Aktynowce

Tylko kilka pierwszych aktynowców występuje w przyrodzie, a jedynie tor i uran w większych ilościach. Mają one bardziej zróżnicowane właściwości niż ich odpowiedniki z okresu 5. - lantanowce.

Początkowo umieszczano tor w grupie 4., zaś uran w 6., co dość dobrze zgadzało się z ich cechami chemicznymi, a zwłaszcza z maksymalną wartościowością. Jednak gdy otrzymano kolejne pierwiastki położone poza uranem (transuranowce), stało się jasne, że tworzą one analogiczny do lantanowców szereg (końcowe aktynowce są już bardzo do nich podobne). Wszystkie to srebrzyste metale (kilku ostatnich nie otrzymano w ilościach umożliwiających ich dostrzeżenie), dość aktywne chemicznie. Największe zastosowanie, jak do tej pory, zdobyły tor, uran i sztucznie otrzymany pluton.

Pierwszym poznanym aktynowcem był uran. Stało się to w roku 1789, a odkrywca, niemiecki chemik M. Klaproth (otrzymał on także cyrkon i cer), nadał mu "imię" na cześć planety Uran, którą zaobserwowano zaledwie osiem lat wcześniej. Nic więc dziwnego, że następujące po nim pierwiastki nazwano, już w XX wieku, neptunem i plutonem (mimo niedawnej ?degradacji? Plutona, pierwiastek noszący jego imię jest najważniejszym z transuranowców). Chemicy na przełomie wieków XVIII i XIX często uwieczniali odkrywane ciała niebieskie w ?imionach? otrzymywanych pierwiastków - mamy również cer i pallad (od nazw planetoid). Wracając do uranu, okazało się, że odkryta przez Klaprotha substancja była jednym z jego tlenków, zaś czysty metal otrzymano dopiero po półwieczu. Pierwiastek ten sprawiał zresztą kłopoty także innym badaczom. Początkowo uważano go za trójwartościowy i dopiero Mendelejew ?podwoił? jego maksymalny stopień utlenienia i masę atomową.

W końcu XIX wieku H. Becquerel odkrył samorzutne promieniowanie soli uranowych, co dało początek fascynującej historii poznania budowy atomu, ale to opowieść znana zapewne wszystkim Czytelnikom. Najważniejszy minerał uranu to uraninit, którego odmianą jest blenda smolista (smółka uranowa), będąca jego tlenkiem. Co ciekawe, do lat 40.  XX wieku rudy uranu były eksploatowane prawie wyłącznie w celu wydobycia z nich radu (używanego do leczenia nowotworów), zaś sam uran był produktem ubocznym. Niewielkie zastosowanie miały jego związki używane do barwienia szkła i ceramiki. Obecnie nawet złoża o małej zawartości tego pierwiastka są intensywnie wykorzystywane, ale nie od dziś wiadomo, że zwykłe kryteria ekonomiczne nie stosują się do tak ważnego jak uran surowca strategicznego. Również w Polsce powstały projekty wznowienia wydobycia uranu w sudeckich kopalniach (czynnych do lat 70. ubiegłego wieku) oraz miejscach jego występowania w Górach Świętokrzyskich. Polskie złoża uranu odegrały także rolę na tragicznych kartach naszej historii - w latach 40. XX wieku więźniowie polityczni i przymusowi robotnicy wydobywali surowiec do produkcji radzieckich bomb atomowych. Drugi ze znaczących aktynowców, tor, odkrył w 1828 roku szwedzki chemik J. Berzelius (twórca stosowanej do dziś symboliki pierwiastków, otrzymał także cer i selen) i nadał mu imię na cześć skandynawskiego boga gromu. Występuje on w nielicznych minerałach, a na skalę przemysłową otrzymuje się go przez przeróbkę piasku monacytowego (mieszaniny fosforanów lantanowców), w którym występuje jako domieszka.

Dwutlenek toru jest stosowany jako odporny materiał ceramiczny do specjalnych zastosowań w przemyśle chemicznym oraz do wytwarzania koszulek żarowych do lamp gazowych (z dodatkiem ceru). Warto wspomnieć, że tor i uran to obecnie dwa najważniejsze pierwiastki mające udział w bilansie cieplnym Ziemi, ogrzewające jej wnętrze energią swoich rozpadów promieniotwórczych. Badając na przełomie wieku XIX i XX naturalne szeregi pierwiastków promieniotwórczych tworzone przez długożyciowe izotopy uranu i toru, odkryto następne aktynowce - aktyn i protaktyn, oba występujące w minimalnych ilościach. W połowie XX wieku okazało się, już po ich sztucznym otrzymaniu, że również neptun i pluton w śladowych ilościach są składnikami skorupy ziemskiej. Powstają one w wyniku wychwytu neutronów przez jądra uranu-238 i ciągu następujących po sobie rozpadów beta, które prowadzą do zwiększenia liczby atomowej. Przyszłość pokażą, wraz ze wzrostem czułości naszych przyrządów badawczych, czy i następne transuranowce obecne są na Ziemi. Mimo ich występowania w minerałach uranu, rudy tego pierwiastka nie są surowcem do otrzymywania aktynowców. Znacznie łatwiej można dokonać tego na drodze sztucznych przemian jądrowych w akceleratorach cząstek i reaktorach nuklearnych.

Transuranowce to dzieło amerykańskich fizyków i chemików dysponujących w połowie XX wieku najlepszymi akceleratorami i laboratoriami badawczymi, powstałymi przy okazji realizacji Projektu Manhattan - programu budowy bomby atomowej (pierwsze atomy pierwiastków 99 i 100 otrzymano w pozostałościach po próbnym wybuchu ładunku termojądrowego). Wraz ze zwiększaniem się liczby atomowej transuranowce stają się coraz mniej trwałe i coraz trudniej je uzyskać (końcowe aktynowce otrzymano zaledwie w liczbie pojedynczych atomów). Jednakże najważniejszy z nich, pluton, jest produkowany w ilości setek kilogramów w specjalnie do tego celu przystosowanych reaktorach. Jego właściwości chemiczne zostały dokładnie zbadane podczas prac nad bombą atomową i są obecnie znacznie lepiej znane niż wielu innych pospolitych pierwiastków.

Oprócz trzech wymienionych już metali, pozostałe aktynowce nie znalazły szerokich zastosowań. Używa się ich jako źródeł promieniowania, np. ameryku w czujnikach dymu. Najważniejszą rolą aktynowców jest wytwarzanie energii w sposób kontrolowany w reaktorze (głównie uran-235) lub niekontrolowany w broni jądrowej (tutaj zwykle pluton-239). Ponadto reaktorów używa się do produkcji różnych izotopów promieniotwórczych (wykorzystując powstający w nich strumień neutronów), wytwarzania materiałów rozszczepialnych (tor-232 i uran-238 przechodzą w nich w uran-233 i pluton-239, będące dobrymi paliwami jądrowymi), a ostatnio próbuje się je stosować do przeprowadzania syntez chemicznych zachodzących pod wpływem wydzielanej energii (tzw. reaktory chemonuklearne). Także przeróbka wypalonego paliwa jądrowego daje szereg cennych substancji promieniotwórczych oraz niepromieniotwórczych, np. drogie platynowce.

Osobnym zagadnieniem jest przygotowanie substancji rozszczepialnych dla reaktorów. Nie wszystkie izotopy aktynowców ulegają równie łatwo rozpadowi. Najważniejsze z nich to uran-235, uran-233 i pluton-239. Dwa ostatnie produkuje się w tzw. reaktorach powielających, ale pierwszy musi być wyizolowany z naturalnego uranu, w którym występuje w ilości niespełna jednego procenta. Operacja ta jest bardzo zaawansowana technologicznie (wykorzystuje się minimalne różnice mas izotopów uranu) i niewiele jest państw, które mogą ją przeprowadzić. Problemem pozostaje zagospodarowanie powstałego jako odpad uranu-238. Używa się go jako pojemników na silnie promieniotwórcze substancje (im większa liczba atomowa, tym silniej pochłaniane jest promieniowanie) oraz jako rdzeni pocisków (tu wykorzystuje się dużą gęstość uranu). To ostatnie zastosowanie wzbudza dużo kontrowersji, ponieważ prowadzi do zanieczyszczania środowiska materiałami promieniotwórczymi, np. w czasie wojny w Zatoce (1991). Przy tej okazji warto wspomnieć, iż to nie człowiek zbudował pierwszy reaktor na Ziemi. Okazało się, że przed ok. 2 mld lat działał naturalny reaktor w Oklo (Gabon), którego pracę umożliwiła specyficzna kombinacja czynników geologicznych w miejscu występowania rud uranu. Czyli "nihil novi sub sole"!

Najważniejszym osiągnięciem fizyki i chemii aktynowców, a szczególnie transuranowców, oprócz poznania tajemnic budowy atomu, jest opanowanie nowych technologii. Praca z silnie radioaktywnymi substancjami i operacje na (dosłownie) pojedynczych atomach wymusiły rozwój metod i przyrządów badawczych dostosowanych do takich działań. Wcześniejsze poznanie lantanowców i technik ich rozdzielania umożliwiło zbadanie równie podobnych do siebie transuranowców. Wszystko to procentuje już dzisiaj w rozmaitych dziedzinach biotechnologii, np. inżynierii genetycznej. Przy okazji autor pragnie zdemaskować pojawiające się w Internecie przepisy na "domową" produkcję bomby atomowej. Sam pluton jest silnie toksyczną substancją (wielokrotnie bardziej niż znane ze swych trujących właściwości cyjanki) i praca z nim bez odpowiedniego zabezpieczenia musi skończyć się tragicznie. Na szczęście nikt nie udostępni materiałów rozszczepialnych amatorom domowego eksperymentowania. Poznanie aktynowców pozwoliło znacznie poszerzyć naszą wiedzę o budowie materii; wszak wszystko zaczęło się od soli uranu. Także technologie ich przeróbki, początkowo okryte ścisłą wojskową tajemnicą, trafiły już ?pod strzechy? (na razie cywilnych laboratoriów i zakładów przemysłowych), podobnie jak stało się z wieloma z obecnych w naszych domach materiałami, opracowanymi dla potrzeb podboju kosmosu.

Aktynowce mogą stać się rozwiązaniem problemów energetycznych i ekologicznych naszej planety - elektrownia jądrowa emituje znacznie mniej zanieczyszczeń promieniotwórczych niż elektrownia węglowa o takiej samej mocy (uran i tor stanowią domieszki paliw kopalnych, a do tego należy dodać ogromne ilości tlenków węgla i siarki). Jednak przekonanie do nich wielu społeczeństw, w tym i naszego, napotyka wiele trudności. Jest w tej ostrożności trochę racji, bo nieumiejętne zastosowanie aktynowców (jak zresztą wielu innych substancji) stawia nas w roli ucznia czarnoksiężnika, wyzwalającego moce, nad którymi nie umiał zapanować...