Полоний

Уран
Плутоний
Протактиний
Кюрий
Калифорний
Америций

Полоний— радиоактивный химический элемент VI группы периодической системы элементов. Атомный номер 84. Атомная масса 209. Обозначается символом Po (лат. Polonium).

Элемент открыт в 1898 супругами Пьером Кюри и Марией Склодовской-Кюри в смоляной обманке— урановой руде. При этом элемент 84 концентрировался в висмутовой фракции. Первый образец полония, содержащий 0,1 мг этого элемента, был выделен в 1910. Элемент назван в честь родины Марии Склодовской-Кюри— Польши (лат. Polonia). М.Кюри предположила, что повышенная радиоактивность некоторых образцов урановой смоляной руды обусловлена присутствием в руде других, ещё неизвестных радиоактивных веществ. Это подтвердилось, и из урановой руды сначала был выделен новый элемент, концентрирующийся в соединениях висмута – полоний, а затем элемент, сходный с барием – радий.

Полоний всегда присутствует в урановых и ториевых минералах. Равновесное содержание полония в земной коре 2·10⁻¹⁴ % по массе. В урановых рудах равновесное отношение урана к полонию составляет 1.9x10¹⁰. Это означает, что в урановых минералах полония почти в двадцать миллиардов раз меньше, чем урана (в равновесии с 1 г радия находится 0,2 мг полония).

Содержание полония в земной коре 2-10^-15 %. Существуют семь изотопов полония, которые образуются во всех трех естественно-радиоактивных семействах в процессе распада эманации (радона, торона, актинона) или их продуктов распада. В процессе распада они превращаются в стабильные или радиоактивные изотопы свинца. Основным источником ²¹⁰Ро в окружающей среде является ²²²Rn, выделяющийся из почвы.

Полоний (Po)

Атомный номер 84

Внешний вид серебристо-серый металл

Атомная масса (молярная масса) 208,9824 а.е.м. (г/моль)

Радиус атома 176 пм

Термодинамические свойства

Плотность 9,32 г/см³

Удельная теплоёмкость 0,125 Дж/(K·моль)

Температура плавления 527 K

Теплота плавления (10) кДж/моль

Температура кипения 1,235 K

Теплота испарения (102,9) кДж/моль

Молярный объём 22,7 см³/моль

Изотопы полония

На начало 2006 года известны 33 изотопа полония в диапазоне массовых чисел от 188 до 220. (Полоний - один из самых многоизотопных элементов). Кроме того, известны 10 метастабильных возбуждённых состояний изотопов полония. Наиболее долгоживущий изотоп, ²⁰⁹Po (получен искусственно), имеет период полураспада 102 года.

Наиболее долгоживущий из природных изотопов полоний-210 (природный радионуклид) – практически чистый альфа-излучатель (Т=138,401 дня), образующийся в радиоактивном ряду урана-238. Он является одним из продуктов долгоживущего активного осадка радона.

В подавляющем количестве случаев ²¹⁰Po распадается на основное состояние ²⁰⁶Pb с испусканием альфа-частиц с энергией 5.3 МэВ, и только ничтожная доля (0.00122%) ядер ²¹⁰Po распадается на возбужденное (803 кэВ) состояние ²⁰⁶Pb, которое распадается с испусканием гамма-квантов. Обнаружить сопутствующее такому альфа-распаду гамма-излучение можно только в прецизионном эксперименте. Изотоп ²¹⁰Po является не только самым долгоживущим среди естественных, т.е. существующих на Земле, а не полученных искусственным путем, изотопов полония, но и самым распространенным. Он постоянно образуется за счет цепочки распадов изотопов, которая начинается с ²³⁸U и кончается ²⁰⁶Pb.

Таким образом, источником получения полония-210 может служить активный осадок радона, накапливающийся в старых радоновых ампулах.

В 1 тонне урановой руды содержится 100 микрограмм полония. В основном это ²¹⁰Po. Всех других естественных изотопов полония еще меньше (и на много). Полоний можно выделить из урановых руд при обработке отходов уранового производства. Однако для того, чтобы получить заметное количество полония, пришлось бы обработать немыслимое количество таких отходов.

Кроме ²¹⁰Po еще два искусственно-радиоактивных изотопа полония имеют относительно большие периоды полураспада - это ²⁰⁸Po (T=2.898 лет) и ²⁰⁹Po (T=102 лет). Эти изотопы можно получить, используя бомбардировку ускоренными в циклотроне пучками альфа-частиц, протонов или дейтронов мишеней из свинца или висмута. Все остальные изотопы полония имеют периоды полураспада от 8.8 дней (²⁰⁶Po) до долей микросекунды

Физические и химические свойства

Полоний - серебристый металл, светящийся в темноте, легкоплавкий и сравнительно низкокипящий; температуры его плавления и кипения соответственно 254 и 962 °С.

Сопоставление свойств полония со свойствами серы, селена и теллура, с одной стороны, и висмута, свинца и таллия — с другой, показывает, что металлический полоний по своим физическим свойствам скорее напоминает элементы, соседние по периоду (Bi), чем по группе (Те).

Чистый полоний имеет две аллотропных модификации: низкотемпературная α-форма с кубической решеткой, и высокотемпературная β-форма с ромбической решёткой. Фазовый переход из одной формы в другую происходит при 36 °С. Интересно, что при комнатной температуре свежеприготовленный полоний находится в высокотемпературной форме. Его подогревает собственное излучение – выделение тепла происходит в самом образце при испускании полонием α-частиц. По внешнему виду полоний похож на любой самый обыкновенный металл. По легкоплавкости - на свинец и висмут. По электрохимическим свойствам - на благородные металлы. По оптическому и рентгеновскому спектрам - только на самого себя. А по поведению в растворах - на все другие радиоактивные элементы: благодаря ионизирующему излучению в растворах, содержащий полоний, постоянно образуются и разлагаются озон и перекись водорода. Наиболее применимыми методами получения металлического полония являются термическое разложение сульфида полония в вакууме при 500—700°С или вакуумная возгонка с поверхности электродов из благородных металлов, на которые полоний выделяется электролизом.

Атомный диаметр полония 3,38А, плотность 9,392 г/см3 (чуть меньше, чем у свинца), т.пл. 254°С, т.кип. 962°С, теплота парообразования 24,597 ккал/моль. Термический коэффициент линейного расширения 2,35*10^-5. Удельное электросопротивление для α- и β-форм при 0оС соответственно равно (мкОм.см) 42 и 44. По химическим свойствам полоний - прямой аналог серы, селена и теллура. Он проявляет валентности 2-, 2+, 4+, 6+, что естественно для элемента этой группы. Наиболее устойчивым из них является Ро4+.

Полоний хорошо адсорбируется на различных материалах, особенно на металлах. Обладает амфотерными свойствами. Образует коллоидальные гидроксиды или основные соли в щелочных, нейтральных или слабокислых растворах.

Элементарный полоний окисляется на воздухе. Известны диоксид полония (РоО₂)x и монооксид полония РоО. С кислородом полоний быстро реагирует при нагревании, образуя при 250°Сдвуокись РоО₂. В индикаторных количествах получены кислотный триоксид полония РоО3 и соли полониевой кислоты, не существующей в свободном состоянии— полонаты К₂РоО₄. С галогенами при нагревании полоний даёт тетрагалогениды РоГ₄. С водородом и азотом не взаимодействует. При нагревании металлического полония с металлами образуются полониды, изоморфные с соответствующими теллуридами. Металлический полоний растворяется в азотной и соляной кислотах.

Металлический полоний легко растворяется в концентрированной (но не разбавленной) азотной кислоте с выделением оксидов азота.

Получение

Изотоп ²¹⁰Ро может быть выделен из урановых руд как побочный продукт при добывании радия. Обычно ²¹⁰Ро получают из долгоживущего радиоактивного изотопа свинца ²¹⁰Pb (Т=23,3 года).

Выделяют полоний из солей радия и старых радоновых ампул экстракцией, ионным обменом, хроматографией или возгонкой. Сначала извлекают RaD, который и выдерживают для накопления полония. Часто для целей экстракционного выделения полония используется хорошая растворимость хелатных комплексов этого элемента в органических растворителях (например, соединения с ТТА, дитизоном).

Для разделения RaD и Po либо проводят анодное выделение полония на платине, либо осаждение PbS сероводородом, а также кристаллизацию бромидов из концентрированных растворов HBr. Извлечение может быть проведено экстракцией из солянокислой среды органическими растворителями (ацетилацетоном, трибутилфосфатом и др.). Часто для целей экстракционного выделения полония используется хорошая растворимость хелатных комплексов этого элемента в органических растворителях (например, соединения с ТТА, дитизоном).

Металлический Po получают термическим разложением в вакууме сульфида PoS или диоксида (PoO₂)x при 500 C. Для выделения полония из больших количеств облученного висмута используются вакуумная сублимация, а также методы, основанные на процессах экстракции или соосаждения полония с носителями из расплавленного висмута. Процесс экстракции полония из расплавленного висмута при 400—500°С гидроксидом натрия в инертной атмосфере является технологическим способом извлечения его из облученного висмута. За две последовательные экстракции этим методом удается извлечь 99,5% полония.

На практике в граммовых количествах нуклид полония ²¹⁰Ро синтезируют искусственно, облучая природный 209Bi нейтронами в ядерных реакторах. Получившийся ²¹⁰Bi за счет β-распада превращается в ²¹⁰Po.

Применение

Радиоактивные источники ²¹⁰Po используются как в научных исследованиях, так и в технике. Во время работы над Манхеттенским проектом по созданию атомной бомбы (США) полоний-

бериллиевый нейтронный источник предполагалось использовать в качестве запала атомной бомбы. Нейтроны в таком источнике получаются в результате взаимодействия альфа-частиц от распада ²¹⁰Po с бериллием, реакция ⁹Be( ,n). Однако в последствии от такого решения отказались.

Полоний применяют для изготовления компактных и очень мощных не обладающих γ-излучением источников нейтронов. Для этого его сплавляют с элементом, имеющим изотопы с высоким сечением (α,n)-реакции, например, с бериллием или бором. Это герметичные металлические ампулы, в которые заключена покрытая полонием-210 керамическая таблетка из карбида бора или карбида бериллия. Такие нейтронные источники легки и портативны, совершенно безопасны в работе и очень надежны. Например латунная ампула диаметром два и высотой четыре сантиметра ежесекундно дает до 90 миллионов нейтронов. Полоний-бериллиевые генераторы нейтронов используются в качестве источников энергии в космических исследованиях. Изотопные генераторы электроэнергии на ²¹⁰Ро успешно применяли на спутниках связи «Космос-84» и «Космос-85».

Удельное энерговыделение полония велико – 140 Ватт/г. Капсула содержащая 0.5 г полония, нагревается до 500°С. (1 см^{3 210}Ро выделяет 1320 Вт тепла). Эта мощность весьма велика, она легко приводит полоний в расплавленное состояние, поэтому его сплавляют, например, со свинцом. И хотя эти сплавы имеют заметно меньшую энергоплотность (150 Вт/см³), тем не менее более удобны к применению и безопасны.

Такие сплавы используются для создания в термоэлектрических источниках, которые в частности применяются в космических аппаратах. Например у советского лунохода для обогрева приборного отсека находился полониевый обогреватель.

Полоний также используется в устройствах для снятия статического электричества. В некоторых устройствах такого рода может содержаться полоний с активностью до 500 мкКи (около 0.1 микрограмм). Этого количества теоретически достаточно, чтобы убить 5000 человек. Полоний-210 может послужить в сплаве с литием-6 веществом, которое способно существенно снизить критическую массу ядерного заряда и послужить своего рода ядерным детонатором. Поэтому полоний является стратегическим металлом, должен очень строго учитываться, и его хранение должно быть под контролем государства ввиду угрозы ядерного терроризма.

Полоний также применяется в электродных сплавах автомобильных свечей зажигания для уменьшения напряжения возникновения искры, а также для α-активационного анализа. Небольшие количества полония используют для изучения радиационно-химических процессов в жидкостях под действием α-излучения на живые организмы.

Санитарно-гигиенические аспекты

При работе с полонием приходится соблюдать особую осторожность - это один из самых опасных радиоэлементов. Хотя полоний-210 излучает только альфа-частицы, брать его руками нельзя, результатом будет лучевое поражение кожи и, возможно, всего организма: полоний довольно легко проникает внутрь сквозь кожные покровы. Элемент №84 опасен и на расстоянии, превышающим длину пробега альфа-частиц. Его соединения саморазогреваются, переходят в аэрозольное состояние и заражают воздух. Поэтому работают с полонием лишь в герметичных боксах.

При одинаковом весе ²¹⁰Po в 2.5*10¹¹раз токсичнее, чем синильная кислота. Попав в организм человека, полоний через ток крови распространяется по тканям. Полоний выводится из организма в основном вместе с калом и мочой. Больше всего его выводится в первые несколько дней. За 50 дней выводится около половины попавшего в организм полония. Наличие полония у зараженных им людей идентифицируется по слабому гамма-излучению выделений. Попадание внутрь организма человека одной стотысячной милиграмма полония в 50% случаев приводит к летальному исходу. Полоний весьма летучий металл, на воздухе за 45 часов 50% его испаряется при температуре 55°С. 

Источник:

И.Н. Бекман. Радиохимия. Курс лекций.