Curium

Fysikaaliset ominaisuudet

Curium on kovaa, tiheää, taottavaa, kiiltävää metallia ja väriltään hopeanvalkoista. Se muistuttaa sekä fysikaalisilta että kemiallisilta ominaisuuksiltaan gadoliniumia. Curiumin sulamispiste 1 340 °C on huomattavasti korkeampi kuin sitä edeltävien transuraanien (neptunium 637 °C, plutonium 639 °C ja amerikium 1 173 °C), mutta lähellä gadoliniumin sulamispistettä 1 312 °C. Curiumin kiehumispiste on 3 110 °C. Curiumin tiheys on 13,5 g/cm³, mikä on huomattavasti vähemmän kuin neptuniumilla (20,45 g/cm³) ja plutoniumilla (19,8 g/cm³), mutta suurempi kuin useimmilla muilla metalleilla.
Curiumilla on kolme kiderakennetta, joista α-Cm on vakain huoneenlämpötilassa. Sen alkeiskoppi on heksagonaalinen tiivispakkaus (dhcp, avaruusryhmä P6₃/mmc, hilavakiot a = 349 pm ja c = 1133 pm), joka on samanlainen kuin α-lantaanilla. Paineen kasvaessa 23 gigapascalin yli, edelleen huoneenlämpötilassa, α-Cm muuttuu β-Cm-muodoksi. Tällä on pintakeskinen kuutiollinen symmetria (fcc, avaruusryhmä Fm3m) ja hilavakio a = 493 pm. Jos paine kasvaa yli 43 GPa, curium muuttuu ortorombiseksi γ-Cm (Im3m) -rakenteeksi, joka on samanlainen kuin α-uraanilla. Muita rakenteenmuutoksia ei ole havaittu 52 GPa paineeseen saakka.
Metallinen curium on paramagneettista ja noudattaa Curien–Weissin lakia 100–550 Kelvinissä, kun magneettinen momentti on 8,07 mB. ²⁴⁴Cm-metallille Néelin lämpötila on 52–65 K. Neutronidiffraktiolla on saatu selville, että α-Cm järjestyy antiferromagneettisesti alle 52 K lämpötiloissa. Toisilla menetelmillä on havaittu ²⁴⁸Cm:n muuttuvan antiferromagneettiseksi 65 K lämpötilassa, mutta kuitenkin niin että β-Cm muuttuu ferrimagneettiseksi lähellä 200 K.
Metallinen curium saa ilmassa nopeasti pinnalleen oksidikerroksen, joka voi olla aluksi CmO-oksidia muuttuen curium(III)oksidiksi Cm₂O₃ huoneenlämpötilassa ja edelleen CmO₂-oksidiksi lämpötilan kasvaessa. Curium-metalli on alttiimpaa korroosiolle kuin sitä edeltävät aktinoidit. Tämä johtuu ainakin osittain sen radioaktiivisuuden aiheuttamasta itselämpeämisestä. Se liukenee useimpiin happoihin. Hienojakoinen curium on pyroforista.
Curiumin resistiivisyys huoneenlämpötilassa on 1,25 µΩ·m, ja se kasvaa nopeasti lämpötilan noustessa.

Kemialliset ominaisuudet ja yhdisteet

Curiumionit esiintyvät liuoksissa lähes yksinomaan hapetusluvulla +III. Hapetusluvun +IV yhdisteitä ovat vain muutamat kiinteät aineet, kuten oksidi CmO₂ ja fluoridi CmF₄. Liuoksissa curium(IV) voi esiintyä vain erittäin hapettavissa olosuhteissa, ja se pelkistyy helposti curium(III):ksi radiolyysillä tai jo pelkän veden vaikutuksesta. Liuoksissa curium(III)-ionit ovat värittömiä tai heikosti vihertäviä, kun taas +IV-ionit ovat kellertäviä. Kokeelliset havainnot suuremmista hapetusluvuista kuin +IV ovat hyvin vähäisiä. Curiumin kemiallinen käyttäytyminen poikkeaa toriumista ja uraanista, mutta muistuttaa amerikiumia ja useita lantanoideja. Sen läheisin lantanoidianalogi on gadolinium. Curiumionit ovat Lewisin happoja ja muodostavat ioniluonteisia sidoksia.
Curium esiintyy usein oksideinaan. Mustaa curium(IV)oksidia CmO₂ syntyy curiumin hapettuessa ilman vaikutuksesta. Valkoista curium(III)oksidia Cm₂O₃ (sulamispiste 2270±25 °C) on valmistettu hajottamalla ²⁴⁴CmO₂:ta 600 °C lämpötilassa ja alhaisessa paineessa. Myös harvinaisempi CmO on olemassa.
Curiumin halideista tunnetaan hapetusluvun +III yhdisteet CmF₃, CmCl₃, CmBr₃ ja CmI₃ sekä +IV hapetusluvun CmF₄ ja useita muita monimutkaisempia fluorideja. Halideista CmF₄ on väriltään ruskeaa, muut valkoisia. Curiumfluoridin CmF₃ sulamispiste on 1 406 °C, curiumkloridin CmCl₃ 695 °C ja curiumbromidin CmBr₃ 625 °C.
Curiumoksykloridia CmOCl saadaan, kun curiumkloridi CmCl₃ tai oksidi Cm₂O₃ reagoi vesihöyryn kanssa 500–600 °C lämpötilassa. Myös ruskea oksysulfaatti Cm₂O₂SO₄ on olemassa, samoin kuin oksysulfidi Cm₂O₂S, jota saadaan kun oksysulfaattia kuumennetaan 800 °C lämpötilaan vedyn ja argonin seoksessa.
Curiumin hydridit tunnetaan huonosti. Curiumdihydridiä CmH₂ valmistettiin ensimmäisen kerran vuonna 1970 ²⁴⁴Cm-metallin reagoidessa vedyn kanssa 200–250 °C lämpötilassa. Myös kiderakenteeltaan trigonaalinen curiumtrihydridi CmH₃ tunnetaan. 
Curium muodostaa binäärisiä yhdisteitä typen, fosforin, arseenin ja antimonin kanssa, kun nämä reagoivat curiumhydridin kanssa. Myös curiumhydroksidi Cm(OH)₃, curiumnitraatti Cm(NO₃)₃ ja kidevedellinen curiumoksalaatti Cm₂(C₂O₄)₃·10H₂O tunnetaan. Curiumin karbidista ei ole havaintoa mutta piin kanssa curium muodostaa yhdisteet CmSi, CmSi₂, Cm₂Si₃ ja Cm₅Si₃.
Metallista curiumia voidaan valmistaa pelkistämällä curiumfluoridia CmF₃ bariumilla tai litiumilla yli 1 300 °C lämpötilassa. Toinen tapa on pelkistää curiumoksidia magnesiumilla magnesium-sinkki seoksen sulatteessa.

Käyttö

Vaikka curiumia voitaisiin teoriassa käyttää ydinpolttoaineena, niin ei kuitenkaan tehdä sen huonon saatavuuden ja korkean hinnan takia. Curiumin isotooppeja ²⁴²Cm ja ²⁴⁴Cm on tutkittu käytettäviksi kannettavana energianlähteenä avaruustekniikassa ja lääketieteessä, koska ne voivat synnyttää lämpöenergiaa peräti 122 wattia (²⁴²Cm) ja 2,8 wattia (²⁴⁴Cm) grammaa kohti. Isotooppi ²⁴³Cm, jonka puoliintumisaika on noin 30 vuotta, voisi myös soveltua tähän, sillä se tuottaa lämpöä ~1,6 W/g, mutta sen hajoamistuotteet säteilevät voimakasta beeta- ja gammasäteilyä. Eniten lämpöä tuottavan ²⁴²Cm-isotoopin haitta taas on korkea hinta, noin 2 000 Yhdysvaltain dollaria grammaa kohden, minkä takia sitä ei ole tähän tarkoitukseen juurikaan käytetty. Vaikka ²⁴⁴Cm on α-säteilijä, se hajoaa myös spontaanilla fissiolla tuottaen suuren määrän neutroneita ja gammasäteilyä. Verrattuna ²³⁸Pu-isotooppia käyttävään radioisotooppiseen termosähkögeneraattoriin, ²⁴⁴Cm emittoi 500 kertaisesti neutroneja ja sen gammasäteily vaatii 20 kertaa paksumman säteilysuojauksen (noin 2 tuumaa lyijyä 1 kW voimanlähteelle, verrattuna 0,1 tuumaa vastaavalle ²³⁸Pu-paristolle). Säteilyltä suojaaminen sekä curiumin kalleus ja valmistamisen hankaluus rajoittavat sen käyttöä voimanlähteenä.
Lupaavin sovellus ²⁴²Cm-isotoopille on tuottaa siitä plutoniumin isotooppia ²³⁸Pu, joka soveltuu paremmin ydinparistoihin. ²³⁸Pu:ta on käytetty jopa sydämentahdistimien voimanlähteenä. Curiumia pommittamalla voidaan tuottaa myös sitä raskaampia alkuaineita. Esimerkiksi törmäyttämällä ²⁴⁸Cm kohtiota hapella tai magnesiumilla voidaan tuottaa transaktinoidi seaborgiumin isotooppia (²⁶⁵Sg) tai hassiumia (²⁶⁹Hs ja ²⁷⁰Hs).
Curiumia on käytetty alfahiukkasten lähteenä avaruusluotainten röntgenspektrometreissä ainakin Sojourner-, Spirit-, Opportunity- ja Curiosity-Mars-mönkijöissä ja komeetta 67P/Tšurjumov–Gerasimenkolle laskeutuneessa Philae-sondissa.

Curium ympäristössä

Curiumia ei esiinny luonnossa maapallolla, muuta kuin ihmisen toiminnan seurauksena. Maailmankaikkeudessa curiumia syntyy supernovien r-prosessissa ja pienemmissä "kilonovissa" neutronitähtien sulautuessa yhteen. On todisteita että curiumia oli maapallolla aurinkokunnan syntyessä, mutta koska aikaa on kulunut jo noin 290 curiumin pitkäikäisimmän isotoopin ²⁴⁷Cm puoliintumisaikaa, kaikki olemassa ollut curium on jo hajonnut.
Isotooppi ²⁴²Cm on merkittävä transuraani ydinaseen tai ydinonnettomuuden aiheuttamassa radioaktiivisessa laskeumassa. Koska sen puoliintumisaika on vain 163 päivää, se kuitenkin häviää jo muutamassa vuodessa. Tästä johtuen maapallolla ei ole enää tätä nuklidia ydinkokeiden tai Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden jäljiltä. Ydinlaskeumassa on myös pysyvämpää isotooppia ²⁴⁴Cm, mutta sen määrät ovat vähäisiä.
Curiumia on käytetyssä ydinpolttoaineessa, jossa sen pitkäikäisemmät isotoopit ²⁴⁵Cm ja ²⁴⁶Cm (puoliintumisajat tuhansia vuosia) osaltaan vaikeuttavat ydinjätteen loppusijoitusta.
Ympäristössä curium ei liukene juurikaan veteen, mutta kiinnittyy tiukasti maaperän hiukkasiin.

Haitallisuus

Kaikki curiumin isotoopit, etenkin alfahajoavat isotoopit, joiden puoliintumisaika on lyhyt, ovat vaarallisia organismeille elimistöön päästessään. ²⁴³Cm, ²⁴⁵Cm, ²⁴⁷Cm ja ²⁵⁰Cm on luokiteltu myös ulkoisesti vaarallisiksi ihmisille. Lisäksi jotkut curiumin hajoamistuotteet ovat vaarallisia korkean beeta- tai gammasäteilynsä vuoksi. Laboratoriossa kaikki makroskooppisten määrien käsittely tehdään aina eristetyssä kaapissa.
Curiumia on helpompi saada elimistöön hengittämällä kuin suun kautta nautittuna, koska vain 0,05 % ruuan mukana tulleesta curiumista jää elimistöön. Noin 45 % curiumista, joka on päässyt verenkiertoon, kerääntyy maksaan, 45 % jää luihin ja lopuista 10 %:sta suurin osa poistuu ulosteen mukana. Biologinen puoliintumisaika luustossa on 50 vuotta, maksassa 20 vuotta. Elimistössä curium aiheuttaa syöpää.