Pluton (pierwiastek)

Pluton (Pu, łac. plutonium) – pierwiastek chemiczny z grupy aktynowców w układzie okresowym. Nazwa pochodzi od planety karłowatej Pluton.

Pluton

neptun ← pluton → ameryk
Sm ↑ Pu ↓ Uqq 94 Pu
Wygląd
srebrzystobiały
Widmo emisyjne plutonu
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.	pluton, Pu, 94 (łac. plutonium)
Grupa, okres, blok	–, 7, f
Stopień utlenienia	III, IV, V, VI
Właściwości metaliczne	aktynowiec
Właściwości tlenków	amfoteryczne
Masa atomowa	[244]
Stan skupienia	stały
Gęstość	19816 kg/m³
Temperatura topnienia	640 °C
Temperatura wrzenia	3228 °C
Numer CAS	7440-07-5
PubChem	23940
Właściwości atomowe Promień • atomowy • walencyjny 175 pm 187 ±1 pm Konfiguracja elektronowa [Rn]5f67s2 Zapełnienie powłok 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2 (wizualizacja powłok) Elektroujemność • w skali Paulinga • w skali Allreda 1,28 1,22 Potencjały jonizacyjne I 584,7 kJ/mol
Właściwości fizyczne Ciepło parowania 344 kJ/mol Ciepło topnienia 2,84 kJ/mol Konduktywność 0,666×106 S/m Przewodność cieplna 6,74 W/(m·K) Układ krystalograficzny jednoskośny Prędkość dźwięku 2260 m/s (293,15 K) Objętość molowa 12,29×10−6 m³/mol
Najbardziej stabilne izotopy izotop wyst. o.p.r. s.r. e.r. MeV p.r. 238Pu {syn.} 88 lat α 5,5 234U 239Pu ślady 2,41×104 lat α 5,245 235U 240Pu {syn.} 6537 lat α 5,256 236U 241Pu {syn.} 14 lat β− 0,02078 241Am 242Pu {syn.} 3,73×105 lat α 4,984 238U 244Pu ślady 8,08×107 lat α 4,666 240U
Niebezpieczeństwa Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Wiarygodne źródła oznakowania tej substancji według kryteriów GHS są niedostępne.
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Pluton to transuranowiec, radioaktywny metal, po raz pierwszy wytworzony i zbadany przez zespół kierowany przez amerykańskiego chemika Glenna T. Seaborga w 1941 roku. Uczeni wykorzystali uran, który bombardowali jądrami deuteru (izotop wodoru). Ze względu na tajność Projektu Manhattan, pracę na temat pierwiastka opublikowano dopiero w 1946 roku. Najważniejszym jego izotopem jest ²³⁹Pu, stosowany do produkcji broni i w energetyce jądrowej. Orientacyjna cena 1 grama dwutlenku plutonu wynosi 5800 dolarów. Czysty pluton potrafi osiągnąć cenę dwukrotnie wyższą.

Dwutlenek plutonu-238 rozgrzany do czerwoności pod wpływem własnego promieniowania

Pierścień z plutonu o czystości 99,96%. Waży około 5,3 kg, ma średnicę 11 cm i wystarczy do skonstruowania jednej bomby jądrowej. Taki kształt został wybrany ze względów bezpieczeństwa (mniejsza koncentracja materiału).

Roztwory związków plutonu, w których pluton występuje w różnych stopniach utlenienia

Właściwości chemiczne

Pluton jest stosunkowo reaktywny chemicznie. Wystawiony na działanie powietrza pokrywa się powoli warstwą żółtych tlenków. Tworzy związki, w których występuje na czterech stopniach utlenienia, III, IV, V i VI, z których najtrwalszy jest stopień IV, zaś dla Pu(VI) znany jest tylko jeden związek – heksafluorek plutonu, PuF
6.

Właściwości fizyczne

Występuje w sześciu odmianach krystalicznych: α, β, γ, δ, δ' i ε. Odmiany α i β należą do jednoskośnego układu krystalograficznego. Z kolei struktura formy γ jest rombowa, δ i ε należą do sieci regularnej, zaś odmiana δ' jest tetragonalna. Odznacza się bardzo słabym przewodnictwem elektrycznym, przy czym pluton α ma przewodnictwo gorsze od bizmutu, uważanego za metal najsłabiej przewodzący prąd elektryczny. Formy α, β, γ i ε charakteryzują się spadkiem oporności wraz z temperaturą, co jest typowe dla półprzewodników.

Pu jest bardzo radioaktywny – na tyle że proces rozpadu promieniotwórczego z emisją cząstek alfa powoduje wydzielenie dużych ilości ciepła (0,567 W/g w przypadku ²³⁸Pu). Izotop ten jest często wykorzystywany w radioizotopowych generatorach termoelektrycznych do zasilania energią elektryczną urządzeń kosmicznych.

Ze względu na silną radioaktywność pluton jest zabójczy dla człowieka nawet w minimalnych ilościach (kumuluje się w tkance kostnej). Ze względu na mniejszą masę krytyczną niż w przypadku uranu bomby plutonowe mogą być mniejsze. Kilogram plutonu-239 może wyzwolić energię wybuchu 20 kiloton. Ogrzewany do temperatury 320–480 °C zmniejsza swoją objętość, wykazując anomalną rozszerzalność cieplną.

Występowanie

Otrzymywany jest sztucznie, aczkolwiek stwierdzono występowanie jego śladowych ilości w rudach uranu. Występuje tam w postaci izotopu ²³⁹Pu, powstającego jako produkt naturalnych reakcji jądrowych, oraz cięższego ²⁴⁴Pu. Ten izotop ma okres połowicznego rozpadu ponad 80 milionów lat i jest najcięższym z pierwotnych nuklidów występujących na Ziemi.

Izotopy i otrzymywanie

Opisano własności 20 izotopów plutonu o liczbie masowej od 228 do 247. Wszystkie izotopy są nietrwałe, najdłużej żyjącym izotopem jest ²⁴⁴Pu z czasem połowicznego rozpadu 80,8 mln lat. Kolejnymi są: ²⁴²Pu (373,3 tys. lat), ²³⁹Pu (24,11 tys. lat). Pozostałe mają czas połowicznego rozpadu mniejszy niż 7000 lat, a 16 z nich ma czas połowicznego rozpadu większy od 20 minut. Izotopy plutonu mają osiem izomerów jądrowych, wszystkie mają czas połowicznego zaniku mniejszy niż jedną sekundę.

Zastosowanie komercyjne mają dwa izotopy plutonu ²³⁸Pu i ²³⁹Pu.

Izotop 238 przy czasie rozpadu około 88 lat i cieple rozpadu 260 W/kg jest dobrym źródłem energii dla radioizotopowych generatorach termoelektrycznych, które mają działać przez kilkadziesiąt lat. Izotop ten uzyskuje się głównie przez bombardowanie uranu-238 jądrami deuteru:

$\mathrm {^{238}_{\ 92}U+_{1}^{2}D\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np+2\ _{0}^{1}n\quad ;\quad _{\ 93}^{238}Np\ {\xrightarrow[{2.117\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu}$

²³⁹Pu ulega rozszczepieniu neutronami termicznymi i jest używany w reaktorach jądrowych oraz w bombach jądrowych (np. w bombie Fat Man zrzuconej na Nagasaki). Izotop ten powstaje przez bombardowanie neutronami izotopu ²³⁸U. Reakcja ta zachodzi w reaktorach jądrowych – powstały w ten sposób pluton ulega w nich rozszczepieniu, odgrywając ważną rolę w funkcjonowaniu reaktora:

$\mathrm {^{238}_{\ 92}U+_{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23.5\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2.3565\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu}$

W reaktorach komercyjnych ilość energii powstającej z wytworzonego w reaktorze plutonu jest większa niż wytworzona z rozpadu paliwa pierwotnego ²³⁵U. Konstruuje się też reaktory powielające, w których w wypalonym paliwie jest więcej plutonu niż plutonu i uranu-235 w paliwie przed załadunkiem.

Syntetyczny pluton w środowisku

W wyniku atmosferycznych i podwodnych prób jądrowych, prowadzonych intensywnie w latach 60. XX wieku, a mniej intensywnie do lat 80., do środowiska zostały wprowadzone znaczne ilości plutonu, o aktywności rzędu 10¹⁶ Bq. Wprowadzone do stratosfery drobne cząstki zawierające pluton opadały systematycznie na powierzchnię Ziemi tworząc tzw. globalny opad promieniotwórczy. W chwili obecnej cały rozproszony w atmosferze pluton znajduje się na powierzchni Ziemi, w powierzchniowej warstwie gleby (co jest wynikiem silnego wiązania przez substancje organiczne), gdzie podlega procesom migracji i resuspensji (unoszeniu do przypowierzchniowej warstwy atmosfery). Niewielkie ilości plutonu (w porównaniu z opadem globalnym) wprowadziła do środowiska katastrofa w Czarnobylu. W odróżnieniu od opadu globalnego, opad czarnobylski miał charakter bardzo niejednorodny, tzn. na pewnych obszarach (np. Polska północno-wschodnia) występowały niewielkie powierzchniowo tereny o szczególnie dużej zawartości plutonu. Było to związane z opadaniem cząstek zawierających pluton w wyniku wystąpienia np. miejscowych opadów atmosferycznych.