Нептуний (Np, атомен номер 93) — химичен елемент: свойства и откритие

Нептуний е химичен елемент със символ Np в периодичната таблица. Той има атомен номер 93, което означава, че има 93 протона и електрона в атомите си. Наречен е на планетата Нептун по същия начин, както уранът е наречен на планетата Уран.

Нептуний е открит през 1940 г. от двама мъже на име Едуин Макмилън и Филип Х. Абелсън в Радиационния център в Бъркли към Калифорнийския университет. Нептуний е сребристо- метален елемент и е радиоактивен. Температурата му на топене е 637 градуса по Целзий, а температурата му на кипене е 4000 градуса по Целзий. Атомната му маса е 237 u.

Физични свойства

Нептуний е твърд метал със сребристо-сив метален блясък. При стандартни условия има няколко алотропни модификации в зависимост от температурата и налягането, което е характерно за актинидите. Показателите, посочени по-горе, са приблизителни: точка на топене ~637 °C и точка на кипене около 4000 °C. Електронната му конфигурация в основното състояние обикновено се представя като [Rn] 5f4 6d1 7s2, което обяснява участието на 5f електроните в химията на елемента.

Изотопи и радиоактивност

Най-стабилният и често споменаван изотоп е Np-237, с период на полуразпад около 2.14 милиона години; именно затова числото 237 често се дава като "атомна маса" в популярни описания.
Има и редица по-краткоживотни изотопи (напр. Np-239 с период 2.356 дни), които се образуват при неутронно облъчване на уран.
Np-239 се получава чрез улов на неутрон от U-238 (U-238 → U-239 → beta → Np-239 → beta → Pu-239) и за това веригата е важна при реакторна продукция на плутоний.

Химични свойства и съединения

Нептуний принадлежи към актинидите и показва богата химия с множество степен на окисление, най-често +3, +4, +5 и +6; среща се и +7 при специални условия. В разтворите химията на нептуния споделя общи черти с урана и плутония:

Високите степен на окисление формират "нептунилови" комплексни йони, като NpO2+ (Np(V)) и NpO2^2+ (Np(VI)).
Np(IV) (Np4+) и Np(III) (Np3+) се държат подобно на другите тривалентни/четворни актиниди и могат да се преразпределят при възстановяване/окисление.
Съединенията включват оксиди (NpO2, Np2O5 при определени условия), халогениди, сулфати и др.

Производство и разпространение

В природата нептуний се среща само в следови количества — образува се при спонтанно неутронно улавяне от уранови руди, но количествата са изключително малки. По-големите количества се получават в ядрени реактори и в отпадъците от ядреното гориво. Нептуний-237 е важен компонент на отработено ядрено гориво и може да се отдели при преработка.

Приложения

Практическите приложения на нептуния са ограничени поради радиотоксичността и относително трудното му добиване.
Np-237 се използва като цел (target) за производство на други изотопи на плутоний при неутронно облъчване, например за добиване на Pu-238, който е важен за радиотермоелектрични генератори (RTG) за космически мисии.
Някои изследвания използват нептуний като инструментален изотоп в ядрена наука и за проучване на химията на актинидите.

Опасности и безопасност

Нептунийът е радиоактивен и представлява здравен риск при излагане. В зависимост от изотопа, опасността може да е от алфа-излъчване (вътрешно облъчване при вдишване или поглъщане) и/или бета/гамма радиация при краткоживотни изотопи. При работа с нептуний важат стандартни мерки за защита:

работа в специализирани помещения (контролирани зони, шкафове/боксове),
използване на защитни ръкавици и дрехи, подходяща вентилация и филтрация,
строг контрол и мониторинг на радиоактивните отпадъци и предотвратяване на попадането им в околната среда.

Откритие и исторически бележки

Едуин Макмилън и Филип Х. Абелсън обявяват откритието на елемент с атомен номер 93 през 1940 г. в лабораториите на Университета на Калифорния, Бъркли. Те са получили новия елемент чрез облъчване на уран с неутрони и проследяване на бета-разпадите, които сочели наличието на елемент, по-тежък от урана — първия открит трансуранов елемент. За името е избрано "нептуний" в съответствие с традицията да се свързват имената на новите елементи с планети (както уранът е назован на Уран).

Кратко резюме: Нептуний (Np, Z=93) е радиоактивен метал от групата на актинидите с ключова роля в ядрените процеси и ограничено практическо приложение. Той се получава главно като продукт на ядрени реакции и изисква строги мерки за безопасност при работа и съхранение.