Neptunij

Neptunij,₉₃Np

Neptunij uperiodnom sistemu
↓ ↓ → →
Hemijski element,Simbol,Atomski broj	Neptunij, Np, 93
Serija	Aktinoidi
Grupa,Perioda,Blok	Ac, 7,f
Izgled	srebreno bijeli
CAS registarski broj	7439-99-8
Zastupljenost	4 · 10-17%
Atomske osobine
Atomska masa	237,0482u
Atomski radijus(izračunat)	130 (-) pm
Kovalentni radijus	- pm
Van der Waalsov radijus	- pm
Elektronska konfiguracija	[Rn] 5f46d17s2
Broj elektronauenergetskom nivou	2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
1. energija ionizacije	604,5 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje	čvrsto
Kristalna struktura	ortorombska, tetragonalna i kubična
Gustoća	20450 kg/m3
Tačka topljenja	912 K (639°C)
Tačka ključanja	4175 K (3902°C)
Molarni volumen	11,59 · 10-6m3/mol
Toplota isparavanja	1420kJ/mol
Toplota topljenja	39,91kJ/mol
Brzina zvuka	?m/s
Specifična električna provodljivost	0,82 · 106S/m pri 293 K
Toplotna provodljivost	6,3 W/(m · K) kod 300 K
Hemijske osobine
Oksidacioni broj	3, 4,5,6, 7
Elektrodni potencijal	-1,79V(Np3++ 3e-→ Np)
Elektronegativnost	1,36 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER(MeV) PR 235Np sin 396,1d α 5,192 231Pa ε 0,124 235U 236Np sin 1,54 · 105god ε 0,940 236U β- 0,490 236Pu α 5,020 232Pa 237Np u tragovima 2,144 · 106god α 4,959 233Pa
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja Oznaka upozorenja nepoznata
Obavještenja o riziku i sigurnosti	R:/ S:/
Ostala upozorenja
Radioaktivnost
Radioaktivni element Radioaktivni element
Ako je moguće i u upotrebi, koriste seosnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.

Neptunijjehemijski elementsa simbolomNpiatomskim brojem93. U periodnom sistemu elemenata nalazi se u grupiaktinoida(f-blok7. periode). Neptunij je prvi među takozvanimtranuranijskimelementima, koji se, osim tragova neptunija i plutonija, na Zemlji više ne nalaze u prirodi. Neptunij je otrovni iradioaktivniteški metal. Ime je dobio po planetiNeptun,jer ta planeta u Sunčevom sistemuslijedinakonUrana.Analogno planetama, neptunij također slijedi uranij uperiodnom sistemu,a nakon njega slijediplutonij,najteži element koji se može naći u prirodi, sa atomskim brojem 94.

Historija

Mendeljejev periodni sistem iz 1871. sa prazninom za neptunij u donjoj ivici, nakon uranija (U = 240)

U maju 1934. njemačka fizičarka ihemičarkaIda Noddack-Tackeobjavila je zapažanja o tadašnjim prazninama u periodnom sistemu elemenata te je na kraju svog rada postavila teoriju o mogućnosti postojanja transuranskih elemenata.Nekoliko sedmica kasnijeEnrico Fermiobjavio je tri svoj rada na istu temu.Noddack se u septembru 1934. u nizu diskusija razišla sa Fermijem po pitanju navodnog otkrića elementa 93. U svojim izlaganjima, ona je između ostalog predvidjela njegovo otkriće pomoću cijepanja atomskih jezgara indukovanihneutronima.Bilo bi zamislivo da bi se bombardovanjem teških jezgara neutronima, ona raspala u nekolikovećih(naglašeno) "komada", koji bi možda bili izotopi već poznatih elemenata ali ne i susjedi (u PSE) ozračenih elemenata,izjavila je Noddack.

Radioaktivni element neptunij prvi put su sintetizirali 1940. naučniciEdwin M. McMillaniPhilip H. Abelsonbombardiranjem jezgara uranija neutronima.

$\mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2,355\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu}$

Navedena vremena odnose se na vremena poluraspada.

Arthur C. WahliGlenn T. Seaborgotkrili su 1942. izotop neptunija²³⁷Np. On je nastao iz izotopa uranija²³⁷U, koji emitira β-zrake sa vremenom poluraspada od sedam dana, ili (n, 2n) procesom iz izotopa²³⁸U. Izotop²³⁷Np emitira alfa-zrake a imavrijeme poluraspadaod oko 2.144.000 godina.

$\mathrm {^{238}_{\ 92}U\ {\xrightarrow[{}]{(n,\ 2n)}}\ _{\ 92}^{237}U\ {\xrightarrow[{7\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{237}Np\ {\xrightarrow[{2,144\ x\ 10^{6}\ a}]{\alpha }}\ _{\ 91}^{233}Pa}$

Godine 1950. iz izotopa uranija²³³U,²³⁵U i²³⁸U putem bombardiranjadeuteronimadobijeni su izotopi neptunija²³¹Np,²³²Np i²³³Np.Godine 1958. iz visokoobogaćenog uranija²³⁵U, također bombardiranjem deuteronima, dobijeni su izotopi²³⁴Np,²³⁵Np i²³⁶Np.Jednosatna aktivnost neptunija, koja je ranije pripisivana izotopu²⁴¹Np, zapravo "pripada" izotopu²⁴⁰Np.

Osobine

Fizičke

Metalni neptunij ima srebrenast izgled, hemijski je veoma reaktivan i postoji u najmanje trirazličite modifikacije:

Modifikacije pri atmosferskom pritisku

Oznaka faze	stabilni temperaturni raspon	gustoća (pri temperaturi)	kristalni sistem
α-Np		20,25 g/cm3(20 °C)	ortorompski
β-Np	iznad 280 °C	19,36 g/cm3(313 °C)	tetragonalni
γ-Np	iznad 577 °C	18,0 g/cm3(600 °C)	kubični

Smatra se da je neptunij jedan od najgušćih hemijskih elemenata. Poredrenija,osmija,iridijaiplatine,on je jedan od malobrojnih elemenata sa gustoćom iznad 20 g/cm³.

Hemijske

Neptunij gradi cijeli niz spojeva u kojima se može nalaziti uoksidacijskim stanjimaod +3 do +7. Tako neptunij zajedno splutonijemposjeduje najviše moguće oksidacijsko stanje među svim aktinoidima. U vodenim rastvorimaionineptunija imaju vrlo karakterističnu boju. Tako naprimjer ion Np³⁺je ljubičast, dok je Np⁴⁺žuto-zelen, a Np^VO₂⁺zelen. Osim njih, ion Np^VIO₂²⁺je ružičasto-crven dok je Np^VIIO₂³⁺tamno zelen.

Izotopi

Ukupno je poznato 20izotopaneptunija te petnuklearnih izomera.Najduže "živući" izotopi su²³⁷Np sa vremenom poluraspada od 2,144 miliona godina,²³⁶Np sa 154 hiljade godina i²³⁵Np sa 396,1 dana. Ostali izotopi i nuklearni izomeri imaju vremena poluraspada između 45 nanosekundi (^237m1Np) i 4,4 dana (²³⁴Np).

• ²³⁵Npse raspada savremenom poluraspadaod 396,1 dana, tako što se 99,9974% raspadne putemelektronskog zahvatanauranij²³⁵U a 0,0026% putem alfa-raspada naprotaktinij²³¹Pa, koji se nalazi jedan korak iza²³⁵U u takozvanoj uranij-aktinij seriji.
• ²³⁶Npse raspada sa vremenom poluraspada od 154.000 godina, tako što se 87,3% raspadne putem elektronskog zahvata na uranij²³⁶U, 12,5% se raspada putem beta-raspada naplutonij²³⁶Pu a 0,16% putem alfa-raspada na protaktinij²³²Pa. Uranij²³⁶U nalazi se u torijevoj seriji (lancu) raspada te se sa vremenom poluraspada od 23,42 miliona godina raspada do svog "zvaničnog" početnog nuklida²³²Th. Izotop²³⁶Pu se raspada uz vrijeme poluraspada od 2,858 godineputem alfa-raspada na "međuproizvod"²³²U, koji se uz vrijeme poluraspada od 68,9 godina opet raspada do²²⁸Th, izotop na glavnoj grani raspadnog lanca.
• ²³⁷Npraspada se sa vremenom poluraspada od 2,144 miliona godina putem alfa-raspada na protaktinij²³³Pa.²³⁷Np je tako i glavno polazište neptunijeve serije, lanca raspada koji završava stabilnim izotopomtalija²⁰⁵Tl.

Dobijanje

Neptunij nastaje kao "sporedni proizvod" u proizvodnji energije unuklearnim reaktorima.U jednoj toni potrošenog nuklearnog goriva prosječno se nalazi 500 grama neptunija.Tako nastali neptunij gotovo u potpunosti se sastoji iz izotopa²³⁷Np. On nastaje izuranija²³⁵U nakon dvostrukog zahvata neutrona i konačnim beta-raspadom.

$\mathrm {^{235}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{236}U_{m}\ {\xrightarrow[{120\ ns}]{}}\ _{\ 92}^{236}U\ +\ \gamma }$

$\mathrm {^{236}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{237}U\ {\xrightarrow[{6,75\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{237}Np}$

Metalni neptunij se može izdvojiti iz svojih spojeva putemredukcije.Tako naprimjer neptunij(III)-fluorid reagira sa elementarnimbarijemililitijempri temperaturi od 1200 °C.

$\mathrm {2\ NpF_{3}\ +\ 3\ Ba\ \longrightarrow \ 2\ Np\ +\ 3\ BaF_{2}}$

Cijepanje atoma

Kao i kod svih tranuranijskih nuklida, i kod izotopa neptunija moguće je cijepanje atoma pobuđenoneutronima.Izotopi sa neparnim brojem neutrona u jezgru, počev od vrlo postojanog²³⁶Np, imaju vrlo veliki poprečni presjek za cijepanje pomoću termalnih neutrona. Kod izotopa²³⁶Np taj presjek iznosi 2600barna.On je, dakle, "lahko cjepljiv".

Kod izotopa²³⁷Np koji nastaje iz goriva u nuklearnim reaktorima, poprečni presjek cijepanja iznosi samo 20 milibarna.Ipak, taj izotop je i dalje pogodan zbog drugih fizičkih osobina atoma, kojim je moguće održati lančanufisijsku reakcijunjegovim cijepanjem pomoćubrzihneutrona u čistom materijalu. U američkojnacionalnoj laboratoriji Los Alamosnjegovakritična masaje eksperimentalno procijenjena na oko 60 kg.Stoga se izotop neptunija²³⁷Np smatra mogućim materijalom za izradunuklearnog oružja.

Upotreba

U nuklearnim reaktorima iz²³⁵U nastali neptunij²³⁷Np može se upotrijebiti za dobijanje²³⁸Pu koji se koristi uRTGbaterijama. U tu svrhu se on izdvaja iz iskorištenog nuklearnog goriva te se njime pune nuklearne gorive šipke, koje sadrže samo neptunij. Takve šipke se ponovno vraćaju u nuklearni reaktor gdje se iznova bombardiraju neutronima te iz²³⁷Np nastaje izotopplutonija²³⁸Pu.

$\mathrm {^{237}_{\ 93}Np\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ {\xrightarrow[{2,117\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu}$

Navedena vremena odnose se na vremena poluraspada.

Spojevi

Neptunij u oksidacijskim stanjima od +3 do +7 u vodenom rastvoru.

Oksidi

Poznati su oksidi neptunija u stanjima od +4 do +6:neptunij(IV)-oksid(NpO₂),neptunij(V)-oksid(Np₂O₅) ineptunij(VI)-oksid(NpO₃· H₂O).Neptunij-dioksid (NpO₂) je hemijski najstabilniji oksid neptunija te je primjenu našao u nuklearnim gorivim šipkama.

Halogenidi

Kod neptunija poznati su halogenidi u oksidacijskim stanjima od +3 do +6.Za stanje +3 poznati su odgovarajući spojevi četiri halogena:fluora,hlora,bromaijoda.Osim njih, on gradi i halogenide sa stanjima od +4 do +6.

U oksidacijskom stanju +6, od posebnog značaja jeneptunij-heksafluorid(NpF₆). To je narandžasta čvrsta tvar izuzetno velike volatilnosti (isparljivosti), jer već pri 56 °C prelazi u gasovito stanje. U tom pogledu ima dosta sličnosti sauranij-heksafluoridomiplutonij-heksafluoridom,pa se na isti način kao i oni može upotrijebiti za obogaćivanje i odvajanje izotopa.

Oksidacijski broj	F	Cl	Br	I
+6	neptunij(VI)-fluorid NpF6 narandžast
+5	neptunij(V)-fluorid NpF5 svijetlo plav
+4	neptunij(IV)-fluorid NpF4 zelen	neptunij(IV)-hlorid NpCl4 crveno-smeđ	neptunij(IV)-bromid NpBr4 tamno crven
+3	neptunij(III)-fluorid NpF3 ljubičast	neptunij(III)-hlorid NpCl3 zelen	neptunij(III)-bromid NpBr3 zelen	neptunij(III)-jodid NpI3 ljubičast

Biološki aspekt

Do danas nisu poznate biološke funkcije neptunija.Anaeorobni mikroorganizmi mogu reducirati Np(V) do Np(IV) pomoću nekih iona poput Mn(II/III)- i Fe(II).Također su ispitivani neki faktori, koji utječu na biosorpcijuibioakumulacijuneptunija putem bakterija.