Curium

Curium on transuraaneihin ja aktinoideihin kuuluva keinotekoisesti valmistettu alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Cm () ja järjestysluku 96. Curium on erittäin radioaktiivinen alkuaine, jolla ei ole pysyviä isotooppeja. Se on hopeanväristä, kovaa metallia, jonka tiheys on 13,5 g/cm3. Sulamispiste on 1 340 °C ja kiehumispiste 3 110 °C, mitkä ovat korkeita arvoja aktinoidille. Pysyvimmän isotoopin 247Cm puoliintumisaika on noin 15,6 miljoonaa vuotta.
Curiumia voidaan tuottaa pommittamalla uraania tai plutoniumia neutroneilla ydinreaktoreissa. Tonni käytettyä ydinpolttoainetta sisältää noin 20 grammaa curiumia. Luonnossa sitä ei tavata. Curiumia voidaan käyttää kannettavana energianlähteenä ydinparistona, koska sen radioaktiivisuus synnyttää lämpöä. Curiumilla toimivia ydinparistoja on käytetty navigaatiopoijuissa ja avaruustutkimuksessa. Curiumin avulla valmistettua plutoniumin 238Pu-isotooppia on käytetty jopa sydämentahdistimien voimanlähteenä.
Curiumia valmistivat ensimmäisenä Glenn T. Seaborg, Ralph A. James, Leon O. Morgan ja Albert Ghiorso vuonna 1944 pommittaessaan plutoniumin 239Pu-isotooppia alfahiukkasilla syklotronissa. Louis B. Werner ja Isadore Perlman valmistivat vuonna 1947 ensimmäisen kerran punnittavissa olevia määriä curiumia (40 µg epäpuhdasta 242Cm-oksidia). Vuonna 1951 onnistuttiin ensimmäisen kerran valmistamaan puhdasta metallista curiumia. Nimen curium sai Marie ja Pierre Curiesta. Vaikka curium löydettiin ennen sitä jaksollisessa järjestelmässä edeltävää amerikiumia, sen ominaisuuksista tiedetään edelleen vähemmän kuin amerikiumista. Curium on järjestysluvultaan suurin alkuaine, jota on voitu valmistaa grammamääriä.
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 "Fmm") 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.
Isotoopit.
Curiumista tunnetaan ainakin 20 isotooppia, joiden massaluvut ovat välillä 233–252. Kaikki ovat radioaktiivisia. Ainoastaan isotooppeja 242Cm, 244Cm, ja 248Cm voidaan tuottaa niin suuria määriä, että niitä voidaan käyttää kemian tutkimukseen. Lisäksi curiumilla on vähintään seitsemän isomeeria.
Lähde:
Kriittinen massa.
Curiumin isotoopeille on kirjallisuudessa esitetty varsin pieniä kriittisiä massoja:
Taulukossa on curiumin isotooppien kriittisiä massoja pallomaiselle kappaleelle, ilman neutronimoderaattoria tai -heijastinta. Metallisella heijastimella (30 cm terästä), parittomien isotooppien kriittiset massat ovat noin 3–4 kg. Kun heijastimena on vesi (paksuus ~20–30 cm), kriittinen massa voi olla niinkin pieni kuin 59 grammaa 245Cm:lle, 155 grammaa 243Cm:lle ja 1 550 grammaa 247Cm isotoopille. Jos 245Cm- ja 247Cm-isotoopeilla on todellakin näin pieni kriittinen massa, niitä voitaisiin teoriassa käyttää kannettavissa ydinaseissa plutoniumin tai uraanin sijasta, mutta tällaisista ei ole julkista tietoa saatavilla. 243Cm ei sovellu ydinaseeseen, koska sillä on lyhyt puoliintumisaika ja sen voimakas α-säteily aiheuttaa ylikuumenemista. Näissä luvuissa on kuitenkin merkittävää epätarkkuutta. Kriittisten massojen virherajat ovat yleensä noin 20 %. Joissakin tutkimuksissa on 242Cm- ja 246Cm-nuklidien kriittisiksi massoiksi arvioitu 371 kg ja 70,1 kg.
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.