stringtranslate.com

Диоксид тория

Диоксид тория (ThO 2 ), также называемый оксидом тория (IV) , представляет собой кристаллическое твердое вещество, часто белого или желтого цвета. Также известный как торий , это главным образом побочный продукт производства лантаноидов и урана . [4] Торианит — это название минералогической формы диоксида тория . Он умеренно редок и кристаллизуется в изометрической системе. Температура плавления оксида тория составляет 3300 °C – самая высокая из всех известных оксидов. Лишь несколько элементов (в том числе вольфрам и углерод ) и несколько соединений (в том числе карбид тантала ) имеют более высокие температуры плавления. [6] Все соединения тория, включая диоксид, радиоактивны, поскольку не существует стабильных изотопов тория .

Структура и реакции

Тория существует в виде двух полиморфов. Один из них имеет кристаллическую структуру флюорита . Это редкость среди бинарных диоксидов. (Другие бинарные оксиды со структурой флюорита включают диоксид церия , диоксид урана и диоксид плутония .) [ необходимы разъяснения ] Ширина запрещенной зоны тория составляет около 6  эВ . Известна также тетрагональная форма тория.

Диоксид тория более стабилен, чем монооксид тория (ThO). [7] Только при тщательном контроле условий реакции окисление металлического тория может привести к образованию монооксида, а не диоксида. При чрезвычайно высоких температурах диоксид может превратиться в монооксид либо в результате реакции диспропорционирования (равновесие с жидким металлическим торием) при температуре выше 1850 К (1580 ° C; 2870 ° F), либо в результате простой диссоциации (выделение кислорода) при температуре выше 2500 К (2230 К). °С; 4040 °F). [8]

Приложения

Ядерное топливо

Диоксид тория (тория) может использоваться в ядерных реакторах в качестве керамических топливных таблеток, обычно содержащихся в ядерных топливных стержнях, плакированных циркониевыми сплавами. Торий не делится (но «плодороден», образуя делящийся уран-233 под нейтронной бомбардировкой); следовательно, его необходимо использовать в качестве топлива ядерного реактора в сочетании с делящимися изотопами урана или плутония. Этого можно достичь путем смешивания тория с ураном или плутонием или использования его в чистом виде совместно с отдельными топливными стержнями, содержащими уран или плутоний. Диоксид тория имеет преимущества перед обычными топливными таблетками диоксида урана из-за его более высокой теплопроводности (более низкой рабочей температуры), значительно более высокой температуры плавления и химической стабильности (не окисляется в присутствии воды/кислорода, в отличие от диоксида урана).

Диоксид тория можно превратить в ядерное топливо, превратив его в уран-233 ( дополнительную информацию об этом см. ниже и в статье о тории ). Высокая термическая стабильность диоксида тория позволяет применять его при газопламенном напылении и высокотемпературной керамике.

Сплавы

Диоксид тория используется в качестве стабилизатора вольфрамовых электродов при сварке TIG , электронных лампах и авиационных газотурбинных двигателях. Как сплав, торированный вольфрам нелегко деформируется, поскольку торий из материала с высокой температурой плавления увеличивает механические свойства при высоких температурах, а торий помогает стимулировать эмиссию электронов ( термионов ) . Это самая популярная оксидная добавка из-за ее низкой стоимости, но в настоящее время она постепенно вытесняется нерадиоактивными элементами, такими как церий , лантан и цирконий .

Никель с дисперсией тория находит свое применение в различных высокотемпературных операциях, таких как двигатели внутреннего сгорания, поскольку он является хорошим материалом, устойчивым к ползучести. Его также можно использовать для улавливания водорода. [9] [10] [11] [12] [13]

Катализ

Диоксид тория почти не имеет ценности в качестве коммерческого катализатора, но его применение хорошо изучено. Это катализатор в синтезе больших колец Ружички . Другие области применения, которые были изучены, включают крекинг нефти , преобразование аммиака в азотную кислоту и получение серной кислоты . [14]

Рентгеноконтрастные вещества

Диоксид тория был основным ингредиентом торотраста , когда-то распространенного радиоконтрастного вещества, используемого для церебральной ангиографии , однако через много лет после введения он вызывает редкую форму рака ( ангиосаркому печени ). [15] Это использование было заменено инъекционным йодом или пероральной суспензией сульфата бария в качестве стандартных рентгеноконтрастных агентов.

Колпаки ламп

Еще одним важным применением в прошлом была газовая оболочка фонарей, разработанная Карлом Ауэром фон Вельсбахом в 1890 году, которая на 99% состоит из ThO 2 и на 1% оксида церия (IV) . Еще в 1980-х годах было подсчитано, что для этой цели использовалось около половины всего производимого ThO 2 (несколько сотен тонн в год). [16] В некоторых мантиях все еще используется торий, но в качестве замены все чаще используется оксид иттрия (или иногда оксид циркония ).

Производство стекла

Три линзы от пожелтевшей до прозрачной слева направо.
Пожелтевшая линза из диоксида тория (слева), аналогичная линза, частично обесцвеченная ультрафиолетовым излучением (в центре), и линза без пожелтения (справа)

Добавление в стекло диоксида тория помогает увеличить его показатель преломления и уменьшить дисперсию . Такое стекло находит применение в высококачественных линзах для фотоаппаратов и научных приборов. [17] Излучение этих линз может с течением времени потемнеть и пожелтеть, а также испортить пленку, но риск для здоровья минимален. [18] Пожелтевшие линзы можно вернуть в исходное бесцветное состояние путем длительного воздействия интенсивного ультрафиолетового излучения. Диоксид тория с тех пор был заменен оксидами редкоземельных элементов, такими как оксид лантана , почти во всех современных стеклах с высоким показателем преломления, поскольку они обеспечивают аналогичные эффекты и не являются радиоактивными. [19]

Рекомендации

  1. ^ abcdefg Хейнс, с. 4,95
  2. ^ Хейнс, с. 4.136
  3. ^ Хейнс, с. 4.144
  4. ^ аб Ямасита, Тосиюки; Нитани, Норико; Цудзи, Тошихидэ; Инагаки, Хироницу (1997). «Термическое расширение NpO 2 и некоторых других диоксидов актинидов». Дж. Нукл. Мэтр . 245 (1): 72–78. Бибкод : 1997JNuM..245...72Y. дои : 10.1016/S0022-3115(96)00750-7.
  5. ^ «Диоксид тория». pubchem.ncbi.nlm.nih.gov .
  6. ^ Эмсли, Джон (2001). Строительные блоки природы (твердый переплет, первое изд.). Издательство Оксфордского университета . стр. 441. ISBN. 978-0-19-850340-8.
  7. ^ Он, Хеминг; Маевский, Ярослав; Оллред, Дэвид Д.; Ван, Пэн; Вэнь, Сяодун; Ректор Кирк Д. (2017). «Образование твердого монооксида тория в условиях, близких к окружающей среде, наблюдаемое с помощью нейтронной рефлектометрии и интерпретируемое с помощью экранированных гибридных функциональных расчетов». Журнал ядерных материалов . 487 : 288–296. Бибкод : 2017JNuM..487..288H. дои : 10.1016/j.jnucmat.2016.12.046 .
  8. ^ Хох, Майкл; Джонстон, Херрик Л. (1954). «Реакция, происходящая на торированных катодах». Варенье. хим. Соц . 76 (19): 4833–4835. дои : 10.1021/ja01648a018.
  9. ^ Митчелл, Брайан С. (2004). Введение в материаловедение. и наука в области химии и материалов. Джон Уайли и сыновья. п. 473. ИСБН 978-0-471-43623-2.
  10. ^ Робертсон, Уэйн М. (1979). «Измерение и оценка улавливания водорода в ториевом дисперсном никеле». Металлургические и сырьевые операции А . 10 (4): 489–501. Бибкод : 1979MTA....10..489R. дои : 10.1007/BF02697077. S2CID  137105492.
  11. ^ Кумар, Арун; Насралла, М.; Дуглас, Д.Л. (1974). «Влияние иттрия и тория на окислительное поведение сплавов Ni-Cr-Al». Окисление металлов . 8 (4): 227–263. дои : 10.1007/BF00604042. hdl : 2060/19740015001 . ISSN  0030-770X. S2CID  95399863.
  12. ^ Стрингер, Дж.; Уилкокс, бакалавр; Джаффи, Род-Айленд (1972). «Высокотемпературное окисление сплавов никель-20 мас.% хрома, содержащих дисперсные оксидные фазы». Окисление металлов . 5 (1): 11–47. дои : 10.1007/BF00614617. ISSN  0030-770X. S2CID  92103123.
  13. ^ Мурр, LE (1974). «Межфазная энергетика в системах ТД-никель и ТД-нихром». Журнал материаловедения . 9 (8): 1309–1319. Бибкод : 1974JMatS...9.1309M. дои : 10.1007/BF00551849. ISSN  0022-2461. S2CID  96573790.
  14. ^ Столл, Вольфганг (2012) «Торий и соединения тория» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана . Wiley-VCH, Вайнхайм. дои : 10.1002/14356007.a27_001
  15. ^ Торотраст. Radiopaedia.org
  16. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов. Оксфорд: Пергамон Пресс . стр. 1425, 1456. ISBN. 978-0-08-022057-4.
  17. ^ Хаммонд, CR (2004). Элементы в Справочнике по химии и физике (81-е изд.). ЦРК Пресс . ISBN 978-0-8493-0485-9.
  18. ^ Ассоциированные университеты Ок-Риджа (1999). «Торированный объектив фотоаппарата (ок. 1970-е)» . Проверено 29 сентября 2017 г.
  19. ^ Столл, В. (2005). «Торий и ториевые соединения». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайли-ВЧ. п. 32. дои :10.1002/14356007.a27_001. ISBN 978-3-527-31097-5.

Цитируемые источники