То́рий ( химический символ — Th , от лат. Th orium ) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) седьмого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева , с атомным номером 90.

Относится к семейству актиноидов .

Простое вещество торий — тяжёлый слаборадиоактивный металл серебристого-белого цвета .

История

Впервые торий выделен Йёнсом Берцелиусом в 1828 году из минерала, позже получившего название торит (содержит ). Первооткрыватель назвал элемент в честь бога грома из скандинавской мифологии — Тора .

Нахождение в природе

Торий почти всегда содержится в минералах редкоземельных элементов , которые служат одним из источников его получения. Содержание тория в земной коре — 8—13 г/т, в морской воде — 0,05 мкг/л. В магматических породах содержание тория уменьшается от кислых (18 г/т) к основным (3 г/т). Значительное количество тория накапливается в связи с и процессами, при этом его содержание увеличивается с повышением количества калия в породах. Основная форма нахождения тория в породах в виде основной составной части уран-ториевых, либо изоморфной примеси в акцессорных минералах . В постмагматических процессах в определённых благоприятных условиях (обогащённость растворов галогенами , щелочами и углекислотой) торий способен мигрировать в гидротермальных растворах и фиксироваться в скарновых уран-ториевых и гранат-диопсидовых ортитсодержащих месторождениях. Здесь главными минералами тория являются монацитовый песок и ферриторит . Накапливается торий также в некоторых грейзеновых месторождениях, где он концентрируется в ферриторите, либо образует минералы, содержащие титан, уран и др. Входит в состав, в виде примесей, наряду с ураном, в почти любые слюды , ( флогопит , мусковит и др.) — породообразующих минералов гранита . Поэтому граниты некоторых месторождений ввиду слабой, но при длительном воздействии на человека опасной радиации запрещено использовать в качестве наполнителя для бетона при строительстве жилых зданий либо (в зависимости от удельной активности) для строительства производственных сооружений и даже для строительства дорог вне населённых пунктов .

Месторождения

Торий содержится в основном в 12 минералах.

Месторождения этих минералов известны в Австралии , Индии , Норвегии , США , Канаде , ЮАР , Бразилии , Пакистане , Малайзии , Шри-Ланке , Киргизии и других странах .

• 
  Монацит -(Ce)
• 
  Торианит
• 
  Умбозерит
• 
  Эвксенит
• 
  Эшинит-(Ce)
• 
  Виикит

Добыча

При получении тория торийсодержащие монацитовые концентраты подвергают вскрытию при помощи кислот или щелочей. Редкоземельные элементы извлекают экстракцией с трибутилфосфатом и сорбцией . Далее торий из смеси соединений металлов выделяют в виде диоксида , тетрахлорида или тетрафторида .

Металлический торий затем выделяют из галогенидов или оксида методом металлотермии (кальций-, магний- или натрийтермии) при 900—1000 °С:

${\displaystyle {\ce {ThF4 + 2 Ca -> Th + 2 CaF2}}}$

электролизом ThF ₄ или KThF ₅ в расплаве KF при 800 °С на графитовом аноде.

Цена тория уменьшилась до 73,37 USD /кг (2009), по сравнению с 96,55 USD/кг (2008).

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома тория: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5s ² 4d ¹⁰ 5p ⁶ 6s ² 4f ¹⁴ 5d ¹⁰ 6p ⁶ 6d ² 7s ² .

Торий — серебристо-белый блестящий, мягкий, ковкий металл. Металл пирофорен, потому порошок тория рекомендуют хранить в керосине. На воздухе чистый металл медленно тускнеет и темнеет, при нагревании воспламеняется и горит ярко белым пламенем с образованием диоксида. Относительно медленно корродирует в холодной воде, в горячей воде скорость коррозии тория и сплавов на его основе очень высока.

До 1360 °C торий образует кристаллы кубической сингонии (гранецентрированная решётка), параметры ячейки a = 0,50842 нм (α-торий). Выше этой температуры (при 1360…1750 °C) устойчива модификация с кубической объёмно-центрированной решёткой с а = 0,411 нм (β-торий). Энтальпия перехода Δ H (α→β) = 3,5 кДж/моль .

При температуре 1,4 К торий проявляет сверхпроводящие свойства.

Температура плавления 1750 °C; температура кипения 4788 °C. Энтальпия плавления 19,2 кДж/моль, испарения 513,7 кДж/моль. Работа выхода электронов 3,51 эВ. Энергии ионизации M → M ⁺ , M ⁺ → M ²⁺ , M ²⁺ → M ³⁺ , M ³⁺ → M ⁴⁺ составляют 587, 1110, 1978 и 2780 кДж/моль соответственно.

Изотопы

На 2012 год известны 30 изотопов тория и ещё 3 возбуждённых метастабильных состояния некоторых его нуклидов .

Только один из нуклидов тория ( торий-232 ) обладает достаточно большим периодом полураспада по отношению к возрасту Земли , поэтому практически весь природный торий состоит только из этого нуклида. Некоторые из его изотопов могут определяться в природных образцах в следовых количествах, так как входят в радиоактивные ряды радия, актиния и тория и имеют исторические, ныне устаревшие названия:

• радиоактиний ²²⁷ Th ,
• радиоторий ²²⁸ Th ,
• ионий ²³⁰ Th ,
• уран Y ²³¹ Th ,
• уран X1 ²³⁴ Th .

Наиболее стабильными изотопами являются ²³² Th ( период полураспада составляет 14,05 миллиарда лет), ²³⁰ Th (75 380 лет), ²²⁹ Th (7340 лет), ²²⁸ Th (1,9116 года). Остальные изотопы имеют периоды полураспада менее 30 дней (большинство из них имеют периоды полураспада менее 10 минут) .

Химические свойства

Торий относится к семейству актиноидов . Однако ввиду специфической конфигурации электронных оболочек торий напоминает по свойствам Ti, Zr, Hf.

Торий способен проявлять степени окисления +4, +3 и +2. Наиболее устойчива +4. Степени окисления +3 и +2 торий проявляет в галогенидах с Вr и I, полученных действием сильных восстановителей в твердой фазе. Ион Th ⁴⁺ отличается сильной склонностью к гидролизу и образованию комплексных соединений .

Торий плохо растворяется в кислотах. Он растворим в концентрированных растворах НСl (6—12М) и HNO ₃ (8—16М) в присутствии ионов фтора. Легко растворяется в царской водке . Не реагирует с едкими щелочами.

При нагреве взаимодействует с водородом, галогенами, серой, азотом, кремнием, алюминием и рядом других элементов. Например, в атмосфере водорода при 400—600 °С образует гидрид ThH ₂ .

Применение

Торий имеет ряд областей применения, в которых подчас играет незаменимую роль. Положение этого металла в Периодической системе элементов и структура ядра предопределили его применение в области мирного использования ядерной энергии.

Торий-232 — чётно-чётный изотоп (чётное число протонов и нейтронов), поэтому не способен делиться тепловыми нейтронами и быть ядерным горючим. Но при захвате теплового нейтрона ²³² Th превращается в ²³³ U по схеме

${\displaystyle {\ce {^{232}Th ->[^1n] ^{233}Th ->[\beta^-] ^{233}Pa ->[\beta^-] ^{233}U}}}$

Уран-233 способен к делению подобно урану-235 и плутонию-239 , что открывает более чем серьёзные перспективы для развития ядерной энергетики ( уран-ториевый топливный цикл , реакторы на быстрых нейтронах , LFTR ). В ядерной энергетике применяются , оксид и фторид тория (в высокотемпературных жидкосолевых реакторах ) совместно с соединениями урана и плутония и вспомогательными добавками.

Так как общие запасы тория в 3—4 раза превышают запасы урана в земной коре, то ядерная энергетика при использовании тория позволит на сотни лет полностью обеспечить энергопотребление человечества.

Кроме ядерной энергетики, торий в виде металла с успехом применяется в металлургии ( легирование магния и др.), придавая сплаву повышенные эксплуатационные характеристики (сопротивление разрыву, жаропрочность). Отчасти торий в виде окиси применяется в производстве высокопрочных композиций как упрочнитель (для авиапромышленности). Оксид тория из-за его наивысшей температуры плавления из всех оксидов (3350 K) и неокисляемости идёт на производство наиболее ответственных конструкций и изделий, работающих в сверхмощных тепловых потоках, и может быть идеальным материалом для облицовки камер сгорания и газодинамических каналов для МГД -электростанций. Тигли, изготовленные из оксида тория, применяются при работах в области температур около 2500—3100 °C. Ранее оксид тория применялся для изготовления калильных сеток в .

Торированные катоды прямого накала применяются в электронных лампах , а оксидно-ториевые — в магнетронах и мощных генераторных лампах . Добавка 0,8—1 % ThO ₂ к вольфраму стабилизирует структуру нитей ламп накаливания. Ксеноновые дуговые лампы почти всегда имеют торированные катод и анод, поэтому незначительно радиоактивны. Оксид тория применяется как элемент сопротивления в высокотемпературных печах. Торий и его соединения широко применяют в составе катализаторов в органическом синтезе.

Оксид тория(IV) в 1930—1940-е годы использовался в медицине в составе рентгеноконтрастного препарата «Торотраст», затем его использование было прекращено из-за значительной канцерогенности . Также оксид тория в середине XX века применялся для изготовления ториевого стекла для линз некоторых оптических приборов и объективов фотоаппаратов ( Canon Lens , Asahi Opt. Co. Japan , Yashica , Ernst Leitz , Olympus , Fuiji Photo Film Co. , Tokyo Kogaku ) ^{[ источник не указан 1563 дня ]} .

Биологическая роль

Торий постоянно присутствует в тканях растений и животных. тория (то есть отношение его концентрации в организме к концентрации в окружающей среде) в морском планктоне — 1250, в донных водорослях — 10, в мягких тканях беспозвоночных — 50—300, рыб — 100. В пресноводных моллюсках его концентрация колеблется от 3⋅10 ⁻⁷ до 1⋅10 ⁻⁵ %, в морских животных от 3⋅10 ⁻⁷ до 3⋅10 ⁻⁶ %. Торий поглощается главным образом печенью и селезёнкой , а также костным мозгом , лимфатическими узлами и надпочечниками ; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека среднесуточное поступление тория с продуктами питания и водой составляет 3 мкг; выводится из организма с мочой и калом (0,1 и 2,9 мкг соответственно). Торий малотоксичен, однако как природный радиоактивный элемент вносит свой вклад в естественный фон облучения организмов.

Примечания

Ссылки

• Торий — статья из Большой советской энциклопедии .