元素

90 钍 汽灯的元素

本文作者:漂泊

钍是锕系元素的一员,也是第二种被人们发现的放射性元素,它主要存在于独居石中。钍最重要的用途是用于核反应堆作为核燃料。氧化钍是钍最重要的化合物之一,它可以用于制造钍汽灯、催化剂、摄像机特殊镜头等等。

钍的基本物理性质

分类 第ⅢB族▪锕系金属
原子序号原子量 90 (232.0381)
电子配置 6d27s2
密度 11.72 g/cm3
熔点 1750 oC
沸点 4790 oC
形状 钢灰色金属
半衰期 1.4×1010
发现者 Jöns Jacob Berzelius
主要的同位素 231Th, 232Th
用途例 核燃料、汽灯、催化剂
前后的元素 锕-钍-镤

钍的发现

1815年,瑞典科学家Jöns Jacob Berzelius分析了一种来自瑞典中部的不寻常钇土样本。他在其中发现了一种白色的矿物,他认为这可能是一种包含未知元素的稀土。他在1817年将该元素命名为Thorium,来自于北欧神话中的雷神。在研究了更多的样品后,他撤回了它命名,因为这并不是一种新元素,而是磷酸钇。

1828年,挪威矿物学家Morten Thrane Esmark在Løvøya岛发现了一种黑色矿物,他将该矿物样品寄给了他的父亲Jens Esmark,Royal Frederick University的著名矿物和地理学家。他发现这是一种未知的矿物,于是他将该样品寄给了Jöns Jacob Berzelius作进一步分析。他发现其中包含了一种新的元素。利用金属钾还原,他获得了其不纯的单质(该矿物中含有KThF5)。于是Jöns Jacob Berzelius用之前使用过的名字Thorium对该新元素进行了命名。他也对该元素的单质及化合物进行了初步表征,发现氧化钍中钍与氧的质量比约为7.5,这与实际值约7.3相差很小。但是他错误的假定钍是二价的而不是四价,因此他计算的钍的相对原子质量是实际值的一半。他也发现钍是电正性很强的金属。

1914年,荷兰商人Dirk Lely Jr. and Lodewijk Hamburger首次制得了纯净的金属钍。[1-10]

金属钍

钍在元素周期表中位置的变化

1869年,在门捷列夫刚刚出版元素周期表时,钍放置在主体表格之外,在碱土金属那一列的末尾。在那个时候,钍被认为是二价的稀土元素,当人们意识到稀土元素主要是三价,而钍是四价时,门捷列夫将钍移到了第四族(包含了现在的碳族元素和钛族元素,即第四主族和第四副族),因为它们的氧化态都是+4。铯被移动到单独的镧系元素中,而钍由于与钛、锆相似的性质,没有被移动。

19世纪晚期,化学家们才一致认为钍和铀与铪和钨性质相似。1892年,英国化学家Henry Bassett建议安排第二行长表去安排未发现及未安排的元素,包括钍及铀等与镧系元素性质相似的元素。1913年,丹麦物理学家波尔提出了一种原子及其电子轨道的理论模型,很快就被接受了。该理论认为在过渡金属元素中,第七行(锕系)的元素应该在电子填满d轨道之后,填f轨道。直到第一个超铀元素钚被发现,它同镧系元素一样具有+3及+4的氧化态,证实了锕系元素电子确实填充了f轨道而不是d轨道。1945年,美国物理学家Glenn T. Seaborg 发现了镅和锔,他意识到钍应该是有f电子,应该排在锕系元素的第二位,而不应该作为铪的同系物,于是钍在元素周期表中的位置最终被确定了下来。[11-15]


锕系元素

钍的应用

1885年,奥地利化学家Carl Auer von Welsbach发明了钍汽灯,它的原理是氧化钍在利用汽油加热时会发出耀眼的白光。很快,钍也被拓展到其他用途,例如碳弧灯、催化剂(氨氧化反应)等等。

1898年,钍首次被具有放射性,德国化学家Gerhard Carl Schmidt和居里夫人先后独立发现了这一点。钍是第二种被发现具有放射性的元素。卢瑟福则发现钍在进行衰变时会放出放射性气体,也就是氡,这是唯一的一种放射性稀有气体元素。有人利用钍放射性衰变产生的氡进行放射治疗,结果却导致了白血病。由于钍的放射性危害,它逐渐被更为安全的元素替代了。

钍主要是从独居石中提取的,它可以用于核反应堆,印度提供了世界上大多数的钍,但是它缺少铀,因此印度建造了许多钍反应堆。钍最常见的核素是232Th,当232Th在遭受慢中子轰击时,会发生两次β衰变产生233U,233U相对于235U而言更容易发生衰变,是反应堆的常见燃料,当它发生链式反应时,又会产生中子,这些中子又会轰击232Th,从而继续这个循环。相对于铀而言,钍的储量更大,能供应整个世界使用更长时间。相比于氧化铀而言,氧化钍有着更高的熔点,更好的导热性以及较小的热膨胀系数,化学性质也更为稳定。(UO3加热时容易分解为U3O8)。

除此之外,钍还有一些其他的用途,在制造白炽灯丝时,向待烧结的钨粉中加入少量的氧化钍有利于钨的重结晶。钍还会在钨表面形成一层原子级的薄层,它的存在可以降低发射电子的功函。这种灯丝在电子管中非常常见,直到晶体管出现取代了电子管。向玻璃中添加氧化钍可以增加它的折射系数并减小散射。这种玻璃可以用于摄像机及科学仪器所使用的高质量镜头。少量钍的存在危害性不大。加入氧化钍的镜头会显现黄色,如果暴露在紫外光下,氧化钍会慢慢的转变为稀土元素氧化物,因而黄色会褪去。 [16-21]

参考文献

  • [1] Fontani, M.; Costa, M.; Orna, V. (2014). The Lost Elements: The Periodic Table’s Shadow Side. Oxford University Press. p. 73. ISBN 978-0-19-938334-4.
  • [2] Ryabchikov, D. I.; Gol’braikh, E. K. (2013). The Analytical Chemistry of Thorium: International Series of Monographs on Analytical Chemistry. Elsevier. p. 1. ISBN 978-1-4831-5659-0.
  • [3] Thomson, T. (1831). A System of Chemistry of Inorganic Bodies. 1. Baldwin & Cradock and William Blackwood. p. 475.
  • [4] Berzelius, J. J. (1824). “Undersökning af några Mineralier. 1. Phosphorsyrad Ytterjord” [Examining some minerals. 1st phosphoric yttria.]. Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar (in Swedish). 2: 334–338.
  • [5] Wickleder, M. S.; Fourest, B.; Dorhout, P. K. (2006). “Thorium”. In Morss, L. R.; Edelstein, N. M.; Fuger, J. (eds.). The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements. 3 (3rd ed.). Springer-Verlag. pp. 52–160. doi:10.1007/1-4020-3598-5_3. ISBN 978-1-4020-3598-2. Archived from the original on 14 December 2017.
  • [6] Selbekk, R. S. (2007). “Morten Thrane Esmark”. Store norske leksikon (in Norwegian). Kunnskapsforlaget. Retrieved 16 May 2009.
  • [7] Weeks, M. E. (1932). “The discovery of the elements. XI. Some elements isolated with the aid of potassium and sodium: Zirconium, titanium, cerium, and thorium”. Journal of Chemical Education. 9 (7): 1231. Bibcode:1932JChEd…9.1231W. doi:10.1021/ed009p1231.
  • [8] Berzelius, J. J. (1829). “Untersuchung eines neues Minerals und einer darin erhalten zuvor unbekannten Erde” [Investigation of a new mineral and of a previously unknown earth contained therein]. Annalen der Physik und Chemie (in German). 16 (7): 385–415. Bibcode:1829AnP….92..385B. doi:10.1002/andp.18290920702. (modern citation: Annalen der Physik, vol. 92, no. 7, pp. 385–415).
  • [9] Berzelius, J. J. (1829). “Undersökning af ett nytt mineral (Thorit), som innehåller en förut obekant jord” [Investigation of a new mineral (thorite), as contained in a previously unknown earth]. Kungliga Svenska Vetenskaps Akademiens Handlingar (in Swedish): 1–30.
  • [10] Leach, M. R. “The Internet Database of Periodic Tables: Berzelius’ Electronegativity Table”. Retrieved 16 July 2016.
  • [11] Leach, M. R. “The INTERNET Database of Periodic Tables”. Retrieved 14 May 2012.
  • [12] Jensen, William B. (2003). “The Place of Zinc, Cadmium, and Mercury in the Periodic Table”  Journal of Chemical Education. 80 (8): 952–961. Bibcode:2003JChEd..80..952J. doi:10.1021/ed080p952. Archived from the original on 11 June 2010.
  • [13] Masterton, W. L.; Hurley, C. N.; Neth, E. J. (31 January 2011). Chemistry: Principles and reactions (7th ed.). Cengage Learning. p. 173. ISBN 978-1-111-42710-8.
  • [14] van Spronsen, J. W. (1969). The periodic system of chemical elements. Elsevier. pp. 315–316. ISBN 978-0-444-40776-4.
  • [15] Rhodes, R. (2012). The Making of the Atomic Bomb (25th Anniversary ed.). Simon & Schuster. pp. 221–222, 349. ISBN 978-1-4516-7761-4.
  • [16] Stoll, W. (2005). “Thorium and Thorium Compounds”. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH. doi:10.1002/14356007.a27_001. ISBN 978-3-527-31097-5.
  • [17] Oak Ridge Associated Universities (1999). “Thoriated Camera Lens (ca. 1970s)”. Retrieved 29 September 2017.
  • [18] Ronen, Y. (2006). “A rule for determining fissile isotopes”. Nuclear Science and Engineering. 152 (3): 334–335. doi:10.13182/nse06-a2588. ISSN 0029-5639.
  • [19] Ronen, Y. (2010). “Some remarks on the fissile isotopes”. Annals of Nuclear Energy. 37 (12): 1783–1784. doi:10.1016/j.anucene.2010.07.006.
  • [20] “Interactive Chart of Nuclides”. Brookhaven National Laboratory. Retrieved 12 August 2013.
  • [21] “Thorium test begins”. World Nuclear News. 2013. Retrieved 21 July 2013.

本文版权属于 Chem-Station化学空间 欢迎点击按钮分享,未经许可,谢绝转载!

Related post

  1. 76 锇 笔尖的元素
  2. 24 铬 不锈钢的核心元素
  3. 50 锡 焊接的元素
  4. 20 钙 生命中的钢筋混凝土元素
  5. 55 铯 光电倍增管的元素
  6. 铍 Beryllium -翡翠的成分、宇宙望远镜的反射镜材料
  7. 43 锝 第一种人工合成的元素
  8. 64 钆 磁共振成像对比剂的元素

Comment

  1. No comments yet.

  1. No trackbacks yet.

You must be logged in to post a comment.

Pick UP!

微信

QQ

PAGE TOP