Neptunium

Neptunium is element 93 in het periodiek systeem der elementen. Het was het eerste transuranium element dat synthetisch werd geproduceerd en het eerste actinide transuraniumelement dat werd ontdekt. De ontdekking volgde op verschillende valse bevindingen van het element, waaronder een poging van Enrico Fermi om uranium te bombarderen met neutronen. Dat experiment resulteerde wel in de ontdekking van atoomsplitsing.

Neptunium zit in het periodiek systeem geklemd tussen uranium en plutonium. Die twee elementen zijn ook radioactief. Alle drie de elementen zijn genoemd naar planeten, ze hebben tussen de 92 en 94 protonen in hun kern en ze zijn groot genoeg om een kernsplijtingsreactie of atoomsplitsing te ondergaan. Vanwege dit vermogen worden uranium en plutonium beiden op grote schaal gebruikt in kerncentrale en wapens.

Neptunium werd echter aanzienlijk later in de geschiedenis ontdekt dan zijn buren in het periodiek systeem. Er zijn nauwelijks toepassingen voor neptunium. Het blijft echter wel een belangrijk element om te bestuderen want het wordt geproduceerd door nucleaire reacties van uranium en plutonium en het kan als nucleair afval miljoenen jaren meegaan. Het begrijpen van de chemie van neptunium is essentieel om een veilige opslag van kernafval op de langere termijn te garanderen.

Chemische gegevens

Tabel 1 – gegevens element Neptunium

Symbool	Np
Volledige naam	Neptunium
Atoomnummer	93
Atoommassa (g.mol-1 )	237
Groep	actiniden
Elektronegativiteit (Pauling)	1,36
Dichtheid (g.cm-3 bij 20 °C)	19,38
Smeltpunt (°C)	639
Kookpunt (°C)	4174
Vanderwaalstraal (nm)	—
Ionstraal (nm)	—
Isotopen	4 natuurlijke en 21 synthetische. 237 Np komt het meeste voor
Elektronenconfiguratie	[Rn]5f46d17s2
Elektronen per schil	2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
Eerste ionisatiepotentiaal (kJ.mol-1 )	604,5
Tweede ionisatiepotentiaal (kJ.mol-1 )	—
Derde ionisatiepotentiaal (kJ.mol-1 )	—
Standaard potentiaal (V)	—
Ontdekt door	McMillan en Abelson in 1940

 

Ontdekking – driemaal is scheepsrecht

De Italiaanse wetenschapper Enrico Fermi was in 1934 de eerst die beweerde dat hij element 93 had ontdekt. Hij veronderstelde dat elementen zwaarder dan Uranium (element 92) gemaakt kunnen worden door uranium te bombarderen met neutronen. Theoretisch zou dit één neutrale massa eenheid toevoegen aan de uraniumatomen. Die ondergaan dat bètaverval, het verlies van een negatieve lading die een neutron in een proton verandert, en dat resulteerde dan volgens Fermi in een element met 93 protonen. Het experiment van Fermi leverde uiteindelijk geen element op. In plaats van dat de neutronen samensmelten met de uraniumatomen splitsen ze de uraniumatomen op in vele fragmenten van radio-isotopen. Fermi kreeg veel kritiek vanwege zijn valse bewering en wist op dat moment niet dat hij de eerste atoomsplitsings- of splijtingsexperiment had uitgevoerd.

Vier jaar later, in 1938, maakten de Roemeense natuurkundige Horia Hulubei en de Franse chemicus Yvette Cauchois een soortgelijk onjuist rapport op over het ontdekken van element 93. Ze beweerden dat ze het element in een natuurlijk voorkomend mineraal hadden aangetroffen. Dit werd destijds dor de wetenschap verworpen omdat men in de overtuiging was dat er geen elementen met meer protonen dan uranium (transuranium elementen) in de natuur aanwezig zijn.

In 1940 werd element 93 als een bestaand element geaccepteerd. Dat was toen Edwin McMillan en Philip Abelson met een vergelijkbare techniek als Fermi het element maakten. Er was één groot verschil met het experiment van Fermi: ze gebruikten langzaam bewegende neutronen. McMillan maakte gebruik van een circulaire deeltjesversneller, een cyclotron, om neutronen te vertragen en ze dan rechtstreeks op Uranium-238 te schieten. Deze keer werd er inderdaad door middel van fusie element 93 geproduceerd. Abelson analyseerde het resulterende monster en zag een ongebruikelijke bètastraling als bewijs voor een nieuw isotoop (dit werd later Np-289 genoemd). McMillan en Abelson noemden dit element neptunium omdat het na Uranus de volgende planeet in ons zonnestelsel is. Het was het eerste transuranium element dat werd gemaakt in een lab en McMillan kreeg er in 1951 de Nobelprijs voor.

Bohr-Rutherford diagram

Bronnen van Neptunium

Alhoewel wetenschappers dachten dat neptunium alleen synthetisch kon worden gemaakt zijn sindsdien sporen van 4 van de 25 isotopen van neptunium in de natuur aangetroffen. Uranium dat in gesteente, bodem en water voorkomt ondergaat een natuurlijke nucleaire reactie die resulteert in kleine hoeveelheden ²³⁷ Np en ²⁴⁰ Np.
Het meeste neptunium is echter antropogeen; dit wil zeggen, het wordt kunstmatig gemaakt als een bijproduct van reacties in kerncentrales. Wetenschappers kunnen neptunium in grote hoeveelheden uit gebruikte splijtstofstaven halen. Vanwege de lange halfwaardetijd van 2,14 miljoen jaar is ²³⁷ Np het meest voorkomende isotoop van neptunium dat wordt geproduceerd. De meeste andere isotopen van neptunium hebben een kortere halfwaardetijd en vervallen binnen enkele dagen.

Eigenschappen van Neptunium

Neptunium is een actinide. De actinides en de lanthaniden worden vanwege hun grootte vaan beneden het periodiek systeem afgebeeld. Er zijn 15 actinides en die hebben allemaal een grote atoomstraal en ze zijn allemaal radioactief.

Neptunium is een zilverkleurig metaal dat erg reactief is. Het heeft 4 oxidatietoestanden. Gecombineerd met andere elementen is het in oplossing vaak verschillend gekleurd (paars, geel, groen en roze). Op zichzelf komt neptunium voor als 3 verschillende allotropen oftewel fysieke vormen, dit is afhankelijk van de temperatuur. Het is het actinide met de grootste dichtheid en het kan een vloeistof blijven voor het grootste temperatuurbereik van elk bekend element.

Toepassingen van Neptunium

De huidige toepassingen voor neptunium zijn beperkt. Men heeft overwogen om Neptunium als nucleaire brandstof te gebruiken maar tot nu toe is dat niet gebeurd. Neptunium-237 wordt gebruikt om er Plutonium-238 van te maken. Dit wordt gebruikt in speciale energiegeneratoren die in satellieten, ruimtesondes en vuurtorens worden gebruikt. Neptunium-237 wordt ook gebruikt in kernfysisch onderzoek als onderdeel van een apparaat dat hoogenergetische neutronen detecteert.

Is het schadelijk?

Er kan zich een zeer kleine hoeveelheid neptunium in je huis bevinden. Neptunium hoopt zich op in ioniserende rookmelders. Om rook te detecteren zendt een ander actinide, Americum-241, straling uit en verandert hierdoor in Neptunium-237. Dat is geen reden tot zorg want de hoeveelheid radioactief materiaal in rookmelders is verwaarloosbaar en het vormt geen risico voor de gezondheid. In een rookmelder zit minder dan 0,0000003 gram americum en dat vervalt dermate langzaam dat van deze minieme hoeveelheid ongeveer 0,2% per jaar wordt omgezet in Neptunium-237.

Wetenschappers maken zich echter wel zorgen over de langdurige opslag van neptunium dat aanwezig is in verbruikte splijtstofstaven. Alhoewel neptunium slechts een klein percentage van het totale radioactieve afval uitmaakt vormt het wel een bijzondere bedreiging omdat een grote halfwaardetijd heeft en lastig is te extraheren.

Spectra

Absoptiespectrum

Emissiespectrum