Технеций химический элемент. Технеций Tc. Технеций - «Запрещенный» элемент и ядерные реакции

Здесь мы должны сделать небольшое, чисто физическое отступление, иначе будет непонятно, почему этот кусок молибдена был так нужен Сегре. Из молибдена был сделан «зуб» отклоняющей пластины первого в мире, маломощного по нынешним масштабам, циклотрона. Циклотрон - это машина, ускоряющая движение заряженных частиц, например дейтронов - ядер тяжелого водорода , дейтерия. Частицы разгоняются высокочастотным электрическим полем по спирали и с каждым витком приобретают все болВсем, кто когда-либо работал на циклотроне, хорошо известно, как трудно бывает вести эксперимент, если мишень установлена непосредственно в вакуумной камере циклотрона. Значительно удобнее работать на выведенном пучке, в специальной камере, где можно разместить всю необходимую аппаратуру. Но вытащить пучок из циклотрона далеко не просто. Делается это с помощью специальной отклоняющей пластины, на которую подано высокое напряжение. Пластина устанавливается на пути разогнанного уже пучка частиц и отклоняет его в нужном направлении. Расчет наилучшей конфигурации пластины - целая наука. Но несмотря на то что пластины для циклотронов изготавливают и устанавливают с максимальной точностью, ее лобовая часть, или «зуб», поглощает примерно половину ускоренных частиц. Естественно, «зуб» разогревается от ударов, потому его и сейчас делают из тугоплавкого молибдена.

Но так же естественно, что частицы, поглощенные материалом зуба, должны вызвать в нем ядерные реакции, более или менее интересные для физиков. Сегре считал, что в молибдене возможна исключительно интересная ядерная реакция, в результате которой может быть, наконец, по-настоящему открыт много раз открывавшийся и неизменно «закрывавшийся» прежде элемент № 43 (технеций).

От ильмения до мазурия

Элемент № 43 искали давно. И долго. Искали его в рудах и минералах , преимущественно марганцевых. Менделеев, оставляя в таблице пустую клетку для этого элемента, называл его экамарганцем. Впрочем, первые претенденты на эту клетку появились еще до открытия периодического закона. В 1846 г. из минерала ильменита был якобы выделен аналог марганца - ильмений. После того как ильмений «закрыли», появились новые кандидаты: дэвий, люций, ниппоний. Но и они оказались «лжеэлементами». Сорок третья клетка таблицы Менделеева продолжала пустовать.

В 20-х годах нашего века проблемой экамарганца и двимарганца (эка означает «один», дви - «два»), т. е. элементов № 43 и 75, занялись прекрасные экспериментаторы супруги Ида и Вальтер Ноддак. Проследив закономерности изменения свойств элементов по группам и периодам, они пришли к казавшейся крамольной, но по существу верной мысли, что сходство марганца и его эка- и дви-аналогов намного меньше, чем считали раньше, что разумнее искать эти элементы не в марганцевых рудах, а в сырой платине и в молибденовых рудах.

Эксперименты супругов Ноддак продолжались много месяцев. В 1925 г. они объявили об открытии новых элементов - мазурия (элемент № 43) и рения (элемент № 75) . Символы новых элементов заняли пустующие клетки менделеевской таблицы, по впоследствии оказалось, что лишь одно из двух открытий совершилось в действительности. За мазурий Ида и Вальтер Ноддак приняли примеси, не имеющие ничего общего с элементом № 43 технецием.

Символ Ma стоял в таблице элементов больше 10 лет, хотя еще в 1934 г. появились две теоретические работы, которые утверждали, что элемент № 43 нельзя обнаружить ни в марганцевых, ни в платиновых, ни в каких-либо иных рудах. Речь идет о правиле запрета, сформулированном почти одновременно немецким физиком Г. Маттаухом и советским химиком С. А. Щукаревым.

Технеций - «Запрещенный» элемент и ядерные реакции

Вскоре после открытия изотопов было установлено и существование изобаров. Заметим, что изобар и изобара - понятия, столь же далекие, как графин и графиня. Изобарами называют атомы с одинаковыми массовыми числами, принадлежащие разным элементам. Пример нескольких изобаров: 93 Zr, 93 Nb, 93 Mo.

Смысл правила Маттауха - Щукарева в том, что у стабильных изотопов с нечетными номерами не может быть стабильных же изобаров. Так, если изотоп элемента № 41 ниобий-93 стабилен, то изотопы соседних элементов - цирконий-93 и молибден-93 - должны быть обязательно радиоактивными. Правило распространяется на все элементы, в том числе и на элемент № 43.

Этот элемент расположен между молибденом (атомная масса 95,92) и рутением (атомная масса 101,07). Следовательно, массовые числа изотопов этого элемента не должны выйти за пределы диапазона 96-102. Но все стабильные «вакансии» этого диапазона заняты. У молибдена стабильны изотопы с массовыми числами 96, 97, 98 и 100, у рутения - 99, 101, 102 и некоторые другие. Это значит, что у элемента № 43 не может быть ни одного нерадиоактивного изотопа. Впрочем, из этого вовсе не следует, что его нельзя найти в земной коре: существуют же радий , уран, торий .

Уран и торий сохранились на земном шаре благодаря огромному времени жизни некоторых их изотопов. Прочие радиоактивные элементы - это продукты их радиоактивного распада. Элемент № 43 можно было бы обнаружить только в двух случаях: или если у него есть изотопы, период полураспада которых измеряется миллионами лет, или если его долгоживущие изотопы образуются (и достаточно часто) при распаде элементов № 90 и 92.

На первое Сегре не рассчитывал: существуй долгоживущие изотопы элемента № 43, их бы нашли раньше. Второе тоже маловероятно: большинство атомов тория и урана распадаются, испуская альфа-частицы, и цепочка таких распадов заканчивается стабильными изотопами свинца , элемента с атомным номером 82. Более легкие элементы при альфа-распаде урана и тория образоваться не могут.

Правда, есть другой вид распада - спонтанное деление, при котором тяжелые ядра самопроизвольно делятся на два осколка примерно одинаковой массы. При спонтанном делении урана ядра элемента № 43 могли бы образоваться, но таких ядер было бы очень мало: в среднем спонтанно делится одно ядро урана из двух миллионов, а из ста актов спонтанного деления ядер урана элемент № 43 образуется лишь в двух. Впрочем, этого Эмилио Сегре тогда не знал. Спонтанное деление было открыто лишь спустя два года после открытия элемента № 43.

Сегре вез через океан кусок облученного молибдена. Но уверенности, что в нем будет обнаружен новый элемент, не было, да и не могло быть. Были «за», были и «против».

Падая на молибденовую пластину, быстрый дейтрон довольно глубоко проникает в ее толщу. В некоторых случаях один из дейтронов может слиться с ядром атома молибдена. Для этого прежде всего необходимо, чтобы энергии дейтрона хватило для преодоления сил электрического отталкивания. A это значит, что циклотрон должен разогнать дейтрон до скорости около 15 тыс. км/сек. Составное ядро, образующееся при слиянии дейтрона и ядра молибдена, неустойчиво. Оно должно избавиться от избытка энергии. Поэтому, едва произошло слияние, из такого ядра вылетает нейтрон, и бывшее ядро атома молибдена превращается в ядро атома элемента № 43.

Природный молибден состоит из шести изотопов, значит, в принципе в облученном куске молибдена могли быть атомы шести изотопов нового элемента. Это важно потому, что одни изотопы могут быть короткоживущими и оттого неуловимыми химически, тем более что со времени облучения прошло больше месяца. Зато другие изотопы нового элемента могли «выжить». Их-то и надеялся обнаружить Сегре. На этом, собственно, все «за» кончались. «Против» было значительно больше.

Против исследователей работало незнание периодов полураспада изотопов элемента № 43. Могло ведь случиться и так, что ни один изотоп элемента № 43 не существует больше месяца. Против исследователей работали и «попутные» ядерные реакции, в которых образовывались радиоактивные изотопы молибдена, ниобия и некоторых других элементов.

Выделить минимальное количество неизвестного элемента из радиоактивной многокомпонентной смеси очень сложно. Но именно это предстояло сделать Сегре и его немногочисленным помощникам.

Работа началась 30 января 1937 г. Прежде всего выяснили, какие частицы излучает молибден, побывавший в циклотроне и пересекший океан. Он излучал бета-частицы - быстрые ядерные электроны. Когда около 200 мг облученного молибдена растворили в царской водке, бета-активность раствора оказалась примерно такой же, как у нескольких десятков граммов урана.

Неизвестная прежде активность была обнаружена, оставалось определить, кто же ее «виновник». Сначала из раствора химическим путем выделили радиоактивный фосфор-32 , образовавшийся из примесей, которые были в молибдене. Затем тот же раствор подвергли «перекрестному допросу» по строке и столбцу менделеевской таблицы. Носителями неизвестной активности могли быть изотопы ниобия, циркония, рения, рутения, самого молибдена, наконец. Только доказав, что ни один из этих элементов не причастен к испускаемым электронам, можно было говорить об открытии элемента № 43.

Два метода были положены в основу работы: один - логический, метод исключения, другой - широко применяемый химиками для разделения смесей метод «носителей», когда в раствор, содержащий, по-видимому, тот или иной элемент, «подсовывается» соединение этого элемента или другого, сходного с ним по химическим свойствам. И если вещество-носитель выводится из смеси, оно уносит оттуда «родственные» атомы.

В первую очередь исключили ниобий. Раствор выпарили, и полученный осадок вновь растворили, на этот раз в гидроокиси калия. Некоторые элементы остались в нерастворенной части, но неизвестная активность перешла в раствор. И тогда к нему добавили ниобат калия, чтобы стабильный ниобий «увел» радиоактивный. Если, конечно, тот присутствовал в растворе. Ниобий ушел - активность осталась. Такому же испытанию подвергли цирконий. Но и циркониевая фракция оказалась неактивной. Затем осадили сульфид молибдена, но активность по-прежнему оставалась в растворе.

После этого началось самое сложное: предстояло разделить неизвестную активность и рений. Ведь примеси, содержавшиеся в материале «зуба», могли превратиться не только в фосфор-32, но и в радиоактивные изотопы рения. Это казалось тем более вероятным, что именно соединение рения вынесло из раствора неизвестную активность. А как выяснили еще супруги Ноддак, элемент № 43 должен быть похож на рений больше, чем на марганец или любой другой элемент. Отделить неизвестную активность от рения - значило найти новый элемент, потому что все другие «кандидаты» уже были отвергнуты.

Эмилио Сегре и его ближайший помощник Карло Перье смогли это сделать. Они установили, что в солянокислых растворах (0,4-5-нормальных) носитель неизвестной активности выпадает в осадок, когда через раствор пропускают сероводород. Но одновременно выпадает и рений. Если же осаждение вести из более концентрированного раствора (10-нормального), то рений выпадает в осадок полностью, а элемент, несущий неизвестную активность, лишь частично.

Напоследок, для контроля, Перье поставил опыты по отделению носителя неизвестной активности от рутения и марганца. И тогда стало ясно, что бета-частицы могут излучаться лишь ядрами нового элемента, который назвали технецием (от греческого «искусственный»).

Эти опыты были закончены в июне 1937 г. Так был воссоздан первый из химических «динозавров» - элементов, некогда существовавших в природе, но полностью «вымерших» в результате радиоактивного распада.

Позже удалось обнаружить в земле крайне незначительные количества технеция, образовавшегося в результате спонтанного деления урана. То же, кстати, произошло с нептунием и плутонием : сначала элемент получили искусственно, а уже потом, изучив его, сумели найти в природе.

Сейчас технеций получают из осколков деления урана- 35 в ядерных реакторах . Правда, выделить его из массы осколков непросто. На килограмм осколков приходится около 10 г элемента № 43. В основном это изотоп технеций-99, период полураспада которого равен 212 тыс. лет. Благодаря накоплению технеция в реакторах удалось определить свойства этого элемента, получить его в чистом виде, исследовать довольно многие его соединения. В них технеций проявляет валентность 2+ , 3+ и 7+ . Так же, как и рений, технеций - металл тяжелый (плотность 11,5 г/см 3), тугоплавкий (температура плавления 2140°C), химически стойкий.

Несмотря на то что технеций - один из самых редких и дорогих металлов (намного дороже золота), он уже принес практическую пользу.

Ущерб, наносимый человечеству коррозией, огромен. В среднем каждая десятая доменная печь работает на «покрытие расходов» от коррозии. Есть вещества-ингибиторы, замедляющие коррозию металлов. Самыми лучшими ингибиторами оказались пертехнаты - соли технециевой кислоты HTcO 4 . Добавка одной десятитысячной моля TcO 4 -

предотвращает коррозию железа и малоуглеродистой стали - важнейшего конструкционного материала.

Широкому применению пертехнатов препятствуют два обстоятельства: радиоактивность технеция и его высокая стоимость. Это особенно досадно потому, что аналогичные соединения рения и марганца не предотвращают коррозии.

У элемента № 43 есть еще одно уникальное свойство. Температура, при которой этот металл становится сверхпроводником (11,2 К), выше, чем у любого другого чистого металла. Правда, эта цифра получена на образцах не очень высокой чистоты - всего 99,9%. Тем не менее есть основания полагать, что сплавы технеция с другими металлами окажутся идеальными сверхпроводниками. (Как правило, температура переходов в состояние сверх- проводимости у сплавов выше, чем у технически чистых металлов.)

Пусть не так утилитарно, но полезную службу сослужил технеций и астрономам. Технеций обнаружили спектральными методами на некоторых звездах, например на звезде и созвездия Андромеды. Судя по спектрам, элемент № 43 распространен там не меньше, чем цирконий, ниобий, молибден, рутений. Это значит, что синтез элементов во Вселенной продолжается и сейчас.

Техне́ций (лат. Technetium, Тс; читается «технеций») - первый искусственно полученный радиоактивный химический элемент, атомный номер 43. Термин образован от греческого «технетос» - искусственный. Технеций не имет стабильных изотопов. Наиболее долгоживущие радиоизотопы: 97 Tc (Т 1/2 равен 2, 6·10 6 лет, электронный захват), 98 Tc (Т 1/2 равен 1, 5·10 6 лет), 99 Tc (Т 1/2 равен 2, 12·10 5 лет). Практическое значение имеет короткоживущий ядерный изомер 99m Тс (Т 1/2 равен 6, 02 часа).

Конфигурация двух внешних электронных слоев 4s 2 p 6 d 5 5s 2 . Cтепени окисления от -1 до +7 (валентности I-VII); наиболее устойчива +7. Рaсположен в группе VIIB в 5 периоде периодической системы элементов. Радиус атома 0, 136 нм, иона Тс 2+ - 0, 095 нм, иона Тс 4+ - 0, 070 нм, иона Тс 7+ - 0, 056 нм. Энергии последовательной ионизации 7, 28, 15, 26, 29, 54 эВ. Электроотрицательность по Полингу 1, 9.

Д. И. Менделеев при создании периодической системы оставил в таблице для технеция - тяжелого аналога марганца («экамарганца») пустую клетку. Технеций был получен в 1937 году К. Перье и Э. Сегре при бомбардировке молибденовой пластинки дейтронами . В природе технеций встречается в ничтожных количествах в урановых рудах, 5·10 -10 г на 1 кг урана. Спектральные линии технеция обнаружены в спектрах Солнца и других звезд.

Технеций выделяют из смеси продуктов деления 235 U - отходов ядерной промышленности. При переработке отработанного ядерного горючего технеций извлекают методами ионного обмена, экстракции и дробного осаждения. Металлический технеций получают восстановлением его оксидов водородом при 500°C. Мировое производство технеция достигает нескольких тонн в год. Для исследовательских целей используют короткоживущие радионуклиды технеция: 95m Тс(Т 1/2 =61 сутки), 97m Тс (Т 1/2 =90 суток), 99m Tc.

Технеций - серебристо-серый металл, с гексагональной решеткой, а =0, 2737 нм, с= 0, 4391 нм. Температура плавления 2200°C, кипения 4600°C, плотность 11, 487 кг/дм 3 . По химическим свойствам технеций похож на рений. Значения стандартных электродных потенциалов: пары Тс(VI)/Тс(IV) 0, 83 В, пары Тс(VII)/Тс(VI) 0, 65В, пары Тс(VII)/Тс(IV) 0, 738 В.

При горении Tc в кислороде образуется желтый высший кислотный оксид Тс 2 О 7 . Раствор его в воде - технециевая кислота НТсО 4 . При выпаривании ее образуются темно-коричневые кристаллы. Соли технециевой кислоты - пертехнаты (пертехнат натрия NaTcO 4 , пертехнат калия KTcO 4 , пертехнат серебра AgTcO 4). При электролизе раствора технециевой кислоты выделяется диоксид ТсО 2 , который при нагревании в кислороде превращается в Тс 2 О 7 .

Взаимодействуя со фтором, Tc образует золотисто-желтые кристаллы гексафторида технеция ТсF 6 в смеси с пентафторидом TcF 5 . Получены оксифториды технеция TcOF 4 и TcO 3 F. Хлорирование технеция дает смесь гексахлорида TcCl 6 и тетрахлорида TcCl 4 . Синтезированы оксихлориды технеция ТсО 3 Сl и ТсОСl 3 . Известны

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Технеций расположен в пятом периоде VII группе побочной (В) подгруппе Периодической таблицы.

Относится к элементам d -семейства. Металл. Обозначение - Tc. Порядковый номер - 43. Относительная атомная масса - 99 а.е.м.

Электронное строение атома технеция

Атом технеция состоит из положительно заряженного ядра (+43), внутри которого есть 43 протона и 56 нейтронов, а вокруг, по пяти орбитам движутся 43 электрона.

Рис.1. Схематическое строение атома технеция.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

43Tc) 2) 8) 18) 13) 2 ;

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 5 5s 2 .

Внешний энергетический уровень атома технеция содержит 7 электронов, которые являются валентными. Энергетическая диаграмма основного состояния принимает следующий вид:

Валентные электроны атома технеция можно охарактеризовать набором из четырех квантовых чисел: n (главное квантовое), l (орбитальное), m l (магнитное) и s (спиновое):

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Технеций (лат. Technetium), Тс, радиоактивный химический элемент VII группы периодической системы Менделеева, атомный номер 43, атомная масса 98, 9062; металл, ковкий и пластичный.

Существование элемента с атомным номером 43 было предсказано Д. И. Менделеевым. Технеций получен искусственно в 1937 году итальянскими учеными Э. Сегре и К. Перрье при бомбардировке ядер молибдена дейтронами; название получил от греч. technetos - искусственный.

Технеций стабильных изотопов не имеет. Из радиоактивных изотопов (около 20) практическое значение имеют два: 99 Тс и 99m Тс с периодами полураспада соответственно Т ½ = 2,12·10 5 лет и T ½ = 6,04 ч. В природе элемент находится в незначительных количествах - 10 -10 г в 1 т урановой смолки.

Физические свойства Технеция. Металлический Технеций в виде порошка имеет серый цвет (напоминает Re, Mo, Pt); компактный металл (слитки плавленого металла, фольга, проволока) серебристо-серого цвета. Технеций в кристаллическом состоянии имеет гексагональную решетку плотной упаковки (а = 2.735Å, с = 4,391Å); в тонких слоях (менее 150 Å) - кубическую гранецентрированную решетку (а = 3,68Å); плотность Технеция (с гексагональной решеткой) 11,487 г/см 3 ; t пл 2200°С; г кип 4700 °С; удельное электросопротивление 69·10 -6 ом·см (100 °С); температура перехода в состояние сверхпроводимости Тс 8,24 К. Технеций парамагнитен; его магнитная восприимчивость при 25°С 2,7·10 -4 . Конфигурация внешней электронной оболочки атома Тс 4d 5 5s 2 ; атомный радиус 1,358Å; ионный радиус Тс 7+ 0,56Å.

Химические свойства Технеция. По химические свойствам Тс близок к Mn и особенно к Re, в соединениях проявляет степени окисления от -1 до +7. Наиболее устойчивы и хорошо изучены соединения Тс в степени окисления +7. При взаимодействии Технеция или его соединений с кислородом образуются оксиды Тс 2 О 7 и ТсО 2 , с хлором и фтором - галогениды ТсХ 6 , TcX 5 , ТсХ 4 , возможно образование оксигалогенидов, например ТсО 3 Х (где X - галоген), с серой - сульфиды Tc 2 S 7 и TcS 2 . Технеций образует также технециевую кислоту НТсО 4 и ее соли пертехнаты МТсО 4 (где М - металл), карбонильные, комплексные и металлорганические соединения. В ряду напряжений Технеций стоит правее водорода; он не реагирует с соляной кислотой любых концентраций, но легко растворяется в азотной и серной кислотах, царской водке, перекиси водорода, бромной воде.

Получение Технеция. Основным источником Технеция служат отходы атомной промышленности. Выход 99 Тс при делении 233 U составляет около 6%. Из смеси продуктов деления Технеций в виде пертехнатов, оксидов, сульфидов извлекают экстракцией органических растворителями, методами ионного обмена, осаждением малорастворимых производных. Металл получают восстановлением водородом NH 4 TcO 4 , TcO 2 , Tc 2 S 7 при 600-1000 °С или электролизом.

Применение Технеция. Технеций - перспективный металл в технике; он может найти применение как катализатор, высокотемпературный и сверхпроводящий материал. Соединения Технеция - эффективные ингибиторы коррозии. 99m Тс используется в медицине как источник γ-излучения. Технеций радиационноопасен, работа с ним требует специальной герметизированной аппаратуры.