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 .
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]
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.
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]
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]
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.
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 ).
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]