Berkelium, het element

Berkelium is een kunstmatig zacht, zilverwit, radioactief metaal. Het is ontdekt in Lawrence Berkeley National Laboratory (1949) door Stanley G. Thompson and co-workers en vernoemd naar de stad Berkeley (Californië) waar het is ontdekt. Het komt niet in de natuur voor, of het moeten restanten zijn van nucleaire proeven en ongelukken met nucleaire installaties in het verleden. Het wordt aangemaakt in zeer kleine hoeveelheden in nucleaire reactoren. Het wordt gebruikt bij wetenschappelijk onderzoek en heeft geen industriële toepassing vanwege z'n schaarste en zeer hoge kostprijs.

Plaats in het periodiek systeem

Berkelium is een transurane radioactief chemisch element met symbool Bk en atoomnummer 97. Het element behoort tot de actiniden. Berkelium is voor het eerst aangemaakt door het beschieten van het element americium met helium ionen en is de vijfde kunstmatige transuraan die geproduceerd is. Het zilverkleurige metaal oxideert snel in lucht bij verhoogde temperatuur en lost op in mineraalzuur. Berkelium-249 is de meest gebruikte isotoop van berkelium, echter het kan slechts in kleine hoeveelheid per keer in een reactor gemaakt worden.

Algemene eigenschappen van berkelium

Chemische eigenschappen van berkelium

Fysische eigenschappen van berkelium

Isotopen van het element berkelium

Ongeveer twintig isotopen en zes nucleaire isomeren van berkelium zijn gedefinieerd. Ze zijn allemaal radioactief. De langste halfwaardetijden zijn 247Bk (1.380 jaar), 248Bk (9 jaar) en 249Bk (330 dagen); de halfwaardetijden van de andere isotopen variëren van microseconden tot dagen. De belangrijke isotopen zijn berkelium-249. en berkelium-247, een alfa-emitter.

Tabel stabielste isotopen

Allotropen van het element berkelium

Bij atmosferische druk en kamertemperatuur neemt berkelium zijn stabiele kristalstructuur aan, het hexagonale rooster. Deze kristalstructuur verandert met druk en temperatuur. Samengeperst bij kamertemperatuur tot 7 GPa, of verhit bij atmosferische druk transformeert berkelium in de betastructuur, dat is het kubisch vlakken gecentreerd rooster (KVC). Deze structuurovergang vindt plaats zonder volumeverandering. Bij verdere samenpersing van het KVC rooster (tot 25 GPa), transformeert het element berkelium in een orthorhombische structuur. Deze laatste overgang gaat gepaard met 12% volumeafname. Al deze structuren zijn metastabiel en zullen geleidelijk terugkeren, bij kamertemperatuur en atmosferische druk, naar de oorspronkelijke berkelium hexagonaalstructuur.

Het voorkomen en productie van berkelium

• De belangrijkste isotoop is berkelium-249, wordt aangemaakt in zeer kleine hoeveelheden in hoge snelheid kernreactoren. De productie van de tweede belangrijke isotoop berkelium-247 ontstaat door bestraling van de isotoop Curium-244 met hoog energetische alfa deeltjes.
• Ongeveer een gram berkelium is geproduceerd in de VS sinds 1967. Er is geen praktische toepassing van berkelium buiten wetenschappelijk onderzoek naar de aanmaak van zwaardere elementen dan uranium (transuranen).
• 22 milligram berkelium-249 werd in 2009 bestraalt gedurende 250-dagen en vervolgens gezuiverd in 90 dagen. Dit monster werd gebruikt om het onbekende transurane kunstmatige element ununseptium aan te maken door bombarderen van berkelium-249 met calcium-48 ionen, 150 dagen lang.
• Alle Berkelium isotopen hebben een halfwaardetijd te kort om tot de oorspronkelijke berkelium te horen dat aanwezig was tijdens vorming van de aarde, er zijn dus geen natuurlijke berkelium elementen.
• Op aarde is berkelium terug te vinden in gebieden, die gebruikt zijn voor atoomproeven tussen 1945 en 1980, en op plaatsen waar zich ongelukken hebben voorgedaan met nucleaire wapens installaties.
• Kernreactoren produceren meestal berkelium-249. Tijdens de opslag en voor de brandstof verwijdering, het meeste vervalt via beta stralen tot californium-249. De laatste heeft een halfwaardetijd van 351 jaar, die is relatief lang in vergelijking met de andere isotopen in de reactor, en daarom ongewenst in de "afval" producten.
• De moeilijkste stap in de synthese van berkelium was de scheiding van de restproducten en de productie van voldoende hoeveelheden americium om als schietdoel te dienen. Americium-241nitraat oplossing werd op een platina folie aangebracht, de oplossing werd ingedampt en het residu omgezet door gloeien in americiumdioxide (AmO2). Die het schietdoel bestraald met 35 MeV alfadeeltjes gedurende 6 uur. dat levert 243Bk en 2 neutronen op, volgens vergelijking: 241/95 Am + 4/2 He → 243/97 Bk + 2/0 n (Toelichting: boven de streep de atoommassa = protonen+neutronen; onder de streep het atoomnummer = aantal protonen)

De aanmaak van metallisch berkelium

• De isotoop 248Bk werd voor het eerst in 1956 verkregen door het bombarderen van een mengsel van Curium isotopen met 25 MeV-deeltjes. De halfwaardetijd van californium (248Cf) wordt geschat op 23 ± 5 uur.
• Berkelium-247 werd in 1956 geproduceerd door bestraling van 244Cm met alfa-deeltjes:
• Berkelium-242 werd gesynthetiseerd in 1979 door het bombarderen van:
• 235U met 11B,
• 238U met 10B,
• 232Th met 14N of 232Th met 15N.
• Berkelium, geproduceerd door het bombarderen van: uranium (238U) en plutonium (239Pu) met neutronen in een kernreactor. In een meer algemeen geval van uranium, plutonium wordt eerst geproduceerd door neutron vangst gevolgd door bèta-verval.
• Plutonium 239 wordt verder bestraald door een bron die een zeer hoge neutronenflux heeft dan een conventionele kernreactor, zoals de 85-megawatt Hoge Flux isotoop Reactor (HFIR) De hogere flux bevordert fusie reacties waarbij niet één maar meerdere neutronen, 239Pu omzetten naar tot 244Curium (Cm) en vervolgens naar 249 Curium (Cm).
• Curium 249 heeft een korte halfwaardetijd van 64 minuten, en daarmee de verdere omzetting tot 250Cm heeft een lage waarschijnlijkheid. In plaats daarvan, het transformeert door bèta-verval in 249Bk.
• De aldus geproduceerde 249Bk heeft een lange halfwaardetijd van 330 dagen en dus een ander neutron vangen. Echter, het product, 250Bk, heeft wederom een relatief korte halfwaardetijd van 3,212 uur en dus geen zwaardere isotopen berkelium opleveren. In plaats daarvan vervalt tot de californium isotoop 250Cf.
• Hoewel 247Bk is de meest stabiele isotoop van berkelium, haar productie in kernreactoren zeer inefficiënt is als gevolg van de lange halfwaardetijd van zijn potentieel voorloper Curium-247, die niet toestaan het voldoende tijd om bèta-verval voor het vastleggen van een neutron.
• Zo 249Bk is de meest bruikbare isotoop van berkelium, alleen beschikbaar in kleine hoeveelheden. Slechts circa 1 gram is geproduceerd over de periode 1967-1983.

Kenmerkende eigenschappen van het element

Chemische reacties

Berkelium lost op in vele waterige anorganische zuren, onder vorming van waterstofgas en omzetting in Berkelium(III) ionen. Deze driewaardige oxidatietoestand (+3) is de meest stabiele, maar tetravalent (IV) en eventueel divalent berkelium komen ook voor. Waterige oplossingen van Bk3 + -ionen zijn groen in de meeste zuren. De kleur van Bk4 + ionen geel in zoutzuur en oranjegeel in zwavelzuur. Berkelium reagert niet snel met zuurstof bij kamertemperatuur, waarschijnlijk door vorming van een beschermende oxide huid. Het reageert met gesmolten metaal, waterstof, halogenen, chalcogenen en pnictogenen en vormt daarmee verschillende binaire verbindingen.

Oxiden

Er zijn twee oxiden van berkelium bekend, met de berkelium oxidatie toestand van +3 (Bk2O3) en met +4 (BkO2). Berkelium (IV) oxide is een bruine vaste stof, terwijl Berkelium (III) oxide is een geel-groene vaste stof met een smeltpunt van 1920 ° C en wordt gevormd uit BkO2 door reductie met moleculair waterstof

Halogeniden

In de halogeniden, berkelium veronderstelt de oxidatie toestanden +3 en +4. De 3 toestand is de stabielste, vooral in oplossing, terwijl de 4 waardige halogeniden BkF4 en Cs2BkCl6 alleen in de vaste fase voorkomen.

Andere anorganische verbindingen

De pnictiden van berkelium-249 van het type BkX zijn bekend voor de elementen stikstof, fosfor, arseen en antimoon. Zij kristalliseren in steenzout structuur en worden gemaakt door de reactie van hetzij Berkelium(III)hydride (BkH3) of metallisch berkelium.

Fysische reacties

De berkelium-249 isotoop zendt lage-energie-elektronen (betastraling) uit en is veilig te hanteren. Het vervalt echter met een halfwaardetijd van 330 dagen tot californium-249, een sterke ioniserende alfastraler, de vorming van deze californium veroorzaakt niet alleen chemische verontreiniging, maar ook zelfverhitting door de alfa straling. Het beperkt de toepassing

Splijtstofcyclus

Berkelium-249 heeft een zeer lage splijtingsdoorsnede voor thermische neutronen. In een thermische reactor, zal veel berkelium derhalve worden omgezet in Berkelium-250 die snel vervalt tot californium-250. Fysische zou Berkelium-247 een kettingreactie in stand houden, maar de beschikbaarheid van berkelium 247 is lager dan de benodigde kritische massa voor deze kettingreactie.

Toepassingen van het element berkelium

Berkelium wordt als schietdoel gebruikt voor de synthese van ununseptium. Heden is er geen toepassing van een berkelium isotoop, buiten fundamenteel wetenschappelijk onderzoek. Berkelium-249 wordt gebombardeerd om zware transuranen als lawrencium, rutherfordium en bohrium aan te maken.

Onderzoek program

De eerste Berkelium monster van 1,7 microgram werd in 1971 bereid door reductie van Berkelium(III)fluoride met lithium damp bij 1000 ° C; de fluoride werd opgehangen aan een wolfraam draad boven een tantaal kroes met het gesmolten lithium. Later werden metaalmonsters tot 0,5 mg via deze reactie verkregen: Bk3F + 3Li → Bk + 3LiF

Soortgelijke resultaten worden verkregen met Berkelium(IV)fluoride. Berkelium metaal kan ook worden geproduceerd door de reductie van Berkelium(IV)oxide met thorium of lanthaan.

Gezondheid en milieu

Er is weinig bekend over de effecten van berkelium op het menselijk lichaam, en analogieën met andere elementen kunnen niet worden getrokken vanwege verschillende soorten straling.

De lage energie van de elektronen uitgezonden door berkelium-249 maakt deze isotoop ongevaarlijk voor de mens. Echter berkelium-249 transformatie met halfwaardetijd van 330 dagen in de sterke alfa-emitter californium-249, is wel gevaarlijk en moet verwerkt worden in speciale laboratoria.

Gegevens over de toxiciteit van berkelium komen van dierproeven. Inname van berkelium door ratten, ongeveer 0,01% komt in het bloed en van daaruit ongeveer 65% naar de botten, waar het 50 jaar blijft, 25% naar de longen (biologische halfwaardetijd ongeveer 20 jaar), 0,035% van de testikles of 0,01% naar de eierstokken. De rest, ongeveer 10%, wordt uitgescheiden. In deze organen kan in principe kanker ontstaan en in het skelet kan schade ontstaan aan het "aanmaak proces van bloedcellen".