Neptunium

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Eigenschaften
[Rn] 5f46d17s2
93Np
Allgemein
Name,Symbol,Ordnungszahl Neptunium, Np, 93
Elementkategorie Actinoide
Gruppe,Periode,Block Ac,7,f
Aussehen silbrig
CAS-Nummer

7439-99-8

EG-Nummer 231-108-8
ECHA-InfoCard 100.028.280
Massenanteil an derErdhülle 4 · 10−14ppm[1]
Atomar[2]
Atommasse 237,0482u
Atomradius (α-Np) 130pm
Elektronenkonfiguration [Rn] 5f46d17s2
1.Ionisierungsenergie 6.26554(25)eV[3]604.53kJ/mol[4]
2. Ionisierungsenergie 11.5(4) eV[3]1110 kJ/mol[4]
3. Ionisierungsenergie 19.7(4) eV[3]1900 kJ/mol[4]
4. Ionisierungsenergie 33.8(4) eV[3]3260 kJ/mol[4]
5. Ionisierungsenergie 48.0(1,9) eV[3]4630 kJ/mol[4]
Physikalisch[2]
Aggregatzustand fest
Modifikationen 3
Kristallstruktur orthorhombisch
Dichte 20,45 g/cm3
Schmelzpunkt 912K(639[5]°C)
Siedepunkt 4175 K[5](3902 °C)
Molares Volumen 11,59 · 10−6m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 1420 kJ·mol−1[1]
Schmelzenthalpie 39,91[1]kJ·mol−1
Elektrische Leitfähigkeit 0,82 · 106S·m−1bei 293[1]K
Wärmeleitfähigkeit 6,30W·m−1·K−1bei 300[1]K
Chemisch[2]
Oxidationszustände +3, +4,+5,+6, +7
Normalpotential −1,79V
(Np3++ 3 e→ Np)
Elektronegativität 1,36 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE(MeV) ZP
235Np {syn.} 396,1d α 5,192 231Pa
ε 0,124 235U
236Np {syn.} 1,54 · 105a ε 0,940 236U
β 0,490 236Pu
α 5,020 232Pa
237Np {syn.} 2,144 · 106a α 4,959 233Pa
238Np {syn.} 2,117d β 238Pu
239Np {syn.} 2,355d β 239Pu
Weitere Isotope sieheListe der Isotope
Gefahren- und Sicherheitshinweise
Radioaktiv
Radioaktiv
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung
keine Einstufung verfügbar[6]
Soweit möglich und gebräuchlich, werdenSI-Einheitenverwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten beiStandardbedingungen.

Neptuniumist einchemisches Elementmit demElementsymbolNp und derOrdnungszahl93. ImPeriodensystemsteht es in der Gruppe derActinoide(7. Periode,f-Block). Neptunium ist das erste der sogenanntenTransurane,die auf der Erde, bis auf Spuren von Neptunium undPlutonium,nicht mehr natürlich vorkommen. Neptunium ist ein giftiges undradioaktivesSchwermetall.Es wurde benannt nach demPlanetenNeptun,der auf den PlanetenUranusfolgt. Neptunium folgt im Periodensystem aufUran,dann folgt Plutonium, das auf der Erde natürlich vorkommende Element mit der höchsten Ordnungszahl.

Das radioaktive Element Neptunium synthetisiertenEdwin M. McMillanundPhilip H. Abelsonerstmals 1940 durch Beschuss von Uran mit Neutronen.[7][8][9]

Die angegebenen Zeiten sindHalbwertszeiten.

Arthur C. WahlundGlenn T. Seaborgentdeckten 1942 das Neptuniumisotop237Np. Es entsteht aus237U, das ein β-Strahler mit rund 7 Tagen Halbwertszeit ist, oder durch einen (n, 2n)-Prozess aus238U.237Np ist ein α-Strahler mit einer Halbwertszeit von 2,144 · 106Jahren.[10]

Im Jahr 1950 wurden aus233U,235U und238U durch Beschuss mitDeuteronendie Neptuniumisotope231Np,232Np und233Np erzeugt.[11]Im Jahr 1958 wurden aus hochangereichertem235U durch Beschuss mit Deuteronen die Neptuniumisotope234Np,235Np und236Np erzeugt.[12]Die 1-Stunden Neptunium-Aktivität, die zuvor dem241Np zugewiesen worden ist, gehört hingegen zum Isotop240Np.[13]

Gewinnung und Darstellung

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Gewinnung von Neptuniumisotopen

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Neptunium entsteht alsNebenproduktder Energiegewinnung inKernreaktoren.Eine Tonne abgebrannterKernbrennstoffkann etwa 500 g Neptunium enthalten.[14]So entstandenes Neptunium besteht fast ausschließlich aus dem Isotop237Np. Es entsteht aus dem Uranisotop235U durch zweifachenNeutroneneinfangund anschließendenβ-Zerfall.

Eine deutlich weniger häufige Möglichkeit ist die (n,2n) Reaktion in238U. - Ein Neutron trifft auf und zwei Neutronen werden emittiert. Diese Reaktion benötigt allerdings schnelle Neutronen, um die endotherme Reaktion mit ausreichend Energie zu versorgen und hat einen relativ kleinen Wirkungsquerschnitt.

237Np ist auch ein Glied derZerfallsreihevon241Am, entsteht also unweigerlich inAmericium-Proben. Angesichts der Halbwertszeit von241Am von über 400 Jahren sind jedoch, in der Zeit seit Menschen Americium herstellen, nur verhältnismäßig geringe Mengen Neptunium auf diese Weise entstanden.

Darstellung elementaren Neptuniums

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Metallisches Neptunium kann durchReduktionaus seinen Verbindungen erhalten werden. Zuerst wurdeNeptunium(III)-fluoridmit elementaremBariumoderLithiumbei 1200 °C zur Reaktion gebracht.

Physikalische Eigenschaften

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Neptuniummetall hat ein silbernes Aussehen, ist chemisch reaktiv und existiert in mindestens drei verschiedenen Modifikationen:[1]

Modifikationenbei Atmosphärendruck
Phasenbezeichnung stabiler Temperaturbereich Dichte (Temperatur) Kristallsystem
α-Np 20,25 g/cm3(20 °C) orthorhombisch
β-Np über 280 °C 19,36 g/cm3(313 °C) tetragonal
γ-Np über 577 °C 18,0 g/cm3(600 °C) kubisch

Neptunium besitzt eine der höchsten Dichten aller Elemente. NebenRhenium,Osmium,IridiumundPlatinist es eines der wenigen Elemente, die eine höhere Dichte als 20 g/cm3besitzen.

Chemische Eigenschaften

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Neptunium bildet eine Reihe von Verbindungen, in denen es in denOxidationsstufen+3 bis +7 vorliegen kann. Damit besitzt Neptunium zusammen mit Plutonium die höchste mögliche Oxidationsstufe aller Actinoiden. In wässriger Lösung haben die Neptuniumionen charakteristische Farben, so ist das Np3+-Ion purpurviolett, Np4+gelbgrün, NpVO2+grün, NpVIO22+rosarot und NpVIIO23+tiefgrün.[15]

Biologische Aspekte

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Eine biologische Funktion des Neptuniums ist nicht bekannt.[16]EinigeanaerobeMikroorganismen können mittels Mn(II/III)- und Fe(II)-Spezies Np(V) zu Np(IV) reduzieren.[17]Ferner wurden die Faktoren untersucht, die dieBiosorption[18][19]undBioakkumulation[20]des Neptuniums durch Bakterien beeinflussen.

Von Neptunium sind insgesamt 20 Isotope und 5Kernisomerebekannt. Die langlebigsten Isotope sind237Np mit 2,144 Mio. Jahren,236Np mit 154.000 Jahren und235Np mit 396,1 Tagen Halbwertszeit. Die restlichen Isotope und Kernisomere besitzen Halbwertszeiten zwischen 45 Nanosekunden (237m1Np) und 4,4 Tagen (234Np).

  • 235Npzerfällt mit 396,1 Tagen Halbwertszeit in 99,99740 % der Fälle durch Elektroneneinfang zu Uran235U und in 0,00260 % der Fälle durch Alphazerfall zu Protactinium231Pa, das sich eine Stufe hinter235U auf derUran-Actinium-Reihebefindet.
  • 236Npzerfällt mit 154.000 Jahren Halbwertszeit in 87,3 % der Fälle durch Elektroneneinfang zu Uran236U, in 12,5 % der Fälle durch Betazerfall zu Plutonium236Pu und in 0,16 % der Fälle durch Alphazerfall zu Protactinium232Pa. Diese Nuklide liegen auf derThorium-Reihe.
  • 237Npzerfällt mit 2,144 Mio. Jahren Halbwertszeit durch Alphazerfall zu Protactinium233Pa.237Np ist offizieller Ausgangspunkt derNeptunium-Reihe,einer Zerfallskette, die beim IsotopThallium205Tl endet.
Eine Probe von Neptunium-Metall (237Np), umhüllt von einer dicken Wolfram- und Nickelschicht (glänzend) in Schalen aus angereichertem Uran (schwarz angelaufen).[21]

Wie bei allen Transuran-Nukliden ist auch bei den Np-Isotopen die neutroneninduzierte Kernspaltung möglich. Die Isotope mit ungerader Neutronenanzahl im Kern – von den langlebigen also236Np – haben großeWirkungsquerschnittefür die Spaltung durchthermische Neutronen;beim236Np beträgt er 2600Barn[22],es ist also „leicht spaltbar “.

Bei dem im Kernreaktorbrennstoff anfallenden237Np beträgt dieser Wirkungsquerschnitt nur 20 Millibarn.[22]Dieses Isotop ist jedoch aufgrund anderer kernphysikalischer Eigenschaften geeignet, mit der Spaltung durchschnelleNeutronen im reinen Material eineKettenreaktionaufrechtzuerhalten. ImLos Alamos National Laboratorywurde seinekritische Masseexperimentell zu etwa 60 kg bestimmt.[23][24][25]Daher ist237Np ein mögliches Material für Kernwaffen.[26][27]

Das in Kernreaktoren aus235U erbrütete237Np kann zur Gewinnung von238Pu zur Verwendung inRadionuklidbatteriengenutzt werden. Dazu wird das Neptunium bei der Aufbereitung von abgebrannten Brennstäben abgetrennt und in Form vonNeptunium(IV)-oxidin neueBrennstäbegefüllt. Diese werden in einen Kernreaktor eingesetzt, wo sie erneut mit Neutronen bestrahlt werden; aus dem237Np wird dabei238Pu erbrütet.[28]Das Plutonium wird anschließend aus den Neptuniumbrennstäben abgetrennt. Andere denkbare Verwendungsmöglichkeiten scheitern zumeist am hohen Preis von Neptunium, da selbst bei derWiederaufarbeitungNeptunium nur äußerst selten vomalten Brennstoffabgetrennt wird, was sich wiederum daher erklärt, dass es kaum Anwendungen für Neptunium und entsprechend wenig Nachfrage gibt.

Die angegebenen Zeiten sindHalbwertszeiten.
Neptunium in den Oxidationsstufen +3 bis +7 in wässriger Lösung.

→ Kategorie:Neptuniumverbindung

Bekannt sind Oxide in den Stufen +4 bis +6:Neptunium(IV)-oxid(NpO2),Neptunium(V)-oxid(Np2O5) undNeptunium(VI)-oxid(NpO3· H2O).[29]Neptuniumdioxid (NpO2) ist das chemisch stabilste Oxid des Neptuniums und findet Verwendung inKernbrennstäben.

Für Neptunium sind Halogenide in den Oxidationsstufen +3 bis +6 bekannt.[30]

Für die Stufe +3 sind sämtliche Verbindungen der vierHalogeneFluor,Chlor,BromundIodbekannt. Darüber hinaus bildet es Halogenide in den Stufen +4 bis +6.

In der Oxidationsstufe +6 ist dasNeptuniumhexafluorid(NpF6) von besonderer Bedeutung. Es ist ein orangefarbener Feststoff mit sehr hoher Flüchtigkeit, der schon bei 56 °C in den gasförmigen Zustand übergeht. In dieser Eigenschaft ähnelt es sehr demUranhexafluoridundPlutoniumhexafluorid,daher kann es genauso in der Anreicherung undIsotopentrennungverwendet werden.

Oxidationszahl F Cl Br I
+6 Neptunium(VI)-fluorid
NpF6
orange
+5 Neptunium(V)-fluorid
NpF5
hellblau
+4 Neptunium(IV)-fluorid
NpF4
grün
Neptunium(IV)-chlorid
NpCl4
rotbraun
Neptunium(IV)-bromid
NpBr4
dunkelrot
+3 Neptunium(III)-fluorid
NpF3
violett
Neptunium(III)-chlorid
NpCl3
grün
Neptunium(III)-bromid
NpBr3
grün
Neptunium(III)-iodid
NpI3
violett

Metallorganische Verbindungen

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Analog zuUranocen,einerOrganometallverbindungin der Uran von zweiCyclooctatetraen-Liganden komplexiert ist, wurden die entsprechenden Komplexe vonThorium,Protactinium,Plutonium, Americium und auch des Neptuniums, (η8-C8H8)2Np, dargestellt.[31]

Sicherheitshinweise

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Einstufungen nach derCLP-Verordnungliegen nicht vor, weil diese nur die chemische Gefährlichkeit umfassen und eine völlig untergeordnete Rolle gegenüber den auf der Radioaktivität beruhenden Gefahren spielen.

Commons:Neptunium– Sammlung von Bildern und Audiodateien
Wiktionary: Neptunium– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
  • Eintrag zuNeptunium.In:Römpp Online.Georg Thieme Verlag, abgerufen am 3. Januar 2015.
  • Robin Giroux:Neptunium,Chemical & Engineering News, 2003.
  • Wissenschaft-Online-Lexika:Neptuniumverbindungenim Lexikon der Chemie.
  1. abcdefHarry H. Binder:Lexikon der chemischen Elemente,S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999,ISBN 3-7776-0736-3,S. 413–419.
  2. Die Werte der atomaren und physikalischen Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, auswww.webelements.com (Neptunium)entnommen.
  3. abcdeEintrag zuneptuniumin Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019):NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1).Hrsg.:NIST,Gaithersburg, MD.doi:10.18434/T4W30F(physics.nist.gov/asd).Abgerufen am 13. Juni 2020.
  4. abcdeEintrag zuneptuniumbeiWebElements,www.webelements.com,abgerufen am 13. Juni 2020.
  5. abA. F. Holleman,E. Wiberg,N. Wiberg:Lehrbuch der Anorganischen Chemie.102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007,ISBN 978-3-11-017770-1,S. 2149.
  6. Die von der Radioaktivität ausgehenden Gefahren gehören nicht zu den einzustufenden Eigenschaften nach der GHS-Kennzeichnung. In Bezug auf weitere Gefahren wurde dieses Element entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
  7. E. McMillan, P. H. Abelson:Radioactive Element 93,in:Physical Review,1940,57,S. 1185–1186 (doi:10.1103/PhysRev.57.1185.2).
  8. Neue Elemente,in:Angewandte Chemie,1947,59(2), S. 61–61.
  9. A. B. Garrett:The Chemistry of Elements 93, 94, 95 and 96 (Neptunium, Plutonium, Americium and Curium),in:The Ohio Journal of Science,1947,XLVII(3), S. 103–106 (PDF).
  10. K. Wirtz:Die neuen Elemente Neptunium, Plutonium, Americium und Curium.In:Zeitschrift für Naturforschung.1, 1946, S. 543–544 (online).
  11. L. B. Magnusson, S. G. Thompson, G. T. Seaborg:New Isotopes of Neptunium,in:Physical Review,1950,78(4), S. 363–372 (doi:10.1103/PhysRev.78.363).
  12. J. E. Gindler, J. R. Huizenga, D. W. Engelkemeir:Neptunium Isotopes: 234, 235, 236,in:Physical Review,1958,109(4), S. 1263–1267 (doi:10.1103/PhysRev.109.1263).
  13. Richard M. Lessler, Maynard C. Michel:Isotopes Np240and Np241,in:Physical Review,1960,118(1), S. 263–264 (doi:10.1103/PhysRev.118.263).
  14. Klaus Hoffmann:Kann man Gold machen? Gauner, Gaukler und Gelehrte. Aus der Geschichte der chemischen Elemente.Urania-Verlag, Leipzig, Jena, Berlin 1979,S.233.
  15. A. F. Holleman,E. Wiberg,N. Wiberg:Lehrbuch der Anorganischen Chemie.102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007,ISBN 978-3-11-017770-1,S. 1956.
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  26. David Albright, Kimberly Kramer:Neptunium 237 and Americium: World Inventories and Proliferation Concerns,August 2005 (PDF).
  27. Walter Seifritz:Nukleare Sprengkörper – Bedrohung oder Energieversorgung für die Menschheit?,Thiemig-Verlag, München 1984.
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  29. A. F. Holleman,E. Wiberg,N. Wiberg:Lehrbuch der Anorganischen Chemie.102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007,ISBN 978-3-11-017770-1,S. 1972.
  30. A. F. Holleman,E. Wiberg,N. Wiberg:Lehrbuch der Anorganischen Chemie.102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007,ISBN 978-3-11-017770-1,S. 1969.
  31. Christoph Elschenbroich:Organometallchemie,6. Auflage, Wiesbaden 2008,ISBN 978-3-8351-0167-8,S. 589.