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 , он в основном является побочным продуктом 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. Только несколько элементов (включая вольфрам и углерод ) и несколько соединений (включая карбид тантала ) имеют более высокие температуры плавления. [6] Все соединения тория, включая диоксид, радиоактивны, поскольку у тория нет стабильных изотопов .

Структура и реакции

Thoria существует в виде двух полиморфных модификаций. Одна из них имеет кристаллическую структуру флюорита . Это необычно для бинарных диоксидов. (Другие бинарные оксиды со структурой флюорита включают диоксид церия , диоксид урана и диоксид плутония .) [ необходимо разъяснение ] Ширина запрещенной зоны тория составляет около 6  эВ . Также известна тетрагональная форма тория.

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

Приложения

Ядерное топливо

Диоксид тория (Thoria) может использоваться в ядерных реакторах в качестве керамических топливных таблеток, обычно содержащихся в ядерных топливных стержнях, покрытых сплавами циркония. Торий не является расщепляющимся (но является «фертильным», производя расщепляющийся уран-233 под действием нейтронной бомбардировки); следовательно, его следует использовать в качестве топлива для ядерного реактора в сочетании с расщепляющимися изотопами урана или плутония. Этого можно достичь путем смешивания тория с ураном или плутонием или использования его в чистом виде в сочетании с отдельными топливными стержнями, содержащими уран или плутоний. Диоксид тория имеет преимущества по сравнению с обычными топливными таблетками из 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 может быть превращен в ядерное топливо путем его разведения в уран-233 (см. ниже и обратитесь к статье о тории для получения дополнительной информации об этом). Высокая термическая стабильность диоксида тория позволяет применять его в пламенном напылении и высокотемпературной керамике.

Сплавы

Диоксид тория используется в качестве стабилизатора в вольфрамовых электродах при сварке TIG , электронных лампах и авиационных газотурбинных двигателях. В качестве сплава торированный вольфрамовый металл нелегко деформируется, поскольку высокоплавкий материал торий усиливает высокотемпературные механические свойства, а торий помогает стимулировать эмиссию электронов ( термионов ). Это самая популярная оксидная добавка из-за ее низкой стоимости, но ее постепенно заменяют нерадиоактивными элементами, такими как церий , лантан и цирконий .

Никель, диспергированный торием, находит 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 не имеет почти никакой ценности как коммерческий катализатор, но такие применения были хорошо исследованы. Он является катализатором в синтезе большого кольца Ружички . Другие приложения, которые были исследованы, включают крекинг нефти , превращение аммиака в азотную кислоту и получение серной кислоты . [14]

Рентгеноконтрастные вещества

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

Калитки для ламп

Другим важным применением в прошлом была газовая калильная сетка фонарей, разработанная Карлом Ауэром фон Вельсбахом в 1890 году, которая состояла из 99% ThO 2 и 1% оксида церия (IV) . Даже в конце 1980-х годов было подсчитано, что около половины всего произведенного ThO 2 (несколько сотен тонн в год) использовалось для этой цели. [16] В некоторых калильных сетках по-прежнему используется торий, но оксид иттрия (или иногда оксид циркония ) все чаще используется в качестве замены.

Производство стекла

Три линзы от желтоватых до прозрачных слева направо
Пожелтевшая линза из диоксида тория (слева), похожая линза, частично обесцвеченная ультрафиолетовым излучением (в центре), и линза без пожелтения (справа)

При добавлении в стекло диоксид тория помогает увеличить его показатель преломления и уменьшить дисперсию . Такое стекло находит применение в высококачественных линзах для камер и научных приборов. [17] Излучение от этих линз может затемнить их и сделать желтыми в течение нескольких лет и ухудшить качество пленки, но риски для здоровья минимальны. [18] Пожелтевшие линзы можно восстановить до их первоначального бесцветного состояния путем длительного воздействия интенсивного ультрафиолетового излучения. С тех пор диоксид тория был заменен оксидами редкоземельных элементов, такими как оксид лантана, почти во всех современных стеклах с высоким индексом, поскольку они обеспечивают аналогичные эффекты и не являются радиоактивными. [19]

Ссылки

  1. ^ abcdefg Хейнс, стр. 4.95
  2. ^ Хейнс, стр. 4.136
  3. ^ Хейнс, стр. 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). Nature's Building Blocks (Твердый переплет, Первое издание). Oxford University Press . С. 441. ISBN 978-0-19-850340-8.
  7. ^ Хе, Хеминг; Маевский, Ярослав; Оллред, Дэвид Д.; Ван, Пэн; Вэнь, Сяодун; Ректор, Кирк Д. (2017). «Формирование твердого оксида тория в условиях, близких к окружающим, как наблюдалось с помощью нейтронной рефлектометрии и интерпретировалось с помощью экранированных гибридных функциональных расчетов». Журнал ядерных материалов . 487 : 288–296. Bibcode : 2017JNuM..487..288H. doi : 10.1016/j.jnucmat.2016.12.046 .
  8. ^ Хох, Майкл; Джонстон, Херрик Л. (1954). «Реакция, происходящая на торированных катодах». J. Am. Chem. Soc . 76 (19): 4833–4835. doi :10.1021/ja01648a018.
  9. ^ Митчелл, Брайан С. (2004). Введение в материаловедение. и наука о химии и материалах. John Wiley & Sons. стр. 473. ISBN 978-0-471-43623-2.
  10. ^ Робертсон, Уэйн М. (1979). «Измерение и оценка захвата водорода в никеле, диспергированном оксидом тория». Metallurgical and Materials Transactions A. 10 ( 4): 489–501. Bibcode : 1979MTA....10..489R. doi : 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. doi :10.1007/BF00604042. hdl : 2060/19740015001 . ISSN  0030-770X. S2CID  95399863.
  12. ^ Стрингер, Дж.; Уилкокс, БА; Джаффи, РИ (1972). «Высокотемпературное окисление сплавов никеля с 20 мас.% хрома, содержащих дисперсные оксидные фазы». Окисление металлов . 5 (1): 11–47. doi :10.1007/BF00614617. ISSN  0030-770X. S2CID  92103123.
  13. ^ Murr, LE (1974). «Межфазная энергетика в системах TD-никель и TD-нихром». Журнал материаловедения . 9 (8): 1309–1319. Bibcode :1974JMatS...9.1309M. doi :10.1007/BF00551849. ISSN  0022-2461. S2CID  96573790.
  14. ^ Stoll, Wolfgang (2012) "Thorium and Thorium Compounds" в Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry . Wiley-VCH, Weinheim. doi :10.1002/14356007.a27_001
  15. ^ Торотраст. radiopaedia.org
  16. ^ Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов. Оксфорд: Pergamon Press . С. 1425, 1456. ISBN 978-0-08-022057-4.
  17. ^ Хаммонд, CR (2004). Элементы, в Справочнике по химии и физике (81-е изд.). CRC Press . ISBN 978-0-8493-0485-9.
  18. ^ Oak Ridge Associated Universities (1999). "Thoriated Camera Lens (ca. 1970s)" . Получено 29 сентября 2017 .
  19. ^ Stoll, W. (2005). "Торий и соединения тория". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Wiley-VCH. стр. 32. doi :10.1002/14356007.a27_001. ISBN 978-3-527-31097-5.

Цитируемые источники