عنصر توریوم (Thorium) با نماد شیمیایی Th، یکی از عناصر شیمیایی جدول مندلیف است که عدد اتمی آن ۹۰ می باشد. این عنصر در حقیقت نودمین عنصر از جدول تناوبی بوده که در گروه IIIB و دوره هفتم جدول تناوبی عناصر قرار گرفته است. در واقع عنصر توریوم یک فلز واسطه (Transition Metals) به رنگ سفيد- نقره ای و از عناصر رادیواکتیو گروه اکتینید ها است. این فلز با عناصر اسکاندیم (Sc)، ایتریم (Y) و لانتان (La)، در گروه سوم واسطه جدول تناوبی قرار گرفته است. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی عنصر توریم پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.
تاریخچه کشف عنصر توریوم
عنصر توریوم برای اولین بار در سال ۱۸۲۸ میلادی، توسط شیمیدان سوئدی به نام جونز جیکوب برزليوس (Jons Jacob Berzelius) کشف شد. واژه توریوم به افتخار تور (Thor) خدای رعد و قدرت در اساطیر باستانی اسکاندیناوی، انتخاب شده است. برسلیوس تلاش کرد تا عنصر توریوم را به صورت خالص تهیه کند، اما با شکست مواجه شد. سال های زیادی این عنصر به شکل اکسید توریوم شناخته شده بود. در نهایت در دهه ۱۸۷۰ میلادی، توریوم به شکل فلزی تهیه شد. از این رو، توریوم بعد از عنصر اورانیوم، دومین عنصر رادیواکتیوی محسوب می شود که به روش مرسوم تجزیه شیمیایی و بدون آگاهی از رادیواکتیویته بودن کشف شده است.
پیدایش و منابع عنصر شماره ۹۰ جدول تناوبی
توریم در مقادیر بسیار کم، در اغلب سنگ ها و خاک ها وجود دارد. فراوانی توریوم تقریبا سه برابر اورانیوم است. در واقع می توان گفت که عنصر توریوم به طور تقریبی به اندازه عنصر سرب متداول است. به طور کلی، خاک محتوی حدود شش ppm توریم است. این عنصر همچنین در کانی های زیادی وجود دارد. از رایج ترین این کانی ها می توان به ماده معدنی فسفات توریم یا مونازیت (Monazite) اشاره کرد. این کانی دارای بیش از ۱۲% اکسید توریوم است که به وفور در شن و ماسه كنار ساحل يافت مي شود. مهمترین معادن مونازیت در کشور های هندوستان جنوبی و برزیل وجود دارند. معادن دیگری که وسعت چندانی ندارد، اما بسیار غنی از توریم هستند، در جزیره سیلان کشف شده اند. همچنین منابع مهمی که شامل کانی مونازیت هستند در جزایر ماداگاسکار کشف شده اند.
علاوه بر آن، ذخیره های زیادی از عنصر توریم در چندین کشور مختلف وجود دارد. در واقع، کانی دیگری از توریوم که توریت (Thorite) نامیده می شود، در کشور های استرالیا، اسکاندیناویا، بریتانیا، برزیل، ماداگاسکار، ایالت متحده و روسیه وجود دارد. لازم به ذکر است که با تولید مصنوعی این ماده رادیواکتیو و همچنین دیگر مکانیسم های تولید انرژی هسته ای (مانند همجوشی های کنترل شده)، دیگر مشکل جستجو و کشف معادن توریم بر طرف شده است.
ویژگی های فیزیکی و شیمیایی عنصر توریوم
عنصر توریوم، فلزی طبیعی و رادیواکتیو است. این عنصر از عناصر سری اکتینید ها محسوب می شود. شکل خالص این عنصر، به رنگ سفید- نقره ای است که می تواند درخشش خود را تا چند ماه نیز حفظ نماید. در مجاورت هوا اکسید می شود و به تدریج کدر می گردد. به بیان دیگر، به علت تشکیل دی اکسید توریوم به رنگ خاکستری و در نهایت به رنگ سیاه در می آید. این فلز تقریبا نرم و چکش خوار است. به علاوه نقطه ذوب بالایی نیز دارد. عنصر توریم، یکی از چگالی ترین مواد موجود بر روی کره زمین می باشد. این عنصر، در حدود بیست میلیون برابر زغال سنگ انرژی دارد. به عبارت دیگر، از آن می توان به عنوان یک منبع ایده آل انرژی، بهره گرفت.
خصوصیات قابل توجه توریوم از ساختار اتمی آن ([۸۶Rn] 6d۲۷s۲) ناشی می شود. همانطور که مشخص است، اوربیتال d لایه ماقبل آخر در این عنصر در حال پر شدن است. این عنصر به واسطه آرایش الکترونی که دارد، در دسته فلزات واسطه قرار می گیرد. فلزات واسطه در حقیقت بین فلزات قلیایی خاکی و عناصر گروه بور در جدول تناوبی قرار می گیرند. به عناصر واسطه، عناصر گروه B نیز گفته می شود. لازم به ذکر است که لانتانید ها و اکتینید ها عناصر واسطه داخلی نامیده می شوند. با توجه به آرایش الکترونی توریم مشخص است که چهار الکترون در دورترین لایه الکترونی توریم وجود دارد. پس در بیشتر ترکیبات به صورت کاتیون چهار بار مثبت (+Th۴) ظاهر مي شود. در واقع، حالت اکسیداسیون آن بیشتر ۴+ است. از این رو می تواند در چهار پیوند کووالانسی شرکت کند.
خواص ویژه توریم
همانطور که بیان شد، از لحاظ شیمیایی عنصر توریم یک اکتینید الکتروپوزیتیو با ظرفیت چهار و کاملا فعال است. به نحوی که اگر توریوم به ذرات ریز و کوچک تبدیل شود، می تواند یه راحتی در هوا شعله ور گردد. اگر به این فلز در هوا حرارت دهند، آتش گرفته و با نور درخشان سفید رنگی می سوزد. جالب است بدانید که اکسید توریم (ThO۲) که توریا نیز نامیده می شود، یکی از بالا ترین نقاط جوش را در بین تمامی اکسید ها دارد.
- حالت فیزیکی آن در دمای ۲۵ درجه سلسیوس و فشار ۱ اتمسفر به صورت جامد است.
- دمای ذوب و دمای جوش این عنصر به ترتیب ۱۸۴۲ و ۴۷۸۸ درجه سانتی گراد است.
- خاصیت مغناطیسی عنصر توریوم نامشخص است.
- ساختار بلوری آن به شکل مکعبی مرکز وجوه پر (fcc) است.
- این عنصر آلوتروپ ندارد.
- جرم اتمی توریوم برابر با ۲۳۲.۰۳۸۱ g/mol است.
- چگالی آن نیز برابر با ۱۱.۷ g/cm۳ می باشد.
- شعاع اتمی آن نیز برابر با pm 179 می باشد.
- یون های توریوم معمولا عدد اکسایش برابر با اعداد ۰، +۱، +۲، +۳ و +۴ دارند. در حقیقت یک اکسید بازی ضعیف محسوب می شود. اعداد اکسایش ۰ و +۴ متداول تر می باشد.
- اولین انرژی یونیزاسیون آن برابر با ۵۸۷ kJ/mol است.
اکتینید ها
واژه اکتینید (Actinide) به معنای شبیه اکتینیوم است که به طور کلی با نماد شیمیایی An نمایش داده می شود. همانطور که مشخص است، نام این دسته از عناصر، از فلز آکتینیوم گرفته شده است. اکتینید ها در واقع شامل ۱۵ عنصر با عدد های اتمی ۸۹ تا ۱۰۳ است. به دلیل کمبود جا در جدول و به منظور اینکه نظم و ترتیب جدول تناوبی عناصر حفظ شود، این گروه از عناصر در یک ردیف ۱۴ تایی در پایین جدول قرار گرفته اند. تمامی اکتینید ها به جز اکتینیم جز بلوک f هستند. این عنصر جز بلوک d جدول تناوبی محسوب می شود، اما خواص آن شبیه به چهارده اکتینید دیگر است.
گروه اکتینید ها با فلز اکتینیوم (۴f۰۶d۱۷s۲) آغاز و به فلز لارنسیوم (۵f۱۴۷s۲۷p۱) ختم می شود. تمامی اکتینید ها دارای هسته ناپایدار می باشند، بنابراین جز عنصر های رادیواکتیو و پرتوزا حساب می شوند. این عناصر، فلزاتی متراکم، نرم، انعطاف پذیر، چگالی بالا و الکتروپوزیتیو هستند. برخی از آنها با چاقو به راحتی برش می خورند. همچنین ممکن است آلوتروپ های زیادی تشکیل دهند. علاوه بر آن، خاصیت پارامغناطیسی نشان می دهند. این فلزات در دمای اتاق جامد بوده و در هوا خود به خودی آتش می گیرند. با هالوژن ها، کالکوژن ها و کربن (اورگانو اکتینید ها) درگیر واکنش می شوند. این دسته از فلزات با آب جوش و همچنین اسید های رقیق، گاز هیدروژن آزاد می کنند. از جمله اکتینید ها می توان به توریم، لارنسیوم، نوبلیوم، فرمیم، کالیفرنیم، برکلیوم و کوریم اشاره کرد.
ایزوتوپ های عنصر توریوم
همانطور که می دانید، ایزوتوپ های یک عنصر تنها در تعداد نوترون ها با یکدیگر تفاوت دارند. عنصر توریوم ایزوتوپ های فراوانی دارد. توریومی که در طبیعت وجود دارد دارای هفت ایزوتوپ رادیواکتیو می باشد. در حقیقت هیچ یک از این ایزوتوپ ها پایدار نمی باشند. می توان گفت که تنها ایزوتوپ ۲۳۲Th نسبتا پایدار است. رادیو ایزوتوپ ۲۳۲Th فراوان ترین ایزوتوپ توریوم با نیمه عمر ۱۴/۰۵ میلیارد سال است. علاوه بر آن، ۳۱ ایزوتوپ پرتوزای دیگر نیز برای توریوم شناخته شده است. ایزوتوپ های رادیواکتیو این عنصر دارای جرم های اتمی در محدوده ۲۰۹ تا ۲۳۸ amu می باشند.
بعد از ایزوتوپ ۲۳۲Th، رادیوایزوتوپ های ۲۳۰Th با نیمه عمر ۷۵۳۸۰ سال، ۲۲۹Th با نیمه عمر ۷۳۴۰ سال و ۲۲۸Th با نیمه عمر ۱/۹۲ سال هستند. بقیه ایزوتوپ های توریوم، نیمه عمری کمتر از ۳۰ روز دارند. لازم به ذکر است که بیشتر آنها نیمه عمری کمتر از ۱۰ دقیقه دارند. علاوه بر آن، توریم دارای یک حالت متا (m) نیز می باشد. توجه داشته باشید که توریوم ۲۳۲ بسیار آهسته فروپاش می شود (در حقیقت نیمه عمر آن حدود سه برابر عمر زمین می باشد). بقیه ایزوتوپ های آن در زنجیره فرسایش توریوم و اورانیم وجود دارند. همانطور که بیان شد، بیشتر این ایزوتوپ ها کم عمر می باشند، به همین دلیل خیلی بیشتر از ۲۳۲Th رادیواکتیو می باشند.
کاربرد های عنصر توریوم
از توریم در توری چراغ های گازی قابل حمل بهره می برند. این توری ها زمانیکه در شعله گاز گرم شوند، می توانند نور خیره کننده ای تولید نمایند. به علاوه، در ساخت الکترود های جوشکاری و یا سرامیک های مقاوم در برابر حرارت های زیاد نیز کاربرد دارد. از توریم همچنین به منظور پوشش سیم های تنگستن در وسایل و تجهیزات الکترونیکی استفاده می کنند. این عنصر به عنوان عنصری آلیاژ ساز در فلز منیزیم، سبب تقسیم نیرو های شدید می شود. در این صورت باعث افزایش مقاومت آن در دما های بالا می گردد. به وسیله اورانیم– توریم می توان قدمت سنجی جهت تعیین قدمت فسیل های انسان انجام داد. توریوم همچنین به عنوان ماده بارور کننده جهت تولید سوخت هسته ای بکار برده می شود.
یکی از پر کاربرد ترین ترکیبات توریوم، اکسید توریم است. این اکسید به منظور کنترل اندازه تنگستن موجود در لامپ ها مورد استفاده قرار می گیرد. به علاوه در کوره های گداز بسیار داغ آزمایشگاهی کاربرد دارد. اضافه کردن اکسید توریم به شیشه باعث افزایش ضریب شکست آنها و همچنین کاهش پراکندگی نور می شود. در نتیجه از این شیشه ها در لنز های کیفیت بالای دوربین و همچنین ابزار های علمی استفاده می شود. از اکسید توریم همچنین به عنوان کاتالیزور استفاده می کنند. به ویژه در فرآیند هایی مانند تبدیل آمونیاک به اسید نیتریک، کراکینگ بنزین و در تولید اسید سولفوریک.
توریم به عنوان یک سوخت اتمی
از عناصر توریم و اورانیم به عنوان سوخت در رآکتور های اتمی استفاده می کنند. لازم به ذکر است که چرخه سوخت توریوم از انواع چرخه های سوخت هسته ای محسوب می شود. در این چرخه از ایروتوپ های توریم به عنوان ماده باردار رآکتور استفاده می شود. جالب است بدانید که مزایای چرخه سوخت توریوم نسبت به چرخه سوخت اورانیوم بیشتر است. از جمله می توان به خواص فیزیکی و هسته ای بهتر آن اشاره کرد. علاوه بر آن، در این چرخه تولید پلوتونیم و آکتینید کمتر خواهد بود. به علاوه توریوم بر خلاف عنصر اورانیوم، تنها یک ایزوتوپ دارد. بنابراین جهت استفاده از آن در رآکتور ها، نیازی به جداسازی ایزوتوپ ها نمی باشد. توریوم همچنین قابلیت های فراوانی در کاربرد های صلح آمیز انرژی هسته‌ای دارد. این عنصر در تولید سلاح های هسته ای مناسب نمی باشد.
ترکیبات عنصر توریوم
توریم می تواند به راحتی با اکسیژن، گوگرد و هالوژن ها واکنش دهد. در نتیجه اکسید، سولفید و هالید ها را تولید نماید. از جمله ترکیبات آن می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- اکسید توریوم (ThO)
- دی اکسید توریوم (ThO۲)
- هیدروکسید توریوم (Ac(OH)۴)
- توریم(IV) کاربید (ThC)
- کلرید توریوم (IV) (ThCl۴)
- تترا فلوئورید توریوم (ThF۴)
- یدید توریوم (IV) (ThI۴)
- توریوم (IV) اورتوسیلیسات (ThSiO۴)
- توریوم اگزالات (Th(C۲O۴)۲)
- نیترات توریوم (Th(NO۳)۴)
- سولفید توریم (IV) (ThS۲)
خطرات توریوم بر روی سلامتی انسان
تمامی انسان ها از طریق غذا خوردن و یا آب آشامیدنی مقداری توریوم جذب می کنند. از طرفی، مقدار توریوم موجود در هوا، به قدری ناچیز است که می توان جذب آن را از طریق هوا در نظر نگرفت. اما در نزدیکی محل دفع زباله ها، میزان زیای توریوم وجود دارد. در واقع افرادی که در نزدیکی این مکان ها زندگی می کنند، نسبت به سایر افراد، در تماس بیشتری با توریم قرار دارند. زیرا این افراد از گرد و غباری که به وسیله باد آورده می شود تنفس می کنند. همچنین مقدار توریم در غذایی که در نزدیکی این محل ها رشد می کند، زیاد تر خواهد بود. مقدار توریم موجود در محیط زیست اطراف ما، به دلیل انتشار توریوم از طریق دستگاه های فرآوری نیز افزایش پیدا کرده است.
علاوه بر آن، افرادی که در معادن، صنایع مربوطه و یا آزمایشگاه های توریوم کار می کنند، بیشتر از مردم عادی در تماس با توریم می باشند. تنفس توریم در محیط های کاری و در طی سالیان متمادی، احتمال بروز بیماری های ریوی و همچنین سرطان ریه، خون و لوزالامعده را افزایش می دهد. توریم همچنین می تواند ماده ژنتکی انسان را تغییر دهد. افرادی که در تماس مستقیم با توریم و به خصوص اشعه X قرار دارند، خطر ابتلا به بیماری های کبدی در آنها افزایش می یابد. همانطور که بیان شد، توریم رادیواکتیو است. بنابراین در استخوان ها ذخیره می شود و تماس طولانی مدت با توریوم باعث سرطان استخوان می شود. دقت داشته باشید که تنفس مقدار زیادی از عنصر توریم کشنده خواهد بود. لازم به ذکر است که برای عنصر توریوم هیچ نقش بیولوژی شناسایی نشده است.
خطرات کار با توریوم
توجه داشته باشید که فلز توریم پودر شده، اغلب آتش زا است. بنابراین باید حتما با احتیاط با آن کار کنید. عنصر توریم با تولید نهایی تورون که در واقع ایزوتوپی از عنصر رادون می باشد (Ra-220) فروپاشیده می گردد. گاز رادون تولید شده، خطر تابش دارد. از این جهت، در مکانی که در آن توریم نگهداری می شود و یا حتی با آن کار می کنند به تهویه مناسب نیاز دارد.
بسیار عالی بود!