10.3 Полоний

84 Po 210 Полоний Polonium

[Xe] 6s2 4f14 5d10 6p4

Элемент с порядковым номером 84 был предсказан в 1889 году Д. И. Менделеевым, а открыт в 1898 г. М. Кюри и П. Кюри при изучении аномальной радиоактивности урановых минералов. До этого было известно только два слабо радиоактивных химических элемента — уран и торий. Опыты были начаты с традиционного качественного анализа минерала по схеме, которую предложил немецкий химик-аналитик К.Р. Фрезениус еще в 1841 г. и по которой многие поколения студентов в течение почти полутора веков определяли катионы так называемым сероводородным методом. Проводя систематический анализ, М. Кюри каждый раз проверяла отдельные фракции (осадки и растворы) на радиоактивность с помощью чувствительного электрометра, изобретенного ее мужем. Прежде всего, минерал был растворен в азотной кислоте. Затем жидкость выпарили досуха, остаток растворили в воде и пропустили через раствор ток сероводорода. При этом выпал черный осадок, который мог содержать нерастворимые сульфиды свинца, висмута, меди, мышьяка, сурьмы и некоторых других металлов. Хотя уран и торий остались в растворе, осадок был радиоактивным. М. Кюри обработала его сульфидом аммония, чтобы отделить мышьяк и сурьму, — они в этих условиях образуют растворимые тиосоли, например (NH₄)₃AsS₄ и (NH₄)₃SbS₃. Раствор не обнаружил радиоактивности и был отброшен. В осадке остались сульфиды свинца, висмута и меди. Его снова растворили в азотной кислоте, добавили к раствору серную кислоту и выпарили на пламени горелки до появления густых белых паров SO₃. При этом летучая азотная кислота полностью удаляется, а нитраты металлов превращаются в сульфаты. После охлаждения смеси и добавления холодной воды в осадке оказался нерастворимый сульфат свинца PbSO₄ — активности в нем не было. К отфильтрованному раствору добавили крепкий раствор аммиака. Опять выпал осадок, на этот раз белого цвета; он содержал смесь основного сульфата висмута (BiO)₂SO₄ и гидроксида висмута Bi(OH)₃. В растворе же остался комплексный аммиакат меди [Cu(NH₃)₄]SO₄ ярко-синего цвета. Белый осадок, в отличие от раствора, оказался сильно радиоактивным. Поскольку свинец и медь были уже отделены, в нем остались висмут и примесь нового элемента. М. Кюри снова перевела белый осадок в темно-коричневый сульфид Bi₂S₃, высушила его и нагрела в вакуумированной ампуле. Сульфид висмута при этом не изменился (он устойчив к нагреву и лишь при 685°С плавится), однако из осадка выделились какие-то пары, которые осели в виде черной пленки на холодной части ампулы. Пленка была очень радиоактивной и, очевидно, содержала новый химический элемент — сосед висмута в периодической таблице. Это и был полоний — следующий после урана и тория радиоактивный элемент, вписанный в Периодическую таблицу. Лишь в 1910 году, переработав много урановой руды, удалось получить образец, содержащий 0,1 мг полония.

Элемент под № 84 был назван в честь родины Марии – полоний. Это первый элемент, вписанный в таблицу Д. И. Менделеева после открытия радиоактивности. Он же первый (по порядку атомных номеров) и самый легкий из элементов, не имеющих стабильных изотопов. Он же один из первых радиоактивных элементов, примененных в космических исследованиях.

Известно 6 природных изотопов, 20 радиоактивных искусственных изотопов и 9 изомера полония с массовыми числами от 192 до 218.

Полоний в природе очень редок, он существует только как продукт радиоактивного распада в урановых и ториевых минералах и образуется в результате радиоактивного распада долгоживущих радиоактивных элементов — тория и урана. Его изотопы служат промежуточными членами длинных цепочек распада (так называемых серий или рядов). Сами уран и торий, а также их соединения в чистом виде практически не представляют опасности, поскольку распадаются очень медленно — их радиоактивность мала. Однако при их распаде образуется множество радионуклидов, которые в сумме дают более интенсивную и более опасную радиацию. В равновесии с 1 г урана находится 7,6·10^-11 г Ро, а с 1 г Ra – 2,24·10^-4 г. Распространенность в земной коре равна 2·10^-14 масс. %.

Наиболее важным изотопом полония является - член естественного радиоактивного ряда ²³⁸U. Полоний в природе очень редок, он существует только как продукт радиоактивного распада урана-238 в урановых рудах.

Рис. Цепочка радиоактивных превращений, в результате которых образуется ²¹⁰Po

Именно с этим изотопом полония имели дело М. И П. Кюри. Таким образом, источником полония-210 может служить активный осадок радона, накапливающийся в старых радоновых ампулах. В равновесии с 1 г урана находится 7,6·10^-11 г Ро, а с 1 г Ra – 2,24·10^-4 г. Распространенность в земной коре равна 2·10^-14 масс.%.

Легкие изотопы полония — чистые альфа-излучатели. Начиная с ¹⁹⁸Ро к б-распаду добавляется электронный захват (иначе — К-захват), при котором электрон с самой внутренней электронной оболочки атома (К-оболочки) захватывается ядром. Начиная с нуклида ¹⁹⁹Ро, распад сопровождается г-излучением, энергия которого может составлять от 0,17 до 2,6 МэВ, причем данный нуклид способен испускать г-лучи разной энергии. Два тяжелых изотопа полония, ²¹⁵Ро и ²¹⁸Ро, в небольшой степени обладают также в-активностью.

В настоящее время получают в ядерном реакторе облучением висмутовой мишени нейтронами :

Bi (n, ) Bi Po

Более долгоживущий изотоп полония с массовым числом 209 и периодом полураспада 103 года можно получить путем облучения мишени из висмута-209 в циклотроне потоками протонов:

Bi(p, n) Po

Химические и физические свойства полония исследованы с помощью химических микрометодов, так как исследования с большими количествами полония осложнены высокой удельной радиоктивностью полония (массовая активность составляет 1,7 ·10¹⁴Бк/г). Специфическим носителем при изучении поведения микроколичеств полония является теллур.

Полоний – элемент главной подгруппы УI группы периодической системы. Наиболее устойчивой степенью окисления полония является +4. В электрохимическом ряду полоний занимает место между теллуром и серебром. По химическим свойствам полоний сходен со своим аналогом по группе периодической системы теллуром, и отчасти – с висмутом. Электронная конфигурация полония в основном состоянии 4 f¹⁴ 5d ¹⁰ 6s² 6p⁴, поэтому стоит ожидать, что степени окисления этого элемента будут –2, +2, +4, +6.

Полоний – серебристо – серый металл с желтоватым оттенком, напоминающий таллий и висмут, в темноте светится. Полоний легкоплавкий и легколетучий элемент с температурой плавления 254⁰С, кипения 962⁰С. На воздухе он быстро окисляется с образованием РоО₂, взаимодействует с галогенами с образованием соединений типа РоГ₄. Металлический полоний растворяется в азотной и соляной кислотах, при этом образуются соли РоCl₄ и Po(NO₃)₄. Полоний дает изоморфные кристаллы с теллуратами свинца и калия.

В водных растворах полоний является сильнейшим коллоидообразователем, в области рН ≥ 1 все соли и комплексные соединения полония гидролизованы и образуют как истинные растворы, так и псевдоколлоиды. В области рН = 7.5 соли полония дают истинные коллоиды и хорошо адсорбируются на стекле и бумаге.

Для отделения полония от компонентов активного осадка радона и от больших количеств облученного висмута применяют электрохимические методы, экстракцию, хроматографию и соосаждение. В лабораторной практике отделение полония от висмута осуществляется соосаждением с элементарным теллуром при их совместном восстановлении, а также с помощью бестокового осаждения, используя более положительное значение потенциала выделения полония по сравнению со свинцом, висмутом и теллуром.

Процесс экстракции полония из расплавленного висмута при 400-500⁰С с гидроксидом натрия в инертной атмосфере является технологическим способом извлечения его из облученного висмута.

Людям далеким от радиохимии и ядерной физики покажется странным утверждение: сегодня полоний значительно более важный элемент, чем радий. Исторические заслуги радия бесспорны, но это прошлое. Полоний- элемент сегодняшнего и завтрашнего дня. Прежде всего, это относится к изотопу полония-210. Изотоп полоний-210 - чистый альфа-излучатель . Испускаемые им частицы тормозятся в металле и, пробегая в нем всего несколько микрон, растрачивают при этом свою энергию. Благодаря большому тепловыделению полоний в основном используют в качестве источника тепловой и электрической энергии в космических аппаратах. В принципе кроме полония-210 для работы на космических станциях в качестве источников энергии приемлемы плутоний-238, стронций-90, церий-144 и кюрий-244. Но у полония-210 есть важное преимущество перед остальными изотопами-конкурентами - самая высокая удельная мощность, 1210 вт/см³. Он выделяет так много тепловой энергии, что это тепло способно расплавить образец. Чтобы этого не случилось, полоний помещают в свинцовую матрицу. Образующийся сплав полония и свинца имеет температуру плавления около 600 °С - намного больше, чем у каждого из составляющих металлов. Мощность, правда, при этом уменьшается, но она остается достаточно большой - около 150 вт/см³.

Есть, правда, у полония-210 и ограничение. Относительно малый период его полураспада - всего 138 дней - ставит естественный предел срока службы радиоизотопных источников с полонием.

Полоний-210 находит также применение в качестве наиболее доступного б – источника. Такой диск из нержавеющей стали с нанесённым на него ничтожным количеством полония служит удобным источником б-частиц для научных исследований.

Рис. Источник б-частиц

Кроме того, полоний находит применение для изготовления полоний – бериллиевых и полоний-борных источников нейтронов с малой гамма - активностью.

При работе с полонием необходимо соблюдать особую осторожность. Пожалуй, это один из самых опасных радиоактивных элементов. Максимально допустимым является содержание его в теле1.1·10³ Бк, что эквивалентно 6.8·10^-12г. Он легко проникает внутрь сквозь кожные покровы. Его активность так велика, что хотя он излучает только альфа-частицы, брать его руками нельзя, так как можно получить сильные ожоги кожи. Полоний опасен и на расстоянии, так как легко переходит в аэрозольную форму и заражает воздух. Поэтому работать с ним необходимо в камерах с отдельной фильтрационной системой. Соблюдая эти условия, легко защититься от альфа - излучения полония.