Einsteinium: Het element

Einsteinium is een transurane synthetisch element met symbool Es en atoomnummer 99. Het is vernoemd naar Einstein. Het is een zacht, zilverkleurige paramagnetisch metaal. Het element is ontdekt in afval van de eerste waterstofbom proef in 1952. Meest voorkomende isotoop einsteinium-253 (halveringstijd 20,5 dag) wordt kunstmatig geproduceerd uit verval van californium-253 in nucleaire reactoren met een opbrengst van circa een milligram per jaar. Na de reactor synthese volgt een ingewikkelde scheiding van einsteinium-253 van de andere producten in het verval van californium-253.

Het element einsteinium in het periodiek systeem

Einsteinium is een synthetisch, zilverachtig-wit, radioactief metaal. In het periodiek systeem ligt het rechts van californium, links van fermium en onder holmium waarmee het dan ook fysisch en chemisch vergelijkbaar is. Het smeltpunt van einsteinium (860 °C) is relatief laag (californium (900 °C), fermium (1527 °C) en holmium (1461 °C)). Einsteinium als zacht metaal is samendrukbaar met slechts 15 GPa. Einsteinium is het element met de hoogste atoomnummer dat nog in macroscopische hoeveelheden is waar te nemen in zuivere vorm.

Algemene eigenschappen van het element Einsteinium

Chemische eigenschappen van het element Einsteinium

Fysische eigenschappen van het element Einsteinium

Isotopen van einsteinium

Negentien nucliden en drie nucleaire isomeren zijn bekend van einsteinium, met atomaire gewichten van 240 tot 258. Allemaal radioactief, de meest stabiele nuclide 252Es heeft een halveringstijd van 471,7 dagen. Volgende meest stabiele isotopen zijn 254Es (halfwaardetijd 275,7 dagen), 255Es (39,8 dagen) en 253Es (20.47 dagen). Alle overige isotopen hebben halfwaardetijden korter dan 40 uur, de meeste vervallen in minder dan 30 minuten. Van de drie nucleaire isomeren is de meest stabiele 254mEs met halfwaardetijd van 39,3 uur.

De stabielste isotopen van einsteinium

Toelichting op eigenschappen van einsteinium

Moeilijkheden bij het onderzoek naar de eigenschappen is te wijten aan Einsteinium-253's verval tot berkelium en vervolgens tot californium met een snelheid van circa 3% per dag, waardoor "vervuiling" optreedt. De isotoop van einsteinium met de langste halfwaardetijd, einsteinium-252 (halfwaardetijd 471,7 dagen) is meer geschikt voor onderzoek naar de eigenschappen van einsteinium, maar het is moeilijker te produceren en beschikbaar in hoeveelheden die te klein zijn voor onderzoek.

Toelichting fysische eigenschappen van einsteinium

De hoge radioactiviteit van einsteinium-253 produceert een zichtbare gloed volgens nevenstaande foto, met een vrijkomende warmte van ongeveer 1000 watt per gram. Men veronderstelt dat einsteinium een kubisch ruimtelijk gecenterd rooster (KRC) heeft. Het metaal heeft een hoge vluchtigheid. Afgezien van de eigen radioactiviteit die leidt tot zelf-vervuiling (besmetting) als gevolg van de snelle verval van einsteinium in berkelium en vervolgens in californium, is de schaarste de andere moeilijkheid bij het bestuderen van dit element. De meest voorkomende 253Es isotoop is alleen beschikbaar in sub-milligram hoeveelheden.

Toelichting chemische eigenschappen van einsteinium

Net als alle actiniden, is einsteinium zeer reactief. Driewaardige oxidatietoestand is het meest stabiel in vaste stoffen en waterige oplossing. Het bestaan van tweewaardig einsteinium is stevig gevestigd, vooral in vaste fase; zo'n tweewaardige toestand wordt niet waargenomen in andere actiniden: protactinium, uranium, neptunium, plutonium, Curium en berkelium. Einsteinium (II) verbindingen worden verkregen, bijvoorbeeld door het reduceren einsteinium (III) met samarium (II) chloride. De oxidatietoestand +4 werd voorspeld maar is onzeker.

Atoomsplitsing

Einsteinium heeft een hoge mate kernsplijtingsdrang die resulteert in een lage kritische massa. Deze massa is 9,89 kg voor een kaal einsteinium lichaam van de 254 Es isotoop, en kan zelfs worden verlaagd tot 2,9 kg door toevoegen van een 30 centimeter dikke stalen deeltjes reflector die de straling compact houdt. Maar zelfs deze kleine kritische massa is vele malen groter dan het totale hoeveelheid einsteinium dat tot nu toe is aangemaakt.

Synthese einsteinium kernen algemeen

Einsteinium (meestal 253Es) wordt in kleine hoeveelheden geproduceerd door het beschieten van lichtere actiniden met neutronen in speciale high-flux kernreactoren: van 0,48 milligram in 1967-1970, 3,2 milligram in 1971-1973, vervolgens met een productie van ongeveer 3 milligram per jaar tussen 1974 en 1978.

Overzicht synthese van einsteinium kernen

Toelichting op de vergelijkingen: boven streep aantal nucleonen (protonen + neutronen) en onder de streep aantal protonen.

253Es met α-emitter met halfwaardetijd van 20,03 dagen en met een spontane splijting halfwaardetijd van 7 x 105 jaar;

254mEs met β-emitter met een halfwaardetijd van 38,5 uur), 254Es met α-emitter met een halfwaardetijd van ongeveer 276 dagen;

255Es met β-emitter met een halfwaardetijd van 24 dagen. Een alternatieve weg is het bombardement van uranium-238 met stikstof of zuurstof ionen.

Einsteinium247 met halfwaardetijd van 4.55 minuten, werd geproduceerd door het bestralen van americium-241 met Koolstof of uranium-238 met stikstof ionen.

De isotoop 248Es wordt geproduceerd door beschieting van 249Cf met deuterium ionen:

• 249 / 98 Cf + 2/1 D → 248/99 Es+ 3 1/0 n

De zwaardere isotopen 249Es, 250Es, 251Es en 252Es worden verkregen door het beschieten van 249Bk met α-deeltjes. Eén tot vier neutronen worden vrijgemaakt in dit proces het mogelijk maken van de vorming van vier verschillende isotopen in één reactor reactie.

Einsteinium-253 werd geproduceerd door het bestralen van een 0,1-0,2 milligram 252Cf met thermische neutronen:

• 252/98Cf →neutron en gamma→253/98Cf→β→253/99Es

Einsteinium uit zijn verbindingen halen

Einsteinium is zeer reactief en er zijn sterk reducerende middelen nodig om zuiver einsteinium metaal uit haar verbindingen te halen. Dit kan onder andere door reductie van einsteinium (III) fluoride met metallisch lithium volgens:

• EsF3 + 3 Li → Es + 3 LiF

Einsteinium heeft hoge dampdruk, hoger dan die van lithiumfluoride. Dit maakt de reductie reactie nogal inefficiënt. Een andere methode een reactie tussen einsteinium (III) oxide met lanthaan metaal volgens:

• Es2O3 + 2 La → 2 Es + La2O3

Chemische samenstellingen

Oxides

Einsteinium (III) oxide (Es2O3) werd verkregen door het verbranden einsteinium (III) nitraat. Het vormt kleurloze kubische kristallen, waarvan eerst werd gekarakteriseerd microgram monsters grootte ongeveer 30 nanometers.Twee andere fasen, monokliene en zeshoekig, zijn bekend voor dit oxide. De vorming van een bepaalde Es2O3 fase afhankelijk van de bereidingstechniek. Onderlinge omzettingen tussen de drie fasen kan spontaan plaatsvinden als gevolg van zelf-bestraling (zelf-verhitting). De hexagonale fase isotype met lanthaan (III) oxide wanneer het ES3 + ionen wordt omgeven door een 6-gecoördineerde groep O2- ionen.

Halogeniden (verzamelnaam voor zouten die bestaan uit een verbinding tussen metaal en halogeen).
Einsteinium halogeniden’s bekende oxidatie toestanden +2 en +3. De meest stabiele toestand is 3 voor alle halogeniden.
Einsteinium (III) jodide gloei t in het donker.
Einsteinium (III) fluoride (EsF3) kan worden neergeslagen uit einsteinium (III) chloride-oplossingen bij reactie met fluoride-ionen. De EsF3 kristalstructuur is hexagonaal,
Einsteinium (III) chloride (EsCl3) kan worden bereid door uitgloeien einsteinium (III) oxide in een atmosfeer van droge waterstofchloride damp bij ongeveer 500 ° C, gedurende ongeveer 20 minuten. Het kristalliseert bij afkoeling in een oranje vaste stof met hexagonale structuur. Einsteinium (III) bromide (EsBr3) is een licht-gele vaste stof met een monokliene structuur.
De tweewaardige verbindingen einsteinium worden verkregen door reductie van de trivalente halogeniden met waterstof:

• 2 EsX3 + H2 → 2 EsX2 + 2 HX, X = F, Cl, Br, I

Andere bekende oxyhalogeniden van einsteinium zijn EsOCl, EsOBr en EsOI.

Toepassingen

Organo-einsteinium verbindingen: De hoge radioactiviteit van einsteinium maakt het geschikt voor gebruik in de radiotherapie. Organometallische complexen worden ontworpen om de radioactieve atomen te koppelen aan het te bestralen weefsel.
Door de kleine hoeveelheden geproduceerd einsteinium en de korte halfwaardetijd zijn er geen praktische toepassingen buiten medisch en fundamenteel wetenschappelijk onderzoek naar kunstmatige atomen zwaarder dan uranium (transuranen).

Veiligheid

Kennis van de toxiciteit van einsteinium komt uit onderzoek op dieren. Ongeveer 10% van de ingenomen hoeveelheid wordt uitgescheiden. 0,01% einsteinium komt in de bloedstroom. Van daaruit gaat 65% naar de botten waar het ongeveer 50 jaar blijft, 25% gaat naar de longen (biologische halveringstijd circa 20 jaar, maar achterhaald door de korte halveringstijd van einsteinium isotopen), 0.035 % naar de testikels of 0,01% van de eierstokken waar einsteinium onbepaalde tijd blijft. Net als alle andere synthetische transuranen, zijn isotopen van einsteinium zwaar radioactief en beschouwd als zeer gevaarlijk voor de gezondheid, vooral als het in het inwendige lichaam terecht komt. Wel moet men zich realiseren dat het element in de vrije natuur niet voorkomt en dus alleen ontstaat door menselijke activiteiten.