Interested Article - Радий

88
Радий
(226)
7s 2

Ра́дий ( химический символ Ra , от лат. Ra dium ) — химический элемент 2-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы второй группы, IIA) седьмого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 88.

Простое вещество радий — это блестящий щелочноземельный металл серебристо-белого цвета, быстро тускнеющий на воздухе. Обладает высокой химической активностью, очень ядовит . Соединения радия намного более токсичны, чем соединения бария , из-за высокой радиоактивности радия.

Среди изотопов наиболее устойчив нуклид 226 Ra ( период полураспада около 1600 лет ).

История

Французские учёные Пьер и Мария Кюри обнаружили, что отходы, остающиеся после выделения урана из урановой руды ( урановая смолка , добывавшаяся в городе Иоахимсталь , Чехия ), более радиоактивны, чем чистый уран. Из этих отходов супруги Кюри после нескольких лет интенсивной работы выделили два сильно радиоактивных элемента: полоний и радий. Первое сообщение об открытии радия (в виде смеси с барием ) Кюри сделали 26 декабря 1898 года во Французской академии наук . В 1910 году Мария Кюри и Андре Дебьерн выделили чистый радий путём электролиза хлорида радия на ртутном катоде и последующей дистилляции в водороде . Выделенный элемент представлял собой, как сейчас известно, изотоп радий-226, продукт распада урана-238 . За открытие радия и полония супруги Кюри получили Нобелевскую премию. Радий образуется через многие промежуточные стадии при радиоактивном распаде изотопа урана-238 и поэтому находится в небольших количествах в урановой руде.

В России радий впервые был получен в экспериментах известного советского радиохимика В. Г. Хлопина . В 1918 году на базе Государственного рентгеновского института было организовано Радиевое отделение, которое в 1922 году получило статус отдельного научного института. Одной из задач Радиевого института были исследования радиоактивных элементов , в первую очередь — радия. Директором нового института стал В. И. Вернадский , его заместителем — В. Г. Хлопин , физический отдел института возглавил Л. В. Мысовский .

В Великобритании в 1909 году был открыт Лондонский радиевый институт , который занимался прикладными исследованиями радия в медицине .

Многие радионуклиды , возникающие при радиоактивном распаде радия, до того, как была выполнена их химическая идентификация, получили наименования вида радий А, радий B, радий C и т. д. Хотя сейчас известно, что они представляют собой изотопы других химических элементов, их исторически сложившиеся названия по традиции иногда используются:

Изотоп
Эманация радия 222 Rn
218 Po
Радий B 214 Pb
214 Bi
Радий C 1 214 Po
Радий C 2 210 Tl
Радий D 210 Pb
210 Bi
210 Po

Названная в честь супругов Кюри внесистемная единица активности радиоактивного источника « кюри » (Ки), равная 3,7⋅10 10 распадов в секунду, или 37 ГБк , ранее была основана на активности 1 грамма радия-226. Но так как в результате уточнённых измерений было установлено, что активность 1 г радия-226 примерно на 1,3 % меньше, чем 1 Ки , в настоящее время эта единица определяется как 37 миллиардов распадов в секунду (точно).

Происхождение названия

Название «радий» связано с излучением ядер атомов Ra ( лат. radius — луч).

Физические и химические свойства

Полная электронная конфигурация атома радия: 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 7s 2

Радий при нормальных условиях представляет собой блестящий белый металл, на воздухе темнеет (вероятно, вследствие образования Ra 3 N 2 или его смеси с RaO ). Реагирует с водой. Ведёт себя подобно барию и стронцию , но более химически активен. Обычная степень окисления — +2. Гидроксид радия Ra(OH) 2 — сильное, коррозионное основание.

Металлический радий имеет решётку кубической сингонии (объёмно-центрированная решётка), пространственная группа Im 3 m , параметры ячейки a = 0,5148 нм . Плотность составляет 5,5 г/см 3 . Температура плавления 969 °C (при давлении 0,65 миллибар ) , температура кипения 1507 °C . Теплота плавления 8 кДж/моль . Теплота испарения 149,6 кДж/моль . Теплота сублимации 157,9 кДж/моль . Теплоёмкость C 0
p
29,3 Дж/(моль·К) . Энтропия S 0
298
69,1 Дж/(моль·К) .

Ввиду сильной радиоактивности все соединения радия светятся голубоватым светом ( ), что хорошо заметно в темноте , а в водных растворах его солей происходит радиолиз . Металлический радий-226 выделяет 0,55 кДж тепла в час на 1 грамм вследствие радиоактивного распада . Кроме энергии, при распаде радия возникает также радон (около 1 мм 3 радона-222 из 1 г радия-226 за сутки ) и гелий .

В водном растворе радий переходит в катион Ra 2+ , который не имеет цвета, поэтому все соединения радия имеют белый цвет, но они со временем становятся жёлтыми, а затем приобретают ещё более тёмные цвета из-за альфа-излучения радия. Хлорид радия менее растворим в воде, чем хлорид бария . Бромид радия растворяется лучше хлорида. Растворимость падает с увеличением концентрации азотной кислоты. Нерастворимыми солями радия являются сульфат , хромат, карбонат, иодат , тетрафторобериллат и нитрат. Все они, за исключением карбоната, менее растворимы, чем соответствующие соли бария. Сульфат радия является самым малорастворимым из известных сульфатов .

Получение

Получить чистый радий в начале XX века стоило огромного труда. Мария Кюри трудилась 12 лет, чтобы получить крупинку чистого радия. Чтобы получить всего 1 г чистого радия, нужно было несколько вагонов урановой руды, 100 вагонов угля, 100 цистерн воды и 5 вагонов разных химических веществ. Поэтому на начало XX века в мире не было более дорогого металла. За 1 г радия нужно было заплатить больше 200 кг золота.

Обычно радий добывается из урановых руд. В рудах, достаточно старых для установления векового радиоактивного равновесия в ряду урана-238, на тонну урана приходится 333 миллиграмма радия-226.

Существует также способ добычи радия из радиоактивных природных вод, выщелачивающих радий из урансодержащих минералов. Содержание радия в них может доходить до 7,5×10 −9 г/г . Так, на месте нынешнего поселка Водный Ухтинского района Республики Коми с 1931 по 1956 год действовало единственное в мире предприятие, где радий выделяли из подземных минерализованных вод Ухтинского месторождения, так называемый «Водный промысел» .

Из анализа документов, сохранившихся в архиве правопреемника этого завода (ОАО Ухтинский электрокерамический завод «Прогресс»), было подсчитано, что до закрытия на «Водном промысле» было выпущено примерно 271 г радия. В 1954 году мировой запас добытого радия оценивался в 2,5 кг . Таким образом, к началу 1950-х годов примерно каждый десятый грамм радия был получен на «Водном промысле» .

Нахождение в природе

Радий довольно редок. За прошедшее с момента его открытия время — более столетия — во всём мире удалось добыть всего только 1,5 кг чистого радия. Одна тонна урановой смолки , из которой супруги Кюри получили радий, содержит лишь около 0,1 г радия-226 . Весь природный радий является радиогенным — возникает при распаде урана-238 , урана-235 или тория-232 ; из четырёх найденных в природе наиболее распространённым и долгоживущим изотопом (период полураспада 1602 года) является радий-226, входящий в радиоактивный ряд урана-238. В равновесии отношение содержания урана-238 и радия-226 в руде равно отношению их периодов полураспада: (4,468⋅10 9 лет)/(1602 года)=2,789⋅10 6 . Таким образом, на каждые три миллиона атомов урана в природе приходится лишь один атом радия; кларковое число радия (содержание в земной коре) составляет ~1 мкг/т .

Все природные изотопы радия сведены в таблицу:

Изотоп Историческое название Семейство Период полураспада Тип распада Дочерний изотоп (историческое название)
Радий-223 актиний Х (AcX) ряд урана-235 11,435 дня α радон-219 ( актинон , An)
Радий-224 торий Х (ThX) ряд тория-232 3,66 дня α радон-220 ( торон , Tn)
Радий-226 радий (Ra) ряд урана-238 1602 года α радон-222 ( радон , Rn)
Радий-228 мезоторий I (MsTh 1 ) ряд тория-232 5,75 года β актиний-228 ( мезоторий II, MsTh 2 )

Геохимия радия во многом определяется особенностями миграции и концентрации урана, а также химическими свойствами самого радия — активного щёлочноземельного металла. Среди процессов, способствующих концентрированию радия, следует указать в первую очередь на формирование на небольших глубинах геохимических барьеров, в которых концентрируется радий. Такими барьерами могут быть, например, сульфатные барьеры в зоне окисления. Поднимающиеся снизу хлоридные сероводородные радийсодержащие воды в зоне окисления становятся сульфатными, сульфат радия с BaSO 4 и CaSО 4 , где он становится практически нерастворимым постоянным источником радона. Из-за высокой миграционной способности урана и способности его к концентрированию формируются многие типы урановых рудообразований в гидротермах, углях, битумах, углистых сланцах, песчаниках, торфяниках, фосфоритах, бурых железняках, глинах с костными остатками рыб (литофациями). При сжигании углей зола и шлаки обогащаются 226 Ra. Также содержание радия повышено в фосфатных породах.

В результате распада урана и тория и выщелачивания из вмещающих пород в нефти постоянно образуются радионуклиды радия. В статическом состоянии нефть находится в природных ловушках, обмена радием между нефтью и подпирающими её водами нет (кроме зоны контакта вода—нефть) и в результате имеется избыток радия в нефти. При разработке месторождения пластовые и закачиваемые воды интенсивно поступают в нефтяные пласты, поверхность раздела вода—нефть резко увеличивается, и в результате радий уходит в поток фильтрующихся вод. При повышенном содержании сульфат-ионов растворённые в воде радий и барий осаждаются в виде радиобарита Ва(Ra)SО 4 , который выпадает на поверхности труб, арматуры, резервуаров. Типичная объёмная активность поступающей на поверхность водонефтяной смеси по 226 Rа и 228 Rа может быть порядка 10 Бк/л (соответствует жидким радиоактивным отходам).

Основная масса радия находится в рассеянном состоянии в горных породах. Радий — химический аналог щелочных и щёлочноземельных породообразующих элементов, из которых состоят полевые шпаты , составляющие половину массы земной коры. Калиевые полевые шпаты — главные породообразующие минералы кислых магматических пород — гранитов , сиенитов , гранодиоритов и др. Известно, что граниты обладают природной радиоактивностью несколько выше фоновой из-за содержащегося в них урана. Хотя кларк урана не превышает 3 г/т , но в гранитах его содержание составляет уже 25 г/т . Но если гораздо более распространённый химический аналог радия барий входит в состав довольно редких калий-бариевых полевых шпатов ( гиалофанов ), а «чистый» бариевый полевой шпат, минерал BaAl 2 Si 2 O 8 очень редок, то накопления радия с образованием радиевых полевых шпатов и минералов вообще не происходит из-за короткого периода полураспада радия. Радий распадается на радон, уносящийся по порам и микротрещинкам и вымывающийся с грунтовыми водами. В природе иногда встречаются молодые радиевые минералы, не содержащие уран, например, и , при кристаллизации которых из растворов, обогащённых радием (в непосредственной близости от легкорастворимых вторичных урановых минералов), радий сокристаллизуется с барием и кальцием благодаря изоморфизму .

Действие на организм

Радий, в зависимости от изотопного состава, обладает высокой и особо высокой радиотоксичностью . В организме человека он ведёт себя подобно кальцию — около 80 % поступившего в организм радия накапливается в костной ткани. Большие концентрации радия вызывают остеопороз , самопроизвольные переломы костей и злокачественные опухоли костей и кроветворной ткани. Опасность представляет также радон — газообразный радиоактивный продукт распада радия.

Преждевременная смерть Марии Склодовской-Кюри произошла вследствие хронического отравления радием, так как в то время опасность облучения ещё не была осознана.

Изотопы

Известны 35 изотопов радия в диапазоне массовых чисел от 201 до 235 . Изотопы 223 Ra , 224 Ra , 226 Ra , 228 Ra встречаются в природе, являясь членами радиоактивных рядов урана-238, урана-235 и тория-232. Остальные изотопы могут быть получены искусственным путём. Большинство известных изотопов радия претерпевают альфа-распад в изотопы радона с массовым числом, на 4 меньшим, чем у материнского ядра. Нейтронодефицитные изотопы радия имеют также дополнительный канал бета-распада с эмиссией позитрона или захватом орбитального электрона ; при этом образуется изотоп франция с тем же массовым числом, что и у материнского ядра. У нейтронно-избыточных изотопов радия (диапазон массовых чисел от 227 до 235) обнаружен только бета-минус-распад ; он происходит с образованием ядер актиния с тем же массовым числом, что и у материнского ядра. Некоторые изотопы радия ( 221 Ra, 222 Ra, 223 Ra, 224 Ra, 226 Ra) вблизи линии бета-стабильности обнаруживают, помимо альфа-распада, кластерную активность с испусканием ядра углерода-14 и образованием ядра свинца с массовым числом, на 14 меньшим, чем у материнского ядра (например, 222 Ra → 208 Pb+ 14 C), хотя вероятность этого процесса составляет лишь 10 −8 …10 −10 % относительно альфа-распада. Радиоактивные свойства некоторых изотопов радия :

Массовое число Период полураспада Тип распада
213 2,73(5) мин. α (80±3%)
219 10(3) мс α
220 17,9(14) мс α
221 28(2) с α
222 33,6(4) с α
223 (AcX) 11,4377(22) суток α
224 (ThX) 3,6319(23) суток α
225 14,9(2) суток β
226 1600(7) лет α
227 42,2(5) мин. β
228 (MsTh 1 ) 5,75(3) года β
230 93(2) мин. β


Применение

Реплики продуктов начала XX века, содержащих радий, на витрине в Музее Марии Кюри , Париж
Отопление радием: камин XXI века . Французская карточка 1910 года

В начале XX века радий считали полезным и включали в состав многих продуктов и бытовых предметов: хлеб, шоколад, питьевая вода, зубная паста, пудры и кремы для лица, средства для повышения тонуса и потенции .

В настоящее время радий иногда используют в компактных источниках нейтронов, для этого небольшие его количества сплавляются с бериллием . Под действием альфа-излучения (ядер гелия-4 ) из бериллия выбиваются нейтроны:

В медицине радий используют как источник радона для приготовления радоновых ванн [ источник не указан 1074 дня ] (однако в настоящее время их полезность оспаривается [ источник не указан 1074 дня ] ). Кроме того, радий применяют для кратковременного облучения при лечении злокачественных заболеваний кожи, слизистой оболочки носа, мочеполового тракта [ источник не указан 1074 дня ] .

Однако в настоящее время существует множество более подходящих для медицинских целей радионуклидов с нужными свойствами, которые получают на ускорителях или в ядерных реакторах, например, 60 Co ( T 1/2 = 5,3 года ), 137 Cs ( T 1/2 = 30,2 года ), ( T 1/2 = 115 сут ), 192 Ir ( T 1/2 = 74 сут ), ( T 1/2 = 2,7 сут ) и т. д., а также в генераторах изотопов (получение короткоживущих изотопов).

До 1970-х годов радий часто использовался для изготовления светящихся красок постоянного свечения (для разметки циферблатов авиационных и морских приборов, специальных часов и других приборов), однако сейчас его обычно заменяют менее опасными изотопами: тритием ( T 1/2 = 12,3 года ) или ( T 1/2 = 2,6 года ). Иногда часы с радиевым светосоставом выпускались и в гражданском исполнении, в том числе наручные. Также радиевую светомассу в быту можно встретить в некоторых старых ёлочных игрушках [ источник не указан 1074 дня ] , тумблерах с подсветкой кончика рычажка, на шкалах некоторых старых радиоприёмников и прочее. Характерный признак светосостава постоянного действия советского производства — краска горчично-жёлтого цвета, хотя иногда цвет бывает и другим (белым, зеленоватым, тёмно-оранжевым и прочее). Опасность таких приборов состоит в том, что они не содержали предупреждающей маркировки, выявить их можно только дозиметрами. Люминофор под действие альфа-излучения деградирует, и краска зачастую перестаёт светиться, что, разумеется, не делает её менее опасной, так как радий никуда не исчезает. Деградировавшая краска также может осыпаться, и её частица, попавшая внутрь организма с едой или при вдохе, способна причинить большой вред за счёт альфа-излучения.

Отличие радиолюминесцентного состава от начавших применяться позднее фосфоресцентных составов — не угасающее по времени постоянное свечение в темноте.

Примечания

  1. Бердоносов С. С. Радий // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. Н. С. Зефиров . — М. : Большая Российская энциклопедия , 1995. — Т. 4: Полимерные — Трипсин. — С. 153—154. — 639 с. — 40 000 экз. ISBN 5-85270-039-8 .
  2. . Дата обращения: 10 августа 2010. 25 июля 2010 года.
  3. Мещеряков М. Г. , Перфилов Н. А. // Успехи физических наук. — 1963. — Т. 81 . — С. 575—577 . — doi : . 10 августа 2017 года.
  4. Claudia Clark. // Humboldt Journal of Social Relations. — 1991. — Т. 16 , вып. 2 . — С. 111–143 . — ISSN . 10 октября 2023 года.
  5. Weigel F., Trinkl A. Zur Kristallchemie des Radiums (нем.) // Radiochim. Acta. — 1968. — Bd. 10 , H. 1–2 . — S. 78 . — doi : .
  6. 26 августа 2014 года. . uni-bielefeld.de.
  7. Радий // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров . — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  8. Kirby et al., pp. 4—9
  9. Кичигин А. И. , Таскаев А. И. // Вопросы истории естествознания и техники. — 2004. — № 4 . — С. 3—30 . 5 марта 2016 года.
  10. Иевлев А. А. Водный промысел в Коми АССР — предтеча атомной промышленности Советского Союза. // Военно-исторический журнал . — 2011. — № 2. — С.45—47.
  11. Баженов В. А., Булдаков Л. А., Василенко И. Я. и др. Вредные химические вещества. Радиоактивные вещества : Справ. изд. / Под. ред. В. А. Филова и др.. — Л. : Химия, 1990. — С. 35, 106. — ISBN 5-7245-0216-X .
  12. Audi G. , Kondev F. G. , Wang M. , Huang W. J. , Naimi S. (англ.) // . — 2017. — Vol. 41 , iss. 3 . — P. 030001-1—030001-138 . — doi : . — Bibcode : . Открытый доступ
  13. Обнаружен также очень редкий кластерный распад радия-221 с вылетом ядра углерода-14 ( коэффициент ветвления (1,2 ± 0,9)·10 −10 %).
  14. Обнаружен также очень редкий кластерный распад радия-222 с вылетом ядра углерода-14 ( коэффициент ветвления (3,0 ± 1,0)·10 −8 %).
  15. Обнаружен также очень редкий кластерный распад радия-223 с вылетом ядра углерода-14 ( коэффициент ветвления (8,9 ± 0,4)·10 −8 %).
  16. Обнаружен также очень редкий кластерный распад радия-224 с вылетом ядра углерода-14 ( коэффициент ветвления (4,0 ± 1,2)·10 −9 %).
  17. Обнаружен также очень редкий кластерный распад радия-226 с вылетом ядра углерода-14 ( коэффициент ветвления (2,6 ± 0,6)·10 −9 %).
  18. // New York Tribune. — 1918. — 1 ноября. — С. 12 . 4 апреля 2014 года.
  19. Thomas Davie. . Environmental Graffiti . Дата обращения: 17 апреля 2011. Архивировано из 4 апреля 2011 года.

Литература

  • Погодин С. А. , / Под ред. чл.-корр. АН СССР В. М. Вдовенко . — М. : Атомиздат, 1971. — 232 с. — (Научно-популярная библиотека Атомиздата). — 25 000 экз. (обл.)
  • Погодин С. А. , Как добыли советский радий / Под ред. чл.-корр. АН СССР В. М. Вдовенко . — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Атомиздат, 1977. — 248 с.

Ссылки

Источник —

Same as Радий