一種人工放射性元素,化學符號Pu,原子序數94,屬錒系元素,為銀白色金屬。半衰期最長的同位素是鈈244。仿照鈾、錼的命名,鈈以冥王星(Pluto)命名。

  發現 鈈是繼93號元素錼之後發現的第二個超鈾元素。1940年末,G.T.西柏格、E.M.麥克米倫、J.W.甘迺迪和A.C.沃爾在美國用60英寸迴旋加速器加速的16兆電子伏氘核轟擊鈾時發現瞭鈈238。其核反應為:

   (1)

第二年,肯尼迪、西博格、E.G.塞格雷和沃爾又發現瞭钚的最重要的同位素钚239。

  钚的全部同位素都是通過人工核反應發現的。後來人們在自然界中找到瞭兩種钚同位素。一種是從氟碳鈰鑭礦中找到的微量钚244,具有足夠長的半衰期,因此,它可能是地球上原始就存在的;另一種是從含鈾礦物中找到的钚239,它沒有钚244那樣長的半衰期,是鈾中的鈾238吸收自然界中的中子而形成的。形成過程為:

  (2)

  性質 核性質 已發現質量數232~246的全部钚同位素,其主要核性質見表1。

表1 钚同位素的核性質

  物理和化學性質 金屬钚的熔點為640℃,沸點3234℃。從室溫到熔點之間有六種同素異形體(表2),這是冶金學上很獨特的現象。

表2 金屬钚各同素異形體的性質

  金屬钚在空氣中的氧化速率與濕度有關,在幹燥的空氣中由於氧化膜的保護作用,氧化十分緩慢;但在水汽存在下,由於它能破壞氧化膜,使氧化趨於嚴重。金屬钚在空氣中有自燃的危險。

  金屬钚易溶於鹽酸、氫溴酸、氫碘酸、氨基磺酸、磷酸、較濃的過氯酸和濃的三氯乙酸。由於鈍化作用,金屬钚不溶於硝酸和濃硫酸。

  钚原子的電子構型為(Rn)5f66d07s2,在水溶液中有+3~+7五種氧化態,存在的形式為Pu3+Pu4+PuO2+PuO22+PuO53-,其中以四價態最穩定。七價態隻在堿溶液中存在,五價態在pH為2~6間穩定。不同氧化態的離子有不同的顏色特征:Pu3+藍紫色,Pu4+黃棕色,PuO2+微紅色,PuO22+粉紅色。各種氧化態的钚形成絡合物時,其穩定性有如下的次序:Pu(Ⅳ)>Pu(Ⅲ)>Pu(Ⅵ)>Pu(Ⅴ)。各種氧化態钚所形成的氫氧化物的溶度積為:Pu(OH)410-56PuO2(OH)210-23,Pu(OH)310-20PuO2(OH)約10-10

  與鈾、镎相似,處於中間氧化態的钚在一定條件下也發生歧化反應。钚(Ⅳ)在稀酸中按下式發生歧化反應:

3Pu4+2H2O

2Pu 3+PuO 2 2+4H +

钚(Ⅴ)在中等以上濃度的酸中按以下反應式發生歧化反應:

3PuO2+4H+

Pu 4+2PuO 2 2+2H 2 O

PuO2+Pu4+

PuO 2 2+Pu 3+

由於歧化平衡中各氧化態钚的氧化還原電位十分接近,因此,在一定酸度條件下,平衡中各氧化態钚都可以相當的濃度共存於同一溶液中。這種現象是鈾、镎所沒有的。

  制取 钚的大規模生產是通過反應堆中的核反應來實現的。在反應堆中鈾238按反應式(2)生成钚239,钚239留於反應堆中則可以進一步吸收中子,形成更重的钚同位素(如钚240、钚241、钚242等)。這樣形成的钚是多種钚同位素的混合物,而且在反應堆中停留時間越長,則重同位素的含量越高。

  從反應堆輻照鈾燃料中分離钚是核燃料後處理的任務之一。歷史上第一次工廠規模分離钚所用的化學過程為磷酸鉍沉淀流程(見核燃料水法後處理),但現在世界上已普遍采用以磷酸三丁酯為萃取劑的普雷克斯流程。

  钚238的生產是通過在反應堆中輻照镎237實現的,其形成過程為:

   (3)

钚238的分離純化也用化學方法,通常采用離子交換法或溶劑萃取法。

  應用 钚239是易裂變核素,像鈾235一樣能用作核燃料,也用於制造核武器。更有意義的是钚用作快中子增殖反應堆的燃料,在這種反應堆中钚由於裂變反應(產生核能)而被消耗,但是與钚同時被放置於反應堆中的鈾238吸收中子而形成瞭新的钚,而且新形成的钚比消耗掉的钚還要多。這樣人們可以充分地(從理論上講是全部地)將天然鈾中的鈾238(占天然鈾的99.275%)轉變為钚而加以利用。

  钚的另一個較重要的同位素是钚238,它可用於制作同位素電池,用作宇宙飛船、人造衛星、航標燈、極地氣象站等的能源。

  毒性 钚屬於極毒性元素,钚239在人體中的最大容許積存量為0.6微克(1.48×102貝可),在放射性工作場所空氣中的最大容許濃度為7.4×10-5貝可/升,在露天水源中的限制濃度為37貝可/升。

  

參考書目

 J.M.克利夫蘭著,《钚化學》翻譯組譯:《钚化學》,科學出版社,北京,1974。(J.M.Cleveland,TheChemistry of Plutonium,Gordon &Breach,New York,1970.)