Полоний (original) (raw)

Полоний
← Висмут | Астат →
84 Te↑Po↓Lv Периодическая система элементовПериодическая система элементов84Po
Внешний вид простого вещества
Серебристо-белый мягкий металл
Тонкая плёнка металлического полония на диске из нержавеющей стали
Свойства атома
Название, символ, номер Поло́ний / Polonium (Po), 84
Атомная масса (молярная масса) 208,9824 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p4
Радиус атома 176 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 146 пм
Радиус иона (+6e) 67 пм
Электроотрицательность 2,3 (шкала Полинга)
Электродный потенциал Po ← Po3+ 0,56 ВPo ← Po2+ 0,65 В
Степени окисления −2, +2, +4, +6
Энергия ионизации (первый электрон) 813,1 (8,43) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 9,196[1] г/см³
Температура плавления 527 K (254 °C)[1]
Температура кипения 1235 K (962 °C)][1]
Мол. теплота плавления 10 кДж/моль
Мол. теплота испарения 102,9 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 26,4[2] Дж/(K·моль)
Молярный объём 22,7 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки кубическая
Параметры решётки a = 3,35 Å
Номер CAS 7440-08-6
84 Полоний
4f145d106s26p4

Поло́ний — радиоактивный химический элемент 16-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы VI группы), 6-го периода в периодической системе Д. И. Менделеева, с атомным номером 84, обозначается символом Po (лат. Polonium). Относится к группе халькогенов. При нормальных условиях представляет собой мягкий радиоактивный металл (согласно другим данным — полуметалл) серебристо-белого цвета[2][3], из-за высокой радиоактивности значительно нагревается.

Элемент открыт в 1898 году супругами Пьером Кюри и Марией Склодовской-Кюри в урановой смоляной руде[4]. Об открытии они впервые сообщили 18 июля на заседании Парижской академии наук в докладе под названием «О новом радиоактивном веществе, содержащемся в смоляной обманке»[5]. Элемент был назван в честь родины Марии Склодовской-Кюри — Польши (лат. Polonia)[3][прим. 1].

В 1902 году немецкий учёный Марквальд выделил новый элемент, который он назвал радиотеллуром. Кюри, прочтя заметку об этом открытии, сообщила, что это — элемент полоний, открытый ими четырьмя годами ранее. Марквальд не согласился с такой оценкой, заявив, что полоний и радиотеллур — разные элементы. После ряда экспериментов с элементом супруги Кюри доказали, что полоний и радиотеллур обладают одним и тем же периодом полураспада. Марквальд был вынужден признать свою ошибку[6][7].

Радионуклиды полония входят в состав естественных радиоактивных рядов:

210Po (_Т_1/2 = 138,376 сут), 218Po (_Т_1/2 = 3,10 мин) и 214Po (_Т_1/2 = 1,643⋅10−4 с) — в ряд 238U;

216Po (_Т_1/2 = 0,145 с) и 212Po (_Т_1/2 = 2,99⋅10−7 с) — в ряд Th;

215Po (_Т_1/2 = 1,781⋅10−3 с) и 211Po(_Т_1/2 = 0,516 с) — в ряд 235U.

Поэтому полоний всегда присутствует в урановых и ториевых минералах. Равновесное содержание полония в земной коре — около 2⋅10−14 % по массе[2].

Полоний — мягкий серебристо-белый радиоактивный металл (часто относят к полуметаллам).

Металлический полоний быстро окисляется на воздухе. Известны диоксид полония (РоО2)x и монооксид полония РоО. С галогенами образует тетрагалогениды. При действии кислот переходит в раствор с образованием катионов Ро2+ розового цвета:

Po + 2 HCl ⟶ PoCl 2 + H 2 ↑ {\displaystyle {\ce {Po + 2 HCl -> PoCl2 + H2 ^}}} {\displaystyle {\ce {Po + 2 HCl -> PoCl2 + H2 ^}}} . {\displaystyle .} {\displaystyle .}

При растворении полония в соляной кислоте в присутствии магния образуется полоноводород:

Po + Mg + 2 HCl ⟶ MgCl 2 + H 2 Po , {\displaystyle {\ce {Po + Mg + 2 HCl -> MgCl2 + H2Po,}}} {\displaystyle {\ce {Po + Mg + 2 HCl -> MgCl2 + H2Po,}}}

который при комнатной температуре находится в жидком состоянии (от −36,1 до 35,3 °C), но неустойчив при температурах выше 0 °C, также склонен к радиолизу.

В индикаторных количествах получены кислотный триоксид полония РоО3 и соли полониевой кислоты, не существующей в свободном состоянии — полонаты К2РоО4. Образует галогениды состава PoX2, PoX4 и PoX6. Подобно теллуру полоний способен с рядом металлов образовывать химические соединения — полониды.

Полоний является единственным химическим элементом, который при низкой температуре образует одноатомную простую кубическую кристаллическую решётку[8].

На начало 2006 года известны 33 изотопа полония в диапазоне массовых чисел от 188 до 220. Кроме того, известны 10 метастабильных возбуждённых состояний изотопов полония. Стабильных изотопов не имеет[2]. Наиболее долгоживущие изотопы, 209Po и 208Po имеют периоды полураспада 125 и 2,9 года соответственно. Некоторые изотопы полония, входящие в радиоактивные ряды урана и тория, имеют собственные наименования, которые сейчас в основном рассматриваются как устаревшие:

Изотоп Название Обозначение Радиоактивный ряд
210Po Радий F RaF 238U
211Po Актиний C' AcC' 235U
212Po Торий C' ThC' 232Th
214Po Радий C' RaC' 238U
215Po Актиний A AcA 235U
216Po Торий A ThA 232Th
218Po Радий A RaA 238U

На практике в граммовых количествах нуклид полония 210Ро синтезируют искусственно, облучая металлический 209Bi тепловыми нейтронами в ядерных реакторах. Получившийся 210Bi за счёт β-распада превращается в 210Po. При облучении того же изотопа висмута протонами по реакции

209Bi + p → 209Po + n

образуется самый долгоживущий изотоп полония 209Po.

В реакторах с жидкометаллическим носителем в качестве теплоносителя может применяться эвтектика свинец-висмут. Такой реактор, в частности, был установлен на подводной лодке К-27. В активной зоне реактора висмут может переходить в полоний.

Микроколичества полония извлекают из отходов переработки урановых руд. Выделяют полоний экстракцией, ионным обменом, хроматографией и возгонкой.

Металлический Po получают термическим разложением в вакууме сульфида PoS или диоксида (PoO2)x при 500 °C.

Более 95 % мирового производства полония-210 приходится на Россию[9][_нет в источнике_], однако практически весь он поставляется в США, где используется в основном для производства промышленных и бытовых антистатических ионизаторов воздуха.[_нет в источнике_]

На 2006 год, по утверждению британского учёного и писателя Джона Эмсли, в год производилось около 100 граммов 210Ро.[10]

Стоимость

По данным британских экспертов, микроскопические дозы полония-210 стоят миллионы долларов США[11]. С другой стороны, согласно утверждению радиохимика, д. х. н. Б. Жуйкова, получаемый из висмута полоний-210 очень дёшев[9]. Согласно данным на 2006 год, за производство 9,6 граммов полония-210 заводу «Авангард»[прим. 2] платили порядка 10 миллионов рублей[12], что сопоставимо со стоимостью трития[13]. Однако, американская компания United Nuclear, получающая изотоп из России, на 2006 год продавала образцы по цене 69 USD, утверждая, что для накопления смертельной дозы потребовалось бы более 1 миллиона долларов[14].

Полоний-210 в сплавах с бериллием и бором применяется для изготовления компактных и очень мощных нейтронных источников, практически не создающих γ-излучения (но короткоживущих ввиду малого времени жизни 210Po: _Т_1/2 = 138,376 суток) — альфа-частицы полония-210 рождают нейтроны на ядрах бериллия или бора в (α, n)-реакции. Это герметичные металлические ампулы, в которые заключена покрытая полонием-210 керамическая таблетка из карбида бора или карбида бериллия. Такие нейтронные источники легки и портативны, совершенно безопасны в работе и очень надёжны. Например, советский нейтронный источник ВНИ-2 представляет собой латунную ампулу диаметром 2 и высотой 4 сантиметра, ежесекундно излучающую до 90 миллионов нейтронов[15].

Полоний-210 часто применяется для ионизации газов (в частности, воздуха). В первую очередь ионизация воздуха необходима для борьбы со статическим электричеством (на производстве, при обращении с особо чувствительной аппаратурой)[16]. Например, для прецизионной оптики изготавливаются кисточки удаления пыли. Для окраски автомобилей в гаражах используются пульверизаторы с подачей воздуха, проходящего через антистатический ионизатор с полонием («ионную пушку»)[17]. Другое, уже ушедшее в прошлое применение эффекта ионизации газа — в электродных сплавах автомобильных свечей зажигания для уменьшения напряжения возникновения искры[18].

Важной областью применения полония-210 является его использование в виде сплавов со свинцом, иттрием или самостоятельно для производства мощных и весьма компактных источников тепла для автономных установок, например, космических. Один кубический сантиметр полония-210 выделяет около 1320 Вт тепла. Эта мощность весьма велика, она легко приводит полоний в расплавленное состояние, поэтому его сплавляют, например, со свинцом. Хотя эти сплавы имеют заметно меньшую энергоплотность (150 Вт/см3), тем не менее, они более удобны к применению и безопасны, так как полоний-210 испускает почти исключительно альфа-частицы, а их проникающая способность и длина пробега в плотном веществе минимальны. Например, у советских самоходных аппаратов космической программы «Луноход» для обогрева приборного отсека применялся полониевый обогреватель.

Полоний-210 может послужить в сплаве с лёгким изотопом лития (6Li) веществом, которое способно существенно снизить критическую массу ядерного заряда и послужить своего рода ядерным детонатором[_источник не указан 1515 дней_]. Кроме того, полоний пригоден для создания компактных «грязных бомб» и удобен для скрытной транспортировки, так как практически не испускает гамма-излучения[15]. Изотоп испускает гамма-кванты с энергией 803 кэВ с выходом только 0,001 % на распад[19].

Полоний является стратегическим металлом, должен очень строго учитываться, и его хранение должно быть под контролем государства ввиду угрозы ядерного терроризма.

Полоний-210 обладает особо высокой радиотоксичностью и является канцерогеном, имеет период полураспада 138 дней 9 часов[20][21]. Его удельная активность (166 ТБк/г, тепловыделение 148 Вт/г) настолько велика, что, хотя он излучает только альфа-частицы, брать его руками нельзя, поскольку результатом будет лучевое поражение кожи и, возможно, всего организма: полоний довольно легко проникает внутрь сквозь кожные покровы. Он опасен и на расстоянии, превышающем длину пробега альфа-частиц, так как его соединения саморазогреваются из-за очень сильного удельного тепловыделения и переходят в аэрозольное состояние[_источник не указан 1515 дней_]. ПДК в водоёмах и в воздухе рабочих помещений 11,1⋅10−3 Бк/л и 7,41⋅10−3 Бк/м3[21]. Поэтому работают с полонием-210 только в герметичных боксах. Опасны также и все соединения полония, наиболее токсичным из которых является полоноводород[_источник не указан 1558 дней_].

Положительно заряженные альфа-частицы, излучаемые полонием, не проходят через кожу, однако при попадании полония внутрь организма, — при ингаляции, проникновении через кожные покровы или проглатывании, — альфа-частицы необратимо вызовут опасные радиобиологические эффекты внутри организма человека (в первую очередь они обусловлены радиолизом воды), что может привести к лучевой болезни, мутациям, развитию злокачественных новообразований (среди них — лейкоз), нарушению кроветворения и гибели[22][прим. 3].

По оценке специалистов, летальная доза полония-210 для взрослого человека оценивается в пределах от 0,1—0,3 ГБк (0,6—2 мкг) при попадании изотопа в организм через лёгкие до 1—3 ГБк (6—18 мкг) при попадании в организм через пищеварительный тракт[23].

Более долгоживущие полоний-208 (период полураспада 2,898 года) и полоний-209 (период полураспада 103 года) обладают несколько меньшей радиотоксичностью на единицу массы, обратно пропорционально периоду полураспада. Сведений о радиотоксичности других, короткоживущих изотопов полония мало. В организме человека полоний ведёт себя подобно своим химическим гомологам, селену и теллуру, концентрируется в печени, почках, селезёнке и костном мозге[_источник не указан 1515 дней_]. Период полувыведения из организма − от 30 до 50 дней, выделяется в основном через почки[_источник не указан 1515 дней_]. Были сообщения[_источник не указан 1515 дней_] об успешном использовании 2,3-димеркаптопропанола для выведения полония из организма крыс — 90 % животных, которым внутривенно вводилась смертельная доза полония-210 (9 нг/кг массы тела), выжили, тогда как в контрольной группе все крысы погибли в течение полутора месяцев.

Полоний-210 в небольших количествах находится в природе и накапливается табаком[27][28][29], вследствие чего является одним из заметных факторов, который наносит вред здоровью курильщика. Другие природные изотопы полония распадаются очень быстро, поэтому не успевают накапливаться в табаке[30]. «Производители табака обнаружили этот элемент более 40 лет назад, попытки удалить его были безуспешны», — говорится в статье[29] 2008 года исследователей из американского Стэнфордского университета и клиники Майо в Рочестере[31].

Комментарии

  1. ↑ Во время открытия полония Польши как государства не существовало: страна была поделена между Россией, Австрией и Пруссией.
  2. ↑ Российский завод, расположенный вблизи города Саров, имеющий военный ядерный реактор.
  3. ↑ Отравление полонием трудно обнаружить, поскольку гамма-излучение, определяемое счётчиком Гейгера, отсутствует. Для идентификации полония требуется специальное оборудование и сложные методы (Дело Литвиненко: смертельный след полония Архивная копия от 28 июля 2015 на Wayback Machine // Би-Би-Си, 28 июля 2015).

Сноски

  1. ↑ 1 2 3 Polonium: physical properties (англ.). WebElements. Дата обращения: 28 августа 2013. Архивировано 28 сентября 2013 года.
  2. ↑ 1 2 3 4 Глав. ред.: Н. С. Зефиров. Химическая энциклопедия / Н. С. Зефиров. — Москва: Большая Российская Энциклопедия, 1995. — Т. 4. — С. 53. — 639 с. — (5 томов). — 20 000 экз. — ISBN 5852700924.
  3. ↑ 1 2 Полоний — статья из Большой советской энциклопедии.
  4. ↑ E. Rutherford. Radioactive Substances and Their Radiations. — Лондон: Forgotten Books. — С. 20. — 699 с. — ISBN 1451001983, 9781451001983.
  5. ↑ Манолов К., Тютюнник В. Биография атома. Атом — от Кембриджа до Хиросимы. — Переработанный пер. с болг.. — М.: Мир, 1984. — С. 26. — 246 с.
  6. ↑ "Polonium and Radio-Tellurium". Nature. 73 (549): 549. 1906. Bibcode:1906Natur..73R.549.. doi:10.1038/073549b0.
  7. ↑ Neufeldt, Sieghard. Chronologie Chemie: Entdecker und Entdeckungen. — John Wiley & Sons, 2012. — ISBN 9783527662845.
  8. ↑ Игорь Иванов. Разгадана загадка полония (рус.) 1 (12 июля 2007). — «Вычисления, проведённые чешскими исследователями, дали ответ на вопрос, давно мучивший физиков: почему полоний предпочитает кубическую кристаллическую решетку?» Дата обращения: 4 мая 2010. Архивировано 22 августа 2011 года.
  9. ↑ 1 2 Зачем был нужен полоний? Архивная копия от 11 февраля 2015 на Wayback Machine // Троицкий вариант, 10 февраля 2015.
  10. ↑ Q&A: Polonium-210 Архивная копия от 13 июля 2015 на Wayback Machine // Royal Society of Chemistry, 27 November 2006.
  11. ↑ Дело Литвиненко: Россия причастна «так или иначе» Архивная копия от 2 августа 2015 на Wayback Machine // Би-Би-Си, 31 июля 2015.
  12. ↑ Когда полоний призвали на службу Архивная копия от 27 июня 2015 на Wayback Machine // Российская газета, 31 июля 2015.
  13. ↑ Is fusion power really viable? Архивная копия от 26 сентября 2015 на Wayback Machine // Би-Би-Си, 5 марта 2010.
  14. ↑ Человек, поражённый полонием-210, не может оставлять после себя следы Архивная копия от 28 апреля 2018 на Wayback Machine // РИАНОВОСТИ, 11 декабря 2006.
  15. ↑ 1 2 Красивая версия «самоубийства» Литвиненко вследствие криворукости (неопр.). www.stringer.ru (28 ноября 2006). — «Грязная» бомба версия от «РБК», 28.11.2006. Дата обращения: 2 марта 2012. Архивировано 22 июня 2012 года.
  16. ↑ Защита от статического электричества. Устройства электробезопасности (неопр.). Электроэнергетика. Дата обращения: 9 августа 2013. Архивировано 12 марта 2013 года.
  17. ↑ College breaches radioactive regulations Архивная копия от 26 ноября 2015 на Wayback Machine.
  18. ↑ J. H. Dillon. Polonium Alloy for Spark Plug Electrodes (англ.). Journal of Applied Physics (16 января 1940). Дата обращения: 9 августа 2013. Архивировано из оригинала 13 августа 2013 года.
  19. ↑ Борис Жуйков. Зачем был нужен полоний? (неопр.) Газета «Троицкий вариант — Наука» (10 февраля 2015). Дата обращения: 15 февраля 2015. Архивировано 11 февраля 2015 года.
  20. ↑ Poisonous polonium (неопр.). Дата обращения: 18 февраля 2021. Архивировано 5 марта 2022 года.
  21. ↑ 1 2 В. А. Баженов, Л. А. Булдаков, И. Я. Василенко и др. Вредные химические вещества. Радиоактивные вещества : Справ. изд. / Под. ред. В. А. Филова и др.. — Л. : Химия, 1990. — С. 35, 309-320. — ISBN 5-7245-0216-X.
  22. ↑ Дело Литвиненко: смертельный след полония Архивная копия от 28 июля 2015 на Wayback Machine // Би-Би-Си, 28 июля 2015.
  23. ↑ John Harrison, Rich Leggett, David Lloyd, Alan Phipps, Bobby Scott. Polonium-210 as a poison (англ.). Journal of Radiological Protection (6 марта 2007). Дата обращения: 9 августа 2013. Архивировано 13 августа 2013 года.
  24. ↑ Останки Ясира Арафата извлекли из мавзолея (неопр.). Лента.Ру (27 ноября 2012). Дата обращения: 9 августа 2013. Архивировано 13 августа 2013 года.
  25. ↑ Экспертиза подтвердила, что Арафата отравили полонием (неопр.). РИА Новости (6 ноября 2013). Дата обращения: 8 ноября 2013. Архивировано 7 ноября 2013 года.
  26. ↑ Российские медики: Арафат умер свой смертью (неопр.) (26 декабря 2013). Дата обращения: 28 января 2014. Архивировано 30 декабря 2013 года.
  27. ↑ Tobacco Smoke / EPA Radiation Protection (англ.): «tobacco leaves used in making cigarettes contain radioactive material, particularly lead-210 and polonium-210».
  28. ↑ Tso T. C., Harley N., Alexander L. T. Source of Lead-210 and Polonium-210 in Tobacco (англ.) // Science. — 1966. — Vol. 153, iss. 3738. — P. 880—882. — doi:10.1126/science.153.3738.880. Архивировано 24 сентября 2015 года.
  29. ↑ 1 2 Muggli Monique E., Ebbert Jon O., Robertson Channing, Hurt Richard D. Waking a Sleeping Giant: The Tobacco Industry’s Response to the Polonium-210 Issue (англ.) // American Journal of Public Health. — 2008. — September (vol. 98, no. 9). — P. 1643—1650. — doi:10.2105/AJPH.2007.130963.
  30. ↑ Полоний-210 в табачном дыме (неопр.). Дата обращения: 20 октября 2010. Архивировано из оригинала 8 августа 2010 года.
  31. ↑ Табак содержит радиоактивный полоний-210 (неопр.). РИА Новости (29 августа 2008). Дата обращения: 9 августа 2013. Архивировано 13 августа 2013 года.