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Chemische Verbindung

Thoriumdioxid
Fluorit-Einheitszellen-3D-ionic.png
Namen
IUPAC-Namen

Thoriumdioxid
Thorium (IV) oxid
Andere Namen

Thoria
Thoriumanhydrid
Kennungen
ECHA InfoCard 100.013.842 Bearbeiten Sie dies bei Wikidata
UNII
Eigenschaften
ThO2
Molmasse 264,037 g / mol[1]
Aussehen weißer Feststoff[1]
Geruch geruchlos
Dichte 10,0 g / cm3[1]
Schmelzpunkt 3.350 ° C (6.060 ° F; 3.620 K)[1]
Siedepunkt 4.400 ° C (7.950 ° F; 4.670 K)[1]
unlöslich[1]
Löslichkeit unlöslich in Alkali
in Säure schwer löslich[1]
−16.0 · 10−6 cm3/ mol[2]
2.200 (Thorianit)[3]
Struktur
Fluorit (kubisch), cF12
Fm3m, Nr. 225
Tetraeder (O.2−); kubisch (ThIV)
Thermochemie
65,2 (2) J K.−1mol−1
–1226 (4) kJ / mol
Gefahren
NFPA 704 (Feuerdiamant)
Flammability code 0: Will not burn. E.g. water Health code 2: Intense or continued but not chronic exposure could cause temporary incapacitation or possible residual injury. E.g. chloroform Reactivity code 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogen Special hazard RA: Radioactive. E.g. plutonium

NFPA 704 vierfarbiger Diamant

Besondere Gefahr RA: Radioaktiv. ZB Plutonium
Flammpunkt Nicht brennbar
Tödliche Dosis oder Konzentration (LD, LC):
400 mg / kg
Verwandte Verbindungen
Hafnium (IV) -oxid
Cer (IV) oxid

Verwandte Verbindungen

 Protactinium (IV) oxid
Uran (IV) oxid
Sofern nicht anders angegeben, werden Daten für Materialien in ihrem Standardzustand (bei 25 ° C) angegeben [77 °F]100 kPa).
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Infobox-Referenzen

Thoriumdioxid (ThO2), auch genannt Thorium (IV) oxidist ein kristalliner Feststoff, oft weiß oder gelb gefärbt. Auch bekannt als ThoriaEs wird hauptsächlich als Nebenprodukt der Lanthanoid- und Uranproduktion erzeugt.[4]Thorianit ist der Name der mineralogischen Form von Thoriumdioxid. Es ist mäßig selten und kristallisiert in einem isometrischen System. Der Schmelzpunkt von Thoriumoxid beträgt 3300 ° C – das höchste aller bekannten Oxide. Nur wenige Elemente (einschließlich Wolfram und Kohlenstoff) und einige Verbindungen (einschließlich Tantalcarbid) haben höhere Schmelzpunkte.[5] Alle Thoriumverbindungen sind radioaktiv, da es keine stabilen Thoriumisotope gibt.

Struktur und Reaktionen[edit]

Thoria existiert als zwei Polymorphe. Einer hat eine Fluoritkristallstruktur. Dies ist unter binären Dioxiden ungewöhnlich. Andere binäre Oxide mit Fluoritstruktur umfassen Cerdioxid, Urandioxid und Plutoniumdioxid.[clarification needed] Die Bandlücke der Thoria beträgt ca. 6 eV. Eine tetragonale Form der Thoria ist ebenfalls bekannt.

Thoriumdioxid ist stabiler als Thoriummonoxid (ThO).[6] Nur bei sorgfältiger Kontrolle der Reaktionsbedingungen kann die Oxidation von Thoriummetall eher das Monoxid als das Dioxid ergeben. Bei extrem hohen Temperaturen kann sich das Dioxid entweder durch eine Disproportionierungsreaktion (Gleichgewicht mit flüssigem Thoriummetall) über 1.850 K (1.580 ° C) oder durch einfache Dissoziation (Sauerstoffentwicklung) über 2.500 K (2.230) in das Monoxid umwandeln ° C; 4.040 ° F).[7]

Anwendungen[edit]

Kernbrennstoffe[edit]

Thoriumdioxid (Thoria) kann in Kernreaktoren als keramische Brennstoffpellets verwendet werden, die typischerweise in mit Zirkoniumlegierungen beschichteten Kernbrennstäben enthalten sind. Thorium ist nicht spaltbar (aber “fruchtbar” und züchtet spaltbares Uran-233 unter Neutronenbeschuss); Daher muss es als Kernreaktorkraftstoff in Verbindung mit spaltbaren Isotopen von Uran oder Plutonium verwendet werden. Dies kann erreicht werden, indem Thorium mit Uran oder Plutonium gemischt wird oder in seiner reinen Form in Verbindung mit separaten Brennstäben verwendet wird, die Uran oder Plutonium enthalten. Thoriumdioxid bietet Vorteile gegenüber herkömmlichen Urandioxid-Brennstoffpellets aufgrund seiner höheren Wärmeleitfähigkeit (niedrigere Betriebstemperatur), des erheblich höheren Schmelzpunkts und der chemischen Stabilität (oxidiert im Gegensatz zu Urandioxid nicht in Gegenwart von Wasser / Sauerstoff).

Thoriumdioxid kann durch Züchtung zu Uran-233 in einen Kernbrennstoff umgewandelt werden (weitere Informationen hierzu finden Sie im Artikel über Thorium). Die hohe thermische Stabilität von Thoriumdioxid ermöglicht Anwendungen beim Flammensprühen und bei Hochtemperaturkeramiken.

Legierungen[edit]

Thoriumdioxid wird als Stabilisator in Wolframelektroden beim WIG-Schweißen, bei Elektronenröhren und Flugzeuggasturbinentriebwerken verwendet. Als Legierung verformt sich thoriertes Wolframmetall nicht leicht, da das hochschmelzende Material Thoria die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen verbessert und Thorium die Emission von Elektronen (Thermionen) stimuliert. Es ist aufgrund seiner geringen Kosten das beliebteste Oxidadditiv, wird jedoch zugunsten nicht radioaktiver Elemente wie Cer, Lanthan und Zirkonium eingestellt.

Thoria-dispergiertes Nickel findet seine Anwendung in verschiedenen Hochtemperaturbetrieben wie Verbrennungsmotoren, da es ein gutes kriechfestes Material ist. Es kann auch zum Einfangen von Wasserstoff verwendet werden.[8][9][10][11][12]

Katalyse[edit]

Thoriumdioxid hat als kommerzieller Katalysator fast keinen Wert, aber solche Anwendungen wurden gut untersucht. Es ist ein Katalysator in der Ruzicka-Großringsynthese. Andere Anwendungen, die untersucht wurden, umfassen das Cracken von Erdöl, die Umwandlung von Ammoniak in Salpetersäure und die Herstellung von Schwefelsäure.[13]

Röntgenkontrastmittel[edit]

Thoriumdioxid war der Hauptbestandteil von Thorotrast, einem einst üblichen Röntgenkontrastmittel für die zerebrale Angiographie. Es verursacht jedoch viele Jahre nach der Verabreichung eine seltene Form von Krebs (hepatisches Angiosarkom).[14] Diese Verwendung wurde durch injizierbares Jod oder eine einnehmbare Bariumsulfatsuspension als Standard-Röntgenkontrastmittel ersetzt.

Lampenmäntel[edit]

Eine weitere wichtige Verwendung in der Vergangenheit war der Gasmantel von Laternen, die 1890 von Carl Auer von Welsbach entwickelt wurden und zu 99 Prozent aus ThO bestehen2 und 1% Cer (IV) oxid. Noch in den 1980er Jahren wurde geschätzt, dass etwa die Hälfte aller ThO2 Zu diesem Zweck wurde produziert (mehrere hundert Tonnen pro Jahr) verwendet.[15] Einige Mäntel verwenden immer noch Thorium, aber Yttriumoxid (oder manchmal Zirkoniumoxid) wird zunehmend als Ersatz verwendet.

Glasherstellung[edit]

Drei Linsen von vergilbt bis transparent von links nach rechts

Vergilbte Thoriumdioxidlinse (links), eine ähnliche Linse, die teilweise mit ultravioletter Strahlung vergilbt ist (Mitte), und Linse ohne Vergilbung (rechts)

Bei Zugabe zu Glas trägt Thoriumdioxid dazu bei, den Brechungsindex zu erhöhen und die Dispersion zu verringern. Ein solches Glas findet Anwendung in hochwertigen Objektiven für Kameras und wissenschaftliche Instrumente.[16] Die Strahlung dieser Linsen kann sie über Jahre hinweg verdunkeln und gelb färben und den Film verschlechtern, aber die Gesundheitsrisiken sind minimal.[17] Vergilbte Linsen können durch längere Einwirkung intensiver ultravioletter Strahlung in ihren ursprünglichen farblosen Zustand zurückversetzt werden. Thoriumdioxid wurde seitdem in fast allen modernen Gläsern mit hohem Index durch Seltenerdoxide wie Lanthanoxid ersetzt, da sie ähnliche Wirkungen haben und nicht radioaktiv sind.[18]

Verweise[edit]

  1. ^ ein b c d e f G Haynes, p. 4,95
  2. ^ Haynes, p. 4.136
  3. ^ Haynes, p. 4.144
  4. ^ ein b Yamashita, Toshiyuki; Nitani, Noriko; Tsuji, Toshihide; Inagaki, Hironitsu (1997). Wärmeausdehnungen von NpO2 und einige andere Aktiniddioxide “. J. Nucl. Mater. 245 (1): 72–78. Bibcode:1997JNuM..245 … 72Y. doi:10.1016 / S0022-3115 (96) 00750-7.
  5. ^ Emsley, John (2001). Bausteine ​​der Natur (Hardcover, Erstausgabe). Oxford University Press. pp. 441. ISBN 978-0-19-850340-8.
  6. ^ Er, Heming; Majewski, Jaroslaw; Allred, David D.; Wang, Peng; Wen, Xiaodong; Rektor Kirk D. (2017). “Bildung von festem Thoriummonoxid bei nahezu Umgebungsbedingungen, wie durch Neutronenreflektometrie beobachtet und durch gescreente Hybridfunktionsberechnungen interpretiert”. Journal of Nuclear Materials. 487: 288–296. Bibcode:2017JNuM..487..288H. doi:10.1016 / j.jnucmat.2016.12.046.
  7. ^ Hoch, Michael; Johnston, Herrick L. (1954). “Die Reaktion auf thorierte Kathoden”. Marmelade. Chem. Soc. 76 (19): 4833–4835. doi:10.1021 / ja01648a018.
  8. ^ Mitchell, Brian S. (2004). Eine Einführung in die Werkstofftechnik. und Wissenschaft für Chemie und Materialien. p. 473. ISBN 978-0-471-43623-2.
  9. ^ Robertson, Wayne M. (1979). “Messung und Bewertung des Einfangens von Wasserstoff in in Thoria dispergiertem Nickel”. Metallurgische und Materialtransaktionen A.. 10 (4): 489–501. Bibcode:1979MTA …. 10..489R. doi:10.1007 / BF02697077.
  10. ^ Kumar, Arun; Nasrallah, M.; Douglass, DL (1974). “Die Wirkung von Yttrium und Thorium auf das Oxidationsverhalten von Ni-Cr-Al-Legierungen”. Oxidation von Metallen. 8 (4): 227–263. doi:10.1007 / BF00604042. hdl:2060/19740015001. ISSN 0030-770X.
  11. ^ Stringer, J.; Wilcox, BA; Jaffee, RI (1972). “Die Hochtemperaturoxidation von Nickel-20 Gew .-% Chromlegierungen, die dispergierte Oxidphasen enthalten”. Oxidation von Metallen. 5 (1): 11–47. doi:10.1007 / BF00614617. ISSN 0030-770X.
  12. ^ Murr, LE (1974). “Grenzflächenenergie in den TD-Nickel- und TD-Nichrom-Systemen”. Journal of Materials Science. 9 (8): 1309–1319. doi:10.1007 / BF00551849. ISSN 0022-2461.
  13. ^ Stoll, Wolfgang (2012) “Thorium und Thoriumverbindungen” in Ullmanns Enzyklopädie der Industriechemie. Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002 / 14356007.a27_001
  14. ^ Thorotrast. radiopaedia.org
  15. ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1984). Chemie der Elemente. Oxford: Pergamonpresse. S. 1425, 1456. ISBN 978-0-08-022057-4.
  16. ^ Hammond, CR (2004). Die Elemente im Handbuch für Chemie und Physik (81. Ausgabe). CRC Drücken Sie. ISBN 978-0-8493-0485-9.
  17. ^ Oak Ridge Associated Universities (1999). “Thoriated Camera Lens (ca. 1970er Jahre)”. Abgerufen 29. September 2017.
  18. ^ Stoll, W. (2005). “Thorium und Thoriumverbindungen”. Ullmanns Enzyklopädie der Industriechemie. Wiley-VCH. p. 32. doi:10.1002 / 14356007.a27_001. ISBN 978-3-527-31097-5.

Zitierte Quellen[edit]


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