Thoriumdioxid - Thorium dioxide

Thoriumdioxid
Fluorit-unit-cell-3D-ionic.png
Namen
IUPAC-Namen
Thoriumdioxid
Thorium(IV)-oxid
Andere Namen
Thoriumoxid
Thorium anhydrid
Bezeichner
3D-Modell ( JSmol )
ECHA-Infokarte 100.013.842 Bearbeite dies bei Wikidata
UNII
  • InChI=1S/2O.Th
  • O=[Th]=O
Eigenschaften
ThO 2
Molmasse 264.037 g/mol
Aussehen weißer Feststoff
Geruch geruchlos
Dichte 10,0 g / cm 3
Schmelzpunkt 3.350 °C (6.060 °F; 3.620 K)
Siedepunkt 4.400 °C (7.950 °F; 4.670 K)
unlöslich
Löslichkeit unlöslich in Alkali
schwach löslich in Säure
-16,0·10 -6  cm 3 /mol
2.200 (Thorianit)
Struktur
Fluorit (kubisch), cF12
FM 3 m, Nr. 225
a  = 559,74(6) pm
Tetraeder (O 2– ); kubisch (Th IV )
Thermochemie
65,2(2) JK −1  mol −1
Std
Bildungsenthalpie
f H 298 )
-1226(4) kJ/mol
Gefahren
NFPA 704 (Feuerdiamant)
2
0
0
Besondere Gefahr RA: Radioaktiv.  zB Plutonium
Flammpunkt Nicht brennbar
Letale Dosis oder Konzentration (LD, LC):
LD 50 ( mediane Dosis )
400 mg/kg
Verwandte Verbindungen
Andere Kationen
Hafnium(IV)-oxid
Cer(IV)-oxid
Verwandte Verbindungen
Protactinium(IV)-oxid
Uran(IV)-oxid
Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich die Daten auf Materialien im Standardzustand (bei 25 °C [77 °F], 100 kPa).
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Infobox-Referenzen

Thoriumdioxid (ThO 2 ), auch Thorium(IV)-oxid genannt , ist ein kristalliner Feststoff, oft weiß oder gelb. Auch als Thoria bekannt , wird es hauptsächlich als Nebenprodukt der Lanthanoid- und Uranproduktion hergestellt . Thorianit ist der Name der mineralogischen Form von Thoriumdioxid . Es ist mäßig selten und kristallisiert in einem isometrischen System. Der Schmelzpunkt von Thoriumoxid liegt bei 3300 °C – der höchste aller bekannten Oxide. Nur wenige Elemente (darunter Wolfram und Kohlenstoff ) und wenige Verbindungen (darunter Tantalcarbid ) haben höhere Schmelzpunkte. Alle Thoriumverbindungen sind radioaktiv, da es keine stabilen Isotope von Thorium gibt .

Struktur und Reaktionen

Thoria existiert als zwei Polymorphe. Einer hat eine Fluorit- Kristallstruktur. Dies ist bei binären Dioxiden ungewöhnlich . (Andere binäre Oxide mit Fluoritstruktur umfassen Cerdioxid , Urandioxid und Plutoniumdioxid .) Die Bandlücke von Thoriumoxid beträgt etwa 6  eV . Eine tetragonale Form der Thoria ist ebenfalls bekannt.

Thoriumdioxid ist stabiler als Thoriummonoxid (ThO). Nur bei sorgfältiger Kontrolle der Reaktionsbedingungen kann die Oxidation von Thoriummetall eher das Monoxid als das Dioxid ergeben. Bei extrem hohen Temperaturen kann das Dioxid entweder durch eine Disproportionierungsreaktion (Gleichgewicht mit flüssigem Thoriummetall) über 1.850 K (1.580 °C; 2.870 °F) oder durch einfache Dissoziation (Sauerstoffentwicklung) über 2.500 K (2.230 .) in das Monoxid umgewandelt werden °C; 4.040 °F).

Anwendungen

Kernbrennstoffe

Thoriumdioxid (Thoria) kann in Kernreaktoren als keramische Brennstoffpellets verwendet werden, die typischerweise in mit Zirkoniumlegierungen ummantelten Kernbrennstäben enthalten sind. Thorium ist nicht spaltbar (aber ist "fruchtbar" und brütet spaltbares Uran-233 unter Neutronenbeschuss); Daher muss es als Kernreaktorbrennstoff in Verbindung mit spaltbaren Isotopen von entweder Uran oder Plutonium verwendet werden. Dies kann erreicht werden, indem Thorium mit Uran oder Plutonium vermischt wird oder es in seiner reinen Form in Verbindung mit separaten Brennstäben verwendet wird, die Uran oder Plutonium enthalten. Thoriumdioxid bietet Vorteile gegenüber herkömmlichen Urandioxid-Brennstoffpellets aufgrund seiner höheren Wärmeleitfähigkeit (niedrigere Betriebstemperatur), deutlich höherem Schmelzpunkt und chemischer Stabilität (oxidiert nicht in Gegenwart von Wasser/Sauerstoff, im Gegensatz zu Urandioxid).

Thoriumdioxid kann in einen Kernbrennstoff umgewandelt werden, indem es zu Uran-233 gezüchtet wird (siehe unten und für weitere Informationen siehe den Artikel über Thorium ). Die hohe thermische Stabilität von Thoriumdioxid ermöglicht Anwendungen im Flammspritzen und in der Hochtemperaturkeramik.

Legierungen

Thoriumdioxid wird als Stabilisator in Wolframelektroden beim WIG-Schweißen , Elektronenröhren und Flugzeuggasturbinentriebwerken verwendet. Als Legierung lässt sich thoriertes Wolframmetall nicht leicht verformen, da das hochschmelzende Material Thoria die mechanischen Hochtemperatureigenschaften verbessert und Thorium die Emission von Elektronen ( Thermionen ) stimuliert . Es ist aufgrund seiner geringen Kosten das beliebteste Oxidadditiv, wird jedoch zugunsten nicht radioaktiver Elemente wie Cer , Lanthan und Zirkon abgeschafft .

In Thoria dispergiertes Nickel findet seine Anwendung in verschiedenen Hochtemperaturbetrieben wie Verbrennungsmotoren, da es ein gutes kriechbeständiges Material ist. Es kann auch zum Einfangen von Wasserstoff verwendet werden.

Katalyse

Thoriumdioxid hat als kommerzieller Katalysator fast keinen Wert, aber solche Anwendungen wurden gut untersucht. Es ist ein Katalysator in der Ruzicka-Großringsynthese . Andere Anwendungen , die erforscht wurden , umfassen das Cracken von Erdöl , die Umwandlung von Ammoniak in Salpetersäure und die Herstellung von Schwefelsäure .

Röntgenkontrastmittel

Thoriumdioxid war der Hauptbestandteil von Thorotrast , einem einst häufig verwendeten Röntgenkontrastmittel, das für die zerebrale Angiographie verwendet wird, es verursacht jedoch viele Jahre nach der Verabreichung eine seltene Form von Krebs (hepatisches Angiosarkom ). Diese Verwendung wurde durch injizierbares Jod oder eine einnehmbare Bariumsulfat-Suspension als Standard -Röntgenkontrastmittel ersetzt .

Lampenmäntel

Eine weitere wichtige Anwendung war in der Vergangenheit in Gasmantel von Laternen entwickelten Carl Auer von Welsbach - 1890, die aus 99 Prozent ThO zusammengesetzt sind , 2 und 1% Cer (IV) -oxid . Noch in den 1980er Jahren wurde geschätzt, dass etwa die Hälfte des gesamten produzierten ThO 2 (mehrere hundert Tonnen pro Jahr) für diesen Zweck verwendet wurde. Einige Mäntel verwenden noch Thorium, aber Yttriumoxid (oder manchmal Zirkoniumoxid ) wird zunehmend als Ersatz verwendet.

Glasherstellung

Drei Linsen von vergilbt bis transparent von links nach rechts
Vergilbte Thoriumdioxid-Linse (links), eine ähnliche Linse, die durch ultraviolette Strahlung teilweise entgilbt ist (Mitte) und Linse ohne Vergilbung (rechts)

Wenn es Glas hinzugefügt wird , hilft Thoriumdioxid, seinen Brechungsindex zu erhöhen und die Dispersion zu verringern . Dieses Glas findet Anwendung in hochwertigen Objektiven für Kameras und wissenschaftliche Instrumente. Die Strahlung dieser Linsen kann sie über einen Zeitraum von Jahren verdunkeln und vergilben und den Film angreifen, aber die Gesundheitsrisiken sind minimal. Vergilbte Linsen können durch längere Einwirkung von intensiver ultravioletter Strahlung in ihren ursprünglichen farblosen Zustand zurückversetzt werden. Thoriumdioxid wurde inzwischen in fast allen modernen hochbrechenden Gläsern durch Seltenerdoxide wie Lanthanoxid ersetzt , da sie ähnliche Wirkungen haben und nicht radioaktiv sind.

Verweise

Zitierte Quellen