Кюрий

Кю́рий (химический символ — Cm, от лат. Curium) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) седьмого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 96.

Кюрий
← Америций | Берклий →
96 Gd ↑ Cm ↓ (Upn) Периодическая система элементов 96Cm
Внешний вид простого вещества
Образец кюрия
Свойства атома
Название, символ, номер	Кю́рий / Curium (Cm), 96
Группа, период, блок	3 (устар. 3), 7, f-элемент
Атомная масса (молярная масса)	247,0703 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Rn] 5f76d17s2
Радиус атома	299 пм
Химические свойства
Электроотрицательность	1,3 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Cm←Cm3+ -2,06 В Cm←Cm2+ -1,2 В
Степени окисления	+3, +4
Энергия ионизации (первый электрон)	581(6,02) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	13,51 г/см³
Температура плавления	1358 °С
Температура кипения	3110 °С
Молярная теплоёмкость	27 Дж/(K·моль)
Молярный объём	18,28 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Гексагональная
Параметры решётки	a = 3,496 Å, c = 11,331 Å
Отношение c/a	3,24
Номер CAS	7440-51-9

96	Кюрий
Cm (247)
5f76d17s2

Относится к семейству актиноидов.

Простое вещество кюрий — это синтезированный радиоактивный трансурановый металл серебристого цвета.

История

После завершения работ, связанных с получением плутония, внимание исследователей Металлургической лаборатории (ныне — Аргоннская национальная лаборатория) было обращено на синтез и идентификацию новых трансурановых элементов. В этой работе участвовали Г. Сиборг, А. Гиорсо, Л. О. Морган и Р. А. Джеймс. На протяжении довольно длительного периода синтезировать и идентифицировать элементы № 95 и № 96 не удавалось, так как предполагалось, что они будут иметь сходство с плутонием и довольно легко окисляться до шестивалентного состояния. Но в 1944 году, когда было установлено, что эти элементы являются аналогами лантаноидов и входят в отдельную группу элементов, называемую актиноидами, открытие состоялось. Первым, в 1944 году, был открыт кюрий. Его получили при бомбардировке ²³⁹Pu α-частицами.

$\mathrm {{}_{94}^{239}Pu} +\mathrm {{}_{2}^{4}He} \rightarrow \mathrm {{}_{96}^{242}Cm} +\mathrm {{}_{0}^{1}n}$

Разделение америция и кюрия было сопряжено с большими трудностями, так они очень схожи по своим химическим свойствам. Трудность разделения отображена в первоначальных названиях элементов «пандемониум» и «делириум», что в переводе с латыни означает «ад» и «бред». Они были разделены методом ионного обмена с использованием ионообменной смолы дауэкс-50 и α-оксиизобутирата аммония в качестве элюента.

Кюрий был впервые выделен в чистом виде Л. В. Вернером и И. Перлманом в 1947 году в виде гидроксида, полученного из гидроксида америция, подвергнутого облучению нейтронами.

Происхождение названия

Назван в честь Пьера и Марии Кюри — по примеру расположенного в периодической таблице прямо над ним гадолиния, названного в честь химика Юхана Гадолина. В символе элемента (Cm) его латинского названия первая буква обозначает фамилию Кюри, вторая — имя Марии, а также последнюю в его полном названии — Curium.

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома кюрия: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f¹⁴5d¹⁰6p⁶5f⁷6d¹7s².

Кюрий — это мягкий металл серебристо-белого цвета. Радиоактивен, вследствие α-распада светится в темноте. Наиболее устойчивые изотопы — ²⁴⁷Cm (период полураспада 15,8 млн лет) и ²⁴⁸Cm (период полураспада 340 тыс лет).

Химические свойства

Наиболее стабильная степень окисления кюрия в водном растворе — +3. В степени окисления +4 кюрий присутствует в твёрдых оксиде кюрия(IV) и фториде кюрия(IV), в степени окисления +6 — в соединениях с катионом CmO2+
2. Разбавленные водные растворы солей Cm³⁺ бесцветны; для концентрированных растворов характерна бледно-зелёная или желтоватая окраска, в темноте они светятся бледно-голубым цветом.

Изучение химии кюрия осложнено его высокой радиоактивностью: растворы его солей подвержены интенсивному разогреву и радиолизу.

Получение

Определённые изотопы кюрия производят в атомных реакторах. Путём последовательного захвата нейтронов ядрами элемента-мишени, в качестве которых могут выступать уран или плутоний, происходит накопление атомов кюрия. Одна тонна отработанного ядерного топлива содержит около 20 грамм кюрия. После накопления кюрия в достаточных количествах его выделяют методами химической переработки, концентрируют и вырабатывают оксид кюрия.

Кюрий — крайне дорогой металл. На 2014 год он используется только в самых важных областях ядерных технологий. Тем не менее, в США и России существуют так называемые кюриевые программы, основной задачей которых являются:

• Максимальное увеличение количества кюрия в облучённом топливе.
• Максимальное сокращение сроков наработки кюрия.
• Разработка рациональных технологий облучения топлива и разработка топливных композиций.
• Снижение цен на кюрий.

Это связано с тем, что спрос на кюрий в основных его областях использования многократно превышает предложение. Получение достаточных количеств кюрия способно решить проблему производства компактных космических реакторов, самолётов с ядерными двигателями и др.

Согласно отчёту комиссии РАН под руководством академика В. А. Тартаковского от 23 апреля 2010 года, на исследовательских реакторах ГНЦ НИИАР (г. Димитровград) создана уникальная технология производства кюрия-244.

Изотопы и их применение

Основная статья: Изотопы кюрия

Кюрий-242 в виде окиси (плотность около 11,75 г/см³ и период полураспада 162,8 суток) применяется для производства компактных и чрезвычайно мощных радиоизотопных источников энергии (энерговыделение около 1169 Вт/см³), при этом 1 грамм металлического кюрия-242 выделяет около 120 Вт. Несмотря на относительно небольшой период полураспада, продуктом его альфа-распада является заметно более долгоживущий плутоний-238, благодаря чему источник тепла на основе кюрия-242 служит заметно дольше, чем, например, полониевый, но при этом заметно теряет в тепловыделении (поскольку у дочернего продукта распада заметно меньше удельная активность, и, следовательно, удельное тепловыделение). Интегральная энергия альфа-распада одного грамма кюрия-242 за год составляет приблизительно 480 кВт·ч.

Другой важной областью применения кюрия-242 является производство нейтронных источников высокой мощности для «поджигания» (запуска) специальных атомных реакторов.

Сходными свойствами обладает более тяжёлый изотоп кюрия — кюрий-244 (период полураспада 18,11 года). Он также является альфа-излучателем, но его энерговыделение ниже, около 2,83 Вт/грамм. Кюрий-244 с вероятностью на уровне 1,37·10⁻⁶ способен к спонтанному делению, что вносит существенный вклад в нейтронный радиационный фон от отработавшего ядерного топлива некоторых реакторов.

Кюрий-245 (период полураспада 8,25 тыс. лет) перспективен для создания компактных атомных реакторов с сверхвысоким энерговыделением. Изыскиваются способы рентабельного производства этого изотопа, который является почти чистым альфа-излучателем (вероятность спонтанного деления 6,1·10⁻⁹).

Самым долгоживущим изотопом кюрия является альфа-активный (без признаков других типов радиоактивного распада) кюрий-247, период полураспада которого составляет 15,6 млн лет.

Кюрий как источник нейтронов

Четные изотопы кюрия обладают высокой интенсивностью спонтанного деления — миллионы и десятки миллионов делений на грамм в секунду, это на четыре порядка больше, чем изотопы плутония, и на 8—9 порядков больше, чем изотопы урана, при этом каждое деление дает в среднем 3 нейтрона. Поэтому кюрий иногда используется как компактный источник нейтронов, например, для нейтронно-активационного анализа (именно такой источник был установлен на марсоходе Кьюриосити). Благодаря высокой интенсивности спонтанного деления, именно изотопы кюрия вносят основной вклад в нейтронный фон ОЯТ, несмотря на то, что содержание кюрия в нем не превышает 40 г/т.

Безопасность

При употреблении кюрия только 0,05 % его всасывается в организм, из этого количества 45 % откладывается в печени (период полувыведения — около 20 лет), 45 % — в костях (период полувыведения — около 50 лет), остальные 10 % выводятся из организма. При попадании в организм кюрий нарушает процесс образования эритроцитов. Внутривенное введение растворов солей кюрия крысам приводило к опухоли костей, а вдыхание кюрия — к раку лёгких и раку печени.

Некоторые продукты распада кюрия испускают сильное бета- и гамма-излучение.

Изотопы кюрий-242 и кюрий-244 обладают исключительно высокой радиотоксичностью, притом кюрий-242 с более коротким периодом полураспада является крайне сильным ядом, значительно опаснее кюрия-244. Токсичность кюрия, как и токсичность всех трансурановых элементов, зависит от изотопного состава, и возрастает с увеличением доли относительно короткоживущих альфа-излучающих нуклидов.

Литература

• Химическая энциклопедия / под ред. И. Л. Кнунянца — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2 : Даф-Мед. — 671 с. — ISBN 5-82270-035-5
• CRC Handbook of Chemistry and Physics : [англ.] / W. M. Haynes. — 95th Ed. — Boca Raton, FL : CRC Press, Taylor & Francis Group, 2014—2015. — 2666 p. — ISBN 978-1-4822-0868-9.
• Гольданский В. И. Элемент № 96 — Кюрий // Новые элементы в Периодической системе Д. И. Менделеева / Отв. ред. К. В. Астахов. — М.: Издательство Академии наук СССР, 1953. — С. 144—145. — 168 с. — (Научно-популярная серия).
• Кузнецов В. И. 96-й элемент-кюрий. Практическое использование кюрия // Трансурановые элементы. — М.: Знание, 1969. — С. 17—19. — 48 с. — (Физика, астрономия).
• Леенсон, Илья. Язык химии. Этимология химических названий. — М.: Corpus, 2017. — 464 с. — ISBN 978-5-17-095739-2.
• Рич В. И. Кони и всадники (кюрий, америций) // В поисках элементов. — М.: Химия, 1985. — С. 115—117. — 168 с.
• Curium Data Sheets, ORNL 1966
• Curium Data Sheets, ORNL 1973

Ссылки

• Кюрий на Webelements (англ.)
• Кюрий в Популярной библиотеке химических элементов, Издательство «Наука», 1977.