Promieniotwórcze - część 1
Położenie w układzie okresowym sugeruje ich podobieństwo do lantanowców (i analogiczne do tych drugich, problemy z klasyfikacją), stąd też i formuła artykułu będzie podobna do zakończonego w ubiegłym miesiącu tekstu o metalach ziem rzadkich: kalendarium przeplatane wiadomościami współczesnymi. Pokrewieństwo obu rodzin nie jest jednak tak wielkie, jak mogłoby się wydawać, wręcz przeciwnie - aktynowce to zupełnie odrębny świat pierwiastków.
Kalendarium - nazwane na część bogów
1789. Sir William Herschel, pochodzący z Hanoweru muzyk, kompozytor, dyrygent i astronom pracujący w Anglii, w roku 1781 zaobserwował nową planetę w Układzie Słonecznym. Dla ciała niebieskiego przyjęła się nazwa Uran, logicznie wynikająca z greckiej mitologii: Uranos, władca nieba, był ojcem Kronosa (rzymskiego Saturna) i dziadkiem Zeusa, czyli Jowisza.
Nie lada intuicją wykazał się Martin Klaproth, gdy wydzielonemu przez siebie 8 lat później pierwiastkowi również nadał imię uran (1). W obu przypadkach okazało się, że odkrycia przyniosły przewrót w dotychczasowej wiedzy o świecie. Dzięki Uranowi Układ Słoneczny okazał się znacznie większy i bardziej złożony, niż dotychczas sądzili astronomowie (analiza zaburzeń ruchu planety spowodowała odkrycie Neptuna, a perturbacje orbity tego ostatniego - Plutona i obiektów leżących za nim), badania „promieni uranowych” doprowadziły zaś do opracowania współczesnego modelu budowy atomu i wyzwolenia energii tkwiącej w jego jądrze. Nowy pierwiastek znajdował się w analizowanej przez Klaprotha smółce uranowej, minerale pochodzącym z Rudaw, gór leżących na pograniczu dzisiejszych Czech i Niemiec, rejonie, w którym górnictwo kwitło od średniowiecza (od bogactwa cennych rud zwanych również Górami Kruszcowymi). Jednak dopiero po 50 latach okazało się, że Klaproth otrzymał jeden z licznych tlenków uranu, nie zaś sam metal (ten uzyskano dopiero w roku 1842) (2).
1828. Jeden z największych chemików I połowy XIX wieku, Jöns Jacob Berzelius, stał się odkrywcą drugiego z aktynowców. W roku 1815 szwedzki uczony analizował minerał gadolinit, znany ci z artykułu lantanowcach. Ogłosił odkrycie w nim nowej ziemi (tlenku metalu, jak wtedy mówiono), a zawartemu w niej metalowi nadał nazwę tor, od imienia skandynawskiego boga gromu - Thora. Berzelius wkrótce odwołał odkrycie, dochodząc do wniosku, że otrzymana substancja jest związkiem znanego już itru. Po 13 latach podjął się analizy innego minerału i również wydzielił z niego tlenek metalu. Tym razem był jednak pewny odkrycia, a nowemu pierwiastkowi ponownie nadał nazwę tor.
Długa przerwa
W historii odkrywania aktynowców następuje teraz długa, ponad 70-letnia przerwa. W tym czasie z torem i uranem niewiele się działo. Dymitr Mendelejew, tworząc tablicę układu okresowego, dokonał zmiany maksymalnej wartościowości uranu. Do tej pory uchodził on za metal trójwartościowy, ale Mendlejew doszedł do wniosku, że jego właściwości chemiczne najlepiej odpowiadają pierwiastkom z grupy szóstej (chrom, molibden i wolfram - wszystkie są sześciowartościowe). Podwoił więc maksymalną wartościowość uranu (a przy okazji jego ciężar atomowy) i uran stał się chromowcem. Z torem nie było kłopotów - mając maksymalną wartościowość wynoszącą IV, od razu dobrze pasował do grupy z tytanem i cyrkonem.
Zastosowania obu pierwiastków były marginalne. Związki uranu, jak przed wiekami, służyły do barwienia na zielonożółty kolor szkła i ceramiki (już Rzymianie stosowali je do tego celu) (3). Dwutlenek toru posłużył zaś do sporządzania siatek auerowskich do lamp gazowych (patrz artykuł o lantanowcach zakończony w ubiegłym miesiącu).
w zielonożółtym kolorze (Pixabay.com)
Kalendarium - u progu rewolucji w nauce
1899. W końcu XIX wieku uran zapoczątkował rewolucję w naszym rozumieniu budowy materii. Odkrycie „promieni uranowych” przez Bequerela (1896), a następnie badania nad promieniotwórczością podjęte przez Marię i Piotra Curie (od 1898) zaowocowały również identyfikacją następnych aktynowców. Państwo Curie próbowali rozdzielić smółkę uranową na frakcje. Swoje badania skoncentrowali na promieniotwórczych osadach zawierających rad i polon, roztworem pozostałym po oddzieleniu osadów zajął się natomiast ich przyjaciel - młody francuski chemik André-Louis Debierne. Radioaktywny składnik roztworu dawał się wytrącać razem z dodawanymi związkami lantanu, które służyły jako nośnik. Procedura taka jest często stosowana do wydzielania śladowych ilości substancji, która tworzy wspólne połączenia ze związkami innych pierwiastków o podobnych właściwościach. Debierne dowiódł, że jest to nowy pierwiastek i nadał mu nazwę aktyn w nawiązaniu do radu pani Curie (gr. aktinos i łac. radius oznaczają promień). Pierwszą dostrzegalną porcję nowego pierwiastka otrzymano dopiero w połowie ubiegłego wieku (4).
wydzielanymi cząstkami alfa (własność Oak Ridge National Laboratory)
1918. Kolejnym aktynowiec był odkrywany kilka razy. W roku 1913 Kazimierz Fajans i Otto Göhring zidentyfikowali w produktach rozpadu naturalnego uranu jego krótko żyjący izotop i nadali mu nazwę brevium (łac. brevis = krótki) (5). W roku 1918 dwie grupy uczonych (Lisa Meitner i Otto Hahn w Niemczech oraz Frederick Soddy i John Cranston w Wielkiej Brytanii) odkryły znacznie dużej żyjący izotop. Hahn dla nowego pierwiastka zaproponował nazwę protoaktyn (co z łaciny znaczy „przed aktynem”, ponieważ przekształca się on w aktyn). Nazwę skrócono i dzisiaj mamy protaktyn (przyjęła się druga nazwa, mimo stwierdzenia chemicznej identyczności brevium i protoaktynu).
współodkrywca protaktynu, sformułował wraz z F. Soddym prawo przesunięć
określające, jaki produkt powstanie w wyniku rozpadu promieniotwórczego
I tym razem chemicy nie mieli problemów z klasyfikacją żadnego z odkrytych metali. Podobny do lantanu aktyn trafił do grupy 3, natomiast pięciowartościowy protaktyn do 5.
Zasoby i produkcja
Zarówno uran, jak i tor należą do licznego grona pierwiastków, których zawartość w powierzchniowej warstwie Ziemi jest rzędu tysięcznych i dziesięciotysięcznych części procenta. Na liście rozpowszechnienia pierwiastków tor zajmuje 38. miejsce (jest go około dwukrotnie mniej niż ołowiu), a uran - 55. (cztery razy mniej niż toru, zawartość zbliżona do bromu i argonu). Aktyn i protaktyn to z kolei pierwiastki śladowe. Tona rudy uranu, najbogatszego ich źródła, zawiera zaledwie około 0,2 g protaktynu i tylko 0,2 mg aktynu.
Klaproth otrzymał uran z blendy smolistej (inna nazwa smółki uranowej). Popularność zielonego szkła uranowego w XIX wieku spowodowała rozwój kopalni uranu w czeskim Jachymowie, stamtąd też pochodziła ruda, w której Maria Skłodowska-Curie odkryła rad i polon (6). Inne przemysłowo eksploatowane minerały uranu to uraninit i karnotyt. Co ciekawe, do lat 40. XX wieku rudy uranu wydobywano prawie wyłącznie w celu otrzymania z nich radu (używanego do leczenia nowotworów) oraz uzyskiwania barwnika do szkła i ceramiki, sam uran był jedynie produktem ubocznym. Obecnie eksploatowane są nawet złoża o małej jego zawartości, ale zwykłe kryteria ekonomiczne nie stosują się do tak ważnego surowca strategicznego. Polskie kopalnie uranu w Sudetach (czynne do lat 70. ubiegłego wieku) zapisały ciemną kartę w naszej historii - w latach 40. więźniowie polityczni i przymusowi robotnicy wydobywali w nich rudę do produkcji sowieckich bomb atomowych. Tor tworzy niewiele własnych minerałów, a podstawowym surowcem jest piasek monacytowy zawierający, oprócz licznych lantanowców, do kilkunastu procent tego metalu.
w historii poznania budowy materii
Głównymi producentami uranu są Kazachstan, Kanada, Namibia i Australia, a toru - Indie. Poziom produkcji koncentratów uranu sięga 100 tys. ton, natomiast toru - kilku tysięcy (dane nie są łatwo dostępne, producenci, co zrozumiałe, nie chwalą się wynikami). O ile otrzymanie obu metali nie nastręcza większych problemów współczesnej technologii, o tyle separacja izotopów uranu to proces tak bardzo wymagający pod względem wyposażenia i know how, że tylko nieliczne państwa są go w stanie przeprowadzić. Wykorzystuje się w nim niewielkie różnice właściwości fizycznych sześciofluorku uranu tworzonego przez izotopy U-238 i U-235.
Główne zastosowanie uranu to energetyka i broń jądrowa (7). Zubożony uran (po oddzieleniu rozszczepialnego izotopu U-235) jest słabo promieniotwórczym metalem o dużej gęstości i w takiej postaci używany jako zamiennik ołowiu do konstrukcji pojemników na substancje radioaktywne i jako rdzenie pocisków przeciwpancernych. Tor stosuje się jako dodatek stopowy, ale i on stanowi przyszłościowe źródło energii. Aktyn i protaktyn nie mają praktycznych zastosowań. Ich wydzielanie z rud jest nieopłacalne ekonomicznie, na cele badań naukowych potrzebne ilości wytwarza się przez naświetlanie neutronami radu i toru w reaktorze jądrowym.
Na zdjęciu wnętrze reaktora z widocznymi prętami paliwowymi
Za miesiąc historia aktynowców dotrze do mrocznych lat ostatniej wojny światowej, podczas której pojawiły się pierwiastki nieznane do tej pory człowiekowi.
Opanowanie energii tkwiącej w jądrze atomu (energetyka i broń jądrowa) to jedno z największych osiągnięć technologii i nauki. Jednak i na tym polu człowiek musiał uznać pierwszeństwo przyrody. Przed około 2 miliardami lat zawartość rozszczepialnego izotopu U-235 w naturalnym uranie była znacznie większa niż obecnie (około 3,7% w porównaniu do dzisiejszych 0,72%). Powodem jest prawie 7-krotnie krótszy czas życia U-235 niż U-238, co sprawia, że lżejszy izotop zanika szybciej. W owym czasie na terenie dzisiejszego Gabonu w Afryce doszło do unikatowej kombinacji czynników: istnienia złoża wzbogaconej rudy uranu, dopływu wody jako moderatora neutronów i niskiej zawartości pierwiastków pochłaniających neutrony. Wszystko to spowodowało, że przez kilkaset tysięcy lat (!) w rejonie Oklo działał naturalny reaktor jądrowy. I do tego bezawaryjnie, a w dodatku sam się regulował - wzrost temperatury powodował wyparowanie wody, brak moderatora neutronów przerywał reakcję rozszczepienia, aż do ostygnięcia złoża i ponownego napływu wody.
O pasjonującej historii odkrycia reaktora Oklo, rodem jak z filmów o agencie 007, przeczytasz w numerze 6/2017 „Młodego Technika” (artykuł dostępny jest także na stronie internetowej miesięcznika https://tiny.pl/ccf8p).
Krzysztof Orliński
