Kalifornij

Kalifornij (latinski - californium) je radioaktivni metalni element sa hemijskim simbolom Cf i atomskim brojem 98. Element je prvi put napravljen 1950. na Univerzitetu California, u laboratoriji za zračenje u gradu Berkeley, bombardiranjem jezgra kirija alfa česticama (ionima helija-4). Spada u aktinoide. Šesti je transuranijski element koji je sintetiziran, i ima drugu najveću atomsku masu od svih elemenata koji su napravljeni u dovoljno velikim količinama, vidljivim golim okom (poslije ajnštajnija). Ime je dobio po univerzitetu gdje je napravljen i istoimenoj državi Kaliforniji. Najteži je element koji se može prirodno pronaći na Zemlji, svi teži elementi se mogu dobiti isključivo samo sintezom.

Postoje dva kristalna oblika kalifornija pod normalnim pritiskom: jedan iznad i jedan ispod 900 °C. Treći oblik postoji samo pod velikim pritiskom. Kalifornij polahko tamni na zraku pri sobnoj temperaturi. Spojevi kalifornija dominiraju u hemijskim oblicima elementa, naročito kalifornij(III), koji može učestvovati u tri hemijske veze. Najstabilniji među njegovih 20 poznatih izotopa je kalifornij-251, koji ima vrijeme poluraspada od 898 godina. Ovako kratko vrijeme poluraspada znači da se ovaj element ne može naći u značajnim količinama u Zemljinoj kori. Izotop 252Cf sa vremenom poluraspada od oko 2,64 godine, je najčešći izotop i proizvodi se u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridge u SAD-u te u Istraživačkom institutu atomskih reaktora u Rusiji.

On je jedan od malobrojnih transuranijskih elemenata koji imaju praktičnu primjenu. Većina aplikacija koristi osobine određenih izotopa kalifornija koji emitiraju neutrone. Naprimjer, kalifornij se koristi da bi se pokrenuli nuklearni reaktori, i primjenjuje se kao izvor neutrona pri proučavanju materijala pomoću neutronske difrakcije i neutronske spektroskopije. On se također može koristiti u nuklearnoj sintezi elemenata viših masa; ununoktij (element 118) je sintetiziran bombardiranjem atoma kalifornija-249 ionima kalcija-48. Korištenje kalifornija je problematično zbog opasnosti od njegove radioaktivnosti i sposobnosti elementa da ugrozi formiranje crvenih krvnih ćelija putem njegove bioakumulacije u koštanom tkivu.

 Historija 
Kalifornij je prvi put sintetiziran na Univerzitetu California u gradu Berkeley u laboratoriji za radijaciju. Tim fizičara koji radili na ovom otkriću: Stanley G. Thompson, Kenneth Street, Jr., Albert Ghiorso i Glenn T. Seaborg došli su do otkrića 9. februara 1950. godine. Bio je to šesti tranuranijski element koji je ikad otkriven, a otkriće je objavljeno 17. marta iste godine.

Da bi se proizveo kalifornij, korištena je meta od 1 µg kirija-242 (Cm) koja je bombardirana alfa česticama helija-4 (4He) energije 35 MeV u 60-inčnom ciklotronu u Berkeleyu, čime je dobijen kalifornij 245Cf i jedan slobodni neutron (n).

242kirij + 4helij → 245kalifornij + neutron

U ovom eksperimentu dobijeno je samo 5.000 atoma kalifornija, a ti atomi su imali vrijeme poluraspada od 44 minute. Naučnici koji su otkrili element dali su mu ime po univerzitetu i državi gdje je otkriven. Bio je to svojevrsni prekid u konvenciji davanja imena korištenoj za elemente od 95 do 97, čija su imena bila inspirirana imenima elemenata koji su bili direktno iznad njih u periodnom sistemu. Međutim, element direktno iznad elementa 98 u periodnom sistemu, disprozij, ima ime koje jednostavno znači onaj do kojeg se teško došlo, tako da su istraživači napustili nepisano pravilo o davanju imena elementu. Istakli su također da "je najbolje što možemo naglasiti (da je)...istraživačima prije nekoliko vijekova bilo vrlo teško doći do Kalifornije".

Mjerljive količine kalifornija prvi put su dobijene izlaganjem zračenju uzoraka plutonija u reaktoru za testiranje materijala pri Nacionalnoj laboratoriji Idaho u istočnom Idahou. Ta otkrića su objavljena 1954. godine. U tim uzorcima primijećena je velika brzina spontane fisije izotopa kalifornija-252. Prvi eksperiment sa kalifornijem u koncentriranom obliku izveden je 1958. Izotopi od 249Cf do 252Cf su izdvojeni iste godine iz uzorka plutonija 239Pu koji je bio ozračen neutronima u nuklearnom reaktoru tokom pet godina. Dvije godine kasnije, 1960. naučnici Burris Cunningham i James Wallman iz laboratorije za radijaciju Lawrence pri Univerzitetu California uspjeli su dobiti prve spojeve kalifornija, kalifornij-trihlorid, kalifornij-oksihlorid i kalifornij-oksid, pomoću reakcije kalifornija sa parom i hlorovodičnom kiselinom.

 Osobine 
 Fizičke 
lijevo|thumb|190px|Disk metalnog kalifornija, promjera oko 1 mm
Kalifornij je srebreno bijeli aktinoidni metal sa tačkom topljenja od 900±30 °C i procijenjenom tačkom ključanja od 1745 K. Čisti metal je kovan i lahko se reže nožem. Metalni kalifornij počinje isparavati iznad 300 °C ako se izloži vakuumu. Pri temperaturi ispod 51 K (−220 °C), metalni kalifornij je ili u feromagnetičnom ili ferimagnetičnom stanju (djeluje kao magnet), dok je na temperaturama između 48 i 66 K u antiferomagnetičnom stanju (međustanje), dok je na temperaturi iznad 160 K (−110 °C) paramagnetičan (vanjsko magnetno polje može ga namagnetisati). Gradi legure sa lantanoidnim metalima ali je vrlo malo poznato o njima.

Element ima dva kristalna oblika u okruženju kada je pritisak ispod 1 standardne atmosfere: dvostruki heksagonalni gusto pakovani oblik koji se označava alfa (α) i kubični plošno-centrirani oblik kojem je oznaka beta (β). Oblik α postoji na temperaturi ispod 900 °C sa gustoćom od 15,10 g/cm3 dok oblik β postoji na temperaturama iznad 900 °C sa gustoćom od 8,74 g/cm3. Pri pritisku od 48 GPa, kristalni oblik β prelazi u ortorompski kristalni sistem zbog delokalizacije 5f elektrona u atomu koji mu daje sposobnost za vezivanje.

Modul elastičnosti materijala je mjera njegove otpornosti na uniformni pritisak. Taj modul kod kalifornija iznosi 50 ± 5 GPa, što je slično kao i kod trovalentnih lantanoidnih metala ali niži od nekih uobičajenih metala poput aluminija (70 GPa).

 Hemijske 
+ Karakteristični spojevi kalifornija  stanje  spoj  formula  boja +2  kalifornij(II) bromid  CfBr2  žut +2  kalifornij(II) jodid  CfI2  tamno ljubičast +3  kalifornij(III) oksid  Cf2O3  žuto-zelen +3  kalifornij(III) fluorid  CfF3  svijetlo zelen +3  kalifornij(III) hlorid  CfCl3  smaragno zelen +3  kalifornij(III) jodid  CfI3  limun žut +4  kalifornij(IV) oksid  CfO2  tamno smeđ +4  kalifornij(IV) fluorid  CfF4  zelen
Kalifornij iskazuje valencije 4, 3 ili 2; označavajući broj hemijskih veza koje jedan atom ovog elementa može načiniti. Pretpostavlja se da su njegove hemijske osobine dosta slične drugim aktinoidnim elementima sa primarnom valencijom +3 i elementu disproziju, koji je lantanoid a nalazi se iznad kalifornija u periodnom sistemu. Kalifornij sporo tamni na zraku pri sobnoj temperaturi, a brzina tamnjenja se povećava ako je u zraku prisutna vlaga. On reagira ako se zagrijava sa vodikom, dušikom ili halkogenim elementima (grupa kisika); reakcije sa suhim vodikom i tečnim mineralnim kiselinama su burne.

Kalifornij je rastvorljiv u vodi samo kao kation kalifornij(III). Pokušaji da se reducira ili oksidira ion +3 u rastvoru nisu uspjeli. Element gradi hloride, nitrate, perhlorate i sulfate rastvorljive u vodi, a taloži se u vidu fluorida, oksalata i hidroksida.

 Izotopi 

Poznato je 20 radioizotopa kalifornija, među njima najstabilniji je izotop 251Cf sa vremenom poluraspada od 898 godina. Slijede izotopi 249Cf sa vremenom poluraspada od 351 godine, 250Cf (vrijeme poluraspada od 13,08 godina) i 252Cf (2,645 godina). Svi ostali izotopi imaju vremena poluraspada kraća od jedne godine, a većina njih ima vremena poluraspada kraća od 20 minuta. Maseni brojevi izotopa kalifornija kreću se u rasponu do 237 do 256.

Izotop kalifornija-249 nastaje beta raspadom izotopa berkelija-249, a većina izotopa kalifornija nastalo je djelovanjem zračenjem neutrona na berkelij u nuklearnim reaktorima. Iako 251Cf ima najduže vrijeme poluraspada, njegov proizvodni prinos je samo oko 10% zbog toga što teži da skuplja neutrone (visok zahvat neutrona), te tendencije da međudjeluje sa drugim česticama (širok neutronski presjek).

Kalifornij-252 je snažan emiter neutrona, što ga čini izrazito radioaktivnim i opasnim. Ovaj izotop se raspada putem alfa raspada (gubi dva protona i dva neutrona) tokom 96,9% svog života te daje izotop kirija-248 dok ostatak od 3,1% ukupnog broja raspada dešava se spontanom fisijom. Jedan mikrogram (µg) izotopa 252Cf emitira 2,3 miliona neutrona u sekundi, dok se prosječno 3,7 neutrona emitira po jednoj spontanoj fisiji. Većina izotopa kalifornija se raspada na izotope kirija (atomski broj 96) putem alfa raspada.

 Rasprostranjenost 
Vrlo malehne količine kalifornija su pronađene na Zemlji zbog reakcija zahvata neutrona i beta raspada u veoma koncentriranim depozitima bogatim uranijem. Tragovi kalifornija su pronađeni u blizini ustanova koji koriste ovaj element u svrhu ispitivanja minerala ili medicinske tretmane. Element nije gotovo nikako rastvorljiv u vodi, ali se vrlo dobro veže za zemljište, tako da njegova koncentracija u zemljištu može biti i do 500 puta viša nego u vodi koja okružuje čestice tla.

Zbog nuklearnog testiranja prije 1980. godine, vrlo male količine kalifornija dospjele su u atmosferu, te s padavinama i u zemljište. Dokazano je prisustvo izotopa kalifornija sa masenim brojevima 249, 252, 253 i 254 u radioaktivnoj prašini prikupljenoj iz zraka nakon nuklearnih eksplozija. Kalifornij se ne nalazi među najvećim radionuklidima na mjestima gdje američko ministarstvo energije (DOE) odlaže nuklearni otpad, jer se ne proizvodi u velikim količinama.

Ranije se vjerovalo da kalifornij nastaje pri eksploziji supernova, jer njihov raspad odgovara vremenu poluraspada izotopa 254Cf od oko 60 dana. Međutim, naknade studije nisu uspjele dokazati spektar kalifornija, a danas se smatra da svjetlosna kriva supernova slijedi raspad izotopa nikla-56.

 Dobijanje 
Kalifornij se proizvodi u nuklearnim reaktorima i ubrzivačima čestica (akceleratorima). Izotop kalifornija-250 je dobijen bombardiranjem uzorka berkelija-249 (249Bk) neutronima, dajući berkelij-250 (250Bk) preko zahvata neutrona (n,γ) koji se gotovo trenutno raspada beta raspadom (β−) na kalifornij-250 (250Cf) sljedećom reakcijom:
249Bk(n,γ)250Bk → 250Cf + β−
Bombardiranje kalifornija-250 neutronima daje izotope kalifornij-251 i kalifornij-252.

Produženim djelovanjem radijacije na americij, kirij i plutonij sa neutronima dobijaju se količine kalifornija-252 mjerene u miligramima i kalifornija-249 u mikrogramima. Prema podacima iz 2006. izotopi kirija od 244 do 248 su ozračeni neutronima u posebnim reaktorima daju uglavnom kalifornij-252 uz mnogo manje količine izotopa od 249 do 255. Količine mjerene mikrogramima izotopa kalifornija-252 dostupne su za komercijalnu upotrebu putem američke nuklearne regulatorne komisije. Trenutno postoje samo dvije institucije koje proizvode kalifornij-252: Nacionalna laboratorija Oak Ridge u SAD i Istraživački institut za atomske reaktore u Dimitrovgradu, Rusija. Prema podacima iz 2003. ove dvije institucije proizvedu godišnje 0,25 grama i 0,025 grama kalifornija-252, respektivno.

Proizvedena su tri izotopa kalifornija sa značajnim vremenima poluraspada, za šta je neophodno ukupno 15 zahvata neutrona od uranija-238 bez da se tokom tog procesa desi nuklearna fisija ili alfa raspad. Kalifornij-253 je na kraju proizvodnog lanca koji počinje uranijem-238, a uključuje nekoliko izotopa plutonija, americija, kirija, berkelija i izotope kalifornija od 249 do 253 (vidi dijagram).


 Napomene 

 Reference 

 Vanjski linkovi 


Kategorija:Hemijski elementi
Kategorija:Sintetički elementi
Kategorija:Feromagnetni materijali