Neptunium

Neptunium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Np und der Ordnungszahl 93. Im Periodensystem der Elemente gehört es zur Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block). Neptunium ist das erste der sogenannten Transurane, die in der Natur des Planeten Erde, bis auf Spuren von Plutonium, nicht mehr vorkommen. Neptunium ist ein giftiges und radioaktives Schwermetall. Es wurde benannt nach dem Planeten Neptun, der auf den Planeten Uranus folgt. Neptunium folgt im Periodensystem auf Uran, dann folgt Plutonium.

Geschichte

Neptunium wurde 1940 von E. M. McMillan und P. H. Abelson bei der Beschießung von Uran mit Neutronen erstmals synthetisiert.^[2]

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Gewinnung

Neptunium entsteht als "Nebenprodukt" der Energiegewinnung in Kernreaktoren. Eine Tonne abgebrannter Kernbrennstoff soll 500 g Neptunium enthalten.^[3] So entstandenes Neptunium besteht fast aussschließlich aus dem Isotop (s. unten) ²³⁷Np.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Neptuniummetall hat ein silbernes Aussehen, ist chemisch reaktiv und existiert in mindestens drei verschiedenen Modifikationen:

• Alpha-Neptunium, orthorhombisch, Dichte 20,25 g/cm³
• Beta-Neptunium (über 280 °C), tetragonal, Dichte bei 313 °C, 19,36 g/cm³
• Gamma-Neptunium (über 577 °C), kubisch, Dichte bei 600 °C, 18,0 g/cm³

Isotope

Von Neptunium sind insgesamt 20 Isotope und 5 Kernisomere bekannt. Die langlebigsten Isotope sind ²³⁷Np mit 2,144 Mio. Jahren, ²³⁶Np mit 154000 Jahren und ²³⁵Np mit 396,1 Tagen Halbwertszeit. Die restlichen Isotope und Kernisomere besitzen Halbwertszeiten zwischen 45 Nanosekunden und 4,4 Tagen.

²³⁷Np ist Ausgangspunkt der Neptunium-Reihe, einer Zerfallskette, die beim Isotop Thallium ²⁰⁵Tl endet.

→ Liste der Neptuniumisotope

Spaltbarkeit

Wie bei allen Transuran-Nukliden ist auch bei den Np-Isotopen die neutroneninduzierte Kernspaltung möglich. Die Isotope mit ungerader Neutronenanzahl im Kern – von den langlebigen also ²³⁶Np – haben große Wirkungsquerschnitte für die Spaltung durch thermische Neutronen; beim ²³⁶Np beträgt er 2600 Barn^[4], es ist also "leicht spaltbar".

Bei dem im Kernreaktorbrennstoff anfallenden ²³⁷Np beträgt dieser Wirkungsquerschnitt nur 20 Millibarn.^[4] Dieses Isotop ist jedoch aufgrund anderer kernphysikalischer Eigenschaften geeignet, mit der Spaltung durch schnelle Neutronen im reinen Material eine Kettenreaktion aufrecht zu erhalten. Im Los Alamos National Laboratory wurde seine kritische Masse experimentell zu 60 kg bestimmt.^[5] Daher ist ²³⁷Np ein mögliches Material für Kernwaffen (siehe Literaturhinweis Albright und Kramer).

Verwendung

Das in Kernreaktoren aus ²³⁵U erbrütete ²³⁷Np kann zur Gewinnung von ²³⁸Pu zur Verwendung in Radioisotopengeneratoren genutzt werden. Dazu wird es (zusammen mit unwesentlichen Mengen anderer Neptuniumisotope) vom abgebrannten Reaktorbrennstoff abgetrennt und in Brennstäbe gefüllt, die nur Neptunium enthalten. Diese werden wieder in den Kernreaktor eingesetzt, wo sie erneut mit Neutronen bestrahlt werden; aus dem ²³⁷Np wird ²³⁸Pu erbrütet.

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Verbindungen

Neptunium bildet eine Reihe von Verbindungen, in denen es in den Oxidationsstufen +III bis +VII vorliegen kann. In wässriger Lösung haben die Neptuniumionen charakteristische Farben, so ist das Np³⁺-Ion purpurviolett, Np⁴⁺ gelbgrün, Np^VO₂⁺ grün, Np^VIO₂²⁺ rosarot und Np^VIIO₂³⁺ tiefgrün.^[6]

Oxide

Bekannt sind folgende Oxide in den Stufen +2, +4 bis +6: Neptunium(II)-oxid (NpO), Neptunium(IV)-oxid (NpO₂), Neptunium(V)-oxid (Np₂O₅) und Neptunium(VI)-oxid (NpO₃ · H₂O).^[7] Neptuniumdioxid (NpO₂) ist das chemisch stabilste Oxid des Neptuniums und findet Verwendung in Kernbrennstäben.

Halogenide

Für Neptunium sind Halogenide in den Oxidationstufen +3 bis +6 bekannt. In der Oxidationsstufe +6 ist das Neptuniumhexafluorid (NpF₆) von besonderer Bedeutung. Es ist ein orangefarbener Feststoff mit sehr hoher Flüchtigkeit, der schon bei 56 °C in den gasförmigen Zustand übergeht.^[8] In dieser Eigenschaft ähnelt es sehr dem Uranhexafluorid und Plutoniumhexafluorid, daher kann es genauso in der Anreicherung und Isotopentrennung verwendet werden.

Für die Stufe +3 sind sämtliche Verbindungen der vier Halogene Fluor, Chlor, Brom und Iod bekannt: NpF₃, NpCl₃, NpBr₃ und NpI₃.^[8]

Darüber hinaus bildet es folgende Halogenide in den Stufen +4 bis +6: NpF₄, NpCl₄, NpBr₄, NpF₅ und das erwähnte Neptuniumhexafluorid (NpF₆).^[8]

Einzelnachweise

1. ↑ In Bezug auf ihre Gefährlichkeit wurde die Substanz von der EU noch nicht eingestuft, eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
2. ↑ E. McMillan und P. H. Abelson: "Radioactive Element 93", Physical Review 1940, 57, S. 1185–1186; doi:10.1103/PhysRev.57.1185.2.
3. ↑ Klaus Hoffmann: Kann man Gold machen? Gauner, Gaukler und Gelehrte. Aus der Geschichte der chemischen Elemente. Urania-Verlag, Leipzig, Jena, Berlin 1979, S. 233.
4. ↑ ^{a b} Pfennig et al.: Karlsruher Nuklidkarte. Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 1998.
5. ↑ Weiss: Little-studied metal goes critical - Neptunium Nukes?. In: Science News. 26. Oktober 2002 (volltext ; Stand: 29. September 2006).
6. ↑ Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, S. 1956; ISBN 978-3-11-017770-1.
7. ↑ Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, S. 1972; ISBN 978-3-11-017770-1.
8. ↑ ^{a b c} Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, S. 1969; ISBN 978-3-11-017770-1.

Literatur

• Ida Noddack: "Über das Element 93", Angewandte Chemie 1934, 47, 653–655.
• Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007. ISBN 978-3-11-017770-1.
• Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger, (Hrsg.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements. Springer Netherlands 2005, ISBN 1-4020-3555-1.
• Walter Seifritz: Nukleare Sprengkörper - Bedrohung oder Energieversorgung für die Menschheit?. Thiemig-Verlag, München 1984.
• David Albright, Kimberly Kramer: Neptunium 237 and Americium: World Inventories and Proliferation Concerns. August 2005 (pdf).

•  Wiktionary: Neptunium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik
•  Commons: Neptunium – Bilder, Videos und Audiodateien
• Neptunium-Metall und Oxidationsstufen (Fotos, Periodensystem für den Schulgebrauch)
• Los Alamos National Laboratory – Neptunium (engl.)
• WebElements.com – Neptunium (engl.)
• EnvironmentalChemistry.com – Neptunium (engl.)
• Neptunium: Human Health Fact Sheet (engl.)
• C&EN: It's Elemental: The Periodic Table – Neptunium (engl.)
• Origins of the Element Names – Elements Named after "Modern" Celestial Objects (engl.)