12) Die Chemie der Transuranelemente (1)

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Jobst Winter
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1 12 Die Chemie der Transuranelemente (1 Neptunium - als erstes Transuranelement 1940 durch McMillan und Abelson entdeckt - Beschuss von Uran mit thermischen Neutronen: 239 β,23,5min U ( n, γ U Langlebigstes Isotop: 237 Np, T 1/2 = 2,14 x 10 6 a - Verwendung für die Herstellung von Pu Np Neptuniumchemie - ähnlich wie Uran, aber mit der höchsten Oxidationsstufe +7 - stabile Oxidationsstufen +3, +4 und +5 - dominierende Spezies in wässriger Lösung: NpO Neptuniumhalogenide: NpF 3 (purpur, NpF 6 (orange-rot, NpCl 3 (farblos, NpCl 4 (rotbraun, NpBr 3 (grün, NpBr 4 (rotbraun NpI 3 (braun Die Chemie der Transuranelemente (2 Plutonium - hochtoxisches und radiotoxisches Transuranelement /41 durch Seaborg und Mitarbeiter durch Beschuss von U mit Deuteronen entdeckt 2 11d U d 2n Np β, (,, Pu - Verwendung von Pu als Energiequelle (Herzschrittmacher, Raumfahrt - Verwendung von 239 Pu als Kernbrennstoff - Herstellung aus U in Brutreaktoren 239 β,23,5min 239 β,2,355 U ( n, γ U Np d Pu Plutoniumchemie - hochtoxisch - bekannte Oxidationsstufen "+3", "+4", "+5", "+6" und "+7 - stabilste Oxidationsstufe: +4 - Halogenide: PuF 3 (purpur, PuCl 3 (smaragdgrün, PuBr 3 (grün 146

12 Die Chemie der Transuranelemente (3 Sind Actinoide wirklich eine eigene Gruppe im Periodensystem?

ähnlich Pro - U(VI-Verbindungen (Uranate sind gelb (Farbintensität der Oxo-Ionen nimmt mit steigender Ordnungszahl ab: MnO 4- (violett, TcO 4- (fast farblos, ReO 4- (farblos - Dichte (Cr 7.

3 g/cm 3, U 19 g/cm 3 - Schmelzpunkt (Cr 1903 C, Mo 2620 C, W 3410 C, U 1132 C - innerhalb der Übergangsmetallgruppen nimmt die Stabilität der niedrigen Oxidationsstufen ab (aber U(III- und

2 12 Die Chemie der Transuranelemente (3 Sind Actinoide wirklich eine eigene Gruppe im Periodensystem? Contra - Die Chemie von Th und Pa ähnelt der der Elemente der Gruppen 4 und 5 stark - U bildet Hexahalogenide, Oxyhalogenide und Oxokomplexe wie Mo und W - Np-Chemie (soweit bekannt ist der Re-Chemie ähnlich Pro - U(VI-Verbindungen (Uranate sind gelb (Farbintensität der Oxo-Ionen nimmt mit steigender Ordnungszahl ab: MnO 4- (violett, TcO 4- (fast farblos, ReO 4- (farblos - Dichte (Cr 7.1 g/cm 3, Mo 10.3 g/cm 3, W 19.3 g/cm 3, U 19 g/cm 3 - Schmelzpunkt (Cr 1903 C, Mo 2620 C, W 3410 C, U 1132 C - innerhalb der Übergangsmetallgruppen nimmt die Stabilität der niedrigen Oxidationsstufen ab (aber U(III- und U(IV-Verbindungen sind stabil - Uran bildet ein Hydrid UH 3 (genau wie Lanthan -UO 2 kristallisiert (wie die Dioxide von Th, Pa, Np, Pu, Am, Cm, Bk und Cf im Fluorit-Gitter (MoO 2 und WO 2 kristallisieren im Rutil-Gitter - Uran kommt zusammen mit Th und Lanthanoiden vor (nicht mit Mo, W - es gibt keine stabilen Hexacarbonyle des Urans - schwere Actinoide ähneln sich sehr, wichtige Oxidationsstufen +3, +4 Also, Actinoide bilden eine eigene Gruppe von f-block-elementen!! Die Chemie der Transuranelemente (4 Schwere Actinoides Americium, Curium, Berkelium, Californium, Einsteinium, Fermium, Mendelevium, Lawrencium - Darstellung durch schrittweisen Neutroneneinfang und ß - -Zerfall (leichte Elemente oder Schwerionenreaktionen (schwerere Elemente - teilweise Synthese von nur wenigen Atomen 148

3 12 Die Chemie der Transuranelemente (5 Americium - Herstellung durch mehrfachen Neutroneneinfang durch 239 Pu (Kernreaktor - typische Sequenz: ß, 14. 4a β, 16, 01h 94 Pu( n, γ 94Pu ( n, γ 94Pu 95 Am( n, γ 95Am entdeckt (Seaborg und Mitarbeiter - in wägbaren Mengen verfügbar - langlebigstes Isotop 243 Am (T 1/2 : 7370 a - α-zerfall und Spontanspaltung - Chemie: typische Oxidationsstufen +3 und Cm Curium - Herstellung analog zu Am (Kernreaktor, siehe oben durch Seaborg und Mitarbeiter entdeckt - in wägbaren Mengen verfügbar - langlebigstes Isotop 247 Cm (T 1/2 : 1.56 x 10 7 a - α-zerfall und Spontanspaltung - Chemie: typische Oxidationsstufen +3 und Die Chemie der Transuranelemente (6 Berkelium und Californium - Herstellung durch Beschuss von Am- oder Cm-Isotopen mit α-teichen in einem Cyclotron Am (α, 2n Bk Cm (α, n Cf 95 -starke α-emitter, in wägbaren Mengen herstellbar - langlebigste Isotope: 247 Bk (T 1/2 : 1389 a und 251 Cf (898 a - Chemie: typische Oxidationsstufen +3 und Einsteinium und Fermium - erstmals Nachweis in den Produkten der ersten thermonuklearen Explosion (mehrfacher Neutroneneinfang ausgehend von U + 15n,7β 253 U 99 Es - alternative Synthese durch Beschuss von Uran mit schweren Kernen n N U +, langlebigste Isotope 252 Es (T 1/2 : 471 d and 257 Fm (100 d - in makroskopischen Mengen nicht verfügbar Es 150

4 12 Die Chemie der Transuranelemente (7 Mendeleyevium, Nobelium, Lawrencium - nicht mehr durch Neutroneneinfang im Kernreaktor herstellbar - Beschuss schwerer Targets mit 14 N, 16 O oder 10,11 B - nur wenige Atome werden jeweils gebildet (Einzelatomsynthese - Halbwertszeiten im Minutenbereich - Probleme bei der Abtrennung von der Matrix - Verwendung gekoppelter Synthese- und Nachweisapparaturen Apparatur zur Online-Detektion kurzlebiger Nuklide, die in einem Teilchenbeschleuniger hergestellt wurden 151 Verfügbarkeit der schweren Actinoide 12 Die Chemie der Transuranelemente (8 Nuklid t ½ Zerfall 237 Np Pu 239 Pu 240 Pu 241 Pu 242 Pu 244 Pu 241 Am 243 Am 242 Cm 243 Cm 244 Cm 248 Cm 249 Bk 249 Cf 250 Cf 252 Cf 254 Cf 253 Es 254 Es 257 Fm y 87.7 y y y 14.4 y y y 433 y y d 28.5 y 18.1 y y 320 d y 13.1 y 2.6 y 60.5 d 20.4 d 276 d d α, SF (10-10 % α, SF (10-7 % α, SF (10-4 % α, SF (10-6 % β,α (10-3 % α, SF (10-3 % α, SF (10-1 % α, SF (10-10 % α, SF (10-8 % α, SF (10-5 % α, ε (0.2 % α, SF (10-4 % α, SF (8.3 % β,α (10-3 %, SF (10-8 % α, SF (10-7 % α, SF (0.08 % α, SF (3.1 % α, SF (0.3 % α, SF (10-5 % α α, SF (0.2 % Verfügbare Mengen 1-10 g 100 g mg g 100 g mg g g mg mg 1 10 mg 10 mg mg µg 1 10 mg 1 5 µg 1 pg Spezifische Aktivität (Bq/g

12 Die Chemie der Transuranelemente (9 Transactinidenelemente - Darstellung durch Beschuss schwerer, neutronenreicher Kerne mit Schwerionen - typische Reaktionen: 207, 208 Pb + 54 Cr 259,260 Sg +

153 12 Die Chemie der Transuranelemente (10 Transactinidenelemente Die Insel der Stabilität - Atomkerne mit magischer Zahl von Protonen und Neutronen (z.b. 298 114 - Hauptproblem: Zahl der benötigten Neutronen zur Stabilisierung?

5 12 Die Chemie der Transuranelemente (9 Transactinidenelemente - Darstellung durch Beschuss schwerer, neutronenreicher Kerne mit Schwerionen - typische Reaktionen: 207, 208 Pb + 54 Cr 259,260 Sg + 2n 209 Bi + 54 Cr 262 Ns + n 208 Pb + 58 Fe 265 Hs + n 209 Bi + 58 Fe 266 Mt + n - typisches Forschungsgerät: Schwerionenbeschleuniger - typische Ausbeuten : Ns (38 Atome, Hs (3 Atome, Mt (3 Atome Die Chemie der Transuranelemente (10 Transactinidenelemente Die Insel der Stabilität - Atomkerne mit magischer Zahl von Protonen und Neutronen (z.b Hauptproblem: Zahl der benötigten Neutronen zur Stabilisierung? - Nuklide von Elementen mit bis zu 118 Protonen wurden nachgewiesen - relativ stabile Isotope des Elements 114: 173 Neutronen T 1/2 = 5 s 175 Neutronen T 1/2 = 30 s 154

12 Die Chemie der Transuranelemente (11 Chemie der

Gasphasenreaktionen - langlebige oder stabile

Halogenide in einem Gasstrom - Vergleich mit dem

6 12 Die Chemie der Transuranelemente (11 Chemie der Transactinidenelemente - häufig Gasphasenreaktionen - langlebige oder stabile Verbindungen werden als Trägermaterialien verwendet - Thermochromatographie: - Chromatographie flüchtiger Verbindungen (Oxide, Halogenide in einem Gasstrom - Vergleich mit dem Verhalten bekannter Verbindungen - z.b. Eigenschaften des Elementes 104 (Rf - homolog zu Nb und Ta Die Chemie der Transuranelemente (12 Transactinidenelemente Das erweiterte Periodensystem 156

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Thema heute: Aufbau der Materie: Kernumwandlungen, Spaltung von Atomkernen Wiederholung der letzten Vorlesungsstunde: Experiment von Rutherford, Atombau, atomare Masseneinheit u, 118 bekannte Elemente, Isotope, Mischisotope, Massenspektroskopie, Massenverlust 4H 4 He, Einstein: