Thorium

Thorium
[Rn] 6d2 7s2 232 Th 90
↓ Periodická tabulka ↓
kousek thoria v zatavené ampuli
Obecné
Název, značka, číslo	Thorium, Th, 90
Cizojazyčné názvy	lat. Thorium
Skupina, perioda, blok	n/a. skupina, 7. perioda, blok f
Chemická skupina	Aktinoidy
Koncentrace v zemské kůře	9,6 ppm
Koncentrace v mořské vodě	7×10−3 mg/l
Vzhled	stříbrobílý kov (na povrchu obvykle zčernalý)
Identifikace
Registrační číslo CAS	7440-29-1
Atomové vlastnosti
Relativní atomová hmotnost	232,038 1
Atomový poloměr	165 pm
Kovalentní poloměr	179,8 pm
Iontový poloměr	(Th3+) 103 pm (Th4+) 95 pm
Elektronová konfigurace	[Rn] 6d2 7s2
Oxidační čísla	II, II, IV
Elektronegativita (Paulingova stupnice)	1,3
Ionizační energie
První	6,95 eV
Druhá	11,5 eV
Třetí	20,0 eV
Čtvrtá	28,8 eV
Látkové vlastnosti
Krystalografická soustava	α - modifikace krychlová plošně centrovaná a= 508,43 pm β - modifikace krychlová tělesně centrovaná a = 411 pm
Teplota změny modifikace	1 400 °C (α → β) °C (1 673,15 K)
Mechanické vlastnosti
Hustota	11,724 g/cm3 (vypočteno z RTG dat)
Skupenství	pevné
Tvrdost	3
Rychlost zvuku	(20 °C) 2 490 m/s
Termické vlastnosti
Tepelná vodivost	(25 °C) 54,0 W m-1 K-1 (100 °C) 54,3 W⋅m−1⋅K−1
Součinitel délkové roztažnosti	125×10−6 K-1
Molární atomizační entalpie	598 ± 6 kJ/mol
Standardní molární entropie S°	53,37 J K-1 mol-1
Termodynamické vlastnosti
Teplota tání	1 750 ± 50 °C (2 023,15 K)
Teplota varu	4 200 ± 300 °C (4 473,15 K)
Měrná tepelná kapacita	0,118 J K-1 g-1
Elektromagnetické vlastnosti
Elektrická vodivost	6,67×106 S/m
Měrný elektrický odpor	14×10−8 Ωm
Teplotní součinitel elektrického odporu	0,003 8 K-1
Teplota přechodu do supravodivého stavu	1,38 K
Standardní elektrodový potenciál	(Th4+ → Th0) -1,899 V
Magnetické chování	paramagnetický
Měrná magnetická susceptibilita	0,57cm3/g
Bezpečnost
Radioaktivní
I V (%) S T1/2 Z E (MeV) P {{{izotopy}}}
Není-li uvedeno jinak, jsou použity jednotky SI a STP (25 °C, 100 kPa).
Ce ⋏ Aktinium ≺ Th ≻ Protaktinium

Thorium, chemická značka Th, (lat. Thorium) je druhým členem z řady aktinoidů, radioaktivní kovový prvek. Díky velmi dlouhému poločasu rozpadu jader thoria nacházíme tento prvek v horninách zemské kůry a je potenciálním palivem v jaderné energetice.

Základní fyzikálně-chemické vlastnosti

Thorium je velmi slabě radioaktivní kovový prvek (zářič α), který však nemá žádný stabilní izotop.

Je to stříbřitě bílý kov, který se na vzduchu pomalu pokrývá vrstvou našedlého oxidu. Zahřátím na vzduchu se kovové thorium může i vznítit. V běžných minerálních kyselinách se rozpouští jen zvolna, koncentrovaná kyselina dusičná jej pasivuje vytvořením inertní vrstvičky oxidu thoričitého ThO₂ na povrchu kovu. Ve sloučeninách se vyskytuje pouze v mocenství Th⁺⁴.

Objevil jej již roku 1828 švédský chemik Jöns Jacob Berzelius a pojmenoval jej po Thórovi, bohu blesku ve skandinávské mytologii.

Výskyt

Monazitový písek

Thorium je v zemské kůře poměrně silně zastoupeno, vyskytuje v koncentraci 9,6 mg/kg (neboli ppm). Jeho obsah v mořské vodě je udáván okolo 7 μg/l. Ve vesmíru připadá jeden atom thoria na 500 miliard atomů vodíku.

V přírodě se thorium vyskytuje pouze vzácně ve formě minerálu thorianitu, chemicky ThO₂, a thoritu, chemicky ThSiO₄. Obvykle doprovází prvky skupiny lanthanoidů a nejčastější průmyslově zpracovávanou surovinou jsou monazitové písky, směsné fosforečnany typu (Ce, La, Th, Nd, Y)PO₄, ve kterých je hmotností podíl thoria až 6 %, a dále například minerál euxenit (Y, Ca, Ce, U, Th)(Nb, Ta, Ti)₂O₆.

Velká ložiska thoriem bohatých rud se nalézají v Austrálii, Indii, Skandinávii, USA, Číně, Brazílii, Indonésii a Kanadě.

Výroba

Při průmyslové výrobě thoria se rudy nejprve digerují roztokem louhu a vysrážené nerozpustné hydroxidy lanthanoidů a thoria se oddělí filtrací. Po jejich rozpuštění v kyselině chlorovodíkové se postupným snižováním pH z roztoku nejprve oddělí hydroxidy thoria a uranu. Soli čistého thoria se z tohoto materiálu získávají po rozpuštění v HCl kapalinovou extrakcí tributylfosfátem nebo methylisobutylketonem.

Příprava čistého kovu se obvykle provádí elektrochemicky z taveniny směsi fluoridu thoričitého ThF₄, kyanidu draselného KCN a chloridu sodného NaCl. Chemicky je možno získat elementární thorium redukcí roztaveného fluoridu thoričitého elementárním vápníkem, hořčíkem nebo sodíkem.

Izotopy

Přestože je známa řada izotopů thoria, v zemské kůře se můžeme setkat pouze s izotopem ²³²Th, který se vyznačuje mimořádně velkým poločasem rozpadu 1,39×10¹⁰ roku. Je to, stejně jako velká většina dalších izotopů thoria, α-zářič.

Z dalších izotopů stojí za zmínku např. ²³⁰Th s poločasem rozpadu 75 400 let, ²²⁹Th s poločasem 7 880 let nebo ²²⁸Th s poločasem 1,911 roku. Ostatní izotopy od atomové hmotnosti 209 po 238 u se rozpadají mnohem rychleji:

Izotop	poločas rozpadu	druh rozpadu	produkt rozpadu
209Th	3,8 ms	α	205Ra
210Th	9 ms	α (99 %)/ε (1 %)	206Ra (α) 210Ac (ε)
211Th	40 ms	α	207Ra
212Th	30 ms	α (99,7 %)/ε (0,3 %)	208Ra (α) 212Ac (ε)
213Th	144 ms	α	209Ra
214Th	100 ms	α	210Ra
215Th	1,2 s	α	211Ra
216Th	26 ms	α (99,99 %)/ ε (0,01 %)	212Ra (α) 216Ac (ε)
217Th	241 μs	α	213Ra
218Th	117 ns	α	214Ra
219Th	1,05 μs	α	215Ra
220Th	9,7 μs	α (100,00 %)/ ε (2×10−7 %)	216Ra (α) 220Ac (ε)
221Th	1,68 ms	α	217Ra
222Th	2,237 ms	α	218Ra
223Th	0,6 s	α	219Ra
224Th	0,81 s	α	220Ra
225Th	8,72 min	α (90 %)/ ε (10 %)	221Ra (α) 225Ac (ε)
226Th	30,57 min	α	222Ra
227Th	18,68 d	α	223Ra
228Th	1,911 6 r	α (100 %)/ ε (10−11 %)	224Ra (α) 228Ac (ε)
229Th	7 880 r	α	225Ra
230Th	75 400 r	α (100 %)/ ε (6×10−11 %)	226Ra (α) 230Ac (ε)
231Th	25,52 h	β- (100 %)/ α (4×10−11 %)	231Pa (β-) 227Ra (α)
232Th	1,4×1010 r	α	228Ra
233Th	21,83 min	β-	233Pa
234Th	24,10 d	β-	234Pa
235Th	7,2 min	β-	235Pa
236Th	37,3 min	β-	236Pa
237Th	4,7 min	β-	237Pa
238Th	9,4 min	β-	238Pa

Využití

Jaderná energetika

Na tuto kapitolu jsou přesměrována hesla Liquid fluoride thorium reactor, Liquid Fluoride Thorium Reactor, LFTR a ThF4.

V současné době nachází thorium hlavní využití v jaderné energetice jako potenciální zdroj štěpného materiálu. Samotná atomová jádra ²³²Th jsou pouze α-zářiči a nemůže u nich proběhnout spontánní štěpení. Záchytem neutronu se však mohou měnit na uran ²³³U, který je vynikajícím jaderným palivem a silným zdrojem neutronů.

Vzhledem k tomu, že thorium se v přírodě vyskytuje přibližně třikrát častěji než uran, je pochopitelné, že myšlenka na jeho energetické využití je značně lákavá. V současné době se výzkum v tomto oboru ubírá dvěma směry:

1. Thorium je v jaderném reaktoru přeměňováno na ²³³U, který se dále přímo účastní další štěpné reakce a postupně se v tomto prostředí jaderně přeměňuje za vzniku energetického výtěžku. V tomto případě je do jaderného reaktoru vsazován poměrně nízký obsah thoria.

$\mathrm {^{232}_{\ 90}Th\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 90}^{233}Th\ {\xrightarrow[{22,3\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 91}^{233}Pa\ {\xrightarrow[{26,967\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 92}^{233}U}$

2. Cílem jaderné přeměny v reaktoru je příprava maximálního množství jader ²³³U, která jsou následně oddělena a slouží jako jaderné palivo v jiném atomovém reaktoru. Zde je naopak do jaderné reakce nasazeno maximální množství ²³²Th a přeměna na ²³³U je důležitější než energetický výtěžek procesu. Zdrojem energie je v tomto případě až následné jaderné štěpení ²³³U v dalším reaktoru. Nevýhodou tohoto procesu je nutnost přepracování paliva z prvního reaktoru na čistý ²³³U, protože produkty vzniklé ozařováním thoria jsou značně silnými radioaktivními zářiči a separaci je třeba provádět za zvýšených bezpečnostních podmínek. Naopak výhoda spočívá v relativně jednoduché a nenáročné kontrole štěpení vzniklého izotopu uranu ²³³U.

Výzkum v oblasti využití thoria je v současné době prováděn především v Indii, jejíž potenciální zásoby thoria patří k jedněm z největších na světě. Výzkum využití Thoria pro jadernou energetiku se dlouhodobě provádí rovněž v České republice.

Další využití

1. Ve slitinách hořčíku zlepšují malé přídavky thoria mechanickou odolnost materiálu.
2. Neodtavující se elektrody z thoria a jeho slitin se používají pro obloukové svařování metodou TIG.
3. Ve sklářském průmyslu se přídavkem thoria do skloviny dociluje zvýšení indexu lomu a snížení rozptylu světla vyrobeného skla. Takové sklo slouží především jako materiál v optických aplikacích, např. čočky pro filmové kamery nebo vědecké přístroje.
4. Oxid thoričitý ThO₂ je značně odolný vůči vysokým teplotám a vyrábějí se z něj tavicí kelímky a chemické nádobí určené pro práci s agresivními materiály za vysokých teplot. Oxid thoričitý je také využíván pro výrobu punčošek v plynových lampách.
5. Oxid thoričitý ThO₂ slouží jako průmyslový katalyzátor v chemickém průmyslu při výrobě kyseliny dusičné z amoniaku, při výrobě kyseliny sírové nebo při krakování ropy.
6. Jemně rozptýlené kovové thorium je po zahřátí na vysokou teplotu pyroforické, shoří jasně svítivým plamenem.

Odkazy

Související články

• Thoriová rozpadová řada

Literatura

• Cotton F.A., Wilkinson J.:Anorganická chemie, souborné zpracování pro pokročilé, ACADEMIA, Praha 1973
• Holzbecher Z.:Analytická chemie, SNTL, Praha 1974
• Dr. Heinrich Remy, Anorganická chemie 1. díl, 1. vydání 1961
• N. N. Greenwood – A. Earnshaw, Chemie prvků II 1. díl, 1. vydání 1993 ISBN 80-85427-38-9
• VOHLÍDAL, Jiří; ŠTULÍK, Karel; JULÁK, Alois. Chemické a analytické tabulky. 1. vyd. Praha : Grada Publishing, 1999. ISBN 80-7169-855-5.  

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu thorium ve Wikimedia Commons
• Slovníkové heslo thorium ve Wikislovníku