Каталог статей /

Плутоний :: Свойства

Плутоний · История · Свойства · Нахождение в природе · Изотопы · Сплавы · Меры предосторожности · Методы отделения · Применение · Цены на плутоний · Плутоний в художественных произведениях · Близкие статьи · Примечания · Официальный сайт ·


Физические свойства

Плутоний в пакете.
Плутоний в пакете.

Плутоний, как и большая часть металлов, имеет яркий серебристый цвет, похожий на никель или железо, но на воздухе окисляется, меняя свой цвет сначала на бронзовый, после на синий цвет закаленного металла и после превращается в тусклый чёрный или зелёный цвета из-за образования рыхлого окисного покрытия. Также есть сообщения об образовании жёлтого и оливкового цвета оксидной плёнки. При комнатной температуре плутоний находится в -форме — это наиболее распространённая для плутония аллотропная модификация. Данная структура примерно такая же жёсткая как серый чугун, если она не легирована другими металлами, которые придадут сплаву пластичность и мягкость. В отличие от большинства металлов, он не является хорошим проводником тепла и электричества.

Плутоний имеет аномально низкую для металлов температуру плавления (примерно 640 °C) и необычно высокую температуру кипения (3235 °C). Свинец является более легким металлом чем плутоний примерно в два раза (разница в плотности составляет 19,86 - 11,34  8,52 г/см).

Как и у остальных металлов, коррозия плутония увеличивается с увеличением влажности. Некоторые исследования утверждают, что влажный аргон может быть более корродирующим элементом, чем кислород; это объясняется тем, что аргон не реагирует с плутонием, и как результат плутоний начинает растрескиваться.

Диаграмма плотности плутония.
Диаграмма плотности плутония.

Альфа-распад, который сопровождается испусканием ядер гелия, является наиболее распространённым видом радиоактивного распада изотопов плутония. Типичный ядерный боеприпас имеет около 5 кг плутония, в котором находится примерно 12,5·1024 атомов. С учётом периода полураспада 24000 лет, каждую секунду в таком заряде распадается около 11,5·1012 атомов, выделяя 5,157 МэВ благодаря альфа-частицам. В пересчёте на количество энергии, это составляет 9,58 Вт. Тепло, производимое благодаря распаду ядер и испусканию ими альфа-частиц, делает плутоний тёплым на ощупь.

Строение  атома  плутония.  Электронная конфигурация  внешних оболочек 5 s  2  p  6  d  10  f  6 6 s  2  p  6 7 s  2  .
Строение атома плутония. Электронная конфигурация внешних оболочек 5s2p6d10f66s2p67s2 .

Как известно, электрическое сопротивление характеризует способность материала проводить электрический ток. Удельное сопротивление плутония при комнатной температуре очень велико для металла, и эта особенность будет усиливаться с понижением температуры, что для металлов не свойственно. Эта тенденция продолжается вплоть до 100 K; ниже этой отметки электрическое сопротивление будет уменьшаться. С понижением отметки до 20 K сопротивление начинает возрастать из-за радиационной активности металла, причём данное свойство будет зависеть от изотопного состава металла.

Плутоний обладает самым высоким удельным электрическим сопротивлением среди всех изученных актиноидов (на этот момент), которое составляет 150 мкОм·см (при 22 °C). Его твёрдость составляет 261 кг/мм (для -Pu).

Благодаря тому, что плутоний радиоактивен он со временем претерпевает изменения в своей кристаллической решётке. Плутоний претерпевает некое подобие отжига также благодаря самооблучению из-за повышения температуры выше 100 K.

В отличие от большинства материалов плотность плутония увеличивается при нагревании его до температуры плавления на 2,5 %, в то время как у обычных металлов наблюдается уменьшение плотности при повышении температуры. Ближе к точке плавления жидкий плутоний имеет очень высокий показатель поверхностного натяжения и самую высокую вязкость среди других металлов. Характерной особенностью плутония является его уменьшение в объёме в диапазоне температур от 310 до 480 °C в отличие от других металлов.

Аллотропические модификации

Плутоний имеет семь аллотропных модификаций. Шесть из них (см. рисунок выше) существуют при обычном давлении, а седьмая только при высокой температуре и определенном диапазоне давления. Эти аллотропы, которые различаются по своим структурным характеристикам и показателями плотности, имеют очень похожие значения внутренней энергии. Это свойство делает плутоний очень чувствительным к колебаниям температуры и давления, и приводит к скачкообразному изменению своей структуры. Показатель плотности всех аллотропных модификаций плутония находится в пределах от 15,9 г/см до 19,86 г/см. Наличие многих аллотропных модификаций у плутония делает его трудным металлом в обработке и выкатывании, поскольку он претерпевает фазовые переходы. Причины существования столь разных аллотропных модификаций у плутония не совсем ясны.

Первые три кристаллические модификации — -, - и -Pu — обладают сложной кристаллической структурой с четырьмя ярко выраженными связями ковалентного характера. Другие — -, ’- и -Pu — более высокотемпературные модификации характеризуются более простой структурой.

Альфа-форма существует при комнатной температуре в виде нелегированного и необработанного плутония. Она имеет схожие свойства с чугуном, но в тоже время имеет свойство превращаться в пластичный материал и образовывать ковкую -форму при более высоких интервалах температуры. Альфа-форма плутония имеет низкосимметричную моноклинную структуру (кристаллическая структура фаз, которые существуют при комнатных температурах, является низкосимметричной, что более характерно для минералов, чем для металлов), отсюда становится ясным, что она является прочной и плохо проводящей электрический ток модификацией. В данной форме плутоний очень хрупок, однако имеет самую высокую плотность из всех аллотропных модификаций. Фазы плутония характеризуются резким изменением механических свойств — от совершенно хрупкого до пластичного металла.

Плутоний в -форме как правило существует при значениях температуры от 310 °C до 452 °C, однако может быть стабилен и при комнатной температуре, если он легирован с малопроцентным содержанием галлия, алюминия или церия. Если он находится в сплаве с этими металлами, то это даёт возможность ему быть использованным при сварке. Дельта-форма имеет более ярко выраженные характеристики металла, а по прочности и ковкости сравнима с алюминием. В ядерной промышленности ударная волна после микроядерного взрыва используется для того, чтобы сжать плутониевое ядро, главным свойством которого будет увеличение плотности по сравнению с -формой. Данные действия позволят достичь критической массы плутония для его дальнейшего использования. Последняя эпсилон-фаза показывает аномально высокий показатель атомной самодиффузии (англ. Self-diffusion).

Плутоний начинает уменьшаться в объёме, когда переходит в и ’-фазы, что объясняется отрицательным коэффициентом термического расширения.

Соединения и химические свойства

Подробнее: Актиноиды#Свойства

Изученный  ионный  и  металлический  радиусы для плутония.
Изученный ионный и металлический радиусы для плутония.
Различные степени окисления плутония в водных растворах.
Различные степени окисления плутония в водных растворах.

Актиноиды имеют схожие между собой химические свойства. Меньше всего степеней окисления имеют первые два актиноида и актиний (разброс значений от 3 до 5), далее эти значения увеличиваются и достигают своего пика у плутония и нептуния, затем, после америция, это число опять уменьшается. Данное свойство можно объяснить сложностью поведения электронов у ядер элементов. В 1944 году Гленном Сиборгом была выдвинута гипотеза об актиноидном сжатии, которая предполагает постепенное уменьшение радиусов ионов актиноидов (это же характерно и для лантаноидов). До её выдвижения первые актиноиды (торий, протактиний и уран) относили к элементам 4, 5 и 6-й групп следовательно.

Плутоний является химически активным металлом. В 1967 году советские ученые установили, что высшая степень окисления нептуния и плутония не 6, а 7. Для этого ученым пришлось окислять озоном PuO22+ в щелочной среде. Плутоний проявляет четыре степени окисления в водных растворах и одну очень редкую:

  • PuIII, в качестве Pu3+ (светло-фиолетовый),
  • PuIV, в качестве Pu4+ (шоколадный),
  • PuV, в качестве PuO2+ (светлый),
  • PuVI, в качестве PuO22+ (светло-оранжевый),
  • PuVII, в качестве PuO53- (зелёный) — также присутствуют семивалентные Ионы.

Цвета водных растворов плутония зависят от степени окисления и солей кислот. В них плутоний может находится сразу в нескольких степенях окисления, что объясняется близостью его редокс-потенциалов, что в свою очередь объясняется наличием 5f-электронов, которые расположены на локализованной и делокализованной зоне электронной орбитали. При pH 5—8 доминирует четырёхвалентный плутоний, который наиболее устойчив среди остальных валентностей (степеней окисления).

Металлический плутоний получается благодаря реакции его тетрафторида с барием, кальцием или литием при температуре 1200 °C:

~\mathrm{PuF_4 + 2Ca\xrightarrow{1200^\circ C} Pu + 2CaF_2}

Он реагирует с кислотами, кислородом и их парами, но только не с щелочами (в растворах которых заметно не растворяется, как и большинство актиноидов). Быстро растворяется в хлороводороде, иодоводороде, бромоводороде, 72 % хлорной кислоте, 85 % ортофосфорной кислоте, концентрированной CCl3COOH, сульфаминовой кислоте и кипящей концентрированной азотной кислоте. Плутоний инертен к концентрированным серной и уксусной кислотам; в их растворах медленно растворяется, то есть реагирует и образует соответствующие соли. При температуре 135 °C металл самовоспламенится благодаря реакции с кислородом, а если его поместить в атмосферу тетрахлорметана, то взорвётся.

Во влажном кислороде металл быстро окисляется, образуя оксиды и гидриды. Металлический плутоний реагирует с большинством газов при повышенных температурах. Если металл достаточно долго подвергается воздействию малых количеств влажного воздуха, то на его поверхности образуется диоксид плутония. Кроме того, может образоваться и его дигидрид, но только при недостатке кислорода. Ионы плутония во всех степенях окисления склонны к гидролизу и комплексообразованию. Способность образовывать комплексные соединения увеличивается в ряду Pu5+ < Pu6+ < Pu3+ < Pu4+ .

При комнатной температуре свежий срез плутония имеет серебристый цвет, который затем тускнеет до серого. Благодаря тому, что поверхность металла становится пассивированной он становится пирофорным, то есть способным к самовозгоранию, поэтому металлический плутоний обычно обрабатывается в инертной атмосфере аргона или азота. Расплавленный металл должен храниться в вакууме, либо в атмосфере инертного газа, чтобы избежать реакции с кислородом.

Плутоний обратимо реагирует с чистым водородом, образуя гидрид плутония при температурах 25—50 °C. Кроме того, он легко взаимодействует с кислородом, образовывая монооксид и диоксид плутония, и, кроме этого, оксиды (но не только их, см. раздел ниже) переменного состава (бертоллиды). Оксиды расширяют плутоний на 40 % от его изначального объёма. Металлический плутоний энергично реагирует с галогеноводородами и галогенами, в соединениях с которыми обычно проявляет степень окисления +3, однако известны галогениды состава PuF4 и PuCl4 . При реакции с углеродом образует его карбид (PuC), с азотом — нитрид (при 900 °C), с кремнием — силицид (PuSi2). Карбид, нитрид, диоксид плутония имеют температуру плавления больше 2000 °C и потому применяются в качестве ядерного топлива.

Тигли, используемые для хранения плутония, должны выдерживать его сильные окислительно-восстановительные свойства. Тугоплавкие металлы, такие как тантал и вольфрам, наряду с более стабильными оксидами, боридами, карбидами, нитридами и силицидами, также могут выдержать свойства плутония. Плавка в электродуговой печи может быть использована для получения малых количеств металла без применения тиглей.

Четырёхвалентный церий используется в качестве химического симулянта плутония(IV).

Электронная структура: 5f-электроны

Плутоний является элементом, в котором 5f-электроны расположены на границе локализованных и делокализованных электронов, поэтому он считается одним из самых комплексных и трудных элементов для изучения.

Аномальное поведение плутония обусловлено его электронной структурой. Энергетическая разница между 6d и 5f-электронами очень мала. Размеров 5f-оболочки вполне достаточно для того, чтобы они формировали атомную решётку между собой; это происходит на самой границе между локализованными и соединёнными между собой электронами. Близость электронных уровней приводит к формированию низкоэнергетической электронной конфигурации, с примерно одинаковыми уровнями энергии. Это приводит к формированию 5fn7s2 и 5fn-17s26d1 электронных оболочек, что приводит к затруднения его химических свойств. 5f-электроны участвуют в формировании ковалентных связей и комплексных соединений у плутония.

Бинарные соединения плутония.
Бинарные соединения плутония.
  • Russian to English Russian to German Russian to French Russian to Spanish Russian to Italian Russian to Japanese

Информация на сайте из открытых источников. Основа ВикипедиЯ. | Пожалуйста, внимательно прочитайте эту страницу!