Th · Элемент 90 · Актиноид
В три раза более распространённый, чем уран, и потенциальное топливо для реакторов, которое нелегко использовать для создания оружия.
Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение торий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 180 pm — это 0,18 нм, поэтому около 2,78 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Торий находится в жидком состоянии в диапазоне 3038 K — от 2023 K до 5061 K.
История
В три раза более распространённый, чем уран, и потенциальное топливо для реакторов, которое нелегко использовать для создания оружия.
Торий был открыт в 1828 году шведским химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом, одним из основоположников современной химии. Берцелиус идентифицировал новый элемент при анализе образца чёрного минерала, присланного ему норвежским минералогом Мортеном Тране Эсмарком, обнаружившим его близ острова Лёвёйя в Норвегии.
Исходный образец был обнаружен Мортеном Тране Эсмарком в 1828 году на острове Лёвёйя в районе Лангесуннс-фьорда в Норвегии. Эсмарк, не сумевший идентифицировать необычный чёрный минерал, отправил его Берцелиусу в Стокгольм для анализа. Это сотрудничество между норвежской полевой работой и шведской аналитической химией привело к открытию элемента.
Открытие произошло в золотой век открытия элементов, когда химики систематически анализировали новые минералы с помощью усовершенствованных аналитических методов. Работа Берцелиуса с торием способствовала развитию определения атомной массы и помогла сформировать принципы химического анализа, которые остаются важными и сегодня.
Радиоактивные свойства тория были открыты лишь в 1898 году Герхардом Карлом Шмидтом и Марией Кюри независимо друг от друга. Это открытие произошло вскоре после открытия радиоактивности Беккерелем и показало, что торий является только вторым известным радиоактивным элементом после урана, положив начало ядерной химии.
Открытие тория стало примером коллективной химии XIX века и заложило основу для понимания актиноидных элементов. Методичный подход Берцелиуса к выделению и характеристике тория стал образцом для открытия и изучения других тяжёлых элементов.
Применение
Торий всё чаще рассматривается как ядерное топливо следующего поколения, обладающее значительными преимуществами по сравнению с топливом на основе урана. Торий-232 при облучении нейтронами превращается в уран-233, который является отличным делящимся материалом для ядерных реакторов. Этот ториевый топливный цикл производит меньше долгоживущих радиоактивных отходов и не может быть легко использован для создания оружия, что делает его привлекательным вариантом для мирной ядерной энергетики.
Торий является предпочтительным топливом для технологии реакторов на расплавах солей (MSR), в которых фторид тория растворён в расплавленной соли, одновременно служащей топливом и теплоносителем. Эти реакторы могут работать при атмосферном давлении, обладают inherentными функциями безопасности и способны использовать существующие ядерные отходы. Такие страны, как Китай и Индия, активно инвестируют в разработку ториевых MSR.
Исторически наиболее распространённым применением тория было использование в сетках газовых фонарей, где диоксид тория при нагревании обеспечивал интенсивный яркий свет. Хотя из-за опасений, связанных с радиоактивностью, это применение в значительной степени прекращено, соединения тория по-прежнему используются в специализированных высокотемпературных областях, включая огнеупорные материалы для тиглей и футеровки печей, которые должны выдерживать экстремальный нагрев.
Торий используется для создания специализированных магниево-ториевых сплавов для аэрокосмической отрасли, где критически важно высокое отношение прочности к массе. Эти сплавы сохраняют свои свойства при повышенных температурах, что делает их ценными для компонентов реактивных двигателей и ракет. Добавление небольших количеств тория значительно повышает сопротивление магниевых сплавов ползучести.
Научно-исследовательские учреждения используют торий в различных областях, включая источники нейтронов, калибровку оборудования для обнаружения излучения и фундаментальные исследования ядерной физики. Соединения тория служат эталонными стандартами для измерения радиации и используются при изучении химии тяжёлых элементов и процессов радиоактивного распада.
Передовые ядерные технологии изучают потенциал тория в системах с приводом от ускорителя (ADS) и малых модульных реакторах (SMR). Эти системы могут обеспечивать чистую и безопасную ядерную энергию с уменьшенным образованием отходов и повышенной устойчивостью к распространению ядерного оружия, что делает торий ключевым элементом будущих стратегий устойчивой энергетики.
Наиболее перспективное современное применение тория связано с передовыми конструкциями ядерных реакторов. Исследовательские программы по всему миру разрабатывают ториевые реакторы на расплавах солей, которые могут обеспечить более безопасную и чистую ядерную энергетику. Трёхэтапная ядерная программа Индии специально ориентирована на использование тория, учитывая крупные запасы тория в стране.
Диоксид тория (тория) используется в специализированных огнеупорных материалах, требующих чрезвычайной устойчивости к высоким температурам. Его температура плавления составляет 3,300°C, что делает его ценным материалом для тиглей, футеровки печей и высокотемпературного лабораторного оборудования, применяемого в исследованиях материалов и обработке металлов.
Небольшие количества тория добавляют в магниевые сплавы, чтобы создавать материалы с превосходными высокотемпературными свойствами для аэрокосмической отрасли. Эти сплавы сохраняют прочность и сопротивление ползучести при повышенных температурах, что делает их подходящими для авиационных двигателей и конструкционных компонентов.
Соединения тория служат калибровочными стандартами для оборудования обнаружения радиации и источниками для анализа методом нейтронно-активационного анализа. Исследовательские учреждения используют изотопы тория для изучения процессов ядерного распада и разработки новых радиохимических методов.
Торий исследуется для использования в малых модульных реакторах и других передовых ядерных технологиях, которые могут обеспечить децентрализованную чистую энергию. Его распространённость и благоприятные ядерные свойства делают его привлекательной альтернативой урану для энергетических систем будущего.
Откуда он происходит
9,6 мг/кг земной коры · более распространён, чем 68% элементов
Торий относительно широко распространён в земной коре: его средняя концентрация составляет 9.6 частей на миллион, поэтому он примерно в три раза распространённее урана. Он встречается главным образом в магматических породах и концентрируется в тяжёлых минеральных песках, образовавшихся в результате выветривания и эрозии.
Наиболее важный содержащий торий минерал — монацит (редкоземельный фосфат, содержащий 4-12% диоксида тория), встречающийся в пляжных песках и речных отложениях. К другим значимым минералам относятся торит (силикат тория), торианит (диоксид тория) и бастнезит, содержащий как торий, так и редкоземельные элементы.
Крупные месторождения тория находятся в Индии, Австралии, Бразилии и США. Индия располагает крупнейшими в мире запасами тория, главным образом в монацитовых пляжных песках вдоль восточного и юго-западного побережья. Запасы Австралии в основном находятся в минеральных песках, а месторождения Бразилии — в богатых монацитом пляжных песках и выветрелых горных породах.
Торий обычно получают как побочный продукт добычи редкоземельных элементов, а не добывают специально. Процесс извлечения включает кислотное выщелачивание монацитовых концентратов с последующим химическим разделением для отделения тория от редкоземельных элементов и других компонентов.
Торий естественным образом присутствует в гранитных породах, почве и воде в низких концентрациях. В угле он содержится в количестве 1-20 частей на миллион, а при сжигании угля торий попадает в атмосферу. Естественный радиационный фон включает небольшой вклад тория и продуктов его распада.
Обращение
Торий радиоактивен. У него нет стабильных изотопов — каждое ядро распадается. Для обращения требуются соответствующие средства защиты и лицензия.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Торий является природным радиоактивным элементом с периодом полураспада 14 миллиардов лет. Хотя он менее интенсивно радиоактивен, чем многие искусственные изотопы, он всё же представляет опасность для здоровья из-за альфа-излучения и образования радиоактивных продуктов распада, включая газ радон.
Основную опасность для здоровья представляет вдыхание ториевой пыли или частиц, которые могут оседать в лёгочной ткани и вызывать длительное радиационное воздействие. Работники предприятий по переработке тория и исследовательских лабораторий должны использовать соответствующие средства защиты органов дыхания и работать в хорошо проветриваемых помещениях.
С соединениями тория следует обращаться в соответствии со стандартными протоколами радиологической безопасности, включая использование средств индивидуальной защиты, радиационный контроль и правильное хранение в экранированных контейнерах. В помещениях, где используется торий, необходимо регулярно контролировать уровни радиации и загрязнение.
Прежнее использование тория в газовых сетках и потребительских товарах создавало потенциальные пути воздействия. Со старыми газовыми сетками следует обращаться осторожно и утилизировать их как радиоактивные отходы. Некоторые старинные керамические изделия и сварочные электроды могут содержать торий и требуют правильного обращения.
Краткие ответы
Торий (символ Th) — элемент 90 в периодической таблице, представитель семейства актиноид в 7 периоде. В три раза более распространённый, чем уран, и потенциальное топливо для реакторов, которое нелегко использовать для создания оружия. При комнатной температуре это твёрдое вещество, и оно радиоактивно.
[Rn] 6d² 7s²; она включает 7 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 32, 18, 10, 2.Торий плавится при 2023 K (1749.9 °C) и кипит при 5061 K (4787.9 °C). Это относит его к самым тугоплавким элементам — он остаётся твёрдым при температурах, при которых большинство металлов испаряется.
Стандартная атомная масса Торий составляет 232.038 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Торий составляет 11.72 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Торий примерно в 11.7× тяжелее.
Электроотрицательность Торий по шкале Полинга составляет 1.3. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Торий был открыт в 1828 году Jons Jacob Berzelius. Назван в честь тор, скандинавский бог грома.
На долю Торий приходится около 9.6 мг/кг земной коры — он встречается нечасто, но не является редким.
Да. Торий не имеет стабильных изотопов — каждое его ядро распадается. Следовые количества естественным образом образуются как продукты распада более тяжёлых элементов.