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Neptunium

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Neptunium, Np, 93
Serie Actinoide
Gruppe, Periode, Block Ac, 7, f
Aussehen silbrig
CAS-Nummer 7439-99-8
Massenanteil an der Erdhülle (berechnet aus natürlichen
Zerfallsreihen)
4 · 10-17 %
Atomar
Atommasse 237,0482 u
Atomradius (berechnet) (α-Np) 130 () pm
Elektronenkonfiguration [Rn]5f46d17s2
Elektronen pro Energieniveau
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Modifikationen 3
Kristallstruktur orthorhombisch,
tetragonal und kubisch
Dichte 20,25 g/cm3
Schmelzpunkt 913 K (640 °C)
Siedepunkt 4175 K (3902 °C)
Chemisch
Oxidationszustände +3, +4, +5, +6
Oxide (Basizität)
Normalpotential -1,856 V (Np3+ + 3e- → Np)
Elektronegativität 1,36 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP
235Np

{syn.}

396,1 d α 5,192 231Pa
ε 0,124 235U
236Np

{syn.}

1540 a ε 0,940 236U
β 0,490 236Pu
α 5,020 232Pa
237Np

{syn.}

2,144 · 106 a α 4,959 233Pa
238Np

{syn.}

2,117 d β 238Pu
239Np

{syn.}

2,355 d β 239Pu
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung [1]

Keine Einstufung verfügbar

R- und S-Sätze R: siehe oben
S: siehe oben
weitere Sicherheitshinweise
Radioaktivität

Radioaktives Element
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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.

Inhaltsverzeichnis

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:

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, NpVO2+ grün, NpVIO22+ rosarot und NpVIIO23+ 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