аноде.

Цена тория уменьшилась до 73,37 USD/кг (2009), по сравнению с 96,55 USD/кг (2008).

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома тория: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶6d²7s².

Торий — серебристо-белый блестящий, мягкий, ковкий металл. Металл пирофорен, потому порошок тория рекомендуют хранить в керосине. На воздухе чистый металл медленно тускнеет и темнеет, при нагревании воспламеняется и горит ярко белым пламенем с образованием диоксида. Относительно медленно корродирует в холодной воде, в горячей воде скорость коррозии тория и сплавов на его основе очень высока.

До 1360 °C торий образует кристаллы кубической сингонии (гранецентрированная решётка), параметры ячейки a = 0,50842 нм (α-торий). Выше этой температуры (при 1360…1750 °C) устойчива модификация с кубической объёмно-центрированной решёткой с а = 0,411 нм (β-торий). Энтальпия перехода ΔH(α→β) = 3,5 кДж/моль.

При температуре 1,4 К торий проявляет сверхпроводящие свойства.

Температура плавления 1750 °C; температура кипения 4788 °C. Энтальпия плавления 19,2 кДж/моль, испарения 513,7 кДж/моль. Работа выхода электронов 3,51 эВ. Энергии ионизации M → M⁺, M⁺ → M²⁺, M²⁺ → M³⁺, M³⁺ → M⁴⁺ составляют 587, 1110, 1978 и 2780 кДж/моль соответственно.

Изотопы

Основная статья: Изотопы тория

На 2012 год известны 30 изотопов тория и ещё 3 возбуждённых метастабильных состояния некоторых его нуклидов.

Только один из нуклидов тория (торий-232) обладает достаточно большим периодом полураспада по отношению к возрасту Земли, поэтому практически весь природный торий состоит только из этого нуклида. Некоторые из его изотопов могут определяться в природных образцах в следовых количествах, так как входят в радиоактивные ряды радия, актиния и тория и имеют исторические, ныне устаревшие названия:

• радиоактиний ²²⁷Th,
• радиоторий ²²⁸Th,
• ионий ²³⁰Th,
• уран Y ²³¹Th,
• уран X1 ²³⁴Th.

Наиболее стабильными изотопами являются ²³²Th (период полураспада составляет 14,05 миллиарда лет), ²³⁰Th (75 380 лет), ²²⁹Th (7340 лет), ²²⁸Th (1,9116 года). Остальные изотопы имеют периоды полураспада менее 30 дней (большинство из них имеют периоды полураспада менее 10 минут).

Химические свойства

Торий относится к семейству актиноидов. Однако ввиду специфической конфигурации электронных оболочек торий напоминает по свойствам Ti, Zr, Hf.

Торий способен проявлять степени окисления +4, +3 и +2. Наиболее устойчива +4. Степени окисления +3 и +2 торий проявляет в галогенидах с Вr и I, полученных действием сильных восстановителей в твердой фазе. Ион Th⁴⁺ отличается сильной склонностью к гидролизу и образованию комплексных соединений.

Торий плохо растворяется в кислотах. Он растворим в концентрированных растворах НСl (6—12М) и HNO₃ (8—16М) в присутствии ионов фтора. Легко растворяется в царской водке. Не реагирует с едкими щелочами.

При нагреве взаимодействует с водородом, галогенами, серой, азотом, кремнием, алюминием и рядом других элементов. Например, в атмосфере водорода при 400—600 °С образует гидрид ThH₂.

Применение

Основная статья: Ториевая ядерная программа

Торий имеет ряд областей применения, в которых подчас играет незаменимую роль. Положение этого металла в Периодической системе элементов и структура ядра предопределили его применение в области мирного использования ядерной энергии.

Очищенный торий

Торий-232 — чётно-чётный изотоп (чётное число протонов и нейтронов), поэтому не способен делиться тепловыми нейтронами и быть ядерным горючим. Но при захвате теплового нейтрона ²³²Th превращается в ²³³U по схеме

${\ce {^{232}Th ->[^1n] ^{233}Th ->[\beta^-] ^{233}Pa ->[\beta^-] ^{233}U}}$

Уран-233 способен к делению подобно урану-235 и плутонию-239, что открывает более чем серьёзные перспективы для развития ядерной энергетики (уран-ториевый топливный цикл, реакторы на быстрых нейтронах, LFTR). В ядерной энергетике применяются карбид, оксид и фторид тория (в высокотемпературных жидкосолевых реакторах) совместно с соединениями урана и плутония и вспомогательными добавками.

Так как общие запасы тория в 3—4 раза превышают запасы урана в земной коре, то ядерная энергетика при использовании тория позволит на сотни лет полностью обеспечить энергопотребление человечества.

Кроме ядерной энергетики, торий в виде металла с успехом применяется в металлургии (легирование магния и др.), придавая сплаву повышенные эксплуатационные характеристики (сопротивление разрыву, жаропрочность). Отчасти торий в виде окиси применяется в производстве высокопрочных композиций как упрочнитель (для авиапромышленности). Оксид тория из-за его наивысшей температуры плавления из всех оксидов (3350 K) и неокисляемости идёт на производство наиболее ответственных конструкций и изделий, работающих в сверхмощных тепловых потоках, и может быть идеальным материалом для облицовки камер сгорания и газодинамических каналов для МГД-электростанций. Тигли, изготовленные из оксида тория, применяются при работах в области температур около 2500—3100 °C. Ранее оксид тория применялся для изготовления калильных сеток в газовых светильниках.

Торированные катоды прямого накала применяются в электронных лампах, а оксидно-ториевые — в магнетронах и мощных генераторных лампах. Добавка 0,8—1 % ThO₂ к вольфраму стабилизирует структуру нитей ламп накаливания. Ксеноновые дуговые лампы почти всегда имеют торированные катод и анод, поэтому незначительно радиоактивны. Оксид тория применяется как элемент сопротивления в высокотемпературных печах. Торий и его соединения широко применяют в составе катализаторов в органическом синтезе.

Оксид тория(IV) в 1930—1940-е годы использовался в медицине в составе рентгеноконтрастного препарата «Торотраст», затем его использование было прекращено из-за значительной канцерогенности. Также оксид тория в середине XX века применялся для изготовления ториевого стекла для линз некоторых оптических приборов и объективов фотоаппаратов (Canon Lens, Asahi Opt. Co. Japan, Yashica, Ernst Leitz, Olympus, Fuiji Photo Film Co., Tokyo Kogaku).

Биологическая роль

Торий постоянно присутствует в тканях растений и животных. Коэффициент накопления тория (то есть отношение его концентрации в организме к концентрации в окружающей среде) в морском планктоне — 1250, в донных водорослях — 10, в мягких тканях беспозвоночных — 50—300, рыб — 100. В пресноводных моллюсках его концентрация колеблется от 3⋅10⁻⁷ до 1⋅10⁻⁵ %, в морских животных от 3⋅10⁻⁷ до 3⋅10⁻⁶ %. Торий поглощается главным образом печенью и селезёнкой, а также костным мозгом, лимфатическими узлами и надпочечниками; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека среднесуточное поступление тория с продуктами питания и водой составляет 3 мкг; выводится из организма с мочой и калом (0,1 и 2,9 мкг соответственно). Торий малотоксичен, однако как природный радиоактивный элемент вносит свой вклад в естественный фон облучения организмов.

Ссылки

• Торий на Webelements
• Торий — статья из Большой советской энциклопедии. 
• Торий в Популярной библиотеке химических элементов
• Профессор И. Н. Бекман, ТОРИЙ, Курс лекций