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釷   90Th
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(Uqn)
外觀
銀白色,有時會變黑失去光澤
概況
名稱·符號·序數 釷(thorium)·Th·90
元素類別 錒系金屬
·週期· 3 ·7·f
標準原子質量 232.03806
電子排布

[] 6d2 7s2
2, 8, 18, 32, 18, 10, 2

釷的电子層(2, 8, 18, 32, 18, 10, 2)
歷史
發現 Jöns Jakob Berzelius(1829年)
物理性質
物態 固態
密度 (接近室温
11.7 g·cm−3
熔點 2115 K,1842 °C,3348 °F
沸點 5061 K,4788 °C,8650 °F
熔化熱 13.81 kJ·mol−1
汽化熱 514 kJ·mol−1
比熱容 26.230 J·mol−1·K−1

蒸氣壓

壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 2633 2907 3248 3683 4259 5055
原子性質
氧化態 4, 3, 2, 1
(弱鹼性)
電負性 1.3(鲍林标度)
電離能

第一:587 kJ·mol−1
第二:1110 kJ·mol−1

第三:1930 kJ·mol−1
原子半徑 179 pm
共價半徑 206±6 pm
雜項
晶體結構 面心立方
磁序 順磁性[1]
電阻率 (0 °C)147 n Ω·m
熱導率 54.0 W·m−1·K−1
膨脹係數 (25 °C)11.0 µm·m−1·K−1
聲速(細棒) (20 °C)2490 m·s−1
楊氏模量 79 GPa
剪切模量 31 GPa
體積模量 54 GPa
泊松比 0.27
莫氏硬度 3.0
維氏硬度 350 MPa
布氏硬度 400 MPa
CAS號7440-29-1
最穩定同位素

主条目:釷的同位素

同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變
方式 能量MeV 產物
228Th 微量 1.9116 α 5.520 224Ra
229Th 微量 7340 年 α 5.168 225Ra
230Th 微量 75380 年 α 4.770 226Ra
231Th 微量 25.5 小時 β 0.39 231Pa
232Th 100% 1.405×1010 α 4.083 228Ra
234Th 微量 24.1 β 0.27 234Pa

Thorium,舊譯作)是原子序数为90的金屬元素,其元素符號Th,屬锕系元素,具有微弱放射性。其色為銀,在空氣中形成二氧化釷並褪成黑色。硬度一般,熔點高,具延展性。釷為易帶正電的錒系元素,其主要氧化態為+4價,具有相當的反應性,若切成細塊則可在空氣中點燃。

所有已知釷的同位素皆不穏定,最穩定的同位素232Th的半衰期長140億年,與宇宙年齡相當。它緩慢地經由α衰變開始名為釷系列的衰變鏈,最終止於穩定的208Pb。在宇宙中,釷、是唯三存量尚高的原初元素。[a]估計在地殻中存量為鈾的三倍強,來源主要是獨居石砂中提取稀土元素的副產物。

由業餘揶威礦物學家Morten Thrane Esmark在1829年發現了釷,瑞典化學家永斯·貝吉里斯在鑑定後,以北歐神話中的雷神索爾(Thor)命名。釷在十九世紀末開始應用,釷的放射性在1900年代被廣為認知。在二十世紀後半因擔憂釷的放射性,其許多用途皆被取代。

釷是鎢極氣體保護電弧焊中,電極裡的合金元素,但其使用逐漸被取代。釷也被應用在科學儀器中高階光學元件,也在煤氣網罩做為光源使用,但這些用量都很小。有人建議用釷取代鈾作為核反應爐的燃料,已有數個釷反應爈被建造。

整體性質[编辑]

釷的硬度一般,具順磁性,為亮銀色放射錒系金屬元素。在週期表中,位於之右,之左,之下。純釷的延展性相當好, 與一般金屬一樣,可被冷軋、擠鍛及拉製。[2]。在室溫下,釷金屬為面心立方堆積,它有其它兩種形態,一個在高溫(超過1360 °C,體心立方堆積),一個在高壓(約100 GPa,體心四方堆積)。[2]

釷金屬的體積模數(一種物質有多難壓縮的度量)為54 GPa,與約同(58.2 GPa)。為(75.2 GPa),為137.8 GPa,軟鋼(低碳鋼)則為160–169 GPa。.[3]釷的硬度與軟鋼差不多,所以加熱後可被滾成薄板及拉製成線。[4]

釷的密度約為的一半,但硬度比二者高。[4]溫度在1.4 K下時會變成超導體[2]釷的熔點為1750 °C,比(1227 °C)及鏷都來得高(1568 °C)。在第七週期前段,從到釷,熔點逐漸上升(與其它週期相同),這是因為原子中的非定域電子數目從鍅的一顆增加到釷的四顆,這導致金屬的電荷從+1增加到+4,而電子與金屬離子的吸引力也因此上升。在釷之後直到鈽,熔點開始下降,f電子的數目也從0.4左右增加到6左右,這是因為5f軌域及6d軌域混成比例增加,在更複雜的晶體結構中形成了有方向的化學鍵而弱化了金屬鍵。[4][5][5]在錒系元素裡,在之前並可在毫克等級下做分析的元素中,釷則具有最高的熔點沸點,以及第二低的密度,只有錒比釷輕。[b]釷的沸點為4788 °C,在所有已知沸點的元素中是第五高。[c]

釷的性質會因雜質的不同而變化廣泛,主要的雜質通常是二氧化釷(ThO2),即使是最純的釷樣品,通常也含有大約百分之十的氧化物。[2]實驗測量出的密度界於11.5及11.66 g/cm3之間,略小於理論預測值11.7 g/cm3,這也許是因為在製成金屬時形成了微觀空洞。[2]這些值位於隔鄰的錒(10.1 g/cm3)及鏷(15.4 g/cm3)之間,也符合錒系前半元素的趨勢。[2]

釷可與許多金屬形成合金。加入少量的釷可以增加的機械強度,釷鋁合金被認為是一種在未來釷核反應爐來儲存釷的方法。釷與鉻及鈾形成共熔混合物,並與較輕的同族元素鈰在液態及固態都完全互溶[2]

同位素[编辑]

在鉍(83號元素)之前的元素,都有一種幾乎在任何應用下都穩定的同位素(古典穩定),但(43號元素及61號元素)除外。所有從(84號元素)開始的元素,都有可測的放射性232Th是在鉍之後,三種半衰期以億年計的核種之一(另兩個核種是235
U
238
U
),釷的半衰期為140.5億年,為地球年齡的三倍,與宇宙的年齡相當。地球中的五分之四的釷留存至今。[8][9][10]232Th是唯一在自然中大量存在的釷同位素,[8]其穩定性與其閉核殼層中的142顆中子習習相關。[11][12]釷有特定的地球同位素比例,其原子量為232.0377(4)。在地球上有足夠量以確定標準原子量的放射性元素有四個,釷為其中之一(另三個為)。[13]

釷原子核會因為強核作用力無法克服質子間的電磁排斥力,而發生α衰變[14]232Th的α衰變是一4n衰變鏈的開端,此衰變鏈中核種的核子數皆可被4整除(這也是為什麼被取名為4n衰變鏈,這衰變鏈也因啟始物而被叫做釷系列)。這一系列的α及β衰變232Th衰變至228Ra為始,止於208Pb。[8] 任何釷及其化合物的樣品,都含有這些後續核種的痕跡,包括了釷、、鉍、釙、及錒的同位素。[8] 自然的釷樣品可用化學方式來提純有用的後續核種,像是可被用做核醫學癌症治療的212Pb,227Th(會以18.68天的半衰期發射出α粒子)也可被用作α粒子標靶治療。[15][16][17]在非常偶然地的情況下,232Th會進行自發裂變而非α衰變,在其礦物中留下了此反應的證據(也就是受困其中的反應產物氙氣),但其部份半衰期長達1021年,所以α衰變佔絕大多數。[18][19]

Ball-and-arrow presentation of the thorium decay series
232Th的4n衰變鏈,常被稱為「釷系列」

目前已鑑別出三十種放射性同位素,核子數從209[20]到238。[18]230Th後,最穩定的同位素分別為230Th(75,380 年)、229Th(7,340 年)、228Th(1.92 年)、234Th (24.10 天)及227Th (18.68 天)。這些同位素都是232Th、235U、238U及237Np衰變鏈的一部份,因此得以痕量存於自然之中。最後的237Np因其較短的半衰期(214萬年),早已消逝在自然中,但仍持續因鈾礦補捉中子而存活數分鐘。所有剩餘的釷同位數的半衰期都短於30天,其中的大部份的半衰期比十分鐘短。[8]

在深中,同位素230Th佔了自然釷的0.04%。[13] 這是因為其母核種238U可溶於水,但230Th不溶且會沈澱。含有低濃度釷的鈾礦,可以純化出數克的釷樣品,其中230Th佔了四分之一,因為230Th是238U的後續核種。[18]國際純化學和應用化學聯合會(IUPAC)在2013年重新在釷分類成雙核種元素,釷在過去曾被認為是單核種元素。[13]

釷有三個同核異構體(或稱為亞穩態),分別是216m1Th、216m2Th及229mTh。229mTh的激發能在同核異構體中是最低的,[21]約為7.6±0.5 eV。這激發能是如此之低以致於它會進行異構體躍遷,放出的γ射線落在紫外線範圍。[22][23][d]

釷的不同同位素化學性質相同,但物理性質有著微小的差異。舉例來說,228
Th
229
Th
230
Th
232
Th
的密度分別為11.5、11.6、11.6及11.7 g/cm3[25]同位素229
Th
被預測可進行核裂變,其裸臨界質量為2839公斤,在運用鋼反射板可降至994公斤。[25][e]232
Th
不能核分裂,但它是增殖性材料, 在補獲中子後可經由β衰變轉換成易分裂的233U。[25][26]

放射性定年法[编辑]

有兩種放射性定年法牽涉到釷的同位素,分別是建基在234U衰變至230Th的鈾釷定年法,及測量232Th及230Th比例的ionium-釷定年法,[f]這兩個方法成立是因為232Th是原初放射性元素,230Th只是238U的衰變鏈的中間產物。[27] 鈾釷定年法是相對短期的方法,因為234U及230Th的半衰期比地球年齡來得短。它伴隨著一個姊妹過程,牽涉到235U到231Th的α衰變,然後很快的變成長壽的231Pa,這過程常用來驗證鈾釷定年法的結果。鈾釷定年法常被用來判定含碳酸鈣物質的年代,像是鐘乳石珊瑚。因為鈾比釷及鏷更溶於水,所以釷及鏷較會沈澱到海床上,其比例就可被測定。這方法的的適用範圍有數十萬年。[27][28]Ionium-釷定年法是相關的過程,利用了釷不溶於水(232Th及230Th都不溶於水)的特性,所以可測量海裡沈積物中的232Th及230Th比例,來判定沈積物的年代。[29][30]這兩種方法都假設,232Th及230Th比例在沈積物層形成時是固定的,沈積物中不含由鈾衰變出的釷,釷也不會在沈積物層間移動。[29][30]

化學性質[编辑]

釷原子有90個電子,其中四個電子為價電子。理論上價電子有三個原子軌域可以填:5f、6d及7s。[31]儘管釷位於週期表中的f區塊,它的基態有著異常的[Rn]6d27s2電子組態。5f及6d子殻層在早期錒系元素中能量相當接近,甚至比鑭系元素中的4f和5d子殻層還近,而釷的6d子殻層比5f子殻層能量低,因為它的5f子殻層並未被完全填滿的6s及6p子殻層良好遮蔽,所以較不穩定。這是因為相對論效應,更精確的說是自旋-軌道作用,在週期表底部變得更為重要。釷原子的5f、6d及7s的能量相近,導致釷幾乎總失會失去它的四個價電子,並處於它的最高可能氧化態+4。這和釷的同族鑭系元素鈰不同,鈰的最高氧化態也是+4,但是+3氧化態更為重要也更為穩定。比起鈰,釷的游離能和氧化還原電位更像是過渡金屬鋯及鉿,所以釷的化學性質也是像鋯及鉿。這種類過渡金屬的性質是前半段錒系元素的準則。[32][33]

Crystal structure of fluorite
二氧化釷有著螢石晶體結構。
Th4+: __  /  O2−: __

雖然氣態釷原子有著異常的電子組態,5f在釷金屬裡扮演了重要角色。這首先在1995年被認識到,如果釷的電子組態是[Rn]6d27s2,且5f軌域在費米能階之上,那麼釷的晶體會像是4族元素的鈦、鋯及鉿一樣,是六方最密堆積,而不是實際上的面心立方堆積。只有在考慮5f之後,才能解釋真實的晶體結構。釷的+3氧化態的電子組態[Rn]5f1,5f在其稀有和極不穩定的扮演的角色也很清楚。[34]

四價釷化合物的顏色通常是無色或是黃色,像是或鉛一樣,因為Th4+也沒有5f或是6d電子。[4]所以釷的化學內容,大部份是易帶正電的金屬,形成了一個反磁性的且有穩定惰性氣體組態的離子,這暗示了釷及s區塊主族元素的相似性。.[35][g]釷和鈾是最常被探討的放射性元素,因為它們的放射性足夠低,不需要特別的訓練來處理。[36]

反應性[编辑]

釷的反應性極高,而且是易帶正電的金屬。Th4+/Th的標準還原電位為−1.90 V,釷比鋯及鋁更容易帶正電。[37]切成細塊的釷金屬會自燃[2]當在空氣中被加熱時,釷屑會被點燃,焰色為亮白光並產生二氧化釷。塊狀純釷與空氣的反應則相對緩慢,雖然在數月後有可能發生腐蝕現象。大多的釷樣品都含有不同程度的二氧化釷,而加快了腐蝕過程。[2]這些樣品會逐漸失去光澤,表面變灰最後變成黑色。[2]

標準狀況下,釷會逐漸被水侵蝕,但不會快速溶於大多常見的酸中,除了氫氯酸以外,釷會溶於其中,並留下黑色的不可溶殘留物ThO(OH,Cl)H。[2][38]釷會溶於含有少量氟離子氟矽酸的濃硝酸中,若不含這兩者,則會像鈾及鈽一樣被硝酸鈍化[2][39][40]

Crystal structure of thorium tetrafluoride
四氟化釷的晶體結構
Th4+: __  /  F: __

無機化合物[编辑]

大多釷與非金屬的的二元化合物,可用加熱混合物的方式製備。[41]在空氣中,釷會燃燒形成ThO2,晶體結構為螢石[42]二氧化釷是耐火材料,在所有氧化物中具有最高的熔點(3390 °C)。[43] 它會潮解,並會與水與許多氣體快速反應,[44]並易溶於含氟離子的濃硝酸中。[45]當加熱時,會放出強藍光,當二氧化釷與其較輕的同族化合物二氧化鈰時,光會變成白色,這是過去釷最常見的應用,也就是被用於煤氣網罩的原理。[44]此效果不需要火焰,在1901,人們發現Welsbach煤氣網罩(由ThO2 with 1% CeO2組成),在暴露在冷的未燃氣體[哪個/哪些?]與空氣之中時,會維持在全光狀態。[46]二氧化釷發出光的的波長,比同溫下的白熾物發出的黑體幅射短,此現象稱作為強熱發光。這是因為 二氧化釷與鈰在火焰中的高濃度自由基的重新結合中扮演著催化劑的角色,這個結合會放出大量能量。1%的二氧化鈰的加入,加強了可見光區的發射率。此外鈰不像釷,可以處於多個氧化態,它的價數及可見光的發射率會與火焰的發生區域有關(區域不同,化學組成不同,價數也不同)。[46]已發現數個釷與氧族(硫、硒及碲)的化合物,以及與氧族(硫、硒及碲)及氧結合的化合物。[47]

所有四種四鹵化釷化合物都存在,也有一些低價數的溴化物及碘化物。[48]四鹵化合物都是八配位並都可潮解,易溶於像是水的極性溶劑。[49]許多相關的多鹵化物離子也已被發現。[48]四氟化釷有著單斜晶系的晶體結構,與四氟化鋯及四氟化鉿相同,其中Th4+離子與F離子以扭曲四角反稜柱的方式結合。[48]其它的四鹵化物則有著十二面體的幾何形狀。[49]較低價數的碘化物像是ThI3(黑色)與 ThI2(金色)可以用釷金屬去還原四碘化釷來得到,它們只含有Th4+而不含有Th(III)與Th(II),可以電子鹽的形式更清楚的寫下化學式。[48]許多氟化釷、氯化釷及溴化釷可以和鹼金屬、、鉈及銨形成多元鹵化物。[48]舉例來說,以氟化鉀氫氟酸處理後,Th4+形成錯陰離子ThF2−
6
,並形成沈澱物K2ThF6[50]

溴化釷、碳化釷、矽化釷及氮化釷皆是防火材料,像是對應的鈾化物及鈽化物一樣。這些化合物因可能成為核燃料而引起關注。[41]所有四個更重的氮族化物(及鉍)皆以二元釷化合物的方式存在。鍺化釷也有被發現。[51]釷會與氫反應形成氫化釷像是ThH2及Th4H15,後者在溫度低於7.5–8 K形成超導體,常溫常壓下導電性質則像是金屬。[52]氫化物熱力學上不穩定,暴露在空氣或濕氣後會很快的分解。[53]

Structure of thorocene
茂釷化物的三明治結構

配位化合物[编辑]

在酸性水溶液中,釷以四價水離子[Th(H2O)9]4+的方式存在,形狀為三側錐三角柱[54][55]在 pH < 3時,釷鹽溶液中的陽離子大都是此形式。[54]Th4+離子是最大的四價錒系元素離子,隨著配位數的不同,其半徑範圍為0.95到1.14 Å。[54]因其高電荷它相當酸,比亞硫酸稍強,所以它傾向進行水解及聚合(程度比Fe3+輕),在pH為3或更低的溶液中,主要形成[Th2(OH)2]6+。在鹼性較高的溶液中,會繼續聚合成凝膠狀Th(OH)4沈澱出來(雖然平衡可能需數星期才能達成,因為聚合反應通常在沈澱之前就會慢下來)。[56]身為一個硬路易士酸,Th4+喜好 以氧原子為施體的硬配基,與以硫原子為施體形成的錯合物較不穩定,也更容易水解。[32]

因釷的尺寸較大,高配位數為其主要規則。五水硝酸釷是第一個發現的配位數為11的化合物,四水草酸化物配位數為10,硼氫化物(在曼哈頓計劃第一次製備)配位數則為14。[56]這些釷鹽以在水及極性有機溶劑中的高溶解度而知名。[4]

已發現許多其它的與多原子陰離子形成的無機釷化合物,像是過氯酸鹽硫酸鹽、亞硫酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽釩酸鹽鉬酸鹽鉻酸鹽及它們的氫化形式。[57]它們在釷的純化過程及處理核廢料中很重要,但它們大多數的性質皆未被全面了解,尤其是它們的結構性質。[57]舉例來說,硝酸釷是經由氫氧化釷與硝酸反應而成,溶於水及酒精中,在釷及其化合物的純化中是重要的中間物。[57]釷與有機配基形成的錯合物,像是草酸檸檬酸EDTA穩定得多。在自然含釷的水中,有機釷錯合物的濃度通常無機錯合物大上幾個數量級,雖然無機配基的濃度比有機配基高得多。[54]

Piano-stool molecule structure of (η8-C8H8)ThCl2(THF)2
(η8-C8H8)ThCl2(THF)2的鋼琴凳分子結構

有機釷化合物[编辑]

大多有關有機釷化合物專注在環戊二烯基及環辛四烯基上。就像許多前中段的錒系元素(一直到也有可能),釷會形成環辛四烯錯合物,黃色的Th(C8H8)2,二茂釷,它的結構與更知名的二茂鈾相同。[58] 它可以用四氯釷與K2C8H8,在THF溶劑裡及乾冰溫度下反應而製得,也可用四氟化釷與MgC8H8反應。[58]它在空氣中不穩定,並在水中或190 °C下分解。[58]也有發現半三明治的化合物,像是(η8-C8H8)ThCl2(THF)2,有著鋼琴凳結構,可經二茂釷及四氯化釷在四氫呋喃裡反應而得。[32]

最簡單的環戊二烯化合物是Th(C5H5)3及Th(C5H5)4,有許多已知的衍生物。前者(有兩種形態,紫色和綠色)是一個釷的形式氧化態為+3的稀有例子,[58][59]在某衍生物中也存在+2的形式氧化態。[60]氯衍生物[Th(C5H5)3Cl]可經加熱四氯化釷與限量的K(C5H5)(也可使用其它的單價環戊二烯金屬化合物)製得。烷基芳基衍生物可由氯衍生物得到,並曾被用來研究釷碳σ鍵[59]

其它的有機釷化合物並未被詳細研究。已發現四苄基釷(Th(CH2C6H5))及四丙烯基釷(Th(C3H5)4),但其結構並未確定。它們在室溫下緩慢分解。釷會形成側錐三角柱形的七甲基釷根離子 ([Th(CH3)7]3−),此離子會形成鹽類[Li(tmeda)]3[ThMe7](tmeda= Me2NCH2CH2NMe2)。雖然只有一個甲基只接到釷原子上(釷碳距離為257.1 pm),其它六個與釷鋰原子相接(釷碳距離為265.5–276.5 pm),它們在溶液中的性質表現是一樣的。四甲基釷Th(CH3)4並未被發現,但它的加合物类配体所穩定。[32]

存量[编辑]

生成方式[编辑]

232Th是原初核種,已以現有形式存在數百億年。它在逝去中的恆星核裡,經由R-過程而形成,並由超新星中子星碰撞散布到銀河系中。[61][62]字母R代表快速(rapid)中子補獲,發生於核心坍縮的超新星中,重啟始核種像是56Fe快速補獲中子,沿著中子滴線上升,因中子補獲過程比β衰變回到更穩定的核種快得多。中子補獲是恆星唯一合成超鐵元素的方法,因為在高原子序數下,庫侖障壁的上升使得帶電粒子間的交互交用更加困難,事實上在56Fe後的核融合為吸熱反應[63]因為在209Bi後穩定性急促的下降,R-過程是唯一能在星系核種合成中可以產出釷及鈾的過程,所有其它的過程都太慢,中間產物在補獲到足夠的中子前就發生α衰變,無法繼續反應產生這些元素。[61][64][65]

Histogram of estimated abundances of the 83 primordial elements in the Solar system
太陽系中83種原初元素的估計豐量,以對數尺度繪製。位於原子序數90處的釷,是最稀有的元素之一。

在字宙中,釷是最稀有的原初元素之一,因為它是兩個只能經由R-過程產生的元素之一(另一個為鈾),也因為它自生成的那刻起就不斷的緩慢衰變。比釷稀有的原初元素有、鉭、錸、在r過程豐度圖的第三根峰也就是重鉑系金屬元素前,帶奇原子數的核種、最後還有鈾。[61][63][h]在遙遠的過去,鈽及鋦的同位素的衰變會增加釷及鈾的豐度;而釷相對於鈾的豐度,會因236U衰變至232Th以及235U的自然枯竭而增加,但這些來源早已衰變殆盡且不再造成影響。[66]

參考書目[编辑]

历史[编辑]

1828年,瑞典化学家永斯·贝采利乌斯在来自一个挪威岛屿的釷石英语Thorite矿中发现了新一种元素,此后以北歐神話的雷神索尔命名。1898年,玛丽亚·居里格哈特·施密特英语Gerhard Carl Schmidt分别并同时发现了钍的放射性。发现90年后,化学家才首次得以分离纯的钍。

来源[编辑]

独居石砂

钍化物往往可以在独居石的沙裡找到((Ce,La,Nd,Th)[PO4],包含4-12%的二氧化钍ThO2),其它矿物包括与鋯石同晶型的方釷石(Th,U)O2)和釷石(ThSiO4)。榍石和锆石也含少量钍。

在地壳里平均每千克物质含7至13毫克钍,也就是说钍是铀的含量的两至三倍。由于钍亲土,因此在所有硅酸盐中均含少量钍。

澳大利亚挪威斯里兰卡加拿大美国印度拉普兰巴西开采钍。土耳其有约80亿吨未开采的矿藏。全世界年开采二氧化钍量估计为100万吨。人的骨骼中每千克骨骼质约含0.002至0.012毫克钍。每天通过食物和饮水一个人约进食0.05至3微克钍。[67]

分布[编辑]

由于目前对于钍的需求不大,对于矿藏分布地區的勘探很少,因此钍资源的分布不是很清楚。[68]一般认为澳大利亚和印度有尤其多的钍矿。

  • 以下数据是美国地质调查局1997年至2006年调查报告中的数据:[69][70]
国家 钍储藏(吨) 钍储藏基础(吨)
澳大利亚 300,000 340,000
印度 290,000 300,000
挪威 170,000 180,000
美国 160,000 300,000
加拿大 100,000 100,000
南非 35,000 39,000
巴西 16,000 18,000
马来西亚 4,500 4,500
其它国家 95,000 100,000
全世界总和 1,200,000 1,400,000

另一个估计来自于2001年经济合作与发展组织发表的数据:[71]

国家 可靠的储藏估计(吨) 估计还有的储藏(吨)
巴西 606,000 700,000
土耳其 380,000 500,000
印度 319,000 -
美国 137,000 295,000
挪威 132,000 132,000
格陵兰 54,000 32,000
加拿大 45,000 128,000
澳大利亚 19,000 -
南非 18,000 -
埃及 15,000 309,000
其它国家 505,000 -
全世界总和 2,230,000 2,130,000

这两组数据中对巴西、土耳其和澳大利亚的估计的差距比较大。

特征[编辑]

钍-232的4n衰变链, 俗称“钍系”。

纯钍是银白色的金属,在室温下在空气里它稳定,可以数月保持其金属光泽。它逐渐氧化为灰色,最后为黑色。钍的物理特性与它含多少氧化物有关。一般纯的钍含有百分之零点几的二氧化钍。但是也可以制造极纯的钍。纯钍柔软,延展性能很好,可以冷压滚和拉长。钍具有多晶型性,有两个不同的晶态。在摄氏1400度以上它是面心立方的,在这个温度以下它是体心立方的。水对钍的腐蚀作用很慢。在大多数稀酸里以及在浓盐酸和磷酸里它的溶解速度也很慢。在发烟硝酸和王水中它溶解迅速。粉状或者屑状的钍在空气里加温下很容易自燃。其火焰是白色、明亮的。

提取[编辑]

钍是从氧化钍中提取出来的。在空气中或者在真空中氧化钍被在高温下还原。由于钍会与组成化合物因此无法使用氢来还原。还原后使用氟化氢冲洗,然后钍被过滤出来。

同位素和裂变序列[编辑]

在自然界中钍只有一种同位素232Th,它是所有同位素中半衰期最长的。长时间里人们以为以下这个衰变系列是从钍232Th开始的,因此它也被称为钍衰变系列:

  • Ra-228半衰期5.75年)
  • Ac-228(6.15小时)
  • Th-228(1.9116年)
  • Ra-224(3.66日)
  • Rn-220(55.6秒)
  • Po-216(0.145秒)
  • Pb-212(10.6小时)
  • Bi-212(60.55分钟)
  • 64%钋Po-212(3·10−7秒)和
  • 36%Tl-208(3.053分钟)
  • 两者皆衰变为稳定的铅Pb-208

应用[编辑]

钍的氧化物被用来制作白炽罩。这样的白炽罩是将布料浸在99%的硝酸钍和1%的硝酸铈溶液中然后点燃制成的。在高温下硝酸钍分解为氧化钍氧化氮[何意?]。由于钍的放射性,现在已经不再使用钍来做白炽罩了。

原子工业[编辑]

球床反應堆THTR-300中钍可以用来制作铀同位素233U:通过中子射击钍232Th可以变成233Th,后者通过233Pa衰变为铀233U。铀的这个同位素可以裂变,当作核电站的燃料使用。由于钍比铀常见得多,因此假如未来铀矿逐渐消耗的话钍可能成为重要的能源来源。今天要经济地使用这个工艺还需要解决许多技术和安全问题。

公式里的时间数据是半衰期

比起铀235U239Pu钍有一个重要的优点:它每吸收一个中子的产量高。它的生产效率比目前使用的238U239Pu還要高。

这个技术价格高的原因之一是因为产生的233U中掺有半衰期很短的232U,使得它的放射性非常高。此外在回收钍的时候也有类似的毛病,因为其中掺有放射性高的228Th。除此之外生产233U有导致核武器扩散的危险。

1960年代里美国橡树岭国家实验室是最早试验钍循环的实验室之一。他们制造了一座熔盐反应堆来试验这个技术的可行性。由于缺少经费这个项目于1976年停止。

印度拥有大量的钍矿,因此计划在未来完全仅依靠钍作为其核燃料,将铀完全排挤掉。这个雄心勃勃的计划包括快中子和热中子增殖反应堆

2007年挪威考虑是否将精力集中在钍循环上。

钍造影剂[编辑]

从1931年至1940年代末一种稳定的、胶质的二氧化钍混悬剂血管攝影被作为放射性对比剂使用。但是这个用剂会聚集在微血管中,导致局部放射性过高和癌症。胆癌明显与钍造影剂有关,钍造影剂还能引发一般非常少见的恶性肝脏癌症肝血管肉瘤。此外还有钍造影剂导致鼻腔癌的纪录。一般病发发生在使用30至35年后。今天人们使用硫酸钡和改善的、有香味的碘化合物取代钍造影剂。

其它应用[编辑]

为了改善钨惰性气体焊接电极产生火花的性能其电极掺入1至4%的氧化钍。为了降低电子功函数放电灯的钨丝掺有1-3%的二氧化钍。在造灯业中氧化钍还以薄膜或者薄片的形式作为收气剂。由于二氧化钍的折射率比较高,因此在高质量的光学透镜中也掺有钍。

安全[编辑]

钍的化学毒性估计非常小。它的危险性主要来自其放射性。钍毒性小的原因在于纯钍及其最常见的氧化物的水溶性非常小,在一升水中只能溶0.0001微克的纯钍。只有在酸性非常高、pH值低于4的溶液中它的可溶性才提高。此外草酸也可以提高钍的水溶性。

放射性[编辑]

钍同位素232Th的半衰期为140.5亿年,它的放射性比铀238还要低。原因是因为由于它的半衰期高,因此它每秒钟衰变的次数少,此外它衰变产物中半衰期比较低的也比较少。钍放射α粒子,因此它被吸入或者食入的话危险比较高。尤其粉状的金属和氧化物能够进入肺,非常危险,会致癌。此外在放置钍和它的化合物的时候要注意它的衰变产物亦可能有放射性,如208Tl可以放射出260万电子伏特的伽马射线。

化合物[编辑]

按照其在元素周期表中的位置钍在它的化合物中一般以正四价出现,正三价和正二价比较少见。而其盐的溶液中,存在正四价的钍离子。一个特殊点是锕系元素没有固定整比的碳化合物

二氧化钍ThO2)是所有金属氧化物中熔点最高的,达3300摄氏度。只有少数金属如和少数化合物如碳化钽的熔点比它高。

硝酸钍Th(NO3)4)是一种无色的、容易在水和酒精中溶解的化合物。硝酸钍是制造二氧化钍和金属钍过程中的一个重要环节,在制造白炽罩的过程中也有应用。

氮化钍Th3N4)由炽热的钍与空气中的反应而成,有青铜光泽。在空气中它与水汽反应在数小时内分解。

碳化钍ThC2)是黄色的晶体,其熔点为2655摄氏度。碳化钍在约9K时超导。碳化铀和碳化钍的混合物在高温反应堆中作为燃料。这种燃料是将钍和铀的氧化物与碳混合加温到1600至2000摄氏度制成的。

註解[编辑]

  1. ^ 的放射性非常微弱,且其半衰期(1.9×1019 年)比地球年齡長得多
  2. ^ 曾被測得更低的密度,這個測量是在微克等級的樣品上完成,此結果很有可能是因為鑀的極度放射導致了晶體結構的快速崩毀。[6]
  3. ^ 低於[2]在 在6d過渡金屬中的元素被預測具有高沸點,但其製量過少難以驗證。[7]
  4. ^ γ射線以從原子核放出而得名,而非它們的波長,所以放射性元素衰變出的γ射線的波長並無特定下限。[24]
  5. ^ 可核分裂的核種,是指在補獲高能量中子後, 可以進行核分析的核種(即使機率很低)。有些核種可被低能量的熱中子以高機率引發核分裂,它們被稱為「易分裂核種」。「增殖性材料」是指可以被中子轟炸後產生易分裂核種的核種。臨界質量是指可以持續進行核連鎖反應的球形物質的質量。
  6. ^ ionium 其實就是230Th。在早期不同同位素不被認為是同一種元素,所以有者不同的名字。
  7. ^ 和之前錒系元素與過渡元素的相似性不同,與主族元素的相似性大部份止於釷,而未延伸到錒系元素的後半段。因為在共價鍵中5f軌域的貢獻逐漸增加。在常見的錒系元素中,除了釷只剩下鈾。鈾殘存著一些主族元素的特性。除了鈾最常見的兩個氧化態鈾(VI)及鈾(IV),鈾的化學比釷複雜得多,這兩個態與其它更高的形式上失去所有價電子的氧化態不同,這些更高的氧化態行為與p區塊的重主族元素類似。[35]
  8. ^ 帶偶數質子或偶數中子的同位素一般會比帶奇數的同位素更穩定,奇原子序數的元素最多只有兩個穩定的同位素,偶原子序數的元素則有多個穩定同位素,像是錫(50號元素)有十個。 [8]

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延伸閱讀[编辑]

外部連結[编辑]