Neptunij

Neptunij je hemijski element sa simbolom Np i atomskim brojem 93. U periodnom sistemu elemenata nalazi se u grupi aktinoida (f-blok 7. periode). Neptunij je prvi među takozvanim tranuranijskim elementima, koji se, osim tragova neptunija i plutonija, na Zemlji više ne nalaze u prirodi. Neptunij je otrovni i radioaktivni teški metal. Ime je dobio po planeti Neptun, jer ta planeta u Sunčevom sistemu slijedi nakon Urana. Analogno planetama, neptunij također slijedi uranij u periodnom sistemu, a nakon njega slijedi plutonij, najteži element koji se može naći u prirodi, sa atomskim brojem 94.

 Historija 
U maju 1934. njemačka fizičarka i hemičarka Ida Noddack-Tacke objavila je zapažanja o tadašnjim prazninama u periodnom sistemu elemenata te je na kraju svog rada postavila teoriju o mogućnosti postojanja transuranskih elemenata. Nekoliko sedmica kasnije Enrico Fermi objavio je tri svoj rada na istu temu. Noddack se u septembru 1934. u nizu diskusija razišla sa Fermijem po pitanju navodnog otkrića elementa 93. U svojim izlaganjima, ona je između ostalog predvidjela njegovo otkriće pomoću cijepanja atomskih jezgara indukovanih neutronima. Bilo bi zamislivo da bi se bombardovanjem teških jezgara neutronima, ona raspala u nekoliko većih (naglašeno) "komada", koji bi možda bili izotopi već poznatih elemenata ali ne i susjedi (u PSE) ozračenih elemenata, izjavila je Noddack.

Radioaktivni element neptunij prvi put su sintetizirali 1940. naučnici Edwin M. McMillan i Philip H. Abelson bombardiranjem jezgara uranija neutronima.

Navedena vremena odnose se na vremena poluraspada.

Arthur C. Wahl i Glenn T. Seaborg otkrili su 1942. izotop neptunija 237Np. On je nastao iz izotopa uranija 237U, koji emitira β-zrake sa vremenom poluraspada od sedam dana, ili (n, 2n) procesom iz izotopa 238U. Izotop 237Np emitira alfa-zrake a ima vrijeme poluraspada od oko 2.144.000 godina.

Godine 1950. iz izotopa uranija 233U, 235U i 238U putem bombardiranja deuteronima dobijeni su izotopi neptunija 231Np, 232Np i 233Np. Godine 1958. iz visokoobogaćenog uranija 235U, također bombardiranjem deuteronima, dobijeni su izotopi 234Np, 235Np i 236Np. Jednosatna aktivnost neptunija, koja je ranije pripisivana izotopu 241Np, zapravo "pripada" izotopu 240Np.

 Osobine 
 Fizičke 
Metalni neptunij ima srebrenast izgled, hemijski je veoma reaktivan i postoji u najmanje tri različite modifikacije:
{| class="wikitable"
|+Modifikacije pri atmosferskom pritisku
|--
! Oznaka faze
! stabilni temperaturniraspon
! gustoća (pri temperaturi)
! kristalni sistem
|-----
| α-Np
|
| 20,25 g/cm3 (20 °C)
| ortorompski
|-----
| β-Np
| iznad 280 °C
| 19,36 g/cm3 (313 °C)
| tetragonalni
|-----
| γ-Np
| iznad 577 °C
| 18,0 g/cm3 (600 °C)
| kubični
|}
Smatra se da je neptunij jedan od najgušćih hemijskih elemenata. Pored renija, osmija, iridija i platine, on je jedan od malobrojnih elemenata sa gustoćom iznad 20 g/cm3.

 Hemijske 
Neptunij gradi cijeli niz spojeva u kojima se može nalaziti u oksidacijskim stanjima od +3 do +7. Tako neptunij zajedno s plutonijem posjeduje najviše moguće oksidacijsko stanje među svim aktinoidima. U vodenim rastvorima ioni neptunija imaju vrlo karakterističnu boju. Tako naprimjer ion Np3+ je ljubičast, dok je Np4+ žuto-zelen, a NpVO2+ zelen. Osim njih, ion NpVIO22+ je ružičasto-crven dok je NpVIIO23+ tamno zelen.

 Izotopi 
Ukupno je poznato 20 izotopa neptunija te pet nuklearnih izomera. Najduže "živući" izotopi su 237Np sa vremenom poluraspada od 2,144 miliona godina, 236Np sa 154 hiljade godina i 235Np sa 396,1 dana. Ostali izotopi i nuklearni izomeri imaju vremena poluraspada između 45 nanosekundi (237m1Np) i 4,4 dana (234Np).

 235Np se raspada sa vremenom poluraspada od 396,1 dana, tako što se 99,9974% raspadne putem elektronskog zahvata na uranij 235U a 0,0026% putem alfa-raspada na protaktinij 231Pa, koji se nalazi jedan korak iza 235U u takozvanoj uranij-aktinij seriji.
 236Np se raspada sa vremenom poluraspada od 154.000 godina, tako što se 87,3% raspadne putem elektronskog zahvata na uranij 236U, 12,5% se raspada putem beta-raspada na plutonij 236Pu a 0,16% putem alfa-raspada na protaktinij 232Pa. Uranij 236U nalazi se u torijevoj seriji (lancu) raspada te se sa vremenom poluraspada od 23,42 miliona godina raspada do svog "zvaničnog" početnog nuklida 232Th. Izotop 236Pu se raspada uz vrijeme poluraspada od 2,858 godine putem alfa-raspada na "međuproizvod" 232U, koji se uz vrijeme poluraspada od 68,9 godina opet raspada do 228Th, izotop na glavnoj grani raspadnog lanca.
 237Np raspada se sa vremenom poluraspada od 2,144 miliona godina putem alfa-raspada na protaktinij 233Pa. 237Np je tako i glavno polazište neptunijeve serije, lanca raspada koji završava stabilnim izotopom talija 205Tl.

 Dobijanje 
Neptunij nastaje kao "sporedni proizvod" u proizvodnji energije u nuklearnim reaktorima. U jednoj toni potrošenog nuklearnog goriva prosječno se nalazi 500 grama neptunija. Tako nastali neptunij gotovo u potpunosti se sastoji iz izotopa 237Np. On nastaje iz uranija 235U nakon dvostrukog zahvata neutrona i konačnim beta-raspadom.

Metalni neptunij se može izdvojiti iz svojih spojeva putem redukcije. Tako naprimjer neptunij(III)-fluorid reagira sa elementarnim barijem ili litijem pri temperaturi od 1200 °C.

 Cijepanje atoma 
Kao i kod svih tranuranijskih nuklida, i kod izotopa neptunija moguće je cijepanje atoma pobuđeno neutronima. Izotopi sa neparnim brojem neutrona u jezgru, počev od vrlo postojanog 236Np, imaju vrlo veliki poprečni presjek za cijepanje pomoću termalnih neutrona. Kod izotopa 236Np taj presjek iznosi 2600 barna. On je, dakle, "lahko cjepljiv".

Kod izotopa 237Np koji nastaje iz goriva u nuklearnim reaktorima, poprečni presjek cijepanja iznosi samo 20 milibarna. Ipak, taj izotop je i dalje pogodan zbog drugih fizičkih osobina atoma, kojim je moguće održati lančanu fisijsku reakciju njegovim cijepanjem pomoću brzih neutrona u čistom materijalu. U američkoj nacionalnoj laboratoriji Los Alamos njegova kritična masa je eksperimentalno procijenjena na oko 60 kg. Stoga se izotop neptunija 237Np smatra mogućim materijalom za izradu nuklearnog oružja.

 Upotreba 
U nuklearnim reaktorima iz 235U nastali neptunij 237Np može se upotrijebiti za dobijanje 238Pu koji se koristi u RTG baterijama. U tu svrhu se on izdvaja iz iskorištenog nuklearnog goriva te se njime pune nuklearne gorive šipke, koje sadrže samo neptunij. Takve šipke se ponovno vraćaju u nuklearni reaktor gdje se iznova bombardiraju neutronima te iz 237Np nastaje izotop plutonija 238Pu.

Navedena vremena odnose se na vremena poluraspada.

 Spojevi 
 Oksidi 
Poznati su oksidi neptunija u stanjima od +4 do +6: neptunij(IV)-oksid (NpO2), neptunij(V)-oksid (Np2O5) i neptunij(VI)-oksid (NpO3 · H2O). Neptunij-dioksid (NpO2) je hemijski najstabilniji oksid neptunija te je primjenu našao u nuklearnim gorivim šipkama.

 Halogenidi 
Kod neptunija poznati su halogenidi u oksidacijskim stanjima od +3 do +6. Za stanje +3 poznati su odgovarajući spojevi četiri halogena: fluora, hlora, broma i joda. Osim njih, on gradi i halogenide sa stanjima od +4 do +6.

U oksidacijskom stanju +6, od posebnog značaja je neptunij-heksafluorid (NpF6). To je narandžasta čvrsta tvar izuzetno velike volatilnosti (isparljivosti), jer već pri 56 °C prelazi u gasovito stanje. U tom pogledu ima dosta sličnosti sa uranij-heksafluoridom i plutonij-heksafluoridom, pa se na isti način kao i oni može upotrijebiti za obogaćivanje i odvajanje izotopa.

 Oksidacijski broj  F  Cl  Br  I +6 neptunij(VI)-fluoridNpF6narandžast +5 neptunij(V)-fluoridNpF5svijetlo plav +4 neptunij(IV)-fluoridNpF4zelen neptunij(IV)-hloridNpCl4crveno-smeđ neptunij(IV)-bromidNpBr4tamno crven +3 neptunij(III)-fluoridNpF3ljubičast neptunij(III)-hloridNpCl3zelen neptunij(III)-bromidNpBr3zelen neptunij(III)-jodidNpI3ljubičast

 Biološki aspekt 
Do danas nisu poznate biološke funkcije neptunija. Anaeorobni mikroorganizmi mogu reducirati Np(V) do Np(IV) pomoću nekih iona poput Mn(II/III)- i Fe(II). Također su ispitivani neki faktori, koji utječu na biosorpciju i bioakumulaciju neptunija putem bakterija.

 Reference 

Kategorija:Hemijski elementi
Kategorija:Sintetički elementi
Kategorija:Piroforni materijali