Neptunium: Het element

Het element neptunium is voor het eerst gesynthetiseerd door Edwin McMillan en Philip H. Abelson aan de Berkeley Radiation Laboratory in 1940. Sindsdien wordt de meeste neptunium geproduceerd door neutronen bestraling van uranium in kernreactoren en de meerderheid wordt gegenereerd als bijproduct product in conventionele kernreactoren. Neptunium heeft zelf geen commerciële toepassing maar wordt gebruikt als precursor (uitgangsstof) voor de vorming van plutonium-238, dat als brandstof wordt gebruikt in thermische reactoren voor bijvoorbeeld ruimtevaartuigen. De meest stabiele isotoop van neptunium is neptunium-237, en is een bijproduct van nucleaire reactoren en van de productie van plutonium.

Plaats van Neptunium in periodiek systeem

Neptunium is een radioactief metaal, een scheikundig element met symbool Np en atoomnummer 93. Een neptunium atoom heeft 93 protonen en 93 elektronen en is chemisch zeer reactief. Neptunium is zilverachtig metaal en wordt aangetast bij blootstelling aan lucht. Het element komt in drie allotrope vormen voor en vertoont vijf oxidatietoestanden, 3-4-5-6-7.

Algemene eigenschappen van elementair neptunium

Chemische eigenschappen van elementair neptunium

Fysische eigenschappen van elementair neptunium

Fysische Eigenschappen

Neptunium is een harde, zilverachtig-, kneedbaar-, radioactief metaal, met een elasticiteitsmodules van 118 GPa, vergelijkbaar met die van mangaan. Neptunium is een lid van de actinide groep die opvallen door hun lange halveringstijd, mobiliteit en de moeilijkheid om het element te scheiden van radioactief afval. Neptunium is vergelijkbaar met uranium wat de bewerkbaarheid betreft. Bij blootstelling aan de atmosfeer, bij normale temperatuur, vormt zich een oxidelaag.

De stabielste isotopen van plutonium

Isotopen van het element neptunium

Er zijn 20 neptunium radio-isotopen. De stabielste 237Np met een halveringstijd van 2.14 miljoen jaar, 236Np met een halveringstijd van 154.000 jaar en 235Np met een halveringstijd van ruim 1 jaar. De overige radioactive-isotopen hebben halveringstijden van minder dan 4,5 dagen en de meerderheid van deze laatste groep minder dan 50 minuten.
Alleen neptunium-237 is splijtbaar. De kritische massa is ongeveer 60 kg, slechts 10 kg meer dan die van de gewoonlijk gebruikte uranium-235. De berekende waarden van de kritische massa van neptunium-235, -236, en -237 zijn respectievelijk 66,2 kg, 6,79 kg? en 63,6 kg. Een neptunium atoombom is nooit gebouwd.

Aangezien alle isotopen van neptunium halveringstijden hebben die vele malen korter zijn dan de leeftijd van de aarde, is alle oorspronkelijke neptunium verdwenen. De sporen neptunium in de natuur zijn een vervalproduct van andere isotopen.
Sporen van de neptunium isotopen komen van nature voor als verval producten van reacties die plaatsvinden in uraniumertsen. Sporen van 239Np en 237Np zijn de meest voorkomende; ze worden rechtstreeks gevormd door het invangen van neutronen afkomstig van spontane splijting van uranium-238, van door kosmische straling splijting van kernen (ook van lichtere elementen die alfadeeltjes absorberen en een neutron uitzenden).

Meest neptunium (en plutonium) aan te treffen in het milieu is veroorzaakt door bovengrondse atoomproeven tussen 1945 en 1963. Deze explosies hebben ongeveer 2500 kg radioactief neptunium achtergelaten. De overgrote meerderheid van deze radioactieve neptunium bestaat uit langlevende isotopen 236Np en 237Np. Eenmaal in het milieu, oxideert neptunium vrij snel, meestal in de 4 of 5 staat.

Ongeacht de oxidatietoestand vertoont het element een grotere mobiliteit dan de andere actiniden, voornamelijk vanwege zijn vermogen om waterige oplossingen met andere elementen te vormen. In een onderzoek waarin de diffusiesnelheden zijn gemeten van neptunium (V), plutonium (IV) en americium (III) in zandsteen en kalksteen, blijkt dat neptunium zich tien keer sneller verplaatst dan andere elementen. Dat is, naast de relatief lange halveringstijd, het grote probleem van neptunium in het milieu.

Veel van het onderzoek naar de eigenschappen van neptunium is gericht op hoe men de negatieve invloed van radioactief neptunium in kernafval kan beperken, wegens zijn isotopen met zeer lange halfwaardetijd en grote mobiliteit.

De allotropen van neptunium

Neptunium komt voor in drie allotropen (Allotropie is het voorkomen van een element in meerdere kristalstructuren).

Legeringen

Neptunium en zijn legeringen vertonen interessant magnetisch gedrag. Zuiver neptunium is paramagnetische, NpAl3 is ferromagnetisch, NpGe3 heeft geen magnetische ordening en NpSn3 gedraagt fermionically?. Onderzoeken zijn aan de gang met betrekking tot legeringen van neptunium met uranium, americium, plutonium, zirkonium, en ijzer, om zo langlevend afval- isotopen zoals neptunium-237 recyclen tot kortere levensduur in verband met opslagproblemen rond kernafval.
Een op neptunium gebaseerde supergeleider legering is NpPd5Al2. De legering heeft een tetragonale structuur met een overgangstemperatuur naar supergeleiding van 4.9 K.

De valentie elektronen

Neptunium heeft vijf oxidatietoestanden 3-4-5-6-7, die gelijktijdig aanwezig kunnen zijn in een oplossing. Het is de zwaarste actiniden dat al zijn valentie-elektronen kan gebruiken in zijn verbindingen. De meest stabiele oxidatie toestand in oplossing is 5, maar toestand 4 heeft de voorkeur in vaste neptunium verbindingen.

Productie

De overgrote meerderheid van neptunium op aarde aanwezig, is geproduceerd in kunstmatige kernreacties. Wanneer een 235U kern een neutron invangt, wordt deze kern omgezet in aangeslagen toestand van 236U. Ongeveer 80% van de aangeslagen 236U kernen ondergaan splijting, maar de rest vervalt naar de grondtoestand van 236U door gammastralen uit te zenden volgens de volgende vergelijking:

• 235/92U+1n→236/92U(m)→236/92U+gamma

236/92U(m) is de aangeslagen toestand van de uraniumkern die door uitzending van gamma straling naar zijn grondtoestand 236/92U terugvalt. De daarop volgende neutronen vangst creëert 237U met een halfwaardetijd van 7 dagen en snel vervalt tot 237Np door beta stralen (beta verval) uit te zenden volgens de volgende vergelijking:

• 236/92U+1n→237/92U→beta(-)→237/93Np

237Np is ook het product van alfa (= heliumkern 4/2He)) verval van americium 241Am volgens de vergelijking:.

• 241/95Am →237/93Np +4/2He

Toelichting:Het getal boven de / is het aantal nuleonen (protonen +neutronen) en het getal onder de streep / is aantal protonen (atoomnummer). Beta(-) is een electron.

Zwaardere isotopen van neptunium vervallen snel. De zwaardere isotopen 238Np en 239Np, nuttig als radioactieve tracers, worden geproduceerd door middel van bestraling met neutronen van 237Np en 238U respectievelijk, terwijl de langere duur lichtere isotopen 235Np anad 236Np worden geproduceerd door middel van bestraling van 235U met protonen in een cyclotron.
Kunstmatige 237Np metaal wordt meestal geïsoleerd door middel van een reactie van 237NpF3 met vloeibare barium of lithium bij ongeveer 1200 ° C volgens onderstaande vergelijking:

• 2 NpF3 + 3 Ba → 2 Np + 3 BaF2

Oplossing chemie

Wanneer het in een waterige oplossing, kan neptunium bestaan in elk van de vijf mogelijke oxidatietoestanden (3-4-5-6-7) en elk van deze tonen een karakteristieke kleur. De stabiliteit van elke oxidatietoestand is afhankelijk van diverse factoren, zoals de aanwezigheid van oxiderende of reducerende agentia, pH van de oplossing.

Neptunium(III)

Np (III) of Np3 + bestaat als gehydrateerde complexen in zure oplossingen, Np (H2O) 3 + n. Het is een donker blauw-paars. In aanwezigheid van zuurstof, wordt het snel geoxideerd tot Np (IV), tenzij sterk reducerende middelen aanwezig zijn. Niettemin het is de tweede minst gemakkelijk gehydrolyseerd neptunium ion in water, vorming de NpOH2 + ion. NP3 + overheerst neptunium ion in oplossing van pH 4-5.

Neptunium(IV)

Np (IV) of NP4 + is lichtgeel-groen in zure oplossingen, waar het bestaat als gehydrateerd complexen (NP (H2O) 4 + n). Het is vrij onstabiel hydrolyse in zure waterige oplossingen bij pH 1 en hoger, vormen NpOH3 +. In basische oplossingen NP4 + neiging om te hydrolyseren tot de neutrale neptunium (IV) hydroxyde (Np (OH) 4) en neptunium (IV) oxide (NpO2).

Neptunium(V)

Np (V) of NPO + 2 wordt groen-blauw in waterige oplossing, waarin het zich gedraagt als een sterk Lewiszuur. Het is een stabiel ion en is de meest voorkomende vorm van neptunium in waterige oplossingen.

Neptunium(VI)

Np (VI) of NpO2 + 2, de neptunyl ion, toont een licht roze of rode kleur in een zure oplossing en geel-groene in andere oplossing. Het is een sterk Lewiszuur en het neptunium ion aangetroffen in oplossingen van pH 3-4. Hoewel stabiel in zure oplossingen, is het vrij gemakkelijk gereduceerd tot de Np (V) ion, en niet zo stabiel als de zeswaardige ionen van zijn buren uranium en plutonium.

Neptunium(VII)

Np (VII) is donker groen in een sterk basische oplossing. Hoewel de chemische formule in basische oplossing wordt vaak aangehaald als NpO3-5, is een vereenvoudiging en de werkelijke structuur ligt misschien dichter bij [NpO4 (OH) 2] 3-Np (VII).

Neptunium voorloper in plutonium productie

Een belangrijk gebruik van 237Np is als uitgangsstof in de plutoniumproductie, waar het wordt bestraald met neutronen en creëert zo 238Pu een alfastraler voor onder andere thermische (radio-isotoop) generatoren voor ruimtevaartuigen. 237Np vangt een neutron in om 238Np te vormen en beta verval met een halfwaardetijd van circa twee dagen om vervolgens 238Pu te doen ontstaan.
Bestralen neptunium-237 met elektronenbundels, veroorzaakt remstraling en produceert zuivere monsters van isotoop plutonium-236.

• 238/92U+1n→239/92U→beta(-)→239/93Np→beta(-)→239/94Pu

Remstraling ontstaat wanneer elektronen met hoge snelheid een atoom binnenvliegen en onder de invloed van de kern van het atoom in hun baan afgebogen of gestopt worden. Hierbij wordt de verminderde kinetische energie omgezet in röntgenstraling.

Neptunium en wapens

Neptunium is splijtbaar en kan in theorie gebruikt worden als brandstof in een snelle neutronen reactor of kernwapen met een kritische massa van ongeveer 60 kilogram. Een werkelijke wapen met neptunium als brandstof is nooit gebouwd.

Rol neptunium in radioactief afval

Neptunium accumuleert in huishoudelijke (ionisatie-kamer) rookmelders door verval van americium-241, oorspronkelijk aanwezig als ioniserende stralingsbron. Americium-241 in een ionisatie rookmelder bevat na 20 jaar circa 3% neptunium.
Neptunium-237 is de meest mobiele actinide in de opslagplaats voor afval. Dit maakt het en zijn voorgangers, zoals americium-241 belangrijke kandidaten voor vernietiging door nucleaire transmutatie. Door de lange halfveringstijd, zal neptunium het grootste aandeel in de totale radiotoxiciteit van kernafval leveren.

Biologische rol en voorzorgmaatregelen

Neptunium heeft geen biologische functie. Dierproeven tonen aan dat het radioactieve metaal via het maagdarmkanaal wordt geabsorbeerd. Het metaal heeft de neiging zich in de botten te concentreren, waaruit het geleidelijk weer ontsnapt. Fijn verdeeld neptunium metaal is brandgevaarlijk omdat het vonkt; kleine korrels en stof kunnen spontaan in de lucht ontbranden bij kamertemperatuur.