Americium - Americium


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Americium,   95 Am
Americium microscope.jpg
Allgemeine Eigenschaften
Aussprache / ˌ æ m ɪ r ɪ s i ə m / ( AM -ə- RISS -ee-əm )
Aussehen Silbrig Weiß
Massenzahl 243 (stabilste Isotop)
Americium im Periodensystem
Wasserstoff Helium
Lithium Beryllium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Neon
Natrium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwefel Chlor Argon
Kalium Kalzium Scandium Titan Vanadium Chrom Mangan Eisen Kobalt Nickel Kupfer Zink Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypton
Rubidium Strontium Yttrium Zirkonium Niob Molybdän Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silber Cadmium Indium- Zinn Antimon Tellur Jod Xenon
Cäsium Barium Lanthanum Cer Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantalum Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platin Gold Quecksilber (Element) Thallium Führen Wismut Polonium Astat Radon
Francium Radium Aktinium Thorium Protaktinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium dubnium Seaborgium Bohrium Hassium meitnerium darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
Eu

Am

(uqe)
PlutoniumAmericiumCurium
Ordnungszahl ( Z ) 95
Gruppe Gruppe n / a
Zeitraum Zeitraum 7
Block f-Block
Element Kategorie   Aktiniden
Elektronenkonfiguration [ Rn ] 5f 7 7S 2
Elektronen pro Schale
2, 8, 18, 32, 25, 8, 2
Physikalische Eigenschaften
Phase bei  STP solide
Schmelzpunkt 1449  K (1176 ° C, 2149 ° F)
Siedepunkt 2880 K (2607 ° C, 4725 ° F) (berechnet)
Dichte (bei  RT ) 12 g / cm 3
Schmelzwärme 14.39  kJ / mol
Molare Wärmekapazität 62,7 J / (mol · K)
Dampfdruck
P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
bei  T  (K) 1239 1356
Atomic Eigenschaften
Oxidationszustände +2, +3 , +4, +5, +6, +7 (ein  amphoteres Oxid)
Elektronegativität Pauling-Skala: 1.3
Ionisationsenergien
  • 1. Platz: 578 kJ / mol
Atomradius empirische: 173  pm
Kovalenzradius 180 ± 06.00
Farblinien in einem Spektralbereich
Spektrallinien von Americium
andere Eigenschaften
Kristallstruktur Doppel hexagonal dicht gepackten (dhcp)
Doppel hexagonale dicht gepackten Kristallstruktur für Americium
Wärmeleitfähigkeit 10 W / (m · K)
Elektrischer widerstand 0,69 μΩ · m
magnetische Ordnung paramagnetischem
Magnetische Suszeptibilität + 1000,0 · 10 -6  cm 3 / mol
CAS-Nummer 7440-35-9
Geschichte
Benennung nach dem amerikanischen Kontinent
Entdeckung Glenn T. Seaborg , Ralph A. James , Leon O. Morgan , Albert Ghiorso (1944)
Haupt Isotope von Americium
Isotop Fülle Die Halbwertszeit ( t 1/2 ) Decay-Modus Produkt
241 Am syn 432,2 y SF -
α 237 Np
242 m1 Am syn 141 y ES 242 Am
α 238 Np
SF -
243 Am syn 7370 y SF -
α 239 Np
| Verweise

Americium ist ein synthetisches chemisches Element mit dem Symbol Am und die Ordnungszahl 95. Es ist radioaktiv und ein transuranic Mitglied der Aktiniden - Reihe, in dem Periodensystem unter dem lag Lanthanid Element Europium , und somit durch Analogie wurde nach dem genannten Americas .

Americium wurde erstmals 1944 von der Gruppe der produzierten Glenn T. Seaborg aus Berkeley, Kalifornien , am Metallurgical Laboratory der University of Chicago , einem Teil des Manhattan - Projekts . Obwohl es das dritte Element in der ist transuranic Serie wurde vierte, nach dem schwereren entdeckt Curium . Die Entdeckung wurde geheim gehalten und erst im November 1945. Die meisten Americium von für die Öffentlichkeit freigegeben produziert wird Uran oder Plutonium bombardiert mit Neutronen in Kernreaktoren - eine Tonne abgebrannter Kernbrennstoff etwa 100 Gramm Americium enthält. Es wird in kommerziellem weit verbreitet Ionisationskammer Rauchmeldern sowie in Neutronenquellen und Industrielehren. Mehrere ungewöhnlichen Anwendungen, wie Kern Batterien oder Treibstoff für Raumschiffe mit Atomantrieb, wurden für die vorgeschlagene Isotop 242m Am, aber sie sind noch behindert durch die Knappheit und hohen Preis dieses Kern Isomer .

Americium ist ein relativ weiches radioaktives Metall mit silbrigen Aussehen. Seine gemeinsame Isotope sind 241 Am und 243 Am. In chemischen Verbindungen, in der Regel davon ausgegangen , Americium die Oxidationsstufe +3, insbesondere in Lösungen. Mehrere andere Oxidationsstufen bekannt, die 2 bis 7 reichen und kann durch ihre charakteristischen identifiziert werden optische Absorptionsspektren. Das Kristallgitter der festen Americium und seine Verbindungen enthalten geringe intrinsische radiogenic Defekte aufgrund Metamikt durch Selbst Bestrahlung mit Alphateilchen induzierten, die mit der Zeit ansammelt; dies kann eine Drift von einigen Materialeigenschaften im Laufe der Zeit stärker bemerkbar bei älteren Proben führen.

Geschichte

Der 60-Zoll - Zyklotron am Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley , im August 1939.
Das Dreieck in der Glasröhre enthält die erste Probe von Americium (als Hydroxid (Am (OH) 3 )), im Jahr 1944 hergestellt.

Obwohl Americium wahrscheinlich in früheren Atomversuchen hergestellt wurde, wurde es zunächst absichtlich synthetisiert , isoliert und im Spätherbst 1944 an der identifizierten University of California, Berkeley , von Glenn T. Seaborg , Leon O. Morgan, Ralph A. James und Albert Ghiorso . Sie verwendeten einen 60-Zoll - Zyklotron an der University of California, Berkeley. Das Element wurde chemisch am Metallurgical Laboratory (jetzt identifiziert Argonne National Laboratory ) der University of Chicago . Im Anschluss an das leichtere Neptunium , Plutonium und schwerer Curium , Americium war das vierte Element Transuran- entdeckt zu werden. Zu der Zeit, das Periodensystem war durch Seaborg zu seinem gegenwärtigen Layout neu strukturiert wurde, enthält die Actiniden Zeile unterhalb der Lanthanid ein. Dies führte zu Americium direkt unter seinem Zwillings Lanthanidenelement Europium befindet; es war somit analog nach dem genannten Americas : „Der Name Americium (nach der Americas) und das Symbol Am sind für das Element auf der Basis seiner Position als sechstes Mitglied der Actiniden - Seltenerd-Reihe vorgeschlagen, analog zu Europium, Eu, der Lanthanidenreihe.“

Das neue Element wurde aus seinen isolierten Oxiden in einem komplexen, mehrstufigen Prozess. Erstes Plutonium -239 Nitrat ( 239 puno 3 ) -Lösung wurde auf einer beschichteten Platinfolie von etwa 0,5 cm 2 Fläche, die Lösung wurde eingedampft , und der Rückstand wurde in Plutoniumdioxid (PuO umgewandelt 2 ) durch Glühen. Nach Zyklotron - Bestrahlung wurde die Beschichtung mit gelösten Salpetersäure und dann ausgefällt als Hydroxid konzentrierte wässrige Verwendung Ammoniaklösung . Der Rückstand wurde in gelösten Perchlorsäure . Eine weitere Trennung wurde durchgeführt von Ionenaustausch , einen bestimmten Isotop Curium ergibt. Die Trennung von Curium und Americium war so mühsamer , dass diese Elemente zunächst von der Gruppe Berkeley genannt wurden als Pandämonium (aus dem Griechischen für alle Dämonen oder Hölle ) und Delirium (aus dem Lateinischen für Wahnsinn ).

Erste Experimente ergaben vier Americium Isotope: 241 Am, 242 Am, 239 Am und 238 Am. Americium-241 wurde direkt von Plutonium bei Absorption von zwei Neutronen erhalten. Es zerfällt durch Emission eines α-Teilchen zu 237 Np; die Halbwertszeit des Zerfalls wurde zuerst bestimmt 510 ± 20 Jahre , aber dann auf 432,2 Jahre korrigiert.

Die Zeiten sind Halbwerts

Das zweite Isotop 242 Am wurde auf Neutronenbeschuß des bereits erstellten produziert 241 Am. Bei schnellen β-Zerfall , 242 wandelt Am in das Isotop von Curium 242 cm (die zuvor entdeckt worden waren). Die Halbwertszeit dieses Zerfalls wurde zunächst auf 17 Stunden festgelegt, die den gegenwärtig akzeptierten Wert von 16.02 h nahe waren.

Die Entdeckung von Americium und Curium 1944 war eng mit dem im Zusammenhang Manhattan - Projekt ; die Ergebnisse waren vertraulich und deklassierten nur 1945 Seaborg die Synthese der Elemente 95 und 96 auf der US - Radio - Show für Kinder durchgesickert Quiz für Kinder fünf Tage vor der offiziellen Präsentation auf einer American Chemical Society Sitzung vom 11. November 1945, als einer der Zuhörer fragten , ob ein neues Element neben Transuran- Plutonium und Neptunium während des Krieges entdeckt worden war. Nach der Entdeckung von Americium - Isotope 241 Am und 242 Am, wurden ihre Herstellung und Verbindungen nur Seaborg als Erfinder Listing patentieren. Die anfängliche Americium Proben gewogen wenige Mikrogramm; sie waren kaum sichtbar und wurden durch ihre Radioaktivität identifiziert. Die erste wesentliche Mengen an metallischem Americium Wägung 40-200 Mikrogramm wurden nicht bis 1951 durch Reduktion hergestellt Americium (III) -fluorid mit Barium- Metall im Hochvakuum bei 1100 ° C.

Auftreten

Americium wurde in den Folgen aus der detektierten Ivy Mike Atomtest.

Die langlebigste und am häufigsten Isotope von Americium, 241 Am und 243 Am, haben Halbwertzeiten von 432,2 und 7.370 Jahre sind. Daher wird jedes ursprüngliches Americium (Americium , die auf der Erde während ihrer Bildung anwesend war) sollte inzwischen abgeklungen ist.

Bestehende Americium ist in den für die atmosphärischen genutzten Flächen konzentriert Kernwaffentests zwischen 1945 und 1980 sowie an den Standorten der Kern Vorfälle, wie die durchgeführten Katastrophe von Tschernobyl . Zum Beispiel kann die Analyse der Trümmer an der Teststelle der ersten US - Wasserstoffbombe , Ivy Mike (1. November 1952, Eniwetok ) zeigte hohe Konzentrationen an verschiedenen Aktiniden einschließlich Americium; aber wegen der militärischen Geheimhaltung dieses Ergebnis erst später veröffentlicht wurde, im Jahr 1956. Trinitit , der glasige Rückstand auf den Wüstenboden links in der Nähe von Gordo , New Mexico , nachdem das Plutonium basierender Trinity Atombombe Test am 16. Juli 1945 enthalten Spuren von Americium-241. Erhöhte Konzentrationen von Americium wurden auch auf der detektierten Absturzstelle eines US Boeing B-52 Bomber, die vier Wasserstoffbomben getragen wird , in 1968 in Grönland .

In anderen Bereichen ist die durchschnittliche Radioaktivität des Bodenoberfläche aufgrund von Rest Americium nur etwa 0,01  picocuries / g (0,37  mBq / g). Atmosphärische Americium Verbindungen sind schlecht löslich in üblichen Lösungsmitteln und meist auf Bodenteilchen haften. Soil - Analyse ergab etwa 1.900 - mal höhere Konzentration von Americium innerhalb Sand Bodenteilchen als im Wasser in der Bodenporen; ein noch höheres Verhältnis wurde gemessen Lehm Böden.

Americium wird in kleinen Mengen meist künstlich hergestellten, für Forschungszwecke. Eine Tonne abgebrannten Kernbrennstoff enthält etwa 100 Gramm verschiedenen Americium Isotope, meist 241 Am und 243 Am. Ihre verlängerte Radioaktivität ist nicht wünschenswert für die Entsorgung und damit Americium, zusammen mit anderen langlebigen Actiniden müssen neutralisiert werden. Das zugehörige Verfahren mehrere Schritte umfassen kann, wo Americium zuerst getrennt und dann durch Neutronenbeschuss in speziellen Reaktoren zu kurzlebigen Nuklide umgewandelt. Dieses Verfahren ist auch bekannt Kernumwandlung , aber es ist immer noch für Americium entwickelt. Die Transurane von Americium zu fermium aufgetreten natürlich in dem natürlichen Kernspaltungsreaktor bei Oklo , aber nicht mehr tun.

Synthese und Extraktion

Isotop nucleosyntheses

Chromatographisches Eluieren Kurven , die die Ähnlichkeit zwischen den Lanthaniden Tb, Gd und Eu und dem entsprechenden Actiniden Bk, cm, und Am offenbaren.

Americium wird in kleinen Mengen in produziert Kernreaktoren seit Jahrzehnten, und Kilogramm seiner 241 Am und 243 Am Isotope sind inzwischen angesammelt worden. Da sie erstmals im Jahr 1962 dennoch zum Verkauf angeboten wurden, sein Preis, etwa 1.500 USD pro Gramm 241 Am, bleibt fast unverändert in die sehr komplexen Trennverfahren zurückzuführen ist . Die schwerere Isotop 243 Am ist in vielen kleineren Mengen hergestellt werden ; es ist daher schwieriger zu trennen, zu höheren Kosten der 100,000-160,000 USD / g Ordnung führt.

Americium ist nicht direkt von Uran synthetisiert - das häufigste Reaktormaterial - aber aus dem Plutonium - Isotop 239 Pu. Letzteres muss zuerst hergestellt werden, gemäß dem folgenden Kernprozess:

Die Erfassung von zwei Neutronen von 239 Pu (eine so genannte (n, γ) -Reaktion), gefolgt von einem β-Zerfall führt zu 241 Am:

Das Plutonium in abgebranntem Kernbrennstoff enthält etwa 12% von 241 Pu. Weil es spontan umwandelt 241 Am, 241 können Pu extrahiert und verwendet werden können , weiter zu generieren 241 Am. Allerdings ist dieser Prozess sehr langsam: die Hälfte der ursprünglichen Menge von 241 Pu zerfällt zu 241 Am nach etwa 15 Jahren, und der 241 Am Menge erreicht ein Maximum nach 70 Jahren.

Die erhaltene 241 Am kann in einem Kernreaktor , zum Erzeugen von schwererem Isotopen Americium durch weiteren Neutroneneinfang verwendet werden. In einem Leichtwasserreaktor (LWR), 79% von 241 Am wandelt in 242 Am und 10% seiner nuklearen Isomer 242m Am:

Americium-242 hat eine Halbwertszeit von nur 16 Stunden, was ihre weitere Aufwärtswandlung zu macht 243 Am, extrem ineffizient. Letztere Isotop erzeugt wird, anstatt in einem Prozess , in dem 239 Pu vier Neutronen unter Hoch erfasst Neutronenfluß :

Metallerzeugung

Die meisten Syntheseroutinen liefern eine Mischung aus verschiedenen Actiniden - Isotopen in Oxidformen, von dem von Americium Isotope getrennt werden können. In einem typischen Verfahren wird der verbrauchte Reaktorbrennstoff (zB MOX - Brennstoff ) in gelöste Salpetersäure , und der Großteil von Uran und Plutonium wird eine Verwendung entfernt PUREX -Typs Extraktion ( P lutonium- UR anium EX Traktion) mit Tributylphosphat in einem Kohlenwasserstoff . Der Lanthaniden und Actiniden verbleibenden werden dann aus dem wässrigen Rückstand (getrennt Raffinat ) durch einen Diamid -basierte Extraktion, gereinigt, was nach Abziehen einer Mischung von dreiwertigen Actiniden und Lanthaniden. Americium Verbindungen werden dann selektiv Mehrschritt extrahiert unter Verwendung von chromatographischen und Zentrifugationstechniken mit einem geeigneten Reagens. Eine große Menge an Arbeit auf das geschehen Lösungsmittelextraktion von Americium. Zum Beispiel ist ein 2003 EU -funded Projekt mit Codenamen „EURO“ studierte Triazine und andere Verbindungen als potentielle Extraktionsmittel. A bis triazinyl Bipyridin - Komplex wurde 2009 als solches Reagenz ist hochselektiv an Americium (und Curium) vorgeschlagen. Trennung von Americium aus dem sehr ähnlich Curium kann durch Behandlung eine Aufschlämmung von ihren Hydroxide in wässrigen erreicht wird Natriumbicarbonat mit Ozon , bei erhöhten Temperaturen. Sowohl Am und Cm ist meistens in Lösungen in der Wertigkeitsstufe +3; während Curium bleibt unverändert, oxydiert Americium Am (IV) -Komplexe , die löslichen weggewaschen werden können.

Metallic Americium wird erhalten durch Reduktion von dessen Verbindungen. Americium (III) fluorid wurde erstmals für diesen Zweck verwendet. Die Reaktion wurde durchgeführt unter Verwendung von elementarem Barium als Agenten in einer wasser- und sauerstofffreien Umgebung innerhalb einer Vorrichtung aus Reduktions Tantal und Wolfram .

Eine Alternative ist die Reduktion von Americium dioxid durch metallisches Lanthan oder Thorium :

Physikalische Eigenschaften

Doppelt hexagonal dicht mit der Schichtfolge ABAC in der Kristallstruktur von α-Americium (A: Grün, B: Blau, C: red) Verpackung.

Im Periodensystem wird Americium rechts von Plutonium befindet sich links von Curium, und unter dem Lanthanid Europium , mit denen es viele Ähnlichkeiten in physikalischen und chemischen Eigenschaften teilt. Americium ist ein hoch radioaktives Element. Wenn frisch zubereitet, es hat eine silbrig-weißen metallischen Glanz, aber dann trübt sich langsam in Luft. Mit einer Dichte von 12 g / cm 3 , ist weniger dicht als Americium sowohl Curium (13.52 g / cm 3 ) und Plutonium (19,8 g / cm 3 ); hat aber eine höhere Dichte als Europium (5.264 g / cm 3 ) -meist wegen seiner höheren Atommasse. Americium ist relativ weich und leicht verformbar und hat einen deutlich niedrigeren Elastizitätsmodul als die Actiniden , bevor es: Th, Pa, U, Np und Pu. Sein Schmelzpunkt von 1173 ° C deutlich höher ist als die von Plutonium (639 ° C) und Europium (826 ° C), aber niedriger als bei Curium (1340 ° C).

Bei Umgebungsbedingungen ist Americium in seiner stabilsten Form , die eine α hat hexagonale Kristallsymmetrie und eine Raumgruppe P6 3 / mmc mit Gitterparametern a  = 346,8  pm und c  = 1124 pm, und vier Atom pro Einheitszelle . Der Kristall besteht aus einem doppelt hexagonal dichten Packung mit der Schichtfolge ABAC und so ist isotyp mit α-Lanthan und mehrere Aktiniden wie α-Curium. Die Kristallstruktur von Americium ändert sich mit dem Druck und der Temperatur. Wenn sie bei Raumtemperatur auf 5 GPa zusammengedrückt, α-Am transformiert mit dem β Modifikation, die eine hat kubisch-flächenzentrierten ( fcc ) Symmetrie, Fm Raumgruppe 3 m und Gitterkonstante a  = 489 pm. Diese fcc - Struktur entspricht der dichtesten Packung mit der Sequenz ABC. Bei der weiteren Verdichtung bis 23 GPa, transformiert Americium zu einer orthorhombischen γ-An Struktur ähnlich die von α-Uran. Es ist keine weiteren Übergänge zu 52 GPa beobachtet, mit Ausnahme von einem Auftreten von einer monoklinen Phase bei Drücken zwischen 10 und 15 GPa. Es gibt keine Übereinstimmung über den Status dieser Phase in der Literatur, die manchmal ist auch die α, β und γ - Phasen als I, II und III. Der β-γ Übergang wird durch eine 6% ige Abnahme der Kristallvolumen begleitet; obwohl Theorie für den α-β Übergang prognostiziert auch eine signifikante Volumenänderung, nicht experimentell beobachtet. Der Druck des α-β Übergang mit steigender Temperatur abnimmt, und wenn a-Americium bei Umgebungsdruck erhitzt, bei 770 ° C er eine verwandelt sich in fcc - Phase , die aus β-Am anders ist, und bei 1075 ° C wandelt es zu eine kubisch raumzentrierte Struktur. Das Druck-Temperatur - Phasendiagramm von Americium ist somit ziemlich ähnlich die von Lanthan, Praseodym und Neodym .

Wie bei vielen anderen Aktiniden, ist selbst Beschädigung des Kristallgitters aufgrund von Alpha-Teilchen - Bestrahlungs intrinsisch Americium. Es ist besonders bemerkenswert bei niedrigeren Temperaturen, bei denen die Beweglichkeit der erzeugten Defekte Gitter relativ gering ist, von der Verbreiterung Röntgenbeugungspeaks. Dieser Effekt macht etwas unsicher die Temperatur von Americium und einige seiner Eigenschaften, wie elektrischer Widerstand . Also für Americium-241, den Widerstand bei 4,2 K nimmt mit der Zeit von etwa 2 & mgr; Ohm · cm bis 10 & mgr; Ohm · cm nach 40 Stunden, und sättigt bei etwa 16 & mgr; Ohm · cm nach 140 Stunden. Dieser Effekt ist weniger ausgeprägt bei Raumtemperatur aufgrund der Vernichtung von Strahlenschäden; auch die Probe auf Raumtemperatur erwärmt , die für Stunden bei niedrigeren Temperaturen wieder seine Resistivität gehalten wurden. In frischen Proben steigt der Widerstand nach und nach mit der Temperatur von etwa 2 & mgr; Ohm · cm bei flüssigem Helium bis 69 & mgr; Ohm · cm bei Raumtemperatur; Dieses Verhalten ist ähnlich die von Neptunium, Uran, Thorium und Protactinium , ist aber von Plutonium und Curium , die bis zu 60 K , gefolgt von Sättigung eines schnellen Anstieg zeigen. Der Raumtemperaturwert für Americium ist geringer als die von Neptunium, Plutonium und Curium, aber höher als bei Uran, Thorium und Protactinium.

Americium ist paramagnetischem in einem weiten Temperaturbereich, von dem der von flüssigem Helium , auf Raumtemperatur und darüber. Dieses Verhalten von der ihrem Nachbarn Curium deutlich verschieden ist, der bei 52 K. antiferromagnetischen Übergang zeigt die thermische Ausdehnungskoeffizient von Americium leicht anisotrop ist und beläuft dich auf (7,5 ± 0,2) × 10 -6  / ° C entlang der kürzeren a - Achse und ( 6,2 ± 0,4) × 10 -6  / ° C für den länger c hexagonale Achse. Die Enthalpie der Auflösung von Americium Metall in Salzsäure bei Standardbedingungen ist -620,6 ± 1,3 kJ / mol , aus dem das Standard Enthalpieänderung der Bildungf H °) von wässrigen Am 3 + -Ion ist -621,2 ± 2,0 kJ / mol . Das Standardpotential Am 3+ / Am 0 ist -2,08 ± 0,01 V .

Chemische Eigenschaften

Americium - Ionen in der Lösung: Am 3+ (links) und Am 4+ (rechts). Am 3+ ist farblos bei niedriger und rötlich bei höheren Konzentrationen.

Americium reagiert leicht mit Sauerstoff und löst sich gut in Säuren . Die gebräuchlichste Oxidationsstufe für Americium ist +3, bei dem Americium Verbindungen sind relativ stabil gegenüber Oxidation und Reduktion. In diesem Sinne ist Americium zu den meisten Lanthaniden chemisch ähnlich. Die dreiwertige Americium Formen unlösliches Fluorid , Oxalat , Iodat , Hydroxid , Phosphat und andere Salz. Andere Oxidationsstufen wurden zwischen +2 und +7, beobachtet , die die breiteste Palette unter den Actinoiden ist. Ihre Farbe in wässrigen Lösungen variiert wie folgt: Am 3 + (farblos bis gelb-rötlichen), Am 4 + (gelb-rötlichen), Am V O +
2
; (gelb), Am VI O 2 +
2
(braun) und Am VII O 5-
6
(dunkelgrün). Alle Oxidationszustände haben ihre charakteristischen optischen Absorptionsspektren mit wenigen scharfen Peaks in den sichtbaren und mittleren Infrarotregionen, und die Position und die Intensität dieser Peaks können in die entsprechenden Konzentrationen der Oxidationsstufen überführt werden. Zum Beispiel, Am (III) zwei scharfen Peaks bei 504 und 811 nm, Am (V) bei 514 und 715 nm, und Am (VI) bei 666 und 992 nm.

Americium Verbindungen mit Oxidationszustand +4 und höher sind starke Oxidationsmittel, vergleichbar in der Stärke zu den Permanganat - Ionen ( MnO -
4
) in sauren Lösungen. Während die Am 4+ -Ionen in Lösungen instabil sind und leicht umwandeln bis Am 3 + , die Oxidationsstufe +4 tritt auch in Feststoffen, wie Americium dioxid (AmO 2 ) und Americium (IV) -fluorid (AMF 4 ).

Alle fünfwertigen und sechswertigen Americium Verbindungen sind -Komplexsalze wie Kamo 2 F 2 , Li 3 AmO 4 und Li 6 AmO 6 , Ba 3 AmO 6 , AmO 2 F 2 . Diese hohen Oxidationszuständen Am (IV), Am (V) und AM (VI) können von Am (III) durch Oxidation mit hergestellt werden Ammoniumpersulfat in verdünnten Salpetersäure, mit Silber (I) -oxid in Perchlorsäure , oder mit Ozon oder Natriumpersulfat in Natriumcarbonat - Lösungen. Der fünfwertigen Oxidationszustand von Americium wurde zuerst im Jahr 1951 beobachtet , in wässriger Lösung in Form vorliegt AmO +
2
-Ionen (sauer) oder AmO -
3
-Ionen (alkalisch) , das jedoch instabil und unterliegt mehrere schnell ist Disproportionierung Reaktionen:

Chemische Komponenten

Sauerstoffverbindungen

Drei Americium Oxide bekannt ist, mit den Oxidationsstufen +2 (AmO), +3 (Am 2 O 3 ) und +4 (AmO 2 ). Americium (II) -oxid wurde in winzigen Mengen hergestellt und wird nicht im Detail charakterisiert worden. Americium (III) -oxid ist ein rotbrauner Feststoff mit einem Schmelzpunkt von 2205 ° C. Americium (IV) -oxid ist die Hauptform von festen Americium , die in fast allen seinen Anwendungen verwendet wird. Wie die meisten anderen Actiniden - dioxide, ist es ein schwarzer Feststoff mit einer kubischen ( Fluorit ) Kristallstruktur.

Das Oxalat von Americium (III), unter Vakuum bei Raumtemperatur getrocknet, hat die chemische Formel Am 2 (C 2 O 4 ) 3 · 7H 2 O. Beim Erhitzen im Vakuum, verliert es Wasser bei 240 ° C und startet Zersetzen in AmO 2 bei 300 ° C, schließt die Zersetzung bei etwa 470 ° C. Die anfängliche Oxalat löst sich in Salpetersäure mit der maximalen Löslichkeit von 0,25 g / L.

Halide

Halide von Americium ist für die Oxidationsstufe +2, +3 und +4 bekannt, wo die drei am stabilsten ist, vor allem in Lösungen.

Oxidationszustand F Cl Br ich
4 Americium (IV) fluorid
AmF 4
blaßrosa
+3 Americium (III) fluorid
AmF 3
rosa
Americium (III) -chlorid
AmCl 3
rosa
Americium (III) bromid
AMBR 3
hellgelb
Americium (III) iodid
AmI 3
hellgelb
+2 Americium (II) -chlorid
AmCl 2
schwarz
Americium (II) Bromid
Ambr 2
schwarz
Americium (II) -iodid
AmI 2
schwarz

Reduktion von Am (III) -Verbindungen mit Natriumamalgam ergibt Am (II) salze - die schwarzen Halogeniden AmCl 2 , AMBR 2 und AMI 2 . Sie sind sehr empfindlich gegenüber Sauerstoff und Oxidation in Wasser, Wasserstoff freisetzende und zurück zum Am (III) -Zustand umzuwandeln. Spezielle Gitterkonstanten sind:

  • Orthorhombischen AmCl 2 : a = 896.3 ± 12.08 , b = 757,3 ± 12.08 und c = 453.2 ± 12.06
  • Tetragonalen AMBR 2 : a = 1 159 .2 ± 12.04 und c = 712.1 ± 12.03 . Sie können auch durch Umsetzen von metallischem Americium mit einem geeigneten Quecksilberhalogenid HgX hergestellt werden 2 , wobei X = Cl, Br oder I:

Americium (III) -fluorid (AMF 3 ) ist schlecht löslich und fällt bei der Reaktion von Am 3 + und Fluoridionen in schwach sauren Lösungen:

Die tetravalente Americium (IV) -fluorid (AMF 4 ) wird durch Umsetzung festes Americium (III) -fluorid mit molekularem erhalten Fluor :

Eine andere bekannte Form von festen vierwertigen Americium Chlorid ist KAmF 5 . Tetravalente Americium hat auch in der wässrigen Phase beobachtet. Zu diesem Zweck schwarz Am (OH) 4 wurde in 15- gelöst M NH 4 F mit der Americium - Konzentration von 0,01 M. Die resultierenden rötlichen Lösung hatte ein charakteristisches optisches Absorptionsspektrum , das die von AmF ähnlich 4 , aber aus anderen Oxidations unterschieden Staaten von Americium. Erhitzen die Am (IV) -Lösung auf 90 ° C führte nicht in seiner Disproportionierung oder Reduktion, jedoch eine langsame Reduktion Am beobachtet wurde (III) und zugeordnete Selbst Bestrahlung von Americium durch Alphateilchen.

Die meisten Americium (III) halogenide bilden hexagonalen Kristalle mit einem leichten Veränderung der Farbe und die genauen Struktur zwischen den Halogenen. So Chlorid (AmCl 3 ) ist rötlich und hat eine Struktur , isotyp zu Uran (III) -chlorid (Raumgruppe P6 3 / m) und den Schmelzpunkt von 715 ° C. Das Fluorid ist isotyp zu LaF 3 (Raumgruppe P6 3 / mmc) und das Iodid zu BiI 3 (Raumgruppe R 3 ). Das Bromid ist eine Ausnahme mit der orthorhombischen pUBR 3 -Typ - Struktur und die Raumgruppe Cmcm. Kristalle von Americium - Hexahydrat (AmCl 3 · 6H 2 O) , können durch Auflösen Americium dioxid in Salzsäure und Eindampfen der Flüssigkeit hergestellt werden. Diese Kristalle sind hygroskopisch und haben gelb-rötliche Farbe und eine monokliner Kristallstruktur.

Oxyhalogenide von Americium in Form Am VI O 2 X 2 , Am V O 2 X, Am IV OX 2 und Am III OX können durch Umsetzung des entsprechenden Americium Halogenids mit Sauerstoff oder Sb erhalten werden 2 O 3 , und AmOCl hergestellt werden können durch Dampfphasen - Hydrolyse :

Chalkogenide und Pnictiden

Die bekannten Chalkogenide von Americium sind die Sulfid AmS 2 , Selenide AMSE 2 und Am 3 Se 4 und Tellurien Am 2 Te 3 und AMTE 2 . Die Pnictiden von Americium ( 243 Am) des AMX - Typs sind für die Elemente bekannt , Phosphor , Arsen , Antimon und Bismut . Sie kristallisieren im Steinsalz Gitter.

Silicide und Boride

Americium Monosilizid (AmSi) und "Disilizid" (nominell AmSi x mit 1,87 <x <2,0) wurden durch Reduktion von Americium (III) -fluorid mit elementarem erhalten Silizium im Vakuum bei 1050 ° C (AmSi) und 1150 bis 1200 ° C ( AmSi x ). AmSi ist ein schwarzer Feststoff mit isomorphen Lasi, es hat eine orthorhombische Kristallsymmetrie. AmSi x hat einen hellen silbrigen Glanz und ein tetragonale Kristallgitter (Raumgruppe I 4 1 / amd), ist es isomorph Pusi 2 und ThSi 2 . Boriden von Americium umfassen AmB 4 und AmB 6 . Die tetraboride können durch Erhitzen ein Oxid oder Halogenid von Americium mit erhalten werden Magnesiumdiborid in Vakuum oder inerte Atmosphäre.

Organoamericium Verbindungen

Vorausgesagte Struktur des amerocene [(η 8 -C 8 H 8 ) 2 Am]

Analog zu Uranocen bildet Americium die Organometallverbindung amerocene mit zwei Cyclooctatetraen - Liganden, mit der chemischen Formel (η 8 -C 8 H 8 ) 2 Am. Ein Cyclopentadienylkomplex ist auch bekannt , die wahrscheinlich stöchiometrisch AMCP sein 3 .

Die Bildung der Komplexe des Typs Am (nC 3 H 7 -BTP) 3 , in dem BTP steht für 2,6-Di (1,2,4-triazin-3-yl) pyridin, in Lösungen mit nC 3 H 7 - BTP und Am 3+ -Ionen wurde durch bestätigt EXAFS . Einige dieser BTP-Typ - Komplexe interagieren selektiv mit Americium und sind daher nützlich bei der selektiven Trennung von Lanthaniden und Actiniden andere.

biologische Aspekte

Americium ist ein künstliches Element neueren Ursprungs und somit keine hat biologische Anforderung . Es ist schädlich für das Leben . Es wurde für Bakterien verwenden Entfernung von Americium und anderen vorgeschlagenen Schwermetallen aus Flüssen und Bächen. Somit Enterobacteriaceae der Gattung Citrobacter Americium - Ionen aus wässerigen Lösungen ausfallen, um sie in einen Metallphosphatkomplex auf ihren Zellwände zu binden. Mehrere Studien haben sich auf die berichtet Biosorption und Bioakkumulation von Americium durch Bakterien und Pilze.

Fission

Das Isotop 242m Am (Halbwertszeit 141 Jahre) hat die größte Querschnitte für die Absorption thermischer Neutronen (5.700 Scheunen ), dass die Ergebnisse in einer kleinen kritischen Masse für eine nachhaltige nukleare Kettenreaktion . Die kritische Masse für einen nackten 242m Am Kugel ist etwa 9-14 kg (die Unsicherheit ergibt sich aus einer unzureichenden Kenntnis seiner Materialeigenschaften). Es kann mit einem Metallreflektor auf 3-5 kg gesenkt werden und auch kleinere mit einem Wasser Reflektor werden soll. Derart kleine kritische Masse ist für tragbare günstige Kernwaffen , aber diejenigen auf Basis 242m Am sind noch nicht bekannt, wahrscheinlich wegen seiner Knappheit und hohen Preises. Die kritische Masse an zwei andere zur Verfügung stehender Isotope 241 Am und 243 Am, ist relativ hoch - 57,6-75,6 kg für 241 Am und 209 kg für 243 Am. Knappheit und hohe Preis noch behindern Anwendung von Americium als Kernbrennstoff in Kernreaktoren .

Es gibt Vorschläge von sehr kompakten 10-kW - Hochflussreaktoren weniger als 20 Gramm unter Verwendung von 242m Am. Eine solche Low-Power - Reaktoren würden relativ sicher sein , wie die Verwendung Neutronenquellen für Strahlentherapie in Krankenhäusern.

Isotopes

Über 19 Isotope und 8 Kern Isomere sind für Americium bekannt. Es gibt zwei langlebige Alpha-Strahler, 241 Am und 243 Am mit Halbwertzeit von 432,2 und 7370 Jahren sind, und das Kern Isomer 242m1 Am eine lange Halbwertszeit von 141 Jahren hat. Die Halbwertzeiten von anderen Isotopen und Isomere liegen im Bereich von 0,64 Mikrosekunden für 245m1 Am bis 50,8 Stunden für die 240 Am. Wie bei den meisten anderen Actiniden haben die Isotope von Americium mit ungeraden Anzahl von Neutronen relativ hohen Rate der Kernspaltung und niedriger kritischer Masse.

Americium-241 zerfällt zu 237 Np Alphateilchen emittierendes von 5 verschiedenen Energien, meist bei 5.486 MeV (85,2%) und 5.443 MeV (12,8%). Da viele der resultierenden Zustände metastabil sind, emittieren sie auch Gammastrahlen mit den diskreten Energien zwischen 26,3 und 158,5 keV.

Americium-242 ist eine kurzlebige Isotop mit einer Halbwertszeit von 16.02 h. Es meistens (82,7%) konvertiert durch β-Zerfall zu 242 cm, aber auch durch Elektroneneinfang bis 242 Pu (17,3%). Sowohl 242 Cm und 242 Pu über fast die gleiche Zerfallskette durch Transformation 238 Pu bis 234 U.

Fast alle (99,541%) von 242m1 Am zerfällt durch interne Umwandlung zu 242 Am und die verbleibenden 0,459% von α-Zerfall zu 238 Np. Letztere anschließend zerfällt zu 238 Pu und dann auf 234 U.

Americium-243 - Transformationen von α-Emission in 239 Np, die durch β-Zerfall wandelt 239 Pu, und die 239 Pu ändern in 235 U durch ein α-Teilchen emittieren.

Anwendungen

Außen- und Innenansicht eines Americium-basierten Rauchmelder

Ionisations-Rauchmelder

Americium ist die häufigste Art von Haushalts verwendet Rauchmelder , die verwendet 241 Am in der Form von Americium dioxid als Quelle von ionisierender Strahlung . Dieses Isotop wird über bevorzugt 226 Ra , weil es 5 - mal mehr Alpha - Teilchen emittiert , und relativ wenig schädliche Gammastrahlung. Element Sammler Theodore Gray erwähnt in seinem Buch The Element: Eine visuelle Exploration von jedem bekannten Atom im Universum :

Man könnte denken, dass ein synthetisches radioaktives Element, das Plutonium (94) -und eine wesentlich kürzere Halbwertszeit-wäre eine Art superbomb Material, nur für Wissenschaftler in geheimen Laboratorien folgt. Vielleicht ein verrückter Wissenschaftler ist irgendwo in einer Höhle Americium studieren, aber wenn Sie einige selbst möchten, können Sie einfach zu Fuß in jeder Nachbarschaft Baumarkt, Supermarkt, oder Wal-Mart und einige, keine Fragen gestellt kaufen.

Der Grund ist nicht , dass Americium ist grundsätzlich weniger gefährlich als die Elemente um ihn herum. In der Tat, das allgemein verfügbare Isotop 241 ist Am, deutlich mehr radioaktive als waffenfähiges Plutonium, und mindestens so giftig. Nein, das ist der Unterschied nur , dass es eine nützliche Anwendung für Americium , die nur eine sehr kleine Menge erfordert, und für die ein Unternehmen hergestellt wurde , durch die Anstrengung gehen müssen schnitzen und eine regulatorische Ausnahme zu erhalten.

Die Menge von Americium in einem typischen neuen Rauchmelders beträgt 1  Mikrocurie (37  kBq ) oder 0,29 & mgr ; g . Dieser Betrag sinkt langsam , wie das Americium zerfällt in Neptunium -237, ein anderes Element mit transuranic einer viel längeren Halbwertszeit (etwa 2.140.000 Jahre). Mit seiner Halbwertszeit von 432,2 Jahren umfasst das Americium in einem Rauchmelder etwa 3% Neptunium nach 19 Jahren, und etwa 5% nach 32 Jahren. Die Strahlung tritt durch eine Ionisationskammer , ein luftgefüllten Raum zwischen zwei Elektroden , und erlaubt einen kleinen, konstanten Strom zwischen den Elektroden. Jede Rauch, der in die Kammer absorbiert die Alphateilchen eintritt, die die Ionisierung reduziert und beeinflusst diesen Strom, Auslösen des Alarms. Im Vergleich zu dem alternativen optischen Rauchmelder, der Ionisationsrauchmelder ist billiger und kann Teilchen nachzuweisen , die zu klein sind , um signifikante Lichtstreuung zu erzeugen; jedoch ist es anfälliger für Fehlalarme .

Radionuklid

Als 241 Am eine etwa ähnlichen Halbwerts hat 238 Pu (432,2 Jahre vs. 87 Jahre), wurde als aktives Element der vorgeschlagenen Radionuklidbatterie , zum Beispiel in Raumschiff. Obwohl produziert Americium weniger Wärme und Strom - die Stromausbeute 114,7 mW / g ist 241 Am und 6,31 mW / g für 243 Am (vgl 390 mW / g für 238 Pu) - und seine Strahlung stellt mehr Bedrohung für die Menschen zu Neutron wegen Emission, die Europäische Weltraumagentur erwägt Americium für seine Raumsonden verwendet.

Eine weitere vorgeschlagene raumbezogene Anwendung von Americium ist ein Treibstoff für Raumschiffe mit Atomantrieb. Es stützt sich auf die sehr hohe Rate der Kernspaltung von 242m Am, die auch in einem Mikrometer dicke Folie gehalten werden können. Kleine Dicke vermeidet das Problem der Selbstabsorption der emittierten Strahlung. Dieses Problem ist relevant für Uran oder Plutonium Stäbe, bei dem nur Schichten Oberfläche alpha-Teilchen bereitzustellen. Die Spaltprodukte von 242m Am können entweder direkt das Raumschiff treiben oder sie können ein Stoßen Gas heizen. Sie können auch ihre Energie auf eine Flüssigkeit übertragen und Strom durch einen erzeugen magneto Generator .

Ein weiterer Vorschlag, den die hohe Kernspaltung Rate von nutzt 242m Am ist eine Kernbatterie. Sein Design beruht nicht auf der Energie des von Americium Alphateilchen, sondern auf ihrer Ladung, das heißt , die Americium wirkt als selbsterhaltende „Kathode“. Eine einzelne 3,2 kg 242m An Ladung solchen Batterie könnte etwa 140 kW Leistung über einen Zeitraum von 80 Tagen zur Verfügung stellen. Selbst mit all den möglichen Vorteilen, die aktuellen Anwendungen von 242m sind Am noch durch die Knappheit und der hohe Preis dieser besonderen gehinderten Kern Isomer .

Neutronenquelle

Das Oxid von 241 Am mit gedrückt Beryllium ist eine effiziente Neutronenquelle . Hier Americium wirkt als die Alpha - Quelle, und Beryllium erzeugt Neutronen zu seinem großen Querschnitt wegen der (α, n) Kernreaktion:

Die am weitesten verbreitete Verwendung von 241 AMBE Neutronenquellen ist eine Neutronensonde - eine Vorrichtung verwendet , um die Menge der vorhandenen Wasser im Boden zu messen, sowie Feuchtigkeits- / Dichte für die Qualitätskontrolle im Straßenbau. 241 Am Neutronenquellen wird auch Anwendungen in Bohrlochmessungen sowie in Neutronenradiographie , Tomographie und anderen radiochemische Untersuchungen.

Die Produktion von anderen Elementen

Americium ist ein Ausgangsmaterial für die Herstellung von anderen Transurane und Transactinoide - beispielsweise 82,7% der 242 Am abklingt bis 242 cm und 17,3% bis 242 Pu. Im Kernreaktor 242 ist auch Am aufwärtsgewandelte durch Neutroneneinfang bis 243 Am und 244 Am, die durch β-Zerfall zu verwandelt 244 Cm:

Die Bestrahlung von 241 AM von 12 C oder 22 Ne - Ionen ergibt den Isotopen 247 Es ( einsteinium ) oder 260 dB ( dubnium ), respectively. Des Weiteren ist das Element berkelium ( 243 hatte Bk - Isotop) zunächst absichtlich erzeugt und durch Beschuß identifiziert 241 Am mit Alphateilchen, 1949, von der gleichen Gruppe Berkeley, die gleiche 60-Zoll - Zyklotron verwendet wird . In ähnlicher Weise nobelium wurde am produziert Joint Institute for Nuclear Research , Dubna in mehreren Reaktionen im Jahr 1965, Russland, von denen eine Bestrahlung enthielten 243 mit Am 15 N - Ionen. Neben einem der Synthesereaktionen für lawrencium , die von Wissenschaftlern in Berkeley und Dubna entdeckt, inklusive Bombardement von 243 Am mit 18 O.

Spektrometer

Americium-241 wurde als eine tragbare Quelle von Gammastrahlen und Alphapartikel für eine Reihe von medizinischen und industriellen Anwendungen eingesetzt. Die 59,5409 keV Gammastrahlen - Emissionen von 241 Am in solchen Quellen können für die indirekte Analyse von Materialien verwendet werden , in der Radiographie und Röntgenfluoreszenzspektroskopie, sowie für die Qualitätskontrolle in festem Kerndichtemesser und Kern densometers . Zum Beispiel wurde das Element eingesetzt abzumessen Glasdicke zu schaffen Flachglas zu helfen. Americium-241 eignet sich auch zur Kalibrierung von Gammastrahlen-Spektrometer im Niedrigenergiebereich, da das Spektrum nahezu ein einzelner Peak und vernachlässigbare Compton - Kontinuum besteht (mindestens drei Größenordnungen geringer Intensität). Americium-241 Gammastrahlen wurden auch passive Diagnose von Schilddrüsenfunktion verwendet , zur Verfügung zu stellen. Diese medizinische Anwendung ist jedoch veraltet.

Gesundheitliche Bedenken

Als hoch radioaktives Element, Americium und seine Verbindungen dürfen nur in einem geeigneten Labor unter besonderen Regelungen behandelt werden. Obwohl die meisten überwiegend Americium Isotopen Alphateilchen emittieren, die durch dünne Schichten aus üblichen Materialien blockiert werden kann, die eine Tiefe lange Durchdringung haben viele der Tochterprodukte emittieren Gammastrahlen und Neutronen.

Wenn verbraucht, wird der größte Teil der Americium innerhalb weniger Tage ausgeschieden, mit nur 0,05% in das Blut aufgenommen, von denen rund 45% auf die geht Leber und 45% auf die Knochen, und die restlichen 10% ausgeschieden wird. Die Aufnahme in die Leber hängt von der individuellen und steigt mit zunehmendem Alter. In den Knochen wird zuerst über Americium abgelagerten kortikalen und trabekulären Oberflächen und umverteilt langsam über den Knochen mit der Zeit. Die biologische Halbwertszeit von 241 Am ist 50 Jahre in den Knochen und 20 Jahre in der Leber, während in den Gonaden (Hoden und Eierstöcke) dauerhaft bleiben; in all diesen Organen, fördert Americium Bildung von Krebszellen als Folge seiner Radioaktivität.

Americium tritt oft Deponien aus ausrangierten Rauchmeldern . Die Regeln im Zusammenhang mit dem Abgang von Rauchmeldern sind entspannt in den meisten Ländern. Im Jahr 1994, 17-jährige David Hahn extrahierte das Americium von etwa 100 Rauchmelder in einem Versuch , einen Züchter Kernreaktor zu bauen. Es gab einige Fälle der Exposition gegenüber Americium gewesen, Fall das Schlimmste des Seins , chemischen Operationen Techniker Harold McCluskey , der im Alter von 64 bis 500 - fache der Berufs Standard ausgesetzt wurde für Americium-241 als Folge einer Explosion in seinem Labor . McCluskey starb im Alter von 75 der unabhängigen bereits bestehenden Erkrankung.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Literaturverzeichnis

Weiterführende Literatur

Externe Links