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

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