Полоній

хімічний елемент з атомним номером 84

Полоній (Po) — радіоактивний хімічний елемент з атомним номером 84, перший елемент, відкритий за своїми радіоактивними властивостями П'єром Кюрі і Марією Склодовською-Кюрі у 1898 році при дослідженні уранової руди. Елемент названий на честь Польщі (лат. Polonia) — батьківщини Марії Склодовської-Кюрі.

Полоній (Po)
Атомний номер 84
Зовнішній вигляд простої речовини сріблясто-сірий металоїд
Властивості атома
Атомна маса (молярна маса) 208,9824 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома 176 пм
Енергія іонізації (перший електрон) 813,1(8,43) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p4
Хімічні властивості
Ковалентний радіус 146 пм
Радіус іона (+6e) 67 пм
Електронегативність (за Полінгом) 2,0
Електродний потенціал Po←Po3+ 0,56В
Po←Po2+ 0,65В
Ступені окиснення 6, 4, 2
Термодинамічні властивості
Густина 9,32 г/см³
Молярна теплоємність 0,125 Дж/(К·моль)
Теплопровідність n/a Вт/(м·К)
Температура плавлення 527 К
Теплота плавлення (10) кДж/моль
Температура кипіння 1235 К
Теплота випаровування (102,9) кДж/моль
Молярний об'єм 22,7 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки кубічна
Період ґратки 3,350 Å
Відношення с/а n/a
Температура Дебая n/a К
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
CMNS: Полоній у Вікісховищі

Полоній — м'який, сріблясто-білий метал. Його густина 9,36 г/см³. За хімічними властивостями полоній найближчий до телуру. На повітрі Полоній окиснюється. Середній вміст (кларк) полонію в земній корі 2×10-14 % мас.

Історія ред.

Відкритий П'єром та Марією Кюрі у 1898 році в урановій смоляній обманці[1]. Елемент був названий на честь батьківщини Марії Склодовської-Кюрі — Польщі (лат. Polonia).

У 1902 році німецький вчений Вільгельм Марквальд[en] відкрив новий елемент. Він назвав його радіотелуром. Кюрі, прочитавши нотатку про відкриття, повідомила, що це елемент полоній, відкритий ними чотирма роками раніше. Марквальд не погодився з такою оцінкою, заявивши, що полоній і радіотелур різні елементи. Після ряду експериментів з елементом, подружжя Кюрі довели, що полоній і радіотелур мають один і той же період напіврозпаду. Марквальд був змушений відступити.

Перший зразок полонію, вагою 0,1 мг, був виділений у 1910 році.

Присутність у природі ред.

Радіонукліди полонію входять до складу природних радіоактивних рядів:

210Po (Т1/2 = 138,376 діб), 218Po (Т1/2 = 3,10 хв) і 214Po (Т1/2 = 1,643 × 10−4 с) — до ряду 238U;

216Po (Т1/2 = 0,145 с) і 212Po (Т1/2 = 2,99 × 10−7 с) — до ряду Th;

215Po (Т1/2 = 1,781 × 10−3 с) і 211Po(Т1/2 = 0,516 с) — до ряду 235U.

Тому полоній завжди присутній в уранових і торієвих мінералах. Рівноважний вміст полонію в земній корі 2 × 10−14% по масі.

Файл:E8LQnK.gif
Нуклеосинтез (трансмутація)


Ізотопи ред.

Станом на початок 2006 року відомі 33 ізотопи полонію в діапазоні масових чисел від 188 до 220. Крім того, відомі 10 метастабільних збуджених станів ізотопів полонію. Стабільних ізотопів не виявлено. Найтриваліші ізотопи, 209Po і 208Po мають періоди напіврозпаду 102 і 2,9 роки відповідно. Деякі ізотопи полонію, що входять до радіоактивних рядів урану і торію, мають власні назви, які зараз переважно розглядаються як застарілі:

Ізотоп Назва Позначення Радіоактивний ряд
210Po Радій F RaF 238U
211Po Актиній C' AcC' 235U
212Po Торій C' ThC' 232Th
214Po Радій C' RaC' 238U
215Po Актиній A AcA 235U
216Po Торій A ThA 232Th
218Po Радій A RaA 238U

Властивості ред.

Полоній — м'який сріблясто-білий радіоактивний метал.

Металевий полоній швидко окиснюється на повітрі. Відомі діоксид полонію (PoO2)x і монооксид полонію PoO. З галогенами утворює тетрагалогеніди. При дії кислот переходить у розчин з утворенням катіонів Ро2+ рожевого кольору:

Ро + 2HCl → PoCl2 + Н2↑.

При розчиненні полонію в соляній кислоті в присутності магнію утворюється полоноводень[en]:

Ро + Mg + 2HCl → MgCl2 + H2Po,

який при кімнатній температурі знаходиться в рідкому стані (від −36,1 до 35,3 °C)

У індикаторних кількостях отримані кислотний триоксид полонію PoO3 та солі полонієвої кислоти, що не існує у вільному стані — полонати K2РоО4. Відомий також діоксид полонію PoO2. Утворює галогеніди PoX2, PoX4 и PoX6. Подібно до телуру полоній здатний утворювати хімічні сполуки з рядом металів — полоніди.

Полоній є єдиним хімічним елементом, який за низької температури утворює одноатомну[джерело?] просту кубічну кристалічну решітку.[2]

Отримання ред.

Полоній виділяють, використовуючи методи осадження, екстракції, хроматографії, електрохімії.

Вперше полоній виділили та очистили Марія та Пʼєр Кюрі з мінералу уранініту. Вони опрацювали декілька тон мінералу заради отримання мінімальної кількості полонію. У середньому, тонна уранових мінералів містить лише біля 100 мкг полонію[3]. Лише у 1906 році була виведена схема отримання та очищення полонію з уранініту. Через незначну отриману кількість полонію, до 1944 року усі його хімічні властивості (з одним виключенням[4]) були досліджені лише у мікрокількостях. Нова ера у методах видобування полонію почалася у другу світову війну, коли в рамках Мангеттенського проєкту вчені звернули увагу на полоній, що повинен був стати тригером для початку реакції для детонування ядерних бомб. Ці розробки були засекречені до 1980х[5]. Проєкт з вивчення полонію отримав назву Дайтонський і розпочався у 1943 році. За декілька років вчені переробили 37 тон мінералів, і отримали 9 мг (або 1.5 ТБк[6][7]) полонію, винайшовши три основних методи очищення полонію з уранініту. Найефективнишим з них вважається "вологий" метод, де подрібнений оксид свинцю переводили у нітрат свинцю шляхом обробки нітратною кислотою і нейтралізацією карбонатом свинцю. І хоч ці методи і дозволили отримувати чистий полоній, його вартість таким чином залишалась дуже високою, бо потрібно працювати з тонами мінералів, що, окрім грошей, займало багато часу. Тому сьогодні цей метод вже не використовується для основного отримання полонію, але процедура очищення залишається дуже схожою. З 1944 року полоній отримують шляхом радіаційної обробки бісмуту[8].

Застосування ред.

Полоній-210 в сплавах з берилієм і бором застосовується для виготовлення компактних і дуже потужних нейтронних джерел, що практично не створюють γ- випромінювання (та, на жаль, вони мають малий час напівжиття 210Po: Т1/2 = 138,376 діб). Альфа-частинки полонію-210 народжують нейтрони на ядрах берилію або бору в (α, n)-реакції. Джерела нейтронів мають вигляд герметичних металевих ампул, в які вкладена керамічна таблетка з карбіду бору або карбіду берилію, вкрита полонієм-210. Такі нейтронні джерела легкі і портативні, абсолютно безпечні в роботі і дуже надійні. Наприклад, латунна ампула діаметром два і заввишки чотири сантиметри щосекунди дає до 90 мільйонів нейтронів.

Полоній часто застосовувався раніше (іноді й зараз) для іонізації газів (зокрема повітря). У першу чергу іонізація повітря необхідна для боротьби із статичною електрикою (на виробництві, при роботі з особливо чутливою апаратурою) [9]. Наприклад, для прецизійної оптики виготовляються пензлики видалення пилу[10]. Інше застосування ефекту іонізації газу — в електродних сплавах автомобільних свічок запалювання для зменшення напруги виникнення іскри.[11]

Важливою сферою застосування полонію є його використання у вигляді сплавів зі свинцем, ітрієм або самостійно для виробництва потужних і дуже компактних джерел тепла для автономних установок, які використовуються, наприклад, в космічній галузі. Один кубічний сантиметр полонію-210 виділяє близько 1320 Вт тепла. Ця потужність досить велика, вона легко приводить полоній в розплавлений стан, саме тому його сплавляють зі свинцем. Хоча ці сплави мають помітно меншу енергогустину (150 Вт/см³), однак вони зручніші до застосування і безпечні, оскільки полоній-210 випускає альфа-частинки, проникна здатність і довжина пробігу яких мінімальні. Наприклад, у радянськогому місяцеході для обігріву приладового відсіку застосовувався полонієвий обігрівач.[12]

Полоній-210 може послужити в сплаві з легким ізотопом літію (6Li) як речовина, яка здатна істотно знизити критичну масу ядерного заряду і працювати свого роду ядерним детонатором. Тому полоній є стратегічним металом.

Біологічна роль ред.

Полоній — надзвичайно токсичний метал. Має період напіврозпаду 138 днів і 9 годин. Його питома активність (166 ТБк/г) настільки велика, що, хоча він випромінює тільки альфа-частинки, брати його руками не можна, результатом буде променеве ураження шкіри і, можливо, всього організму: полоній досить легко проникає всередину крізь шкірні покриви. Він небезпечний і на відстані, що перевищує довжину пробігу альфа-частинок, оскільки його сполуки саморозігріваються і переходять в аерозольний стан. Гранично допустима концентрація у водоймах і в повітрі робочих приміщень — 11,1 × 10-3 Бк/л і 7,41 × 10-3 Бк/м³ відповідно. Саме тому з полонієм-210 працюють лише в герметичних боксах.

Полоній-210 в невеликих кількостях знаходиться в природі і накопичується тютюном, внаслідок чого є одним з помітних факторів, який завдає шкоду здоров'ю курця. Інші природні ізотопи полонію розпадаються дуже швидко, тому не встигають накопичуватися в тютюні. [13] «Виробники тютюну виявили цей елемент більш як 40 років тому, спроби вилучити його були безуспішними», — йдеться в статті дослідників з американського Стенфордського університету й клініки Майо в Рочестері.[14]

Точних відомостей про вплив радіаційного отруєння полонієм на людину не існують, оскільки досліди на людині не проводилися (проводилися лише вимірювання кінетики малих доз полонію в організмі людини, а також спостереження декількох відомих випадків гострого або хронічного отруєння полонієм). За оцінкою фахівців, що була опублікована [15] у науковому журналі Journal of Radiological Protection, яка базується на математичній моделі радіаційного отруєння, летальна доза полонію-210 для дорослої людини оцінюється в межах від 0,1–0,3 ГБк (0,6-2 мкг), при потраплянні ізотопу в організм через легені, до 1–3 ГБк (6-18 мкг), при потраплянні в організм через травний тракт.

Триваліші полоній-208 (період напіврозпаду 2,898 роки) і полоній-209 (період напіврозпаду 103 роки) мають дещо меншу радіотоксичність на одиницю маси, що обернено пропорційна періоду напіврозпаду. Відомостей про радіотоксичність інших, недовговічних ізотопів полонію мало. В організмі людини полоній поводиться подібно до своїх хімічних гомологів селену і телуру: концентрується в печінці, нирках, селезінці і кістковому мозку. Період напіввиведення з організму — від 30 до 50 діб, виділяється в основному через нирки. Є повідомлення про успішне використання 2,3-димеркаптопропанол[en] у для виведення полонію з організму щурів — 90% тварин, яким у вену вводилася смертельна доза полонію-210 (9 нг/кг ваги), вижили, тоді як в контрольній групі всі щури загинули протягом півтора місяця.[16]

Цікаве ред.

Колишній агент ФСБ Олександр Литвиненко був отруєний полонієм-210.

Література ред.

Виноски ред.

  1. E. Rutherford. Radioactive Substances and Their Radiations. — Лондон : Forgotten Books. — С. 20. — ISBN 1451001983, 9781451001983.
  2. Игорь Иванов. (12 липня 2007). Разгадана загадка полония [Розгадано загадку полонію] (рос.). с. 1. Архів оригіналу за 22 серпня 2011. Процитовано 4 травня 2010. «Обчислення, проведені чеськими дослідниками дали відповідь на запитання, яке давно мучило фізиків: чому полоній надає перевагу кубічній кристалічній ґратці?» 
  3. Bagnall, K. W. (1 січня 1962). Emeléus, H. J.; Sharpe, A. G. (ред.). The Chemistry of Polonium. Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry. Т. 4. Academic Press. с. 197–229. doi:10.1016/s0065-2792(08)60268-x. 
  4. Curie, P.; Debierne, A. (1 лютого 1910). Sur le polonium. Le Radium (фр.). Т. 7, № 2. с. 38–40. ISSN 0370-3223. doi:10.1051/radium:019100070203801. Процитовано 24 січня 2024. 
  5. Herran, Nestor (6 вересня 2018). Polonium in the Playhouse: The Manhattan Project’s Secret Chemistry Work in Dayton, Ohio. Ambix. Т. 65, № 4. с. 407–408. ISSN 0002-6980. doi:10.1080/00026980.2018.1518681. Процитовано 24 січня 2024. 
  6. Moyer, H. V. ed (1 січня 1955). POLONIUM (English). № TID-5221. doi:10.2172/4367751. Процитовано 24 січня 2024. 
  7. Robinson, P. L. (1 серпня 1958). Chemistry of the rare radioelements. Polonium-Actinium: K. W. Bagnall: Butterworths Scientific Publications, London, 1957. x + 177 pp., 30s. Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry. Т. 7, № 1. с. 159–160. ISSN 0022-1902. doi:10.1016/0022-1902(58)80046-9. Процитовано 24 січня 2024. 
  8. Reed, B. Cameron (1 травня 2019). Rousing the dragon: Polonium production for neutron generators in the Manhattan Project. American Journal of Physics (англ.). Т. 87, № 5. с. 377–383. ISSN 0002-9505. doi:10.1119/1.5094138. Процитовано 24 січня 2024. 
  9. Іонізатори повітря
  10. Антистатичний пензлик. Архів оригіналу за 4 червня 2011. Процитовано 1 квітня 2011. 
  11. J. H. Dillon. Polonium Alloy for Spark Plug Electrodes[недоступне посилання з липня 2019]. J. Appl. Phys. 11, 291 (1940).
  12. «Ядерний Центр Росії — Саров». Архів оригіналу за 1 травня 2007. Процитовано 1 квітня 2011. 
  13. Полоній-210 в тютюновому диму. Архів оригіналу за 8 серпня 2010. Процитовано 1 квітня 2011. 
  14. РІА Новини: Тютюн містить радіоактивний полоній-210. Архів оригіналу за 22 серпня 2011. Процитовано 1 квітня 2011. (рос.)
  15. Polonium-210 as a poison [недоступне посилання]
  16. Rencováa J.; Svoboda V.; Holuša R.; Volf V. та ін. (1997). Reduction of subacute lethal radiotoxicity of polonium-210 in rats by chelating agents. International Journal of Radiation Biology. 72 (3): 341–8. PMID 9298114. doi:10.1080/095530097143338. 

Посилання ред.