Thorium (revised)
Hinweis: Dieser Artikel, der ursprünglich 1998 veröffentlicht wurde, wurde 2006 für die eBook-Ausgabe aktualisiert.
Übersicht
Thorium ist ein Mitglied der Actinid-Familie. Die actinide elements befinden sich in Zeile 7 des Periodensystems. Sie haben Ordnungszahlen zwischen 90 und 103. Das Periodensystem ist ein Diagramm, das zeigt, wie chemische Elemente miteinander verwandt sind. Die Actinid-Serie ist nach Element 89, Actinium, benannt, das manchmal in der Actinid-Familie enthalten ist.,
Thorium wurde 1828 vom schwedischen Chemiker Jons Jakob Berzelius (1779-1848) entdeckt. Zu dieser Zeit wusste Berzelius nicht, dass Thorium radioaktiv war. Das wurde 70 Jahre später, 1898, von der polnisch-französischen Physikerin Marie Curie (1867-1934) und dem englischen Chemiker Gerhard C. Schmidt (1864-1949) entdeckt.
Thorium ist ein relativ häufiges Element mit wenigen kommerziellen Anwendungen. Es besteht die Hoffnung, dass es eines Tages in Kernkraftwerken eingesetzt werden kann, in denen Kernreaktionen zur Stromerzeugung genutzt werden.
SYMBOL
Th
ORDNUNGSZAHL
90
ATOMMASSE
232.,0381
FAMILIE
Actinide
AUSSPRACHE
THOR-ee-um
Entdeckung und Benennung
1815 untersuchte Berzelius ein neues Mineral im schwedischen Falun. Aus seiner Analyse schloss er, dass er ein neues Element gefunden hatte. Er nannte das Element Thorium zu Ehren des skandinavischen Gottes Thor.
Zehn Jahre später gab Berzelius bekannt, dass er einen Fehler gemacht hatte. Die Substanz, die er gefunden hatte, war kein neues Element, sondern die Verbindung Yttriumphosphat (YPO4).
Kurz darauf berichtete Berzelius erneut, dass er ein neues Element gefunden habe. Diesmal hatte er Recht., Er entschied sich, Thorium als Namen für dieses Element beizubehalten.
Zu der Zeit, als Berzelius seine Entdeckung machte, war das Konzept der Radioaktivität unbekannt. Radioaktivität bezieht sich auf den Prozess, durch den ein Element spontan zusammenbricht und Strahlung abgibt. In diesem Prozess ändert sich das Element oft in ein neues Element. Einer der ersten Wissenschaftler, der Radioaktivität untersuchte, war Curie. Sie und Schmidt gaben 1898 fast zeitgleich bekannt, dass Berzelius “ Thorium radioaktiv sei.
Physikalische Eigenschaften
Thorium ist ein silbrig weißes, weiches Metall, das Blei ähnelt ., Es kann ziemlich leicht gehämmert, gerollt, gebogen, geschnitten, geformt und geschweißt werden. Seine allgemeinen physikalischen Eigenschaften sind denen von Blei etwas ähnlich. Es hat einen Schmelzpunkt von etwa 1800°C (3,300°F) und einen Siedepunkt von etwa 4500°C (8,100°F). Die Dichte von Thorium beträgt etwa 11,7 Gramm pro Kubikzentimeter.
Chemische Eigenschaften
Thorium ist in Säuren löslich und reagiert bei Raumtemperatur langsam mit Sauerstoff. Bei höheren Temperaturen reagiert es schneller mit Sauerstoff und bildet Thoriumdioxid (ThO2).,
Vorkommen in der Natur
Thorium ist ein relativ häufiges Element in der Erdkruste. Wissenschaftler schätzen, dass die Kruste etwa 15 Teile pro Million des Elements enthält. Diese Tatsache ist aus kommerzieller Sicht wichtig. Es bedeutet, dass Thorium viel häufiger vorkommt als ein anderes wichtiges radioaktives Element, Uran . Uran wird in Kernreaktoren zur Stromerzeugung und zur Herstellung von Atomwaffen (Atombomben) verwendet. Wissenschaftler glauben, dass Thorium Uran für diese Zwecke ersetzen kann., Mit mehr Thorium als Uran verfügbar, wäre es billiger, Strom mit Thorium als Uran zu machen.
Die häufigsten Erze von Thorium sind Thorit und Monazit. Monazit ist eine relativ häufige form von Sandstrand. Es kann unter anderem an den Stränden von Florida gefunden werden. Dieser Sand kann bis zu 10 Prozent Thorium enthalten.
Thorium anstelle von Uran?
U Ranium ist heute eines der wichtigsten Elemente der Welt. Warum? Eines seiner Isotope unterliegt einer Kernspaltung. Kernspaltung tritt auf, wenn Neutronen mit dem Kern eines Uranatoms kollidieren., Wenn das passiert, spaltet sich der Urankern auseinander. Enorme Energiemengen werden freigesetzt. Diese Energie kann zur Massenvernichtung in Form von Atombomben oder zur friedlichen Energieerzeugung in Kernkraftwerken verwendet werden.
Es gibt jedoch zwei Probleme bei der Verwendung von Uran für die Kernspaltung. Erstens, von Urans drei Isotope (Uran-234, Uran-235 und Uran-238), nur ein—Uran-235—erfährt Spaltung. Das zweite Problem ist, dass dieses Isotop von Uran ziemlich selten ist. Von 1.000 Atomen Uran sind nur sieben Uran-235., Tonnen Uranerz müssen verarbeitet und angereichert werden, um winzige Mengen dieses kritischen Isotops herzustellen. Es ist schwierig und extrem teuer.
Wissenschaftler wissen, dass ein anderes Isotop von Uran, Uran-233, ebenfalls gespalten wird. Das Problem ist, dass Uran-233 in der Natur nicht vorkommt. Wie kann es also verwendet werden, um Atomwaffen oder Atomkraft herzustellen?
Der Trick besteht darin, mit einem Isotop von Thorium, Thorium-232, zu beginnen. Thorium-232 hat eine sehr lange Halbwertszeit von 14 Milliarden Jahren., Wenn Thorium-232 mit Neutronen bombardiert wird, durchläuft es eine Reihe von nuklearen Veränderungen, zuerst zu Thorium-233, dann zu Protactinium-233 und schließlich zu Uran-233. Der gesamte Prozess dauert nur etwa einen Monat. Am Ende des Monats wurde eine Lieferung von Uran-233 produziert. Dieses Isotop von Uran hat eine ziemlich lange Halbwertszeit von etwa 163.000 Jahren. Also, sobald es gemacht wurde, bleibt es für eine lange Zeit. Es kann dann für die Kernspaltung verwendet werden.
Wissenschaftler möchten einen Weg finden, dieses Verfahren zu nutzen, um Uran-233 wirtschaftlich zu machen. Thorium ist viel häufiger als Uran., Es wäre viel billiger, Atombomben und Kernkraftwerke mit Thorium herzustellen als mit Uran.
Leider hat niemand herausgefunden, wie der Prozess in großem Maßstab funktioniert. Ein Kernreaktor mit Thorium wurde 1979 in der Nähe von Platteville, Colorado, gebaut. Es entwickelten sich jedoch eine Reihe wirtschaftlicher und technischer Probleme. Nach nur zehn Jahren Betrieb wurde die Anlage stillgelegt. Das Versprechen von Thoriumspaltanlagen ist noch nicht Wirklichkeit geworden.,
Es besteht die Hoffnung, dass Thorium eines Tages in Kernkraftwerken eingesetzt werden kann, in denen Kernreaktionen zur Stromerzeugung genutzt werden.
Isotope
Mehr als zwei Dutzend Isotope von thorium sind bekannt. Alle sind radioaktiv. Das Isotop mit der längsten Halbwertszeit ist thorium-232. Seine Halbwertszeit beträgt etwa 14 Milliarden Jahre. Isotope sind zwei oder mehr Formen eines Elements. Isotope unterscheiden sich nach ihrer Massenzahl voneinander. Die auf den Namen des Elements geschriebene Zahl ist die Massennummer., Die Massenzahl stellt die Anzahl der Protonen plus Neutronen im Kern eines Atoms des Elements dar. Die Anzahl der Protonen bestimmt das Element, aber die Anzahl der Neutronen im Atom eines Elements kann variieren. Jede variation ist ein Isotop.
Die Halbwertszeit eines radioaktiven Elements ist die Zeit, die für den Abbau der Hälfte einer Probe des Elements benötigt wird. Nach einer Halbwertszeit (14 Milliarden Jahre) wären nur noch 5 Gramm einer Zehn-Gramm-Probe von Thorium-232 übrig. Die restlichen 5 Gramm wären zu einem neuen Isotop zerlegt worden.,
Extraktion
Das Thorium in Monazit, Thorit oder anderen Mineralien wird zuerst in Thoriumdioxid (ThO2) umgewandelt. Dieses Thoriumdioxid wird dann mit Calcium erhitzt, um das freie Element zu erhalten:
Verwendungen und Verbindungen
Thorium und seine Verbindungen haben relativ wenige Verwendungen. Die kommerziell wichtigste Thoriumverbindung ist Thoriumdioxid. Diese Verbindung hat den höchsten Schmelzpunkt eines Oxids, etwa 3.300°C (6.000°F). Es wird in Hochtemperaturkeramik verwendet. Eine Keramik ist ein material aus erdigen Materialien wie sand oder Ton., Ziegel, Fliesen, Zement und Porzellan sind Beispiele für Keramik. Thoriumdioxid wird auch bei der Herstellung von Spezialglas und als Katalysator verwendet. Ein Katalysator ist eine Substanz, die verwendet wird, um eine chemische Reaktion zu beschleunigen oder zu verlangsamen, ohne sich selbst zu verändern.
Das einzige Gerät, in dem die meisten Menschen wahrscheinlich Thoriumdioxid gesehen haben, befindet sich in tragbaren Gaslaternen. Diese Laternen enthalten ein knalliges Material, das Mantel genannt wird. Das durch den Mantel strömende Gas wird gezündet, um eine sehr heiße, helle weiße Flamme zu erzeugen. Diese Flamme liefert das Licht in der Laterne., Der Mantel in den meisten Laternen bestand einst aus Thoriumdioxid, da er sehr heiß werden kann, ohne zu schmelzen.
Das Thoriumdioxid in einem Gasmantel ist radioaktiv. Aber es ist keine Gefahr für die Menschen, weil die verwendete Menge so klein ist. Dennoch werden Gasmäntel in den Vereinigten Staaten nicht mehr mit Thorium hergestellt. Sicherere Ersatzstoffe wurden gefunden.
Eine weitere Thoriumverbindung, Thoriumfluorid (ThF4), wird in Kohlenstoffbogenlampen für Filmprojektoren und Suchscheinwerfer verwendet. Eine Kohlenstoffbogenlampe enthält ein Stück Kohlenstoff (Kohle), dem andere Substanzen (wie ThF4) zugesetzt wurden., Wenn ein elektrischer Strom durch den Kohlenstoff geleitet wird, gibt er ein helles weißes Licht ab. Das Vorhandensein von Thoriumfluorid macht dieses Licht noch heller.
Gesundheitliche Auswirkungen
Wie bei allen radioaktiven Stoffen ist Thorium gesundheitsschädlich für Mensch und Tier. Es muss mit großer Vorsicht gehandhabt werden. Lebende Zellen, die Strahlung absorbieren, werden beschädigt oder getötet. Das Einatmen eines radioaktiven Elements ist besonders gefährlich, da es zerbrechliches inneres Gewebe freilegt.