Torium
Torium on alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Th () ja järjestysluku 90. Torium on radioaktiivinen aktinoidisarjan metalli ja uraanin lisäksi ainut selvästi radioaktiivinen alkuaine, jota esiintyy maankuoressa merkittäviä määriä. Lähes kaikki luonnon torium on sen pitkäikäisintä isotooppia torium-232 (Th), jonka puoliintumisaika on 14,05 miljardia vuotta.
Toriumia on tutkittu käytettäväksi uraanille vaihtoehtoisena ydinpolttoaineena uudenlaisissa ydinreaktoreissa.
Ruotsalainen kemisti Jöns Jacob Berzelius löysi toriumin vuonna 1828 Morten Thrane Esmarkin löytämästä norjalaisesta toriittimineraalista. Berzelius nimesi alkuaineen skandinaavisen ukkosenjumala Thorin mukaan. Aineella ei kuitenkaan ollut juuri mitään käyttöä, ennen kuin kaasulyhdyn hehkusukka keksittiin vuonna 1885.
Berzelius ei eristänyt toriumia sen metallisessa muodossa; tämän tekivät ensimmäisinä vuonna 1914 D. Lely Jr. ja L. Hamburger. He valmistivat 99 % puhdasta toriummetallia pelkistämällä toriumkloridia natriumilla. Yksinkertaisemman menetelmän, jolla lisäksi saavutettiin vielä puhtaampi lopputuote, keksivät 1927 Marden ja Rentschler. He pelkistivät toriumoksidia kalsiumilla kalsiumkloridin kanssa.
Radioaktiivisuuden tutkimuksen varhaisvaiheissa muutamille toriumin isotoopeille annettiin omia nimiään: Th oli "radioaktinium", Th:sta on käytetty nimeä "radiotorium", Th:sta nimeä "ionium", Th:sta nimeä "uraani Y" ja Th oli "uraani X". Nämä nimet ovat kaikki vanhentuneita, paitsi "ionium" nimitystä käytetään edelleen merenpohjan sedimenttien ionium-torium iänmääritysmenetelmästä puhuttaessa.
Toriumia esiintyy luonnossa monatsiitti mineraalissa (Ce, La, Nd, Th)PO, joka on tärkein toriumin malmimineraali. Monatsiittia esiintyy laajalti maapallolla, ja yksittäiset esiintymät voivat olla suuria. Monatsiitti ei reagoi kovin helposti kemiallisesti ja tämä tekee sen käsittelystä toriumin tuottamiseksi hankalaa.
Muita toriumia sisältäviä mineraaleja ovat esimerkiksi brockiitti, cerianiitti, cheraliitti, ekaniitti, eukseniitti, grayiitti, huttoniitti, perrieriitti, torianiitti, toriitti, tshevkiniitti, ja zirkeliitti. Harvinainen torianiitti sisältää yleensä enintään 12 % toriumdioksidia ThO. Koska ThO:n ja uraanidioksidin UO rakenne on samanlainen, näitä aktinoidien oksideja esiintyy usein samoissa mineraaleissa vaihtelevin pitoisuuksin. Myös mineraalin, josta torium ensiksi löydettiin, toriitin (ThSiO) toriumpitoisuus voi olla korkea.
Torium on yleisyydeltään noin lyijyn ja molybdeenin luokkaa ja yleisempää kuin sitä paremmin tunnetut alkuaineet tina, vismutti, kadmium, elohopea tai hopea. Se on noin 2–5 kertaa yleisempää maan kuoressa kuin luonnonuraani ja noin 300–400 kertaa yleisempää kuin uraanin harvinaisempi U isotooppi. Maankuoressa toriumia on 5–20 μg/g. Torium on jakautunut suhteellisen tasaisesti eri puolilla maapalloa. Merivedessä sitä on vain vähän, noin 6×10 μg/l, mikä on paljon vähemmän kuin uraanin pitoisuus merissä.
Toriumia ja sen yhdisteitä, varsinkin toriumdioksidia, käytetään mm. seosmetalleina, kaasuvalaisinten hehkusukissa, erikoislaseissa, hehkulangoissa, elektroniikassa, katalysaattoreina ja kaasuja imevänä aineena tyhjiötekniikassa. Torium on uraanin ohella ainoita radioaktiivisia aineita, joilla on muita ominaisuuksia kuin radioaktiivisuutta hyödyntäviä sovellutuksia. Toriumin käyttö on kuitenkin merkittävästi vähentynyt nykyaikana johtuen radioaktiivisuuden aiheuttamista terveys- ja ympäristöhaitoista.
Sovelluksissa toriumdioksidi ThO tunnetaan joskus myös englanninkielisellä nimellä "thoria". Toriumdioksidin saostaminen lasiin suurentaa sen taitekerrointa ja vähentää dispersiota, minkä johdosta sitä on käytetty korkealaatuisten linssien valmistukseen kameroissa ja tieteellisissä instrumenteissä. Toriumin oksidia voidaan käyttää katalyyttinä typpihapon ja rikkihapon valmistuksessa sekä raakaöljyn krakkauksessa. Sitä käytetään myös joissain kuumuutta kestävissä laboratorioiden upokkaissa.
Toriumin hyödyntämistä ydinvoimaloissa uraanin sijasta on tutkittu jonkin verran. Sellaisenaan torium ei ole fissiili ja energiantuottamiseen vaadittavaa ydinketjureaktiota ei saavuteta, sillä toriumin hajotessa ei synny riittävästi vapaita neutroneja. Toriumista voidaan kuitenkin valmistaa neutronipommituksella U-isotooppia, joka puolestaan on fissiili ja ylläpitää ydinketjureaktiota. Toriumia ei tarvitse kuitenkaan isotooppisesti rikastaa, kuten uraania, vaan sen käyttö perustuu ns. torium-ydinpolttoainekiertoon. Toriumin käyttöön ydinpolttoaineena vaaditaan hyötöreaktori ("Breeder Reactor)", joista eräs, ehkä tunnetuin alakategoria on sulasuolareaktori ("MSR – Molten Salt Reactor").
Toriumin käyttöä ydinpolttoaineena on puolusteltu sen suurella polttoainehyötysuhteella sekä luonnollisella runsaudella, torium-ydinpolttoainekierrossa kaikki torium voitaisiin käyttää energiantuottoon (fissio), kun taas tyypillisessä U-uraanivoimalassa, ydinpolttoaineen sisältämästä noin 3–5 %-ista U:ttä energian tuottoon kuluu vain noin 60–70 %. Eli polttoaineesta energiantuottoon, riippuen reaktorityypistä, kuluu tavallisesti 0,5–1,5 %. Osa (20–30 %) U:stä ei osallistu reaktioon ja poistuu käytetyn polttoaineen mukana käyttämättömänä. U voidaan saostaa ei-fissiilin U:n joukkoon, jolloin toriumista tuotettua ydinpolttoainetta ei voi käyttää ydinaseen valmistamiseen.
Suurimpia toriumpolttoaineen haittoja on U:n valmistamisen teknologinen vaikeus ja tästä johtuva prosessin kalleus.
Puhtaassa muodossaan torium on hopeinen, valkoinen metalli. Sitä voidaan muotoilla, venyttää, takoa ja saostaa muihin metalleihin. Se säilyttää kiiltonsa useita kuukausia. Oksidoituessaan ilman vaikutuksesta se saa pinnalleen oksidikerroksen muuttaen samalla värinsä harmaaksi ja lopulta mustaksi. Yli 130 asteen lämpötilassa hienojakoinen torium syttyy itsestään palamaan. Toriumilla on kaikista aktinoideista korkein sulamispiste, 1 750 °C mutta sen tiheys 11,724×10 kg/m on aktinoidisarjan toiseksi alhaisin, aktiniumin jälkeen.
Toriumista tulee suprajohtavaa alle 1,368 K lämpötilassa. Yhdisteistä toriumhydridi ThH on suprajohtavaa alle 7,5–8 K lämpötilassa. Huoneenlämpötilassa se johtaa sähköä kuten metalli. Torium on paramagneettista ja sen magneettinen suskeptibiliteetti huoneenlämmössä on 0,412×4π×10 m/kg.
Valkoinen toriumdioksidi ThO on eniten tutkittu ja tärkein toriumin yhdiste. Pelkästään sitä käsitteleviä patentteja on myönnetty yli 430, joista 53 liittyy yhdisteen käyttämiseen katalyyttinä. Myös toriummonoksidin ThO olemassaolosta on viitteitä, vaikkakin metallisen toriumin pinnalle muodostuva musta oksidikerros on koostumukseltaan lähinnä ThO(OH,Cl)H, jossa torium esiintyy +IV hapetusluvulla.
Toriumilla on halideja kaikkien halogeenien kanssa: toriumfluoridi ThF, toriumbromidi ThBr, toriumkloridi ThCl ja toriumjodidit ThI, ThI ja ThI. Kaikki hapetusluvun +IV tetrahalidit ovat hygroskooppisia aineita, jotka liukenevat hyvin poolisiin liuottimiin kuten veteen. Myös oksyhalideja kuten ThOF ja ThOCl tunnetaan.
Muita toriumyhdisteitä on mm. toriumnitraatti, toriumkarbidi ja toriumoksalaatti. Torium reagoi vedyn kanssa muodostaen hydridit ThH ja ThH. Useita binäärisiä toriumin kalkogeenejä ja oksykalkogeenejä tunnetaan rikin, seleenin ja telluurin kanssa.
Toriumin kaikki isotoopit ovat radioaktiivisia. Luonnossa (lähes 100 %) esiintyvä Th-isotooppi on heikosti radioaktiivinen alfasäteilijä. Sen puoliintumisaika on yli 14 miljardia vuotta, mikä on enemmän kuin maapallon ikä ja hieman suurempi kuin arvioitu maailmankaikkeuden ikä. Muita toriumin isotooppeja esiintyy radioaktiivisissa mineraaleissa vain hivenmääriä, ja ne ovat syntyneet radioaktiivisten hajoamisten seurauksena, yleensä uraanin isotoopeista U ja U, sillä ne ovat näistä alkavien pitkien hajoamissarjojen välijäseniä. Th:sta alkava hajoamissarja tunnetaankin nimellä "toriumsarja". Th alfahajoaa radioaktiiviseksi radium-228:ksi, jonka puoliintumisaika on 5,7 vuotta. Tämä hajoaa välijäsenten kuten toisen toriumisotoopin Th ja huoneilmastakin mahdollisesti löytyvän radon-220:n kautta pysyväksi lyijyn isotoopiksi. Toriumsarjan loppupään hajoaminen on nopeaa, koska kaikkien muiden kuin Ra:n ja Th:n yhteenlasketut puoliintumisajat ovat alle 5 päivää.
Lähde:
EC = Elektronisieppaus 
SF = Spontaani fissio 
α = Alfahajoaminen 
β = Beeta-plus-hajoaminen 
β = Beeta-miinus-hajoaminen 
IT = Isomeerinen transitio 
m = Välitila tai virittynyt atomi
Eri toriumin isotoopin käyttäytyvät kemiallisesti identtisesti, mutta niiden fysikaaliset ominaisuuksissa on jonkin verran vaihtelua: Esimerkiksi isotooppisesti puhtaiden Th, Th, Th, ja Th tiheydet ovat 11,52, 11,58, 11,63, ja 11,73 g/cm. Isotoopin Th odotetaan olevan fissiili niin, että sen kriittinen massa olisi 2 839 kg, tosin teräksestä valmistettua neutroniheijastinta käytettäessä se putoaisi 994 kg:aan. Vaikka Th ei ole fissiili, se on fertiili nuklidi, joka voidaan muuttaa fissiiliksi U:ksi neutronisieppauksella.
Isotooppien atomimassat: