Θόριο

Το Θόριο είναι ασθενώς ραδιενεργό μεταλλικό χημικό στοιχείο με σύμβολο Th και ατομικό αριθμό 90. Το θόριο είναι ασημόγκριζο και οξειδώνεται επιφανειακά όταν εκτίθεται στον αέρα, σχηματίζοντας διοξείδιο του θορίου· είναι ήπιας σκληρότητας, όλκιμο και έχει υψηλό σημείο τήξης. Είναι ένα ηλεκτροθετικό μέλος των Ακτινίδες του οποίου η συμπεριφορά κυριαρχείται από τον αριθμό οξείδωσης +4· είναι αρκετά δραστικό και αναφλέγεται στον αέρα όταν διαιρείται σε λεπτά τμήματα.

Όλα τα γνωστά ισότοπα του θορίου είναι ασταθή. Το πιο σταθερό ισότοπο, 232Th, έχει ημιζωή 14,05 δισεκατομμύρια χρόνια, ή περίπου ίση με την ηλικία του σύμπαντος· διασπάται πολύ αργά με διάσπαση άλφα, εκκινώντας μια αλυσιδωτή διάσπαση που ονομάζεται σειρά του θορίου η οποία καταλήγει σε σταθερό 208μόλυβδο. Στο σύμπαν, το θόριο και το ουράνιο είναι τα μόνα ραδιενεργά στοιχεία που βρίσκονται σε μεγάλες ποσότητες στη φύση με μορφή primordial elements. Εκτιμάται ότι είναι τρεις φορές πιο άφθονο από το ουράνιο στο φλοιό της Γης και συνήθως εξάγεται από άμμο μοναζίτη ως παραπροϊόν κατά την εξόρυξη σπάνιων γαιών.

Το θόριο ανακαλύφθηκε το 1829 από τον Νορβηγό ορυκτολόγο Μόρταν Θράνε Έσμαρκ και αναγνωρίστηκε από τον Σουηδό χημικό Γιονς Γιάκομπ Μπερζέλιους, ο οποίος του έδωσε το όνομα του Θορ, του θεού της αστραπή των Βίκινγκς. Οι πρώτες εφαρμογές του αναπτύχθηκαν στο τέλος του 19ου αιώνα. Η ραδιενεργή του ιδιότητα αναγνωρίστηκε ευρέως στις πρώτες δεκαετίες του 20ου αιώνα. Στο δεύτερο ήμισυ του αιώνα, το θόριο αντικααστάθηκε σε πολλες χρήσεις του λόγω κινδύνων σχετικών με τη ραδιενέργεια.

Το θόριο χρησιμοποιείται ακόμα ως κραματικό στοιχείο σε ηλεκτρόδια συγκολλήσεων TIG αλλά βαθμιαία αντικαθίσταται με διαφορετικά στοιχεία.Αποτελούσε επίσης υλικό σε οπτικά υψηλής τεχολογίας και επιστημονικά όργανα και ως πηγή φωτός σε gas mantles, αλλά έχει περιθωριοποιηθεί σε αυτές τις εφαρμογές. Έχει προταθεί ως εναλλακτική του ουρανίου για πυρηνικό καύσιμο σε πυρηνικούς αντιδραστήρες και αρκετά thorium reactors have been built.

Εντατικές ιδιότητες
Το θόριο είναι ήπια μαλακό, παραμαγνητικό, στιλπνό ασημόγκριζο μέταλλο της ομάδας των ακτινίδων. Στον περιοδικό πίνακα βρίσκεται στα δεξιά του ακτινίου, αριστερά του πρωτακτινίου και κάτω από το δημήτριο. Το καθαρό θόριο είναι πολύ όλκιμο και όπως είναι συνηθισμένο στα μέταλλαμ μπορεί να πστεί ψυχρή έλαση, swaged και drawn. Σε θερμοκρασία δωματίιου, το μεταλλικό θόριο έχει εδροκεντρωμένη κρυσταλλική δομή· έχει δύο άλλες μορφές, μία σε υψηλή θερμοκρασία (πάνω από 1360 °C· χωροκεντρωμένο κυβικό) και μία σε υψηλή πίεση (περίπου 100 GPa· χωροκεντρωμένο τετραγωνικό).

Το θόριο έχει μέτρο συμπίεσης (ένα μέτρο της αντίστασης ενός υλικού σε συμπίεση) 54 GPa, περίπου όσο και ο κασσίτερος (58,2 GPa). Το αλουμίνιο έχει 75,2 GPa· ο χαλκός 137,8 GPa· και ο ανθρακοχάλυβας χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα έχει 160–169 GPa. Το θόριο είναι τόσο σκληρό όσο περίπου ο μαλακός χάλυβας, οπότε όταν θερμαίνεται μπορεί να υποστεί έλαση σε φύλλα και να μετατραπεί σε σύρμα.

Το θόριο έχει σχεδόν τη μισή πυκνότητα του ουρανίου και του πλουτωνίου και είναι σκληρότερο και από τα δύο. Γίνεται υπεραγώγιμο κάτω από θερμοκρασία 1.4 K. Το σημείο τήξης του θορίου είναι 1750 °C και υπερβαίνει τα αντίστοιχα του ακτινίου (1227 °C) και του πρωτακτινίου (1568 °C). Έχοντας θέση στην αρχή της περιόδου 7, η οποία εκτείνεται από το φράγκιο μέχρι το θόριο, α σημεία τήξης των στοιχείων αυξάνονται (όπως σε άλλες περιόδους), επειδή ο number of delocalised electrons each atom contributes increases from one in francium to four in thorium, leading to greater attraction between these electrons and the metal ions as their charge increases from one to four. Μετά το θόριο υπάρχει μια εκ νέου πτωτική τάση στα σημεία τήξης από το θόριο στο πλουτώνιο, όπου ο αριθμός των ηλεκτρονίων f αυξάνεται από περίπου 0.4 σε περίπου 6: αυτή η τάση οφείλεται στον αυξανόμενο υβριδισμό των τροχιακών 5f και 6d και στη δημιουργία κατευθυντικών δεσμών που οδηγούν σε πιο περίπλοκες κρυσταλλικές δομές και αποδυναμωμένους μεταλλικούς δεσμούς. (Η μέτρηση f-ηλεκτρονίων για το θόριο είναι μη ακέραια λόγω της επικάλυψης των 5f–6d.) Μεταξύ των ακτινίδων μέχρι το καλιφόρνιο, που μπορούν να ερευνηθούν τουλάχιστον σε ποσότητες χιλιοστογραμμαρίων, το θόριο έχει το υψηλότερο σημείο τήξης και σημείο βρασμού και τη δεύτερη χαμηλότερη πυκνότητα· μόνο το ακτίνιο είναι ελαφρύτερο. Το σημείο βρασμού του θορίου είναι 4788 °C και είναι το πέμπτο υψηλότερο ανάμεσα σε όλα τα στοιχεία με γνωστά σημεία βρασμού.

Οι ιδιότητες του θορίου διαφέρουν ευρύτατα αναλογικά με το βαθμό ακαθαρσιών στο δείγμα. TΗ μεγαλύτερη είναι συνήθως το διοξείδιο του θορίου (ThO2)· ακόμα και τα καθαρότερα δοκίμια θορίου συνήθως περιέχουν περίπου ένα δέκατου του εκατοστού διοξείδιο. Οι πειραματικές μετρήσεις της πυκνότητάς του αποδίδουν τιμές μεταξύ 11,5 και 11,66 g/cm3: αυτές οι τιμές είναι ελαφρώς χαμηλότερες από τη θεωρητικά αναμενόμενη τιμή των 11,7 g/cm3 που υπολογίζονται από τις παραμέτρους πλέγματος του θορίου, ίσως λόγω μικροσκοπικών κενών που δημιουργούνται στο μέταλλο όταν χυτεύεται. These values lie between those of its neighbours actinium (10.1 g/cm3) and protactinium (15.4 g/cm3), part of a trend across the early actinides.

Ισότοπα

Πλην δύο, όλα τα χημικά στοιχεία με ατομικούς αριθμούς μέχρι 83, αυτόν του βισμουθίου έχουν ένα ισότπο που είναι οσιαστικά σταθερό για όλες τις περιπτώσεις ("κλασσικά σταθερό"), με εξαίρεση το τεχνήτιο και το προμήθειο (στοιχεία 43 και 61). Όλα τα στοιχεία από το πολώνιο (στοιχείο 84) και πέρα είναι ρραδιενεργά σε μετρήσιμη κλίμακα. 232Το Th είναι ένα από τα τρία νουκλίδια μετά το βισμούθιο (τα άλλα δύο είναι τα 235U και 238U) που έχουν ημιζωή δισεκατομμυρίων ετών· η ημιζωή του είναι 14,05 δισεκατομμύρια χρόνια, σχεδόν τριπλάσια της ηλικίας της Γης, και λίγο μεγαλύτερη από την ηλικία του σύμπαντος. Τα τέσσερα πέμπτα του θορίου που υπήρχε κατά τον σχηματισμό της Γης έχουν επιβιώσει μέχρι σήμερα. Το Th232 είναι το μόνο ισότοπο του θορίου που υπάρχει σε ποσότητα στη φύση. Η σταθερότητά του αποδίδεται στην κλειστή του πυρηνική στιβάδα με 142 νετρόνια. Το θόριο έχει χαρακτηριστική γήινη ισοτοπική σύνθεση, με ατομικό βάρος 232,0377(4). Αποτελεί μαζί με το πρωτακτίνιο και το ουράνιο ένα από τα τρία στοιχεία που ειναι ραδιενεργά και συναντώνται σε αρκετά μεγάλες ποσότητες στη Γη ώστε να είναι δυνατός ο καθορισμός του πρότυπου ατομικού βάρους τους.

Οι πυρήνες θορίου είναι επιρρεπείς σε διάσπαση άλφα επειδή η ισχυρή πυρηνική δύναμη δεν μπορεί να υπερβεί την ηλεκτρομαγνητική άπωση μεταξύ των πρωτονίων τους. Η διάσπαση άλφα του 232Th εκκινεί την αλυσιδωτή διάσπαση 4n η οποία περιλαμβάνει ισότοπα με μαζικό αριθμό διαιρετέους με το 4 (εξ ου και το όνομα· ονομάζεται επείσης "σειρά του θορίου" λόγω του προγεννήτορά της). Αυτή η αλυσίδα συνεχόμενων διασπάσεων άλφα και βήτα αρχίζει με τη διάσπαση του 232Th σε 228Ra και τερματίζει στον 208Pb. Οποιοδήποτε δείγμα θορίου ή οι ενώσεις του πριέχουν ίχνη αυτών των θυγατρικών προϊόντων, που είναι ισότοπα του θαλλίου, του μολύβδου, του βισμουθίου, του ραδίου, του ραδονίου και του ακτινίου. Δείγματα φυσικού θορίου μπορούν να καθαριστούν χημικά ώστε να εξαχθούν θυγατρικά νουκλίδια, όπως το 212Pb, το οποίο χρησιμοποιείταιστην πυρηνική ιατρική για καρκινοθεραπεία. Το 227Th (που εκπέμπει άλφα με χρόνο ημιζωής 18,68 ημερών) μπορεί ακόμη να χρησιμοποιηθεί σε καρκινοθεραπείες όπως οι στοχευμένες θεραπείες άλφα. Το 232Th υφίσταται επίσης spontaneous fission περιστασιακά αντί για διάσπαση άλφα, και έχει δώσει στοιχεία ότι αυτό συμβαίνει στα ορυκτά του (με παγιδευμένο αέριο ξένο ως προϊόν σχάσης), αλλά η μερική ημιζωή αυτής της διαδικασ'ιας είναι πολύ μεγάλη και ξεπερνά τα 1021 έτη αλλά η διάσπαση άλφα είναι κυρίαρχη γενικά.

Χημεία
Ένα άτομο θορίου έχει 90 ηλεκτρόνια, από τα οποία τέσσερα είναι ηλεκτρόνια σθένους. Τρία ατομικά τροχιακά είναι θεωρητικά διαθέσιμα για να τα καταλάβουν τα ηλεκτρόνια σθένους: τα 5f, 6d, και 7s.

Παραγωγή

Η χαμηλή ζήτηση καθιστά τη λειτουργία ορυχείων αποκλειστικά για την εξαγωγή του θορίου μη επικερδή, και σχεδόν πάντα εξάγεται μαζί με σπάνιες γαίες, οι οποίες με τη σειρά τους μπορεί να είναι παραπροϊόντα της εξαγωγής άλλων ορυκτών. Η τρέχουσα αναγκη χρήσης μοναζίτη για παραγωγή οφείλεται στο ότι το θόριο παράγεται ως παραπροϊόν· άλλες πηγές όπως ο θορίτης περιέχουν περισσότερο θόριο και εύκολα θα μπρορούσαν να χρησιμοποιηθούν αν η ζήτηση αυξανόταν. Η παρούσα γνώση της κατανομής των πηγών θορίου είνα ελλιπής, καθώς η χαμηλή ζήτηση έχει καταστήσει τις προσπάθειες εξερεύνησης περιορισμένες. Το 2014 η παγκόσμια παραγωγή συγκεντρωμένου μοναζίτη, από τον οποίο το θόριο εξάγεται, ήταν 2.700 tonnes.

Η συνηθισμένη πορεία παραγωγής του θορίου περιλαμβάνει συγκέντρωση των ορυκτών του θορίου, εξαγωγή του θορίου από το συγκέντρωμα, απομόνωση του καθαρού θορίου και ίσως δημιουργία ενώσεων όπως το διοξείδιο του θορίου.

Σύγχρονη εφαρμογή
Χρήσεις άσχετες με τη ραδιένργειά του έχουν μειωθεί από τη δεκαετία του 1950 λόγω περιβαλλοντικών ζητημάτων προερχόμενων κυρίως από τη ραδιενεργή δραστηριότητά του θορίου και των προϊόντων σχάσης του.

Οι περισσότερες εφαρμογές του θορίου αφορούν τη χρήση του διοξειδίου του (μερικές φορές αποκαλούμενο "θορία" στη βιομηχανία), παρά το ίδιο το μέταλλο. Η ένωση αυτή έχει σημείο τήξης 3300 °C (6000 °F), το υψηλότερο από όλα τα γνωστά οξείδια· μόνο μερικές ουσίες έχουν υψηλότερα σημεία τήξης. Αυτό βοηθά να παραμένει στερεό σε μια φλόγα, και αυξάνει σημαντικά τη λαμπρότητα της φλόγας· αυτός είναι ο βασικός λόγος που το θόριο χρησιμοποιείται σε gas mantles. Όλες οι ουσίες εκπέμπουν ενέργεια σε υψηλή θερμοκρασία, αλλά το φως που εκπέμπει το θόριο είναι σχεδόν αποκλειστικά μέσα στο ορατό φάσμα δημιουργώντας αυτή τη λαμπρότητα στους μανδύες θορίου.

Σημειώσεις

Παραπομπές 

Ακτινίδες
Καρκινογόνα