Диоксид тория - Thorium dioxide

Диоксид тория
Флюорит-элементарная-3D-ionic.png
Имена
Имена ИЮПАК
Диоксид тория
Оксид тория (IV)
Другие имена
Тория
Ангидрид тория
Идентификаторы
3D модель (JSmol )
ECHA InfoCard100.013.842 Отредактируйте это в Викиданных
UNII
Характеристики
ThO2
Молярная масса264,037 г / моль[1]
Внешностьбелое твердое вещество[1]
Запахбез запаха
Плотность10,0 г / см3[1]
Температура плавления 3350 ° С (6060 ° F, 3620 К)[1]
Точка кипения 4400 ° С (7950 ° F, 4670 К)[1]
нерастворимый[1]
Растворимостьне растворим в щелочь
слабо растворим в кислота[1]
−16.0·10−6 см3/ моль[2]
2.200 (торианит)[3]
Структура
Флюорит (кубический), cF12
FM3м, №225
а = 559,74 (6) вечера[4]
Тетраэдр (O2−); кубическая (ThIV)
Термохимия
65,2 (2) Дж К−1 моль−1
−1226 (4) кДж / моль
Опасности
NFPA 704 (огненный алмаз)
точка возгоранияНегорючий
Смертельная доза или концентрация (LD, LC):
400 мг / кг
Родственные соединения
Другой катионы
Оксид гафния (IV)
Оксид церия (IV)
Родственные соединения
Оксид протактиния (IV)
Оксид урана (IV)
Если не указано иное, данные для материалов приводятся в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверять (что проверитьY☒N ?)
Ссылки на инфобоксы

Диоксид тория (ThO2), также называемый оксид тория (IV), представляет собой твердое кристаллическое вещество, часто белого или желтого цвета. Также известный как тория, он производится в основном как побочный продукт лантаноид и уран производство.[4] Торианит это название минералогической формы диоксида тория. Он умеренно редок и кристаллизуется в изометрической системе. Температура плавления оксида тория 3300 ° C - самая высокая из всех известных оксидов. Всего несколько элементов (включая вольфрам и углерод ) и несколько соединений (в том числе карбид тантала ) имеют более высокие температуры плавления.[5] Все соединения тория радиоактивны, потому что нет стабильных изотопы тория.

Структура и реакции

Тория существует как два полиморфа. У одного есть флюорит Кристальная структура. Это необычно среди двоичный диоксиды. Другие бинарные оксиды со структурой флюорита включают: диоксид церия, диоксид урана и диоксид плутония ).[требуется разъяснение ] В запрещенная зона тория около 6эВ. Известна также тетрагональная форма тория.

Двуокись тория более стабильна, чем окись тория (ThO).[6] Только при тщательном контроле условий реакции окисление металлического тория может дать моноксид, а не диоксид. При очень высоких температурах диоксид может превращаться в монооксид либо путем реакция диспропорционирования (равновесие с жидким металлическим торием) при температуре выше 1850 К (1580 ° C; 2870 ° F) или простой диссоциацией (выделение кислорода) при температуре выше 2500 K (2230 ° C; 4040 ° F).[7]

Приложения

Ядерное топливо

Диоксид тория (торий) может использоваться в ядерных реакторах в виде керамических топливных таблеток, обычно содержащихся в ядерных топливных стержнях, плакированных циркониевыми сплавами. Торий не делящийся (но «плодородный», воспроизводящий делящийся уран-233 при нейтронной бомбардировке); следовательно, его следует использовать в качестве топлива ядерного реактора вместе с делящимися изотопами урана или плутония. Это может быть достигнуто путем смешивания тория с ураном или плутонием или использования его в чистом виде вместе с отдельными топливными стержнями, содержащими уран или плутоний. Диоксид тория имеет преимущества перед обычными топливными таблетками из диоксида урана из-за его более высокой теплопроводности (более низкая рабочая температура), значительно более высокой точки плавления и химической стабильности (не окисляется в присутствии воды / кислорода, в отличие от диоксида урана).

Диоксид тория можно превратить в ядерный топлива путем воспроизводства его в уран-233 (см. ниже и см. статью о торий для получения дополнительной информации об этом). Высота термостойкость диоксида тория позволяет применять его при напылении пламенем и в высокотемпературной керамике.

Сплавы

Диоксид тория используется в качестве стабилизатора в вольфрам электроды в Сварка TIG, электронные лампы и авиационные газотурбинные двигатели. В качестве сплава торированный вольфрам нелегко деформировать, потому что высокоплавкий торий усиливает высокотемпературные механические свойства, а торий помогает стимулировать выделение электроны (термионы ). Это самая популярная оксидная добавка из-за ее низкой стоимости, но от нее отказываются в пользу нерадиоактивных элементов, таких как церий, лантан и цирконий.

Дисперсный никель с торией находит свое применение в различных высокотемпературных операциях, например в двигателях внутреннего сгорания, поскольку это хороший материал, устойчивый к ползучести. Его также можно использовать для улавливания водорода.[8][9][10][11][12]

Катализ

Диоксид тория почти не представляет ценности в качестве коммерческого катализатора, но такие применения хорошо изучены. Это катализатор в Синтез большого кольца Ружички. Другие приложения, которые были исследованы, включают крекинг нефти, преобразование аммиак к азотная кислота и подготовка серная кислота.[13]

Радиоконтрастные агенты

Диоксид тория был основным ингредиентом в Торотраст, некогда распространенный рентгеноконтрастный агент используется для церебральная ангиография однако он вызывает редкую форму рака (печеночный ангиосаркома ) через много лет после введения.[14] Это использование было заменено на инъекционный йод или проглатывать суспензия сульфата бария как стандарт рентгеновский снимок контрастные вещества.

Покрытия для ламп

Основная статья: Газовая мантия

Еще одно важное использование в прошлом было в газовая мантия фонарей, разработанных Карл Ауэр фон Вельсбах в 1890 г., которые на 99% состоят из ThO2 и 1% оксид церия (IV). Даже в конце 1980-х годов было подсчитано, что около половины всех ThO2 производимого (несколько сотен тонн в год) на эти цели.[15] Некоторые мантии все еще используют торий, но оксид иттрия (или иногда оксид циркония ) все чаще используется в качестве замены.

Производство стекла

Три линзы от пожелтевшей до прозрачной слева направо
Пожелтевшая линза из диоксида тория (слева), аналогичная линза, частично пожелтевшая под действием ультрафиолетового излучения (в центре), и линза без пожелтения (справа)

При добавлении в стекло, диоксид тория способствует увеличению его показатель преломления и уменьшить разброс. Такое стекло находит применение в качественных линзы для фотоаппаратов и научных инструментов.[16] Излучение этих линз может затемнить их и пожелтеть в течение многих лет и испортить пленку, но риск для здоровья минимален.[17] Пожелтевшие линзы можно вернуть в исходное бесцветное состояние путем длительного воздействия интенсивного ультрафиолетового излучения. С тех пор диоксид тория был заменен оксидами редкоземельных элементов, такими как оксид лантана почти во всех современных очках с высоким показателем преломления, поскольку они обеспечивают аналогичные эффекты и не являются радиоактивными.[18]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм Хейнс, стр. 4,95
  2. ^ Хейнс, стр. 4,136
  3. ^ Хейнс, стр. 4,144
  4. ^ а б Ямасита, Тошиюки; Нитани, Норико; Цудзи, Тошихидэ; Инагаки, Хироницу (1997). «Тепловые расширения NpO2 и некоторые другие диоксиды актинидов ». J. Nucl. Матер. 245 (1): 72–78. Bibcode:1997JNuM..245 ... 72Y. Дои:10.1016 / S0022-3115 (96) 00750-7.
  5. ^ Эмсли, Джон (2001). Строительные блоки природы (Твердый переплет, Первое издание). Oxford University Press. стр.441. ISBN  978-0-19-850340-8.
  6. ^ Он, Хеминг; Маевский, Ярослав; Оллред, Дэвид Д .; Ван, Пэн; Вэнь Сяодун; Ректор, Кирк Д. (2017). «Образование твердого монооксида тория в условиях, близких к температуре окружающей среды, что наблюдается с помощью нейтронной рефлектометрии и интерпретируется экранированными гибридными функциональными расчетами». Журнал ядерных материалов. 487: 288–296. Bibcode:2017JNuM..487..288H. Дои:10.1016 / j.jnucmat.2016.12.046.
  7. ^ Хох, Майкл; Джонстон, Херрик Л. (1954). «Реакция, протекающая на торированных катодах». Варенье. Chem. Soc. 76 (19): 4833–4835. Дои:10.1021 / ja01648a018.
  8. ^ Митчелл, Брайан С (2004). Введение в материаловедение. и наука о химии и материалах. п. 473. ISBN  978-0-471-43623-2.
  9. ^ Робертсон, Уэйн М. (1979). «Измерение и оценка улавливания водорода в никеле с дисперсным торием». Металлургические операции и операции с материалами A. 10 (4): 489–501. Bibcode:1979МТА .... 10..489р. Дои:10.1007 / BF02697077.
  10. ^ 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.
  11. ^ Stringer, J .; Wilcox, B.A .; Джеффи, Р. И. (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.
  12. ^ Мурр, Л. Э. (1974). «Межфазная энергетика в системах ТД-никель и ТД-нихром». Журнал материаловедения. 9 (8): 1309–1319. Дои:10.1007 / BF00551849. ISSN  0022-2461.
  13. ^ Штолль, Вольфганг (2012) «Торий и соединения тория» в Энциклопедия промышленной химии Ульмана. Wiley-VCH, Weinheim. Дои:10.1002 / 14356007.a27_001
  14. ^ Торотраст. radiopaedia.org
  15. ^ Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов. Оксфорд: Pergamon Press. С. 1425, 1456. ISBN  978-0-08-022057-4.
  16. ^ Хаммонд, К. Р. (2004). Элементы в Справочнике по химии и физике (81-е изд.). CRC Press. ISBN  978-0-8493-0485-9.
  17. ^ Ассоциированные университеты Ок-Ридж (1999). «Торированный объектив камеры (ок. 1970-х годов)». Получено 29 сентября 2017.
  18. ^ Столл, В. (2005). «Торий и соединения тория». Энциклопедия промышленной химии Ульмана. Wiley-VCH. п. 32. Дои:10.1002 / 14356007.a27_001. ISBN  978-3-527-31097-5.

Цитированные источники