Deskripsi plutonium

Plutonium(Plutonium) adalah unsur kimia berat berwarna keperakan, logam radioaktif dengan nomor atom 94, yang dalam tabel periodik dilambangkan dengan simbol Pu.

Unsur kimia aktif elektronegatif ini termasuk dalam kelompok aktinida dengan massa atom 244,0642, dan, seperti neptunium, yang mendapatkan namanya untuk menghormati planet dengan nama yang sama, bahan kimia ini mendapatkan namanya dari planet Pluto, sejak pendahulunya. Salah satu unsur radioaktif dalam tabel periodik unsur kimia Mendeleev adalah dan neptunium, yang juga dinamai berdasarkan planet kosmik jauh di Galaksi kita.

Asal usul plutonium

Elemen plutonium pertama kali ditemukan pada tahun 1940 di Universitas California oleh sekelompok ahli radiologi dan peneliti ilmiah G. Seaborg, E. McMillan, Kennedy, A. Walch ketika membombardir target uranium dari siklotron dengan deuteron - inti hidrogen berat.

Pada bulan Desember tahun yang sama, para ilmuwan menemukan isotop plutonium– Pu-238, yang waktu paruhnya lebih dari 90 tahun, dan ditemukan bahwa di bawah pengaruh reaksi kimia nuklir yang kompleks, isotop neptunium-238 awalnya diproduksi, setelah itu isotop tersebut sudah terbentuk plutonium-238.

Pada awal tahun 1941, para ilmuwan menemukan plutonium 239 dengan masa peluruhan 25.000 tahun. Isotop plutonium dapat memiliki kandungan neutron yang berbeda di dalam intinya.

Senyawa murni unsur tersebut baru diperoleh pada akhir tahun 1942. Setiap kali ilmuwan radiologi menemukan isotop baru, mereka selalu mengukur waktu paruh isotop tersebut.

Saat ini, isotop plutonium yang totalnya ada 15, berbeda durasi waktunya setengah hidup. Dengan elemen inilah harapan dan prospek besar dikaitkan, tetapi pada saat yang sama, ketakutan yang serius terhadap umat manusia.

Plutonium memiliki aktivitas yang jauh lebih besar daripada, misalnya, uranium dan merupakan salah satu zat kimia yang penting secara teknis dan signifikan yang paling mahal.

Misalnya, harga satu gram plutonium beberapa kali lebih mahal daripada satu gram, , atau logam lain yang sama berharganya.

Produksi dan ekstraksi plutonium dianggap mahal, dan harga satu gram logam di zaman kita tetap berada di kisaran 4.000 dolar AS.

Bagaimana plutonium diperoleh? Produksi plutonium

Produksi unsur kimia terjadi di reaktor nuklir, di dalamnya uranium dipecah di bawah pengaruh proses kimia dan teknologi kompleks yang saling terkait.

Uranium dan plutonium merupakan komponen utama dan utama dalam produksi bahan bakar atom (nuklir).

Jika perlu untuk memperoleh unsur radioaktif dalam jumlah besar, digunakan metode iradiasi unsur transuranik, yang dapat diperoleh dari bahan bakar nuklir bekas dan iradiasi uranium. Reaksi kimia yang kompleks memungkinkan logam dipisahkan dari uranium.

Untuk memperoleh isotop yaitu plutonium-238 dan plutonium-239 tingkat senjata yang merupakan produk peluruhan antara, digunakan iradiasi neptunium-237 dengan neutron.

Sebagian kecil plutonium-244, yang merupakan isotop dengan umur terpanjang karena waktu paruhnya yang panjang, ditemukan dalam bijih serium, yang kemungkinan besar terawetkan dari pembentukan planet Bumi kita. Unsur radioaktif ini tidak terdapat secara alami di alam.

Sifat fisik dasar dan karakteristik plutonium

Plutonium merupakan unsur kimia radioaktif yang cukup berat dengan warna keperakan yang hanya bersinar jika dimurnikan. Nuklir massa logam plutonium sama dengan 244 a. makan.

Karena radioaktivitasnya yang tinggi, unsur ini terasa hangat saat disentuh dan dapat memanas hingga suhu yang melebihi titik didih air.

Plutonium, di bawah pengaruh atom oksigen, dengan cepat menjadi gelap dan ditutupi dengan lapisan tipis warna-warni yang awalnya berwarna kuning muda, dan kemudian menjadi kaya atau coklat.

Dengan oksidasi kuat, bubuk PuO2 terbentuk pada permukaan elemen. Jenis logam kimia ini mengalami proses oksidasi dan korosi yang kuat bahkan pada tingkat kelembapan yang rendah.

Untuk mencegah korosi dan oksidasi pada permukaan logam, diperlukan fasilitas pengeringan. Foto plutonium dapat dilihat dibawah ini.

Plutonium adalah logam kimia tetravalen, larut dengan baik dan cepat dalam zat hidroiodik dan lingkungan asam, misalnya dalam asam klorat.

Garam logam dengan cepat dinetralkan dalam media dengan reaksi netral, larutan basa, sehingga membentuk plutonium hidroksida yang tidak larut.

Suhu leleh plutonium adalah 641 derajat Celcius, titik didih 3230 derajat.

Di bawah pengaruh suhu tinggi, terjadi perubahan kepadatan logam yang tidak wajar. Berdasarkan bentuknya, plutonium memiliki berbagai fase dan memiliki enam struktur kristal.

Selama transisi antar fase, terjadi perubahan signifikan pada volume elemen. Unsur tersebut memperoleh bentuk terpadatnya pada fase alfa keenam (tahap terakhir transisi), sedangkan satu-satunya benda yang lebih berat daripada logam dalam keadaan ini adalah neptunium dan radium.

Ketika dicairkan, unsur tersebut mengalami kompresi yang kuat, sehingga logam tersebut dapat mengapung di permukaan air dan media cair non-agresif lainnya.

Meskipun unsur radioaktif ini termasuk dalam golongan logam kimia, namun unsur tersebut cukup mudah menguap, dan bila berada di ruang tertutup dalam waktu singkat, konsentrasinya di udara meningkat beberapa kali lipat.

Sifat fisik utama logam meliputi: derajat rendah, tingkat konduktivitas termal semua unsur kimia yang ada dan diketahui, tingkat konduktivitas listrik yang rendah; dalam keadaan cair, plutonium adalah salah satu logam paling kental.

Perlu dicatat bahwa setiap senyawa plutonium bersifat racun, beracun dan menimbulkan bahaya serius radiasi pada tubuh manusia, yang terjadi karena radiasi alfa aktif, oleh karena itu semua pekerjaan harus dilakukan dengan sangat hati-hati dan hanya dalam pakaian khusus dengan perlindungan bahan kimia. .

Anda dapat membaca lebih lanjut tentang sifat-sifat dan teori asal usul logam unik di buku Obruchev "Plutonia"" Penulis V.A. Obruchev mengajak pembaca untuk terjun ke dunia menakjubkan dan unik dari negara Plutonia yang fantastis, yang terletak jauh di dalam perut bumi.

Penerapan plutonium

Unsur kimia industri biasanya diklasifikasikan menjadi plutonium tingkat senjata dan tingkat reaktor (“tingkat energi”).

Jadi, untuk produksi senjata nuklir, dari semua isotop yang ada, hanya diperbolehkan menggunakan plutonium 239, yang tidak boleh mengandung lebih dari 4,5% plutonium 240, karena dapat mengalami fisi spontan, yang secara signifikan mempersulit produksi proyektil militer. .

Plutonium-238 digunakan untuk pengoperasian sumber energi listrik radioisotop berukuran kecil, misalnya sebagai sumber energi untuk teknologi luar angkasa.

Beberapa dekade yang lalu, plutonium digunakan dalam pengobatan alat pacu jantung (alat untuk menjaga ritme jantung).

Bom atom pertama yang dibuat di dunia memiliki muatan plutonium. Plutonium nuklir(Pu 239) dibutuhkan sebagai bahan bakar nuklir untuk menjamin berfungsinya reaktor daya. Isotop ini juga berfungsi sebagai sumber produksi unsur transplutonium dalam reaktor.

Jika kita membandingkan plutonium nuklir dengan logam murni, maka isotopnya memiliki parameter logam yang lebih tinggi dan tidak memiliki fase transisi, sehingga banyak digunakan dalam proses perolehan unsur bahan bakar.

Oksida isotop Plutonium 242 juga dibutuhkan sebagai sumber tenaga untuk unit, peralatan, dan batang bahan bakar yang mematikan di luar angkasa.

Plutonium tingkat senjata adalah unsur yang disajikan dalam bentuk logam kompak yang mengandung setidaknya 93% isotop Pu239.

Jenis logam radioaktif ini digunakan dalam produksi berbagai jenis senjata nuklir.

Plutonium tingkat senjata diproduksi di reaktor nuklir industri khusus yang beroperasi dengan bahan bakar uranium alam atau uranium yang diperkaya rendah sebagai hasil penangkapan neutron.

Ada 15 isotop plutonium yang diketahui. Yang paling penting adalah Pu-239 dengan waktu paruh 24.360 tahun. Berat jenis plutonium adalah 19,84 pada suhu 25°C. Logam mulai meleleh pada suhu 641°C dan mendidih pada 3232°C. Valensinya adalah 3, 4, 5 atau 6.

Logam ini memiliki warna keperakan dan berubah menjadi kuning jika terkena oksigen. Plutonium merupakan logam yang reaktif secara kimia dan mudah larut dalam asam klorida pekat, asam perklorat, dan asam hidroiodik. Selama peluruhan, logam melepaskan energi panas.

Plutonium adalah aktinida transuranik kedua yang ditemukan. Di alam, logam ini dapat ditemukan dalam jumlah kecil pada bijih uranium.

Plutonium beracun dan memerlukan penanganan yang hati-hati. Isotop plutonium yang paling mudah difisi telah digunakan sebagai senjata nuklir. Secara khusus, itu digunakan dalam bom yang dijatuhkan di kota Nagasaki, Jepang.

Ini adalah racun radioaktif yang terakumulasi di sumsum tulang. Beberapa kecelakaan, beberapa diantaranya berakibat fatal, terjadi saat melakukan percobaan pada manusia untuk mempelajari plutonium. Penting agar plutonium tidak mencapai massa kritis. Dalam larutan, plutonium membentuk massa kritis lebih cepat dibandingkan dalam bentuk padat.

Nomor atom 94 berarti seluruh atom plutonium berjumlah 94. Di udara, plutonium oksida terbentuk pada permukaan logam. Oksida ini bersifat piroforik, sehingga plutonium yang membara akan berkedip-kedip seperti abu.

Ada enam bentuk alotropik plutonium. Bentuk ketujuh muncul pada suhu tinggi.

Dalam larutan air, plutonium berubah warna. Berbagai corak muncul pada permukaan logam saat teroksidasi. Proses oksidasi tidak stabil dan warna plutonium dapat berubah secara tiba-tiba.

Tidak seperti kebanyakan zat, plutonium menjadi lebih padat ketika dicairkan. Dalam keadaan cair, unsur ini lebih kental dibandingkan logam lainnya.

Logam ini digunakan dalam isotop radioaktif pada generator termoelektrik yang menggerakkan pesawat ruang angkasa. Dalam pengobatan, digunakan dalam produksi stimulator jantung elektronik.

Menghirup uap plutonium berbahaya bagi kesehatan. Dalam beberapa kasus, hal ini dapat menyebabkan kanker paru-paru. Plutonium yang dihirup memiliki rasa logam.

Plutonium (Latin Plutonium, simbol Pu) adalah unsur kimia radioaktif dengan nomor atom 94 dan berat atom 244.064. Plutonium adalah unsur golongan III tabel periodik Dmitry Ivanovich Mendeleev dan termasuk dalam keluarga aktinida. Plutonium adalah logam radioaktif rapuh yang berat (densitas dalam kondisi normal 19,84 g/cm³) dan berwarna putih keperakan.

Plutonium tidak memiliki isotop stabil. Dari seratus kemungkinan isotop plutonium, dua puluh lima telah disintesis. Sifat nuklir dari lima belas di antaranya dipelajari (nomor massa 232-246). Empat telah menemukan penerapan praktis. Isotop yang berumur terpanjang adalah 244Pu (waktu paruh 8,26-107 tahun), 242Pu (waktu paruh 3,76-105 tahun), 239Pu (waktu paruh 2,41-104 tahun), 238Pu (waktu paruh 87,74 tahun) - α- emitor dan 241Pu (waktu paruh 14 tahun) - β-emitor. Di alam, plutonium terdapat dalam jumlah yang dapat diabaikan dalam bijih uranium (239Pu); itu terbentuk dari uranium di bawah pengaruh neutron, yang sumbernya adalah reaksi yang terjadi selama interaksi partikel α dengan unsur ringan (termasuk bijih), fisi spontan inti uranium dan radiasi kosmik.

Unsur kesembilan puluh empat ditemukan oleh sekelompok ilmuwan Amerika - Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan dan Arthur Wahl pada tahun 1940 di Berkeley (di Universitas California) ketika mengebom target uranium oksida ( U3O8) dengan inti deuterium yang dipercepat (deuteron) dari siklotron enam puluh inci. Pada bulan Mei 1940, sifat-sifat plutonium diprediksi oleh Lewis Turner.

Pada bulan Desember 1940, isotop plutonium Pu-238 ditemukan, dengan waktu paruh ~90 tahun, diikuti setahun kemudian oleh Pu-239 yang lebih penting dengan waktu paruh ~24.000 tahun.

Edwin MacMillan pada tahun 1948 mengusulkan untuk memberi nama unsur kimia plutonium untuk menghormati penemuan planet baru Pluto dan dengan analogi dengan neptunium, yang dinamai berdasarkan penemuan Neptunus.

Plutonium logam (isotop 239Pu) digunakan dalam senjata nuklir dan berfungsi sebagai bahan bakar nuklir dalam reaktor daya yang beroperasi pada neutron termal dan terutama neutron cepat. Massa kritis 239Pu sebagai logam adalah 5,6 kg. Isotop 239Pu antara lain merupakan bahan awal produksi unsur transplutonium pada reaktor nuklir. Isotop 238Pu digunakan dalam sumber tenaga nuklir berukuran kecil yang digunakan dalam penelitian luar angkasa, serta stimulan jantung manusia.

Plutonium-242 penting sebagai “bahan mentah” untuk akumulasi unsur transuranium tingkat tinggi yang relatif cepat dalam reaktor nuklir. Paduan plutonium yang distabilkan δ digunakan dalam pembuatan sel bahan bakar, karena memiliki sifat metalurgi yang lebih baik dibandingkan dengan plutonium murni, yang mengalami transisi fase saat dipanaskan. Plutonium oksida digunakan sebagai sumber energi untuk teknologi luar angkasa dan diterapkan pada batang bahan bakar.

Semua senyawa plutonium beracun, akibat radiasi α. Partikel alfa menimbulkan bahaya serius jika sumbernya ada di tubuh orang yang terinfeksi, karena merusak jaringan di sekitar tubuh. Radiasi gamma dari plutonium tidak berbahaya bagi tubuh. Perlu dipertimbangkan bahwa isotop plutonium yang berbeda memiliki toksisitas yang berbeda, misalnya, plutonium reaktor pada umumnya 8-10 kali lebih beracun daripada 239Pu murni, karena didominasi oleh nuklida 240Pu, yang merupakan sumber radiasi alfa yang kuat. Plutonium adalah unsur paling radiotoksik dari semua aktinida, namun dianggap jauh dari unsur paling berbahaya, karena radium hampir seribu kali lebih berbahaya daripada isotop plutonium paling beracun - 239Pu.

Sifat biologis

Plutonium terkonsentrasi oleh organisme laut: koefisien akumulasi logam radioaktif ini (rasio konsentrasi dalam tubuh dan lingkungan luar) untuk alga adalah 1000-9000, untuk plankton - sekitar 2300, untuk bintang laut - sekitar 1000, untuk moluska - hingga 380, untuk otot, tulang, hati dan perut ikan - masing-masing 5, 570, 200 dan 1060. Tumbuhan darat menyerap plutonium terutama melalui sistem perakaran dan mengakumulasikannya hingga 0,01% massanya. Dalam tubuh manusia, unsur kesembilan puluh empat disimpan terutama di kerangka dan hati, dari mana unsur tersebut hampir tidak dikeluarkan (terutama dari tulang).

Plutonium sangat beracun, dan bahaya kimianya (seperti logam berat lainnya) jauh lebih lemah (dari sudut pandang kimia, ia juga beracun seperti timbal.) dibandingkan dengan toksisitas radioaktifnya, yang merupakan akibat dari radiasi alfa. Selain itu, partikel α memiliki kemampuan penetrasi yang relatif rendah: untuk 239Pu, kisaran partikel α di udara adalah 3,7 cm, dan di jaringan biologis lunak 43 μm. Oleh karena itu, partikel alfa menimbulkan bahaya serius jika sumbernya ada di tubuh orang yang terinfeksi. Pada saat yang sama, mereka merusak jaringan tubuh di sekitar elemen tersebut.

Pada saat yang sama, sinar-γ dan neutron, yang juga dipancarkan plutonium dan mampu menembus tubuh dari luar, tidak terlalu berbahaya, karena kadarnya terlalu rendah untuk membahayakan kesehatan. Plutonium termasuk dalam kelompok unsur dengan radiotoksisitas yang sangat tinggi. Pada saat yang sama, isotop plutonium yang berbeda memiliki toksisitas yang berbeda, misalnya, plutonium reaktor pada umumnya 8-10 kali lebih beracun daripada 239Pu murni, karena didominasi oleh nuklida 240Pu, yang merupakan sumber radiasi alfa yang kuat.

Ketika tertelan melalui air dan makanan, plutonium kurang beracun dibandingkan zat seperti kafein, beberapa vitamin, pseudoefedrin, dan banyak tumbuhan dan jamur. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa unsur ini kurang diserap oleh saluran pencernaan, bahkan ketika disuplai dalam bentuk garam yang larut, garam yang sama ini terikat oleh isi lambung dan usus. Namun, konsumsi 0,5 gram plutonium yang dipecah atau dilarutkan dapat mengakibatkan kematian akibat iradiasi pencernaan akut dalam beberapa hari atau minggu (untuk sianida nilainya adalah 0,1 gram).

Dari sudut pandang penghirupan, plutonium adalah racun biasa (kira-kira setara dengan uap merkuri). Jika terhirup, plutonium bersifat karsinogenik dan dapat menyebabkan kanker paru-paru. Jadi, bila dihirup, seratus miligram plutonium dalam bentuk partikel dengan ukuran optimal untuk disimpan di paru-paru (1-3 mikron) menyebabkan kematian akibat edema paru dalam 1-10 hari. Dosis dua puluh miligram menyebabkan kematian akibat fibrosis dalam waktu sekitar satu bulan. Dosis yang lebih kecil menyebabkan keracunan karsinogenik kronis. Bahaya terhirupnya plutonium ke dalam tubuh semakin meningkat karena plutonium rentan terhadap pembentukan aerosol.

Meskipun merupakan logam, namun cukup fluktuatif. Kehadiran logam dalam waktu singkat di dalam ruangan secara signifikan meningkatkan konsentrasinya di udara. Plutonium yang masuk ke paru-paru sebagian mengendap di permukaan paru-paru, sebagian masuk ke dalam darah, kemudian ke getah bening dan sumsum tulang. Sebagian besar (sekitar 60%) berakhir di jaringan tulang, 30% di hati dan hanya 10% yang diekskresikan secara alami. Jumlah plutonium yang masuk ke dalam tubuh bergantung pada ukuran partikel aerosol dan kelarutannya dalam darah.

Plutonium yang masuk ke dalam tubuh manusia dalam satu atau lain cara memiliki sifat yang mirip dengan besi besi, oleh karena itu, ketika menembus ke dalam sistem peredaran darah, plutonium mulai terkonsentrasi di jaringan yang mengandung zat besi: sumsum tulang, hati, limpa. Tubuh menganggap plutonium sebagai zat besi, oleh karena itu, protein transferin mengambil plutonium sebagai pengganti zat besi, akibatnya transfer oksigen dalam tubuh terhenti. Mikrofag membawa plutonium ke kelenjar getah bening. Plutonium yang masuk ke dalam tubuh membutuhkan waktu yang sangat lama untuk dikeluarkan dari tubuh – dalam waktu 50 tahun, hanya 80% yang akan dikeluarkan dari tubuh. Waktu paruh dari hati adalah 40 tahun. Untuk jaringan tulang, waktu paruh plutonium adalah 80-100 tahun; faktanya, konsentrasi unsur sembilan puluh empat dalam tulang adalah konstan.

Sepanjang Perang Dunia II dan setelah berakhirnya, para ilmuwan yang bekerja di Proyek Manhattan, serta ilmuwan dari Third Reich dan organisasi penelitian lainnya, melakukan eksperimen menggunakan plutonium pada hewan dan manusia. Penelitian pada hewan menunjukkan bahwa beberapa miligram plutonium per kilogram jaringan adalah dosis yang mematikan. Penggunaan plutonium pada manusia biasanya terdiri dari 5 mcg plutonium yang disuntikkan secara intramuskular ke pasien sakit kronis. Akhirnya ditentukan bahwa dosis yang mematikan bagi pasien adalah satu mikrogram plutonium, dan plutonium itu lebih berbahaya daripada radium dan cenderung menumpuk di tulang.

Seperti diketahui, plutonium merupakan unsur yang praktis tidak ada di alam. Namun, sekitar lima ton di antaranya terlepas ke atmosfer akibat uji coba nuklir pada periode 1945-1963. Jumlah total plutonium yang dilepaskan ke atmosfer akibat uji coba nuklir sebelum tahun 1980-an diperkirakan mencapai 10 ton. Berdasarkan beberapa perkiraan, tanah di Amerika Serikat mengandung rata-rata 2 milicurie (28 mg) plutonium per km2 curah hujan, dan keberadaan plutonium di Samudera Pasifik meningkat dibandingkan dengan keseluruhan distribusi bahan nuklir di bumi.

Fenomena terbaru terkait dengan uji coba nuklir AS di Kepulauan Marshall di Lokasi Uji Coba Pasifik pada pertengahan tahun 1950-an. Waktu tinggal plutonium di permukaan air laut berkisar antara 6 hingga 21 tahun, namun, bahkan setelah periode ini, plutonium jatuh ke dasar bersama dengan partikel biogenik, yang kemudian direduksi menjadi bentuk larut sebagai akibat dari penguraian mikroba.

Polusi global dengan unsur kesembilan puluh empat dikaitkan tidak hanya dengan uji coba nuklir, tetapi juga dengan kecelakaan produksi dan peralatan yang berinteraksi dengan unsur ini. Jadi pada bulan Januari 1968, sebuah B-52 Angkatan Udara AS yang membawa empat hulu ledak nuklir jatuh di Greenland. Akibat ledakan tersebut, muatannya hancur dan plutonium bocor ke laut.

Kasus kontaminasi radioaktif terhadap lingkungan lainnya akibat kecelakaan terjadi pada pesawat ruang angkasa Soviet Kosmos-954 pada 24 Januari 1978. Akibat deorbit yang tidak terkendali, sebuah satelit dengan sumber tenaga nuklir jatuh ke wilayah Kanada. Akibat kecelakaan tersebut, lebih dari satu kilogram plutonium-238 terlepas ke lingkungan, tersebar di area seluas sekitar 124.000 m².

Contoh terburuk dari kebocoran darurat zat radioaktif ke lingkungan adalah kecelakaan di pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl yang terjadi pada tanggal 26 April 1986. Akibat hancurnya unit tenaga keempat, 190 ton zat radioaktif (termasuk isotop plutonium) dilepaskan ke lingkungan di area seluas sekitar 2.200 km².

Pelepasan plutonium ke lingkungan tidak hanya terkait dengan kejadian yang disebabkan oleh manusia. Diketahui kasus kebocoran plutonium, baik dari kondisi laboratorium maupun pabrik. Lebih dari dua puluh kebocoran yang tidak disengaja dari laboratorium 235U dan 239Pu diketahui. Selama tahun 1953-1978. Kecelakaan menyebabkan kerugian 0,81 (Mayak, 15 Maret 1953) menjadi 10,1 kg (Tomsk, 13 Desember 1978) 239Pu. Insiden industri mengakibatkan total dua kematian di Los Alamos (21 Agustus 1945 dan 21 Mei 1946) akibat dua kecelakaan dan hilangnya 6,2 kg plutonium. Di kota Sarov pada tahun 1953 dan 1963. sekitar 8 dan 17,35 kg jatuh di luar reaktor nuklir. Salah satunya berujung pada hancurnya reaktor nuklir pada tahun 1953.

Ketika inti 238Pu fisi dengan neutron, energi 200 MeV dilepaskan, yang 50 juta kali lebih banyak daripada reaksi eksotermik paling terkenal: C + O2 → CO2. “Pembakaran” dalam reaktor nuklir, satu gram plutonium menghasilkan 2.107 kkal - ini adalah energi yang terkandung dalam 4 ton batubara. Satu bidal bahan bakar plutonium yang setara dengan energi dapat setara dengan empat puluh gerbong kayu bakar yang baik!

“Isotop alami” plutonium (244Pu) diyakini sebagai isotop yang berumur paling lama dari semua unsur transuranium. Waktu paruhnya adalah 8,26∙107 tahun. Para ilmuwan telah lama mencoba untuk mendapatkan isotop unsur transuranium yang berumur lebih panjang dari 244Pu - harapan besar dalam hal ini disematkan pada 247Cm. Namun setelah disintesis ternyata waktu paruh unsur ini hanya 14 juta tahun.

Cerita

Pada tahun 1934, sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh Enrico Fermi membuat pernyataan bahwa selama karya ilmiah di Universitas Roma mereka telah menemukan unsur kimia dengan nomor seri 94. Atas desakan Fermi, unsur tersebut diberi nama hesperium, ilmuwan tersebut yakin bahwa dia telah menemukan unsur baru, yang sekarang disebut plutonium, sehingga menunjukkan adanya unsur transuranium dan menjadi penemu teoretisnya. Fermi mempertahankan hipotesis ini dalam kuliah Nobelnya pada tahun 1938. Baru setelah penemuan fisi nuklir oleh ilmuwan Jerman Otto Frisch dan Fritz Strassmann, Fermi terpaksa membuat catatan dalam versi cetak yang diterbitkan di Stockholm pada tahun 1939 yang menunjukkan perlunya mempertimbangkan kembali “seluruh masalah unsur transuranium”. Faktanya adalah karya Frisch dan Strassmann menunjukkan bahwa aktivitas yang ditemukan Fermi dalam eksperimennya justru disebabkan oleh fisi, dan bukan karena penemuan unsur transuranium, seperti yang diyakininya sebelumnya.

Unsur baru, unsur kesembilan puluh empat, ditemukan pada akhir tahun 1940. Itu terjadi di Berkeley di Universitas California. Dengan membombardir uranium oksida (U3O8) dengan inti hidrogen berat (deuteron), sekelompok ahli radiokimia Amerika yang dipimpin oleh Glenn T. Seaborg menemukan pemancar partikel alfa yang sebelumnya tidak diketahui dengan waktu paruh 90 tahun. Emitor ini ternyata adalah isotop unsur No. 94 dengan nomor massa 238. Jadi, pada tanggal 14 Desember 1940, plutonium dalam jumlah mikrogram pertama diperoleh bersama dengan campuran unsur lain dan senyawanya.

Selama percobaan yang dilakukan pada tahun 1940, ditemukan bahwa selama reaksi nuklir, isotop neptunium-238 berumur pendek pertama kali diproduksi (waktu paruh 2,117 hari), dan darinya plutonium-238:

23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu

Eksperimen kimia yang panjang dan melelahkan untuk memisahkan unsur baru dari pengotor berlangsung selama dua bulan. Keberadaan unsur kimia baru dikonfirmasi pada malam tanggal 23-24 Februari 1941 oleh G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy dan A. C. Wall melalui studi sifat kimia pertamanya - kemampuan untuk memiliki setidaknya dua oksidasi negara bagian. Beberapa saat setelah percobaan berakhir, diketahui bahwa isotop ini non-fisil, dan oleh karena itu, tidak menarik untuk dipelajari lebih lanjut. Segera (Maret 1941), Kennedy, Seaborg, Segre dan Wahl mensintesis isotop yang lebih penting, plutonium-239, dengan menyinari uranium dengan neutron yang dipercepat dalam siklotron. Isotop ini terbentuk dari peluruhan neptunium-239, memancarkan sinar alfa dan memiliki waktu paruh 24.000 tahun. Senyawa murni pertama dari unsur tersebut diperoleh pada tahun 1942, dan jumlah berat logam plutonium pertama diperoleh pada tahun 1943.

Nama unsur baru 94 diusulkan pada tahun 1948 oleh MacMillan, yang, beberapa bulan sebelum penemuan plutonium, bersama dengan F. Eibelson, memperoleh unsur pertama yang lebih berat dari uranium - unsur No. 93, yang diberi nama neptunium untuk menghormati dari planet Neptunus - yang pertama setelah Uranus. Dengan analogi, mereka memutuskan untuk menyebut unsur No. 94 plutonium, karena planet Pluto berada di urutan kedua setelah Uranus. Pada gilirannya, Seaborg mengusulkan untuk menamai unsur baru tersebut dengan “plutium”, namun kemudian menyadari bahwa nama tersebut tidak terdengar bagus jika dibandingkan dengan “plutonium”. Selain itu, ia mengajukan nama lain untuk unsur baru tersebut: ultimium, extermium, karena penilaian yang salah pada saat itu bahwa plutonium akan menjadi unsur kimia terakhir dalam tabel periodik. Hasilnya, unsur tersebut diberi nama “plutonium” untuk menghormati penemuan planet terakhir di tata surya.

Berada di alam

Waktu paruh isotop plutonium yang berumur paling lama adalah 75 juta tahun. Angka tersebut sangat mengesankan, namun usia Galaksi diukur dalam miliaran tahun. Oleh karena itu, isotop utama dari unsur kesembilan puluh empat, yang terbentuk selama sintesis besar-besaran unsur-unsur Alam Semesta, tidak memiliki peluang untuk bertahan hingga hari ini. Namun, ini tidak berarti bahwa tidak ada plutonium sama sekali di bumi. Itu terus-menerus terbentuk dalam bijih uranium. Dengan menangkap neutron dari radiasi kosmik dan neutron yang dihasilkan oleh fisi spontan inti 238U, beberapa - sangat sedikit - atom dari isotop ini berubah menjadi atom 239U. Inti unsur ini sangat tidak stabil, mereka memancarkan elektron dan dengan demikian meningkatkan muatannya, dan neptunium, unsur transuranium pertama, terbentuk. 239Np juga tidak stabil, intinya juga memancarkan elektron, sehingga hanya dalam waktu 56 jam setengah dari 239Np berubah menjadi 239Pu.

Waktu paruh isotop ini sudah sangat lama yaitu mencapai 24.000 tahun. Rata-rata kandungan 239Pu sekitar 400.000 kali lebih sedikit dibandingkan radium. Oleh karena itu, sangat sulit tidak hanya untuk menambang, tetapi bahkan untuk mendeteksi plutonium “terestrial”. Sejumlah kecil 239Pu - bagian per triliun - dan produk peluruhan dapat ditemukan dalam bijih uranium, misalnya di reaktor nuklir alami di Oklo, Gabon (Afrika Barat). Apa yang disebut “reaktor nuklir alami” dianggap sebagai satu-satunya di dunia di mana aktinida dan produk fisinya saat ini terbentuk di geosfer. Menurut perkiraan modern, reaksi berkelanjutan dengan pelepasan panas terjadi di wilayah ini beberapa juta tahun yang lalu, yang berlangsung lebih dari setengah juta tahun.

Jadi, kita telah mengetahui bahwa dalam bijih uranium, sebagai hasil penangkapan neutron oleh inti uranium, terbentuk neptunium (239Np), produk peluruhannya adalah plutonium-239 alami. Berkat instrumen khusus - spektrometer massa - keberadaan plutonium-244 (244Pu), yang memiliki waktu paruh terpanjang - sekitar 80 juta tahun, ditemukan di bastnaesit Prakambrium (bijih cerium). Di alam, 244Pu ditemukan terutama dalam bentuk dioksida (PuO2), yang bahkan lebih sulit larut dalam air dibandingkan pasir (kuarsa). Karena isotop plutonium-240 (240Pu) yang berumur relatif panjang berada dalam rantai peluruhan plutonium-244, peluruhannya memang terjadi, tetapi hal ini sangat jarang terjadi (1 kasus dalam 10.000). Jumlah plutonium-238 (238Pu) yang sangat kecil disebabkan oleh peluruhan beta ganda yang sangat langka dari isotop induknya, uranium-238, yang ditemukan dalam bijih uranium.

Jejak isotop 247Pu dan 255Pu ditemukan dalam debu yang dikumpulkan setelah ledakan bom termonuklir.

Plutonium dalam jumlah kecil secara hipotetis mungkin ada dalam tubuh manusia, mengingat sejumlah besar uji coba nuklir telah dilakukan dengan satu atau lain cara terkait dengan plutonium. Plutonium terakumulasi terutama di kerangka dan hati, dari mana ia praktis tidak dikeluarkan. Selain itu, unsur sembilan puluh empat diakumulasikan oleh organisme laut; Tumbuhan darat menyerap plutonium terutama melalui sistem perakaran.

Ternyata plutonium hasil sintesis buatan masih ada di alam, lalu mengapa tidak ditambang, melainkan diperoleh secara artifisial? Faktanya adalah konsentrasi unsur ini terlalu rendah. Tentang logam radioaktif lainnya - radium, mereka berkata: "satu gram produksi - satu tahun kerja", dan radium di alam 400.000 kali lebih banyak daripada plutonium! Karena alasan ini, sangat sulit tidak hanya untuk menambang, tetapi bahkan untuk mendeteksi plutonium “terestrial”. Hal ini dilakukan hanya setelah sifat fisik dan kimia plutonium yang diproduksi di reaktor nuklir dipelajari.

Aplikasi

Isotop 239Pu (bersama dengan U) digunakan sebagai bahan bakar nuklir dalam reaktor daya yang beroperasi pada neutron termal dan cepat (terutama), serta dalam pembuatan senjata nuklir.

Sekitar setengah ribu pembangkit listrik tenaga nuklir di seluruh dunia menghasilkan sekitar 370 GW listrik (atau 15% dari total produksi listrik dunia). Plutonium-236 digunakan dalam pembuatan baterai listrik atom, yang masa pakainya mencapai lima tahun atau lebih, digunakan dalam generator arus yang merangsang jantung (alat pacu jantung). 238Pu digunakan dalam sumber tenaga nuklir berukuran kecil yang digunakan dalam penelitian luar angkasa. Dengan demikian, plutonium-238 adalah sumber tenaga untuk wahana New Horizons, Galileo dan Cassini, penjelajah Curiosity, dan pesawat ruang angkasa lainnya.

Senjata nuklir menggunakan plutonium-239 karena isotop ini merupakan satu-satunya nuklida yang cocok untuk digunakan dalam bom nuklir. Selain itu, semakin seringnya penggunaan plutonium-239 dalam bom nuklir disebabkan oleh fakta bahwa plutonium menempati volume yang lebih sedikit di dalam bola (tempat inti bom berada), sehingga daya ledak bom dapat diperoleh karena hal ini. Properti.

Skema terjadinya ledakan nuklir yang melibatkan plutonium terletak pada desain bom itu sendiri, yang intinya terdiri dari bola berisi 239Pu. Pada saat bertabrakan dengan tanah, bola tersebut dikompresi hingga satu juta atmosfer karena desain dan bahan peledak yang mengelilingi bola tersebut. Setelah tumbukan, inti mengembang dalam volume dan kepadatan dalam waktu sesingkat mungkin - puluhan mikrodetik, rakitan melompati keadaan kritis dengan neutron termal dan masuk ke keadaan superkritis dengan neutron cepat - reaksi berantai nuklir dimulai dengan partisipasi dari neutron dan inti unsur. Ledakan terakhir bom nuklir melepaskan suhu puluhan juta derajat.

Isotop plutonium telah menemukan kegunaannya dalam sintesis unsur transplutonium (di samping plutonium). Misalnya di Laboratorium Nasional Oak Ridge, dengan iradiasi neutron jangka panjang diperoleh 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es dan 257100Fm. Dengan cara yang sama, americium 24195Am pertama kali diperoleh pada tahun 1944. Pada tahun 2010, plutonium-242 oksida yang dibombardir dengan ion kalsium-48 menjadi sumber ununquadium.

Paduan plutonium yang distabilkan δ digunakan dalam pembuatan batang bahan bakar karena memiliki sifat metalurgi yang jauh lebih baik dibandingkan dengan plutonium murni, yang mengalami transisi fase saat dipanaskan dan merupakan bahan yang sangat rapuh dan tidak dapat diandalkan. Paduan plutonium dengan unsur lain (senyawa intermetalik) biasanya diperoleh melalui interaksi langsung unsur-unsur dalam proporsi yang diperlukan, sedangkan peleburan busur terutama digunakan; terkadang paduan yang tidak stabil diperoleh dengan pengendapan semprotan atau pendinginan lelehan.

Unsur paduan industri utama untuk plutonium adalah galium, aluminium, dan besi, meskipun plutonium mampu membentuk paduan dan zat antara dengan sebagian besar logam dengan pengecualian yang jarang (kalium, natrium, litium, rubidium, magnesium, kalsium, strontium, barium, europium, dan ytterbium) . Logam tahan api: molibdenum, niobium, kromium, tantalum, dan tungsten larut dalam plutonium cair, tetapi hampir tidak larut atau sedikit larut dalam plutonium padat. Indium, silikon, seng dan zirkonium mampu membentuk δ-plutonium (δ"-fase) yang metastabil ketika didinginkan dengan cepat. Gallium, aluminium, amerisium, skandium dan cerium dapat menstabilkan δ-plutonium pada suhu kamar.

Holmium, hafnium, dan talium dalam jumlah besar memungkinkan sejumlah δ-plutonium disimpan pada suhu kamar. Neptunium adalah satu-satunya unsur yang dapat menstabilkan α-plutonium pada suhu tinggi. Titanium, hafnium dan zirkonium menstabilkan struktur β-plutonium pada suhu kamar ketika didinginkan dengan cepat. Penerapan paduan tersebut cukup beragam. Misalnya, paduan plutonium-gallium digunakan untuk menstabilkan fase δ plutonium, yang menghindari transisi fase α-δ. Paduan terner plutonium-gallium-kobalt (PuGaCo5) adalah paduan superkonduktor pada 18,5 K. Ada sejumlah paduan (plutonium-zirkonium, plutonium-cerium, dan plutonium-cerium-kobalt) yang digunakan sebagai bahan bakar nuklir.

Produksi

Plutonium industri diproduksi dengan dua cara. Ini bisa berupa iradiasi inti 238U yang terkandung dalam reaktor nuklir, atau pemisahan plutonium dari uranium, unsur transuranik, dan produk fisi yang terkandung dalam bahan bakar bekas dengan metode radiokimia (pengendapan bersama, ekstraksi, pertukaran ion, dll.).

Dalam kasus pertama, isotop paling praktis 239Pu (dicampur dengan campuran kecil 240Pu) diproduksi di reaktor nuklir dengan partisipasi inti uranium dan neutron menggunakan peluruhan β dan dengan partisipasi isotop neptunium sebagai produk fisi antara:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

peluruhan β

Dalam proses ini, deuteron memasuki uranium-238, menghasilkan pembentukan neptunium-238 dan dua neutron. Neptunium-238 kemudian secara spontan melakukan fisi, memancarkan partikel beta-minus yang membentuk plutonium-238.

Biasanya kandungan 239Pu dalam campuran adalah 90-95%, 240Pu 1-7%, kandungan isotop lain tidak melebihi sepersepuluh persen. Isotop dengan waktu paruh yang panjang - 242Pu dan 244Pu diperoleh dengan iradiasi berkepanjangan dengan neutron 239Pu. Selain itu, hasil 242Pu adalah beberapa puluh persen, dan 244Pu hanyalah sebagian kecil dari persentase kandungan 242Pu. Sejumlah kecil plutonium-238 yang murni secara isotop terbentuk ketika neptunium-237 diiradiasi dengan neutron. Isotop ringan plutonium dengan nomor massa 232-237 biasanya diperoleh dalam siklotron dengan menyinari isotop uranium dengan partikel α.

Metode produksi industri 239Pu yang kedua menggunakan proses Purex, berdasarkan ekstraksi dengan tributil fosfat dalam pengencer ringan. Pada siklus pertama, Pu dan U dimurnikan bersama dari produk fisi dan kemudian dipisahkan. Pada siklus kedua dan ketiga, plutonium selanjutnya dimurnikan dan dipekatkan. Skema proses tersebut didasarkan pada perbedaan sifat senyawa tetra dan heksavalen dari unsur-unsur yang dipisahkan.

Awalnya, batang bahan bakar bekas dibongkar dan lapisan yang mengandung plutonium dan uranium bekas dihilangkan dengan cara fisik dan kimia. Selanjutnya, bahan bakar nuklir yang diekstraksi dilarutkan dalam asam nitrat. Bagaimanapun, ini adalah zat pengoksidasi kuat ketika dilarutkan, dan uranium, plutonium, dan pengotor teroksidasi. Atom plutonium dengan valensi nol diubah menjadi Pu+6, dan plutonium dan uranium dilarutkan. Dari larutan tersebut, unsur kesembilan puluh empat direduksi menjadi keadaan trivalen dengan sulfur dioksida dan kemudian diendapkan dengan lantanum fluorida (LaF3).

Namun, selain plutonium, sedimennya mengandung unsur neptunium dan tanah jarang, tetapi sebagian besar (uranium) tetap berada dalam larutan. Selanjutnya, plutonium dioksidasi lagi menjadi Pu+6 dan ditambahkan lagi lantanum fluorida. Sekarang unsur tanah jarang mengendap, dan plutonium tetap berada dalam larutan. Selanjutnya, neptunium dioksidasi menjadi keadaan tetravalen dengan kalium bromat, karena reagen ini tidak berpengaruh pada plutonium, kemudian selama pengendapan sekunder dengan lantanum fluorida yang sama, plutonium trivalen menjadi endapan, dan neptunium tetap berada dalam larutan. Produk akhir dari operasi tersebut adalah senyawa yang mengandung plutonium - PuO2 dioksida atau fluorida (PuF3 atau PuF4), dari mana plutonium logam diperoleh (dengan reduksi dengan uap barium, kalsium atau litium).

Plutonium yang lebih murni dapat diperoleh dengan pemurnian elektrolitik logam yang diproduksi secara pirokimia, yang dilakukan dalam sel elektrolisis pada suhu 700°C dengan elektrolit kalium, natrium, dan plutonium klorida menggunakan katoda tungsten atau tantalum. Plutonium yang diperoleh dengan cara ini memiliki kemurnian 99,99%.

Untuk menghasilkan plutonium dalam jumlah besar, dibangun reaktor pemulia, yang disebut “peternak” (dari kata kerja bahasa Inggris to berkembang biak - berkembang biak). Reaktor ini mendapatkan namanya karena kemampuannya menghasilkan bahan fisil dalam jumlah yang melebihi biaya untuk memperoleh bahan tersebut. Perbedaan reaktor jenis ini dengan reaktor lainnya adalah neutron yang ada di dalamnya tidak diperlambat (tidak ada moderator, misalnya grafit) agar sebanyak mungkin neutron dapat bereaksi dengan 238U.

Setelah reaksi terbentuk atom 239U, yang selanjutnya membentuk 239Pu. Inti reaktor semacam itu, yang mengandung PuO2 dalam uranium dioksida terdeplesi (UO2), dikelilingi oleh cangkang uranium dioksida-238 (238UO2) yang lebih terdeplesi, di mana 239Pu terbentuk. Penggunaan gabungan 238U dan 235U memungkinkan “peternak” menghasilkan energi 50-60 kali lebih banyak dari uranium alam dibandingkan reaktor lainnya. Namun, reaktor ini memiliki kelemahan besar - batang bahan bakar harus didinginkan dengan media selain air, sehingga mengurangi energinya. Oleh karena itu, diputuskan untuk menggunakan natrium cair sebagai pendingin.

Pembangunan reaktor semacam itu di Amerika Serikat dimulai setelah berakhirnya Perang Dunia II, Uni Soviet dan Inggris baru memulai pembangunannya pada tahun 1950-an.

Properti fisik

Plutonium adalah logam keperakan yang sangat berat (kepadatan pada tingkat normal 19,84 g/cm³), dalam keadaan murni sangat mirip dengan nikel, tetapi di udara plutonium dengan cepat teroksidasi, memudar, membentuk lapisan warna-warni, mula-mula berwarna kuning muda, kemudian berubah menjadi ungu tua . Ketika oksidasi parah terjadi, bubuk oksida hijau zaitun (PuO2) muncul di permukaan logam.

Plutonium adalah logam yang sangat elektronegatif dan reaktif, bahkan jauh lebih elektronegatif dibandingkan uranium. Ia memiliki tujuh modifikasi alotropik (α, β, γ, δ, δ", ε dan ζ), yang berubah dalam kisaran suhu tertentu dan pada kisaran tekanan tertentu. Pada suhu kamar, plutonium berada dalam bentuk α - ini adalah modifikasi alotropik yang paling umum untuk plutonium Dalam fase alfa, plutonium murni rapuh dan cukup keras - struktur ini kira-kira sekeras besi cor kelabu kecuali jika dipadukan dengan logam lain, yang akan memberikan keuletan dan kelembutan pada paduan tersebut. dalam bentuk kepadatan tertinggi ini, plutonium adalah unsur terpadat keenam (Hanya osmium, iridium, platinum, renium, dan neptunium yang lebih berat. Transformasi alotropik plutonium lebih lanjut disertai dengan perubahan kepadatan yang tiba-tiba. Misalnya, ketika dipanaskan dari 310 hingga 480 ° C , ia tidak memuai, seperti logam lainnya, tetapi berkontraksi (fase delta " dan "delta prima") Ketika meleleh (transisi dari fase epsilon ke fase cair), plutonium juga berkontraksi, sehingga plutonium yang tidak meleleh dapat mengapung.

Plutonium memiliki sejumlah sifat yang tidak biasa: ia memiliki konduktivitas termal terendah dari semua logam - pada 300 K adalah 6,7 W/(m K); plutonium memiliki konduktivitas listrik terendah; Dalam fase cairnya, plutonium adalah logam paling kental. Resistivitas unsur kesembilan puluh empat pada suhu kamar sangat tinggi untuk suatu logam, dan fitur ini akan meningkat seiring dengan penurunan suhu, yang tidak khas untuk logam. “Anomali” ini dapat ditelusuri hingga suhu 100 K - di bawah tanda ini hambatan listrik akan berkurang. Namun, mulai 20 K resistensi mulai meningkat lagi karena aktivitas radiasi logam.

Plutonium memiliki resistivitas listrik tertinggi dari semua aktinida yang dipelajari (sejauh ini), yaitu 150 μΩ cm (pada 22 °C). Logam ini memiliki titik leleh yang rendah (640 °C) dan titik didih yang sangat tinggi (3.227 °C). Mendekati titik leleh, plutonium cair memiliki viskositas dan tegangan permukaan yang sangat tinggi dibandingkan logam lainnya.

Karena radioaktivitasnya, plutonium terasa hangat saat disentuh. Sepotong besar plutonium dalam cangkang termal dipanaskan hingga suhu melebihi titik didih air! Selain itu, karena radioaktivitasnya, plutonium mengalami perubahan kisi kristalnya seiring waktu - semacam anil terjadi akibat iradiasi sendiri akibat kenaikan suhu di atas 100 K.

Kehadiran sejumlah besar modifikasi alotropik dalam plutonium membuatnya menjadi logam yang sulit untuk diproses dan dikeluarkan karena transisi fase. Kita telah mengetahui bahwa dalam bentuk alfa, unsur kesembilan puluh empat memiliki sifat yang mirip dengan besi tuang, namun cenderung berubah dan berubah menjadi bahan yang ulet, dan membentuk bentuk β yang dapat ditempa pada rentang suhu yang lebih tinggi. Plutonium dalam bentuk δ biasanya stabil pada suhu antara 310 °C dan 452 °C, tetapi dapat ada pada suhu kamar jika diolah dengan aluminium, serium, atau galium dalam persentase yang rendah. Ketika dicampur dengan logam-logam ini, plutonium dapat digunakan dalam pengelasan. Secara umum, bentuk delta memiliki karakteristik logam yang lebih menonjol - ia mendekati aluminium dalam hal kekuatan dan kemampuan tempa.

Sifat kimia

Sifat kimia unsur kesembilan puluh empat dalam banyak hal mirip dengan sifat pendahulunya dalam tabel periodik - uranium dan neptunium. Plutonium adalah logam yang cukup aktif, membentuk senyawa dengan bilangan oksidasi dari +2 hingga +7. Dalam larutan air, unsur menunjukkan bilangan oksidasi berikut: Pu (III), sebagai Pu3+ (ada dalam larutan asam, mempunyai warna ungu muda); Pu (IV), sebagai Pu4+ (warna coklat); Pu (V), sebagai PuO2+ (larutan ringan); Pu(VI), sebagai PuO22+ (larutan jingga muda) dan Pu(VII), sebagai PuO53- (larutan hijau).

Selain itu, ion-ion ini (kecuali PuO53-) dapat berada dalam kesetimbangan secara bersamaan dalam larutan, yang dijelaskan oleh adanya elektron 5f, yang terletak di zona orbital elektron yang terlokalisasi dan terdelokalisasi. Pada pH 5-8, Pu(IV) mendominasi, yang paling stabil di antara valensi (bilangan oksidasi) lainnya. Ion plutonium dari semua bilangan oksidasi rentan terhadap hidrolisis dan pembentukan kompleks. Kemampuan membentuk senyawa tersebut meningkat pada seri Pu5+

Plutonium padat perlahan teroksidasi di udara, menjadi tertutup lapisan oksida berminyak berwarna-warni. Oksida plutonium berikut diketahui: PuO, Pu2O3, PuO2 dan fase dengan komposisi variabel Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollides). Dengan adanya sedikit uap air, laju oksidasi dan korosi meningkat secara signifikan. Jika suatu logam terkena sedikit udara lembab dalam waktu yang cukup lama, plutonium dioksida (PuO2) akan terbentuk di permukaannya. Dengan kekurangan oksigen, dihidrida (PuH2) juga dapat terbentuk. Anehnya, plutonium berkarat lebih cepat di atmosfer gas inert (seperti argon) dengan uap air dibandingkan di udara kering atau oksigen murni. Faktanya, fakta ini mudah dijelaskan - aksi langsung oksigen membentuk lapisan oksida pada permukaan plutonium, yang mencegah oksidasi lebih lanjut; kehadiran uap air menghasilkan campuran oksida dan hidrida yang longgar. Omong-omong, berkat lapisan ini, logam menjadi piroforik, yaitu mampu terbakar secara spontan; oleh karena itu, plutonium logam biasanya diproses dalam atmosfer inert argon atau nitrogen. Pada saat yang sama, oksigen adalah zat pelindung dan mencegah kelembapan mempengaruhi logam.

Unsur kesembilan puluh empat bereaksi dengan asam, oksigen dan uapnya, tetapi tidak dengan basa. Plutonium sangat larut hanya dalam media yang sangat asam (misalnya asam klorida HCl), dan juga larut dalam hidrogen klorida, hidrogen iodida, hidrogen bromida, asam perklorat 72%, asam ortofosfat 85% H3PO4, CCl3COOH pekat, asam sulfamat dan titik didih. asam nitrat pekat. Plutonium tidak terlalu larut dalam larutan alkali.

Ketika larutan yang mengandung plutonium tetravalen terkena basa, endapan plutonium hidroksida Pu(OH)4 xH2O, yang memiliki sifat basa, akan mengendap. Ketika larutan garam yang mengandung PuO2+ terkena basa, hidroksida amfoter PuO2OH mengendap. Dijawab oleh garam - plutonit, misalnya Na2Pu2O6.

Garam plutonium mudah terhidrolisis jika bersentuhan dengan larutan netral atau basa, menghasilkan plutonium hidroksida yang tidak larut. Larutan plutonium pekat tidak stabil karena dekomposisi radiolitik yang menyebabkan pengendapan.

Logam ini disebut berharga, tapi bukan karena keindahannya, tapi karena tak tergantikannya. Dalam tabel periodik Mendeleev, unsur ini menempati sel nomor 94. Di sinilah para ilmuwan menaruh harapan terbesar mereka, dan plutoniumlah yang mereka sebut sebagai logam paling berbahaya bagi umat manusia.

Plutonium: deskripsi

Secara penampilan, itu adalah logam berwarna putih keperakan. Ia bersifat radioaktif dan dapat direpresentasikan sebagai 15 isotop dengan waktu paruh berbeda, misalnya:

• Pu-238 – sekitar 90 tahun
• Pu-239 – sekitar 24 ribu tahun
• Pu-240 – 6580 tahun
• Pu-241 – 14 tahun
• Pu-242 – 370 ribu tahun
• Pu-244 – sekitar 80 juta tahun

Logam ini tidak dapat diekstraksi dari bijihnya, karena merupakan produk transformasi radioaktif uranium.

Bagaimana plutonium diperoleh?

Produksi plutonium memerlukan fisi uranium, yang hanya dapat dilakukan di reaktor nuklir. Jika kita berbicara tentang keberadaan unsur Pu di kerak bumi, maka untuk 4 juta ton bijih uranium hanya akan ada 1 gram plutonium murni. Dan gram ini terbentuk dari penangkapan alami neutron oleh inti uranium. Oleh karena itu, untuk memperoleh bahan bakar nuklir (biasanya isotop 239-Pu) dalam jumlah beberapa kilogram, perlu dilakukan proses teknologi yang kompleks di dalam reaktor nuklir.

Sifat plutonium

Plutonium logam radioaktif memiliki sifat fisik sebagai berikut:

• kepadatan 19,8 g/cm3
• titik leleh – 641°C
• titik didih – 3232°C
• konduktivitas termal (pada 300 K) – 6,74 W/(m K)

Plutonium bersifat radioaktif, itulah sebabnya ia terasa hangat saat disentuh. Selain itu, logam ini memiliki karakteristik konduktivitas termal dan listrik yang paling rendah. Plutonium cair adalah logam yang paling kental dari semua logam yang ada.

Perubahan sekecil apa pun pada suhu plutonium menyebabkan perubahan instan pada kepadatan zat. Secara umum, massa plutonium terus berubah, karena inti logam ini selalu mengalami fisi menjadi inti dan neutron yang lebih kecil. Massa kritis plutonium adalah nama yang diberikan untuk massa minimum suatu zat fisil yang memungkinkan terjadinya fisi (reaksi berantai nuklir). Misalnya, massa kritis plutonium tingkat senjata adalah 11 kg (sebagai perbandingan, massa kritis uranium yang diperkaya adalah 52 kg).

Uranium dan plutonium adalah bahan bakar nuklir utama. Untuk memperoleh plutonium dalam jumlah besar, digunakan dua teknologi:

• iradiasi uranium
• iradiasi unsur transuranium yang diperoleh dari bahan bakar bekas

Kedua metode tersebut melibatkan pemisahan plutonium dan uranium sebagai hasil reaksi kimia.

Untuk mendapatkan plutonium-238 murni digunakan iradiasi neutron neptunium-237. Isotop yang sama terlibat dalam pembuatan plutonium-239 tingkat senjata; khususnya, ia merupakan produk peluruhan antara. $1 juta adalah harga 1 kg plutonium-238.

Isotop plutonium 238 Pu pertama kali diperoleh secara artifisial pada tanggal 23 Februari 1941 oleh sekelompok ilmuwan Amerika yang dipimpin oleh G. Seaborg dengan menyinari inti uranium dengan deuteron. Baru pada saat itulah plutonium ditemukan di alam: 239 Pu biasanya ditemukan dalam jumlah yang dapat diabaikan dalam bijih uranium sebagai produk transformasi radioaktif uranium. Plutonium adalah unsur buatan pertama yang diperoleh dalam jumlah yang tersedia untuk ditimbang (1942) dan yang pertama produksinya dimulai pada skala industri.
Nama unsur ini meneruskan tema astronomi: ia diambil dari nama Pluto, planet kedua setelah Uranus.

Berada di alam, menerima:

Dalam bijih uranium, sebagai hasil penangkapan neutron (misalnya, neutron dari radiasi kosmik) oleh inti uranium, terbentuk neptunium (239 Np), produknya B- peluruhannya adalah plutonium-239 alami. Namun, plutonium terbentuk dalam jumlah mikroskopis (0,4-15 bagian Pu per 10 12 bagian U) sehingga ekstraksi dari bijih uranium tidak mungkin dilakukan.
Plutonium diproduksi di reaktor nuklir. Dalam aliran neutron yang kuat, reaksi yang sama terjadi seperti pada bijih uranium, tetapi laju pembentukan dan akumulasi plutonium dalam reaktor jauh lebih tinggi - satu miliar miliar kali lipat. Untuk reaksi pengubahan pemberat uranium-238 menjadi plutonium-239 tingkat energi, kondisi optimal (dalam batas yang dapat diterima) diciptakan.
Plutonium-244 juga terakumulasi dalam reaktor nuklir. Isotop unsur No. 95 - amerisium, 243 Am, setelah menangkap neutron, berubah menjadi amerisium-244; americium-244 berubah menjadi curium, tetapi dalam satu dari 10 ribu kasus terjadi transisi menjadi plutonium-244. Sediaan plutonium-244 dengan berat hanya sepersejuta gram diisolasi dari campuran amerisium dan curium. Tapi mereka cukup untuk menentukan waktu paruh isotop menarik ini - 75 juta tahun. Kemudian disempurnakan dan ternyata sama dengan 82,8 juta tahun. Pada tahun 1971, jejak isotop ini ditemukan di mineral tanah jarang bastnäsite. 244 Pu adalah isotop unsur transuranium yang berumur paling panjang.

Properti fisik:

Logam berwarna putih keperakan, memiliki 6 modifikasi alotropik. Titik lebur 637°C, titik didih - 3235°C. Massa jenis: 19,82 g/cm3.

Sifat kimia:

Plutonium mampu bereaksi dengan oksigen membentuk oksida(IV), yang, seperti ketujuh aktinida pertama, memiliki karakter basa lemah.
Pu + O 2 = PuO 2
Bereaksi dengan asam sulfat encer, klorida, perklorat.
Pu + 2HCl(p) = PuCl 2 + H 2 ; Pu + 2H 2 JADI 4 = Pu(JADI 4) 2 + 2H 2
Tidak bereaksi dengan asam nitrat dan asam sulfat pekat. Valensi plutonium bervariasi dari tiga hingga tujuh. Secara kimia, senyawa yang paling stabil (dan karenanya paling umum dan paling banyak dipelajari) adalah plutonium tetravalen. Pemisahan aktinida yang memiliki sifat kimia serupa - uranium, neptunium, dan plutonium - dapat didasarkan pada perbedaan sifat senyawa tetra dan heksavalennya.

Koneksi yang paling penting:

Plutonium(IV) oksida, PuO 2 , memiliki karakter dasar yang lemah.
...
...

Aplikasi:

Plutonium banyak digunakan dalam produksi senjata nuklir (disebut “plutonium tingkat senjata”). Perangkat nuklir berbasis plutonium pertama diledakkan pada 16 Juli 1945 di lokasi uji Alamogordo (uji dengan nama sandi Trinity).
Ini digunakan (secara eksperimental) sebagai bahan bakar nuklir untuk reaktor nuklir untuk keperluan sipil dan penelitian.
Plutonium-242 penting sebagai “bahan mentah” untuk akumulasi unsur transuranium tingkat tinggi yang relatif cepat dalam reaktor nuklir. Jika plutonium-239 diiradiasi dalam reaktor konvensional, maka diperlukan waktu sekitar 20 tahun untuk mengakumulasi sejumlah mikrogram, misalnya California-251 dari gram plutonium. Plutonium-242 tidak dapat difisilkan oleh neutron termal, dan bahkan dalam jumlah besar dapat diiradiasi dalam fluks neutron yang intens. Oleh karena itu, dalam reaktor, semua unsur mulai dari kalifornium hingga einsteinium “terbuat” dari isotop ini dan terakumulasi dalam jumlah berat.

Kovalenko O.A.
Universitas Negeri HF Tyumen

Sumber:
"Bahan kimia berbahaya: Zat radioaktif" Direktori L. 1990 hal.197
Rabinovich V.A., Khavin Z.Ya. "Buku Referensi Kimia Singkat" L.: Kimia, 1977 hal.90, 306-307.
DI DALAM. Beckman. Plutonium. (buku ajar, 2009)