Tlenek toru(IV)
Tlenek toru(IV), dwutlenek toru – nieorganiczny związek chemiczny z grupy tlenków, w którym tor występuje na IV stopniu utlenienia.
| |||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||
| Ogólne informacje | |||||||||||||||||||||||||||
| Wzór sumaryczny |
ThO2 | ||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Masa molowa |
264,04 g/mol | ||||||||||||||||||||||||||
| Wygląd |
białe sześcienne kryształy[1] | ||||||||||||||||||||||||||
| Identyfikacja | |||||||||||||||||||||||||||
| Numer CAS | |||||||||||||||||||||||||||
| PubChem | |||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||
| Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą stanu standardowego (25 °C, 1000 hPa) | |||||||||||||||||||||||||||
Budowa cząsteczki
edytujKrystalizuje w układzie regularnym, kryształy o strukturze fluorytu, grupa przestrzenna Fm3m[4].
Występowanie
edytujW przyrodzie występuje naturalnie w postaci minerału - torianitu[5]. Wchodzi także w skład monacytu[6].
Otrzymywanie
edytujSkala przemysłowa
edytujDwutlenek toru jest głównie otrzymywany z azotanu toru z pomocą kwasu szczawiowego[7][8][9]:
- Th(NO
3)
4 + 2H
2C
2O
4·6H
2O → Th(C
2O
4)
2·6H
2O + 4HNO
3 + 6H
2O
Otrzymany w powyższej reakcji szczawian toru poddawany jest wieloetapowemu rozkładowi termicznemu. Sumaryczna reakcja wygląda następująco[8]:
- Th(C
2O
4)
2·6H
2O → ThO
2 + 6H
2O + 2CO
2 + 2CO
Właściwości otrzymanego produktu zależą od warunków początkowych syntezy i przebiegu procesu dekompozycji termicznej[8][9].
Skala laboratoryjna
edytujPowstaje również przy ogrzewaniu metalicznego toru w powietrzu[10]:
- Th + O
2 → ThO
2
Właściwości
edytujWłaściwości fizyczne
edytujMateriał ceramiczny[11] o twardości 6,5 w skali Mohsa[5], ogniotrwały[10]. Radioaktywny, jak wszystkie inne związki toru[12].
Właściwości chemiczne
edytujNie reaguje z zimnymi kwasami i zasadami. Podgrzewając ThO
2 ze stężonym kwasem siarkowym otrzymuje się siarczan toru[10]:
- ThO
2 + 2H
2SO
4 → Th(SO
4)
2 + 2H
2O
Wykorzystywany w otrzymywaniu metalicznego toru w wysokotemperaturowej redukcji ciekłym wapniem[13][14]:
- ThO
2 + 2Ca → Th + 2CaO
Z tlenku toru(IV) otrzymuje się chlorek toru(IV), poprzez ogrzewanie ThO
2 w gazowym chlorze i tlenku węgla[10]:
- ThO
2 + 2CO + 2Cl
2 → ThCl
4 + 2CO
2
Zastosowanie
edytujPaliwo jądrowe
edytujDwutlenek toru może być wykorzystywany w energetyce jądrowej jako materiał paliworodny, zazwyczaj w postaci pastylek. Z głównego izotopu toru, 232
Th, otrzymuje się rozszczepialny izotop uranu 233
U w wyniku bombardowania neutronami[15]:
- 232
Th + 1
n → 233
Th + β−
→ 233
Pa + β−
→ 233
U
Tor nie był wykorzystywany komercyjnie jako paliwo ze względu na wystarczalność dotychczasowych zapasów uranu[16]. W XXI w. zwiększyło się zainteresowanie torem w energetyce jądrowej ze względu na:
- mniejsze ryzyko wykorzystania 233
U w broni jądrowej[16][17]; - bardziej korzystne właściwości fizyczne i chemiczne ThO
2 w porównaniu z tlenkiem uranu[16][17]; - generowanie aktynowców o krótszym okresie półtrwania niż w uranowym cyklu paliwowym[16].
Szacuje się, że tor występuje w naturze ok. 3-4 raza częściej niż uran[17].
Niektóre z problemów w wykorzystaniu toru jako paliwa jądrowego to:
- niska rozpuszczalność ThO
2 w HNO
3[16]; - wysoki poziom promieniowania gamma od produktów rozpadu 233
U[16], przez co utylizacja i ponowne wykorzystanie zużytego paliwa torowego jest bardziej skomplikowane niż dla uranu[17] - konieczność dopasowania systemów kontroli istniejących reaktorów do nowego surowca[17].
Kataliza
edytujWykorzystywany w otrzymywaniu kwasu azotowego z amoniaku (metoda Ostwalda), produkcji kwasu siarkowego i krakingu ropy naftowej[18]. Może również pełnić rolę katalizatora w syntezie organicznej. Przykładowo, ogrzany ThO
2 katalizuje reakcję utlenienia par metanolu do eteru dimetylowego[19]:
- 2CH
3OH → (CH
3)
2O + H
2O
Stosowany w metodzie syntezy makrocykli Ružički (dekarboksylacji wewnątrzcząsteczkowej)[20][21]:
Współcześnie, w większości przypadków zamiast tlenku toru wykorzystuje się tańsze katalizatory, np. oparte na metalach ziem rzadkich[22].
Produkcja szkła
edytujDodany do szkła dwutlenek toru pomaga zwiększyć jego współczynnik załamania i zmniejszyć dyspersję. Takie szkło znajduje zastosowanie w wysokiej jakości soczewkach, używanych w instrumentach naukowych i aparatach fotograficznych[18]. Na przestrzeni lat promieniowanie z tych soczewek może je przyciemnić i sprawić, że zżółkną, a także zniszczyć film, jeśli znajdował się w aparacie przez dłuższy czas[23]. Częściej niż dwutlenek toru stosowane są w tym celu tlenki metali ziem rzadkich, takie jak tlenek lantanu, ponieważ zapewniają one podobne efekty i nie są radioaktywne[24].
Ceramika
edytujZe względu na niereaktywność i wysoką temperaturę topnienia, tygle z dwutlenku toru z dodatkiem dwutlenku cyrkonu są wykorzystywane do topienia czystych metali w temperaturze 2300 °C[25][24]. Stanowi ok. 10% przezroczystego materiału ceramicznego Yttralox[26].
Radiologia
edytujDawniej wykorzystywany jako środek kontrastujący w radiologii pod nazwą Thorotrast, obecnie zastąpiony przez nieradioaktywne substancje[22][27]. Stosowanie odczynnika wiązało się ze stukrotnym wzrostem ryzyka zachorowań na nowotwory (m.in. naczyniakomięsaki śledziony i wątroby, raka wątrobowokomórkowego i raka dróg żółciowych)[27].
Lampy gazowe
edytujDwutlenek toru znalazł zastosowanie w lampach gazowych. Siatka ThO
2 umieszczona w płomieniu lampy zwiększa jego jasność. Zjawisko to zostało odkryte w 1892 roku przez austriackiego chemika Carla Auera von Welsbacha[28]. Nawet w latach 80-tych szacowano, że ok. połowa produkowanego toru była wykorzystywana w tym celu[29].
Przypisy
edytuj- ↑ a b c d e f Haynes 2014 ↓, s. 4-51.
- ↑ Stoll 2003 ↓, s. 699.
- ↑ Haynes 2014 ↓, s. 4-144.
- ↑ Hiroki Nakamura, Masahiko Machida, High-temperature properties of thorium dioxide: A first-principles molecular dynamics study, „Journal of Nuclear Materials”, 478, 2016, s. 56–60, DOI: 10.1016/j.jnucmat.2016.05.042, ISSN 0022-3115 [dostęp 2024-11-17].
- ↑ a b Patnaik 2003 ↓, s. 931.
- ↑ Stoll 2003 ↓, s. 691.
- ↑ Michael D. Larrañaga, Richard J. Lewis, Robert A. Lewis, Hawley's Condensed Chemical Dictionary, Sixteenth Edition, wyd. 1, Wiley, wrzesień 2016, s. 1339, DOI: 10.1002/9781119312468, ISBN 978-1-118-13515-0 [dostęp 2024-11-15] (ang.).
- ↑ a b c Narges Bagheri i inni, The co-precipitation method in the production of thorium oxide and uranium–thorium mixed oxide fuels − A review, „Nuclear Engineering and Design”, 426, 2024, s. 113366, DOI: 10.1016/j.nucengdes.2024.113366 [dostęp 2024-11-15] (ang.).
- ↑ a b Stoll 2003 ↓, s. 698.
- ↑ a b c d Adam Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, wyd. 6, t. 1–2, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2010, s. 1040, ISBN 978-83-01-16283-2.
- ↑ Stoll 2003 ↓, s. 700.
- ↑ Heavy Metals Safety [online], UCSF Macromolecular Structure Group [dostęp 2024-11-15] (ang.).
- ↑ N. Fuhrman, R.B. Holden, C.I. Whitman, Production of Thorium Powder by Calcium Reduction of Thorium Oxide, „Journal of The Electrochemical Society”, 107 (2), 1960, s. 127, DOI: 10.1149/1.2427621 [dostęp 2024-11-14] (ang.).
- ↑ Patnaik 2003 ↓, s. 929-930.
- ↑ Stoll 2003 ↓, s. 714.
- ↑ a b c d e f Foreword, [w:] Thorium fuel cycle: potential benefits and challenges, Technical document / International Atomic Energy Agency, Vienna: International Atomic Energy Agency, 2005, s. IV, ISBN 978-92-0-103405-2 [dostęp 2024-11-17] (ang.).
- ↑ a b c d e Role of thorium to supplement fuel cycles of future nuclear energy systems, IAEA nuclear energy series, Vienna: International Atomic Energy Agency, 2012, s. 1-2, ISBN 978-92-0-125910-3 [dostęp 2024-11-17] (ang.).
- ↑ a b Haynes 2014 ↓, s. 4-37.
- ↑ BS Bahl, Arun Bahl, A Textbook of Organic Chemistry, S. CHAND & COMPANY LTD, 1976, s. 396 (ang.).
- ↑ L. Ruzicka, M. Stoll, H. Schinz, Zur Kenntnis des Kohlenstoffringes II. Synthese der carbocyclischen Ketone vom Zehner‐ bis zum Achtzehnerring, „Helvetica Chimica Acta”, 9 (1), 1926, s. 249–264, DOI: 10.1002/hlca.19260090130, ISSN 0018-019X [dostęp 2024-11-15] (ang.).
- ↑ Bradford P. Mundy, Michael G. Ellerd, Frank G. Favaloro jr., Name Reactions and Reagents in Organic Synthesis, John Wiley & Sons, 6 maja 2005, s. 102, ISBN 978-0-471-73986-9 [dostęp 2024-11-15] (ang.).
- ↑ a b Stoll 2003 ↓, s. 717.
- ↑ Thoriated Camera Lens (ca. 1970s) [online], Museum of Radiation and Radioactivity [dostęp 2024-11-14] (ang.).
- ↑ a b Stoll 2003 ↓, s. 716.
- ↑ H.K. Richardson, SMALL CAST THORIUM OXIDE CRUCIBLES*, „Journal of the American Ceramic Society”, 18 (1-12), 1935, s. 65–69, DOI: 10.1111/j.1151-2916.1935.tb19355.x, ISSN 0002-7820 [dostęp 2024-11-17] (ang.).
- ↑ Sujarinee Kochawattana i inni, Sintering and grain growth in SiO2 doped Nd:YAG, „Journal of the European Ceramic Society”, 28 (7), Developments in Ceramic Science and Engineering: the last 50 years. A meeting in celebration of Professor Sir Richard Brook's 70th Birthday, 2008, s. 1527–1534, DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2007.12.006, ISSN 0955-2219 [dostęp 2024-11-17].
- ↑ a b Jonathan A. Flug i inni, Gone but Not Completely Forgotten: Pictorial Review of “Antiquated” Radiologic Procedures, „RadioGraphics”, 34 (5), 2014, s. 1442–1456, DOI: 10.1148/rg.345130033, ISSN 0271-5333 [dostęp 2024-11-15] (ang.).
- ↑ Stoll 2003 ↓, s. 715.
- ↑ N.N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of the elements, wyd. 2nd ed, Oxford ; Boston: Butterworth-Heinemann, 1997, s. 1255, ISBN 978-0-7506-3365-9 [dostęp 2024-11-15] (ang.).
Bibliografia
edytuj- Pradyot Patnaik, Handbook of inorganic chemicals, McGraw-Hill handbooks, New York, NY: McGraw-Hill, 2003, ISBN 978-0-07-049439-8 [dostęp 2024-11-11] (ang.).
- Wolfgang Stoll, Thorium and Thorium Compounds, [w:] Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, wyd. 1, Wiley, 11 marca 2003, DOI: 10.1002/14356007.a27_001, ISBN 978-3-527-30385-4 [dostęp 2024-11-14] (ang.).
- William M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, 4 czerwca 2014, ISBN 978-1-4822-0868-9 [dostęp 2024-11-11] (ang.).