Thorium

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

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	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)
Specifické teplo tání	80 J/g
Specifické teplo varu	2 340 J/g
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
GHS03 GHS07 GHS08 Varování
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

Základní fyzikálně-chemické vlastnosti

Thorium je velmi slabě radioaktivní kovový prvek (zářič α), který 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 se v průměrné 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 hmotnostní podíl thoria až 6 %, a dále například minerál euxenit (Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)₂O₆.

Velká ložiska na thorium 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.

Čistý kov se obvykle připravuje 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 lze setkat s izotopem ²³²Th, který se vyznačuje mimořádně velkým poločasem rozpadu 1,40×10¹⁰ roku. Je to, stejně jako velká většina dalších izotopů thoria, α zářič. Izotopy ²²⁷Th, ²²⁸Th, ²³⁰Th, ²³¹Th a ²³⁴Th se vyskytují v nižším zastoupení, jako produkty rozpadových řad.

Z dalších izotopů se lze zmínit například o ²³⁰Th s poločasem rozpadu 75 400 let, ²²⁹Th s poločasem 7 932 let nebo ²²⁸Th s poločasem 1,9125 roku. Ostatní izotopy s nukleonovými čísly 208 až 239 se rozpadají mnohem rychleji:

Izotop	poločas rozpadu	druh rozpadu	produkt rozpadu
208Th	1,7 ms	α	204Ra
209Th	2,5 ms	α	205Ra
210Th	16 ms	α / ε	206Ra / 210Ac
211Th	37 ms	α / ε	207Ra / 211Ac
212Th	30 ms	α (99,7 %)/ε (0,3 %)	208Ra / 212Ac
213Th	144 ms	α	209Ra
214Th	87 ms	α	210Ra
215Th	1,2 s	α	211Ra
216Th	26,0 ms	α (99,99 %) / ε (0,01 %)	212Ra / 216Ac
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 / 220Ac
221Th	1,68 ms	α	217Ra
222Th	2,8 ms	α	218Ra
223Th	0,60 s	α	219Ra
224Th	1,04 s	α	220Ra
225Th	8,75 min	α (90 %)/ ε (10 %)	221Ra / 225Ac
226Th	30,57 min	α	222Ra
227Th	18,697 d	α	223Ra
228Th	1,912 5 r	α (100 %)/ 20O (10−11 %)	224Ra / 208Pb
229Th	7 932 r	α	225Ra
230Th	75 400 r	α (100 %)/ 24Ne (6×10−11 %) / SF (≤4×10−12 %)	226Ra / 206Hg / různé
231Th	25,52 h	β− (100 %)/ α (4×10−11 %)	231Pa / 227Ra
232Th	1,40×1010 r	α (100 %) / SF (1,1×10−9 %)	228Ra / různé
233Th	21,83 min	β−	233Pa
234Th	24,10 d	β−	234Pa
235Th	7,1 min	β−	235Pa
236Th	37,3 min	β−	236Pa
237Th	4,7 min	β−	237Pa
238Th	9,4 min	β−	238Pa
239Th	?	β−	239Pa

Využití

Jaderná energetika

Na tuto kapitolu je přesměrováno heslo 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.

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

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^[kdy?] prováděn především v Indii, jejíž potenciální zásoby thoria patří k jedněm z největších na světě. Výzkum využití thoria pro jadernou energetiku se také dlouhodobě provádí v Česku.

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 jako jsou 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 jasným svítivým plamenem.

Odkazy

Literatura

• Cotton F.A., Wilkinson J.: Anorganická chemie, souborné zpracování pro pokročilé, ACADEMIA, Praha 1973
• Holzbecher Z.: Analytická chemie, SNTL, Praha 1974
• 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. 

Související články

• Spalační reakce
• Thoriová rozpadová řada

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu thorium na Wikimedia Commons
• Slovníkové heslo thorium ve Wikislovníku
• Rozdíl mezi thoriovými a uranovými reaktory

Autoritní data	NKC: ph543054 PSH: 5764 BNF: cb11977429t (data) GND: 4185331-3 LCCN: sh85134957 NDL: 00573342 NLI: 987007534013905171

Portály: Chemie