Калифорниум

Калифорниум — радиоактивен хемиски елемент со симбол Cf и атомски број 98. Овој елемент првпат бил синтетизиран во 1950 година во Националната лабораторија на Лоренс Беркли (тогашна радијациона лабораторија при Калифорнискиот универзитет), со бомбардирање на кириумот со алфа-честички ( хелиум-4 јони ). Тоа е актиноиден елемент, шестиот трансурански елемент кој треба да се синтетизира, и ја има втората највисока атомска маса од сите елементи кои се произведени во количества доволно големи за да се видат со голо око (по ајнштајниумот ). Овој елемент е именуван по универзитетот и државата Калифорнија .

Калифорниум  (₉₈Cf)

Општи својства
Име и симбол	калифорниум (Cf)
Изглед	сребрана
Калифорниумот во периодниот систем
Dy ↑ Cf ↓ (Upn) берклиум ← калифорниум → ајнштајниум
Атомски број	98
Стандардна атомска тежина (Ar)	(251)
Категорија	актиноид
Група и блок	група б.б., f-блок
Периода	VII периода
Електронска конфигурација	[Rn] 5f10 7s2
по обвивка	2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
Физички својства
Фаза	цврста
Точка на топење	1.173 K ​(900 °C)
Точка на вриење	1.743 K ​(1.470 °C) (претпоставка)
Густина близу с.т.	15,1 г/см3
Атомски својства
Оксидациони степени	2, 3, 4
Електронегативност	Полингова скала: 1,3
Енергии на јонизација	I: 608 kJ/mol
Спектрални линии на калифорниум
Разни податоци
Кристална структура	​двојно шестаголна збиена (дшаз)
Мосова тврдост	3–4
CAS-број	7440-71-3
Историја
Наречен по	Според Калифорнија, каде бил откриен
Откриен	Лоренс Берклиева национална лабораторија (1950)
Најстабилни изотопи
изо ПЗ полураспад РР РЕ (MeV) РП 248Cf веш 333,5 д α (100 %) 6,369 244Cm СЦ (2,9×10−3 %) 0,0029 – 249Cf расеан 351 г α (100 %) 6,295 245Cm СЦ (5,0×10−7 %) 4,4×10−7 – 250Cf траги 13,08 г α (99,92 %) 6,129 246Cm СЦ (0,08 %) 0,077 – 251Cf траги 898 г α 6,172 247Cm 252Cf траги 2.645 г α (96,91 %) 6,217 248Cm СЦ (3,09 %) – – 253Cf траги 17,81 д β− (99,69 %) 0,29 253Es α (0,31 %) 6,126 249Cm 254Cf веш 60,5 д СЦ (99,69 %) – – α (0,31 %) 5,930 250Cm
Наводи за изотопи

Постојат две кристални форми на калифорниум под нормален притисок: еден погоре и еден под 900 °C (1,650 °F). Третиот облик постои при висок притисок. Калифорниумот полека потемнува на воздух при собна температура. Соединенијата на калифорниум доминираат при оксидационата состојба 3. Најстабилниот калифорниумов изотоп, од дваесетте познати изотопи е калифорниум-251, кој има полуживот од 898 години. Овој краток полуживот значи дека елементот не се наоѓа во значајни количини во Земјината кора. Калифорниум-252, со полуживот од околу 2.645   години, е најчест изотоп кој се користи и се произведува во Националната лабораторија во Оук Риџ во САД и истражувачкиот институт за атомските реактори во Русија.

Калифорниумот е еден од ретките трансураниумски елементи кои имаат практична примена. Повеќето од овие примени го искористуваат својството на одредени изотопи на калифорниум за емитување на неутрони. На пример, калифорниумот може да се искористи за да се започнат со работа јадрените реактори и се користи како извор на неутрони при проучувањето на материјали со помош на неутронско расејување и неутронска спектроскопија. Калифорниумот, исто така, може да се користи во јадрена синтеза на повисоки масивни елементи, оганесонот (118 елемент) се синтетизира со бомбардирање на атоми на калифорниум-249 со јони на калциум-48. Корисниците на калифорниумот мора да ги земат предвид радиолошките опасности и способноста на елементот да го наруши создавањето на црвените крвни клетки со биоакумулација во скелетното ткиво.

Особености

Физички својства

Калифорниумот е сребрено бел актиноиден метал со точка на топење од 900 ± 30 °C (1,650 ± 50 °F) и проценета точка на вриење од 1,745 K (1,470 °C; 2,680 °F). Чистиот метал е ковлив лесно се сече со жилет. Самиот метал започнува да испарува над 300 °C (570 °F) кога е изложен на вакуум. Под 51 K (−222 °C; −368 °F) калифорниумот е феромагнетен или феримагнетичен (се однесува како магнет), меѓу 48 и 66 K тој е антиферомагнетичен (преодна состојба), и над 160 K (−113 °C; −172 °F) е парамагнетизам (надворешните магнетни полиња може да го направат магнетичен). Создава легури со лантаноидите но многу малку се знае за истите.

Елементот има две кристаални облици под притисок од 1 стандардна атмосфера: двојна-близуслеан шестаголен облик наречен алфа (α) и челно централен коцкест облик наречен бета (β). Обликот α постои под 600–800 °C со густина од 15,10 g/cm³ и обликот β кој постои над 600–800 °C со густина од 8,74 g/cm³. на притисок од 48 GPa обликот β се менува во орторомпски кристален систем поради промената на местоположбата на 5f електроните на атомот, што пак овозможува истите да се сврзат.

Модулот на збивливост на еден материјал е мерка за неговиот отпор на подеднаков притисок. Модулот на збивливост на калифорниумот изнесува 50 ± 5 GPa, што е слично н тривалентнителантаноидни метали но помал од попознатите метали, како на пример алуминиумот чиј модул на збивливост изнесува (70 GPa).

Хемиски својства и соединенија

Повеќе информации: Соединенија на калифорниумот

Претставителни калифорниски соединенија

состојба	соединение	равенка	боја
2	калифорниум (II) бромид	CfBr 2	жолта
2	калифорниум (II) јодид	CfI 2	темновиолетова
3	калифорниум (III) оксид	Cf 2 O 3	жолто-зелена
3	калифорниум (III) флуорид	CfF 3	светлозелена
3	калифорниум (III) хлорид	CfCl 3	смарагд зелен
3	калифорниум (III) бромид	CfBr 3	жолтеникаво зелено
3	калифорниум (III) јодид	CfI 3	лимон жолта
3	калифорниум (III) борат	CF [B 6 O 8 (OH) 5 ]	бледо зелено
4	калифорниум (IV) оксид	CfO 2	црно кафеава
4	калифорниум (IV) флуорид	CfF 4	зелена

Калифорниумот може да има оксидациони состојби 4, 3, или 2. Вообичаено образува осум или девет врскисо ближните атоми или јони. За хемиските својства се предвидува дека се слични на останатите 3 валентни актиноиди и со елементот диспрозиум, кој е лантаноидот над калифорниумот во периодниот систем. Елементот полека потемнува на собна температура, процес кој се забрзува со додавањето на влага.Калифорниумот реагира кога е загреан со водород, азот или халкогени (кислородно семејство елементи), реакциите со сув водород и водени неоргански киселини се брзи.

Калифорниумоте само растворлив во вода како калифорниум(III) катјон. Обидите да се редуцира или оксидира 3 јонот во раствор се неуспешни. Елементот образува соединенија растворливи во вода како хлорид, нитрат, перхлорат и сулфат и образува флуорид, оксалат, или хидроксид. Калифорниумот е натешкиот актиноид кој изразува ковалентни својства, како што е случајот со калифорниум боратот.

Изотопи

Главна статија: Изотопи на калифорниумот

Опишани се 20 радиоизотопи на калифорниумот, од кои најстабилен е калифорниум-251 со полуживот од 898 години, калифорниум-249 со полуживот од 351 година, калифорниум-250 со полуживот од 13,08 години и калифорниум-252 со полуживот од 2,645 години. Сите останати изотопи се со полуживоти пократки од една година, и повеќето од овие полуживоти се пократки од 20 минути. Изотопите на калифорниумот имаат масен број од 237 до 256.

Калифорниум-249 се добива преку бета-распад на берклиум-249, и повеќето други изотопи на калифорниумот се добиени со изложување на берклиумот на силно неутронско зрачење во јадрени реактори. Иако калифорниум-251 го има најдолгиот полуживот, неговото добивање изнесува само 10% поради склоноста да ги зафаќа неутроните (високо неутронско зафаќање) и неговата склоност да заемнодејствува со други честички (висок неутронски пресек).

Калифорниум-252 е многу силен неутронски оддавач, што го прави крајно радиоактивен и штетен по здравјето. Калифорниум-252 подлежи на алфа-распад 96,9% од времето и се добива кириум-248 додека пак останатите 3,1% распадите се спонтано цепење. Еден микрограм (µg) на калифорниум-252 оддава 2,3 милиони неутрони во секунда, и просечно по 3,7 неутрони при спонтано цепење. Повеќето од другите изотопи на калифорниумот се распаѓаат во изотопи на кириум (атомски број 96) преку алфа-распад.

Историја

Циклотрон со пречник од 1,52 m кој се користи за првата синтеза на калифорниум

Калифорниумот за првпат е синтетизиран при Калифорнискиот универзитет при Зрачната лабораторија во Беркли, од страна на физичарите Стенли Томпсон, Кенет Стрит, Алберт Џиорсо и Глен Сиборг на или околу 9 февруари 1950 година. Станува збор за шестиот откриен трансураниумски елемент; екипата своето откритие го објавила на 17 март 1950 година.

За да се доие калифорниум, мета со маса од 1 миктро грам кириум-242 () е бомбардирана со 35 MeV-алфа-честички () во циклотронот со пречник од 60-инч-diameter (1.52 м) при Веркли, со што се добива калифорниум-245 () плус еден слободен неутрон (
n
).

→ 1
0
n

При овој експеримент добиени се околу 5.000 атоми на калифорниум, и овие атоми имаат полуживот од 44 минути.

Откривачите елементот го нарекле според државата и универзитетот каде работеле. Ова беше оддалечување д правилото за елементите 95 до 97, чие именување било од елементите кои се наоѓале директно над нив во периодниот систем. Сепак, еленементот над елементот 98 во периодниот систем, диспрозиум, има има кое значи „тежок за добиање“ па истражувачите се решиле да отстапат од досега употребуваното правило на именување. Тие изјавиле „најдоброто е што можеме да посочиме дека на ... истражувачите пред еден век им било тешко да стигнат до Калифорнија.“

Мерливи количества на калифорниум биле за првпат добиени со озрачување на плутониумови мети при Реакторот за тестирање на материјали при Националната реакорска станица за тестирање во источно Ајдахо; и овие откритие биле објавени во 1954 година. Во овие примероци бил забележан високиот чекор на спонтано цепење на калифорниум-252. Првиот експеримент со калифорниум во концетрирани количини се случил во 1958 година. Изотопите калифорниум-249 до калифорниум-252 се изолирани истата година од плутониум-239 кој бил озрачен со неутрони во јадрен реактор во текот на пет години. Две години подоцна во 1960 година, Бурис Канингам и Џејмс Валман од Лоренцовата зрачна лабораторија при Калифорнискиот универзитет ги создале првите калифорниумови соединенија—калифорниум трихлорид, калифорниум оксихлорид и калифорниум оксид, кога калифорниумот го изложиле со хлороводородна кислеина во облик на пареа.

Високофлуксниот изотопен реактор (ВФИР) при Нациионалната лабораторија „Оук Риџ“ (НЛОР) во Оук Риџ, Тенеси, започнал да произведува мали количества на калифорниум во 1960-ите години. До 1995 година, ВФИР номинално произведувал 500 milligrams (0.018 oz) на калифорниум годишно. Плутониумот со потекло од Велика Британија се превезувал во САД според договорот за заедничка одбрана меѓу САД и Велика Британија од 1958 година, се користел за добивање на калифорниумот.

Атомската енергетска комисија го продавала калифорниум-252 на индустриските и академските побарувачи во почетокот на 1970-ите по цена од $10 за микрограм и во просек се испоралувале 150 mg (0.0053 oz) на калифорниум-252 секоја година од 1970 до 1990 година. Калифорниумот првпат бил добиен хемиски во 1974 година од страна на Хаире и Бајбарзкој го редуцирале калифорниум(III) оксидот сп лантан со што добиле микрограмски количества на тенки филмови со дебелина од неколку микрометри.

Појава

Траги од калифорниум може да се забележат во близина на објекти кои го користат металот за потрага на минерали и медицински третмани. Елементот е нерастворлив во вода, но добро се распространува во почвата каде неговите концентрации може да бидат и 500 пати поголеми од водата која се наоѓа во близина на почвата.

Радиоактивните врнежи од атмосферата поради јадрените тестирања пред 1980 година придонеле мало количество на калифорниум да се појави во околината. Калифорниумовите изотопи со масен број 249, 252, 253 и 254 се забележани во радиоактивната прав собрана по јадрената експлозија. Калифорниумот не е опфатен од легислативата на Депарментот за енергија на САД бидејќи не се произвел во доволно големи количества.

Во еден период се верувало дека калифорниумот се добивал во суперновите, бидејќи нивнот распад се поклопувал со полуживотот од 60 дена на ²⁵⁴Cf. Сепак, последователните истражувања покажале дека не постои калифорниум во спектрите на суперновите, и денес се смета дека светлинските криви на суперновите го следат распадот на никел-56.

Трансураниумовите елементи од америциум до фермиум, вклучувајќи го тука и калифорниумот, се добиени природно во природниот цепен реактор во Окло, но денес тоа не се случува.

Производство

Поврзано: Циклус на јадреното гориво

Калифорниумот се добива во јадрените реактори и забрзувачите на честички. Калифорниум-250 се добива со бомбардирање на берклиум-249 (249
97Bk
) со неутрони, со што се добива берклиум-250 (250
97Bk
) со неутронско зафаќање (n,γ) по што, преку, брз бета-распад (β⁻) се добива калифорниум-250 (250
98Cf
) преку следнава реакција:

249
97Bk
(n,γ)250
97Bk
→ 250
98Cf
β⁻

Бомбардирањето на калифорниум-250 со неутрони образува калифорниум-251 и калифорниум-252.

Подолговременото изложување на америциумот, кириумот и плутониумот со неутрони создава милиграмски количества на калифорниум-252 и кикрограмски количества на калифорниум-249. Од 2006 година, изотопите на кириум 244 до 248 се озрачувани со неутрони во специјални реактори за да се добие калифорниум-252 со помали количества на изотопите 249 до 255.

Микрограмски количества на калифорниум-252 се достапни за комерцијална употреба од страна на Комисијата за јадрена регулација на САД. Само две места произведуваат калифорниум-252: Националната лабораторија „Оук Риџ“ во САД, и Истражувачкиот институт за атомски реактори во Димитровград, Русија. Од 2003 година, произведувачите произведуваат соодветно 0,25 грама и 0,025 грама калифорниум-252 годишно, respectively.

Се произведуваат три калифорниумови изотопи со значајни полуживоти, што пак побарува 15 неутронски зафати од ураниум-238 без јадрено цепење или алфа-распади во текот на добивањето. Калифорниум-253 екрајниот производ на синџирот кој започнува со ураниум-238, вклучувајќи неколку изотопи на плутониумот, америциумот, кириумот, берклиумот, и калифорнимовите изотопи од 249 до 253 (Погледајте го дијаграмот).

Шема на производство на калифорниум-252 од ураниум-238 со неутронско озрачување

Примена

50-тонска испорака на сад изграден во Националната лабораторија „Оук Риџ“ кој може да пренесува до 1 грам ²⁵² Cf. Потребни се големи и силно заштитени транспортни контејнери за да се спречи ослободувањето на високорадиоактивен материјал во случај на нормални и хипотетички несреќи.

Калифорниум-252 има определен број на специјализирани примени како силен неутронски оддавач, и секој микрограм на свежо добиен калифорниум обезбедува 139 милиони неутрони во минута. Ова својство го прави калифорниумот корисен како неутронски почетен извор за некои јадрени реактори и како пренослив (нереакторски) неутронски извор за неутронско активирана анализа со која би се забележале траги од елементите во примероците. Неутроните од калифорниумот се вклучени во управувањето на одредени матерични и мозочни ракови каде останатите радијациона терапија не е делотворна. Се користи во образовни цели од 1969 година кога Џорџискиот институт за технологија добил на заем 119 µg калифорниум-252 од реакторот на централата Савана Ривер. Исто така се користи и како метал за анализаторите на јаглен и материјалните анализатори во јаглената и цементната индустрија.

Неутронското пробивање во материјалите го прави калифорниумот корисен како инструмент за детекција во скенерите горивните прачки; неутронската радиотерапија на авионски летала и делови на оружја за да се открие корозијата, лошите варови, пукнатините и заробената влага; и преносните детектори на метал. Неутронските уреди за влага користат калифорниум-252 за да најдат вода и петролејски слоеви во нафтените ископи, како неутронски извор за потрага на злато и сребро и анализа на лице место, и да се забележи движењето на подземните води. Позначајната употреба на калифорниум-252 во 1982, според следниов редослед беше како важни но секундарни употреби, стартување на реакторите (48,3%), скенирање на горивните прачки (25,3%), и активациона анализа (19,4%). До 1994 година поголемиот дел од калифорниум-252 во неутронската радиографија (77,4%), за скенирање на горивните прачки (12,1%) и за стартување на реакторите (6,9%).

Калифорниум-251 има многу мала пресметана критична маса од околу 5 kg (11 lb), голема смртност, и релативно краток период на радиоактивно отровно загадување на околината. Малата критична маса на калифорниумот довела до некои претерани тврдења за можна употреба на елементот.

Во октомври 2006 година, истражувачите објавија дека се добиени три атоми на оганесон (118 елемент), откритие забележано од страна на Здружениот институт за јадрени истражувања во Дубна, Русија, како производ на бомбардирањето на калифорниум-249 со калциум-48, правејќи го најтешкиот вештачки добиен елемент. Метата за овој експеримент содржела околу 10 mg на калифорниум-249 нанесен на титанска фолија со површина од 32 см². Калифорниумот исто така се користел и за добивање на други трансураниумови елементи, како на пример, елементот 103 (подоцна именуван како лоренциум) вештачки добиен во 1961 година со бомбардирање на калифорниум со јадра на бор.

Мерки на претпазливост

Калифорниумот кој се бионасобира во скелетното ткиво ослободува зрачење кое ја нарушува способноста на телото да создава црвени крвни клетки. Елементот нема никаква биолошка улога во оргљанизмите поради својата силна радиоактивност и малата застапеност во околината.

Калифорниумот може да навлезе во телото преку внесѕување на загадена храна или пијалаци или пак преку вдишување на воздух во кој се присутни честички од елементот. Кога е во телото, само 0,05% од калифорниумот ќе стигне во крвотокот. Околу 65% од тој калифорниум ќе се наталожи во скелетот, 25% во црниот дроб, а остатокот во останатите органи, или пак ќе се излачи, воглавно преку урината. Половината од калифорниумот во скелетот и црниот дроб ќе го снема соодветно по 50 и 20 години. Калифорниумот во скелетот првично е на површината од коските за подоцна да се распострани во внатрешноста.

елементот е особено опасен ако се внесе во телото. Дополнително, калифорниум-249 и калифорниум-251 може да предизвикаат и надворешно оштетување на ткивото, преку оддавање на гама-зраци. Јонизирачкото зрачење оддадено од калифорниумот во коските и црниот дроб може да предизвика рак.

Библиографија

• Cotton, F. Albert; Wilkinson, Geoffrey; Murillo, Carlos A.; Bochmann, Manfred (1999). Advanced Inorganic Chemistry (6. изд.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-19957-1.
• CRC contributors (1991). Walker, Perrin; Tarn, William H. (уред.). Handbook of Metal Etchants. CRC Press. ISBN 978-0-8493-3623-2.
• CRC contributors (2006). Lide, David R. (уред.). Handbook of Chemistry and Physics (87th. изд.). CRC Press, Taylor & Francis Group. ISBN 978-0-8493-0487-3.
• Cunningham, B. B. (1968). „Californium“. Во Hampel, Clifford A. (уред.). The Encyclopedia of the Chemical Elements. Reinhold Book Corporation. LCCN 68029938.
• Emsley, John (1998). The Elements. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-855818-7.
• Emsley, John (2001). „Californium“. Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850340-8.
• Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2. изд.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-3365-9.
• Haire, Richard G. (2006). „Californium“. Во Morss, Lester R.; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean (уред.). The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements (3. изд.). Springer Science Business Media. ISBN 978-1-4020-3555-5.
• Heiserman, David L. (1992). „Element 98: Californium“. Exploring Chemical Elements and their Compounds. TAB Books. ISBN 978-0-8306-3018-9.
• Jakubke, Hans-Dieter; Jeschkeit, Hans, уред. (1994). Concise Encyclopedia Chemistry. trans. rev. Eagleson, Mary. Walter de Gruyter. ISBN 978-3-11-011451-5.
• Krebs, Robert (2006). The History and Use of our Earth's Chemical Elements: A Reference Guide. Greenwood Publishing Group. ISBN 978-0-313-33438-2.
• National Research Council (U.S.). Committee on Radiation Source Use and Replacement (2008). Radiation Source Use and Replacement: Abbreviated Version. National Academies Press. ISBN 978-0-309-11014-3.
• O'Neil, Marydale J.; Heckelman, Patricia E.; Roman, Cherie B., уред. (2006). The Merck Index: An Encyclopedia of Chemicals, Drugs, and Biologicals (14. изд.). Merck Research Laboratories, Merck & Co. ISBN 978-0-911910-00-1.
• Osborne-Lee, I. W.; Alexander, C. W. (1995). „Californium-252: A Remarkable Versatile Radioisotope“. Oak Ridge Technical Report ORNL/TM-12706. doi:10.2172/205871.
• Ruiz-Lapuente, P.; Canal, R.; Isern, J. (1996). Thermonuclear Supernovae. Springer Science Business Media. ISBN 978-0-7923-4359-2.
• Seaborg, Glenn T.; Loveland, Walter D. (1990). The Elements Beyond Uranium. John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-89062-1.
• Seaborg, Glenn T. (1994). Modern alchemy: selected papers of Glenn T. Seaborg. World Scientific. ISBN 978-981-02-1440-1.
• Seaborg, Glenn T. (1996). Adloff, J. P. (уред.). One Hundred Years after the Discovery of Radioactivity. Oldenbourg Wissenschaftsverlag. ISBN 978-3-486-64252-0.
• Seaborg, Glenn T. (2004). „Californium“. Во Geller, Elizabeth (уред.). Concise Encyclopedia of Chemistry. McGraw-Hill. стр. 94. ISBN 978-0-07-143953-4.CS1-одржување: ref=harv (link)
• Szwacki, Nevill Gonzalez; Szwacka, Teresa (2010). Basic Elements of Crystallography. Pan Stanford. ISBN 978-981-4241-59-5.
• Weeks, Mary Elvira; Leichester, Henry M. (1968). „21: Modern Alchemy“. Discovery of the Elements. Journal of Chemical Education. стр. 848–850. ISBN 978-0-7661-3872-8. LCCN 68015217.

Надворешни врски

• Californium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• NuclearWeaponArchive.org – Californium
• Hazardous Substances Databank – Californium, Radioactive