periodiek systeem

Plutonium

Plutonium is een radioactief zilverkleurig metaal dat gebruikt kan worden om de maken of te vernietigen. Het werd, kort nadat het werd gemaakt, gebruikt om te vernietigen. Tegenwoordig wordt plutonium voornamelijk gebruikt om energie mee te produceren.

Plutonium werd voor het eerst geproduceerd en geïsoleerd in 1940. Het werd gebruikt om de atoombom “Fat Man” mee te maken die op Nagasaki in Japan werd geworpen en die het definitieve einde van de Tweede Wereldoorlog betekende.

Chemische gegevens

Tabel 1 – gegevens element Plutonium
Symbool Pu
Volledige naam Plutonium
Atoomnummer 94
Atoommassa (g.mol-1 ) 244
Groep actiniden
Elektronegativiteit (Pauling) 1,28
Dichtheid (g.cm-3 bij 20 °C) 19,816
Smeltpunt (°C) 639,4
Kookpunt (°C) 3228
Vanderwaalstraal (nm)
Ionstraal (nm)
Isotopen 5
Elektronenconfiguratie [Rn]5f67s2
Elektronen per schil 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
Eerste ionisatiepotentiaal (kJ.mol-1 ) 584,7
Tweede ionisatiepotentiaal (kJ.mol-1 )
Derde ionisatiepotentiaal (kJ.mol-1 )
Standaard potentiaal (V)
Ontdekt door Seaborg, Wahl, Kennedy, McMillan (1940-1941)

 

Ontdekking en geschiedenis

Plutonium werd in 1941 ontdekt door de wetenschappers Joseph Kennedy, Glenn Seaborg, Edward McMillan en Arthur Wohl. Ze waren allemaal verbonden aan de universiteit van Berkeley in Californië. De ontdekking vond plaats toen ze 238U bombardeerden met deuteronen die in een deeltjesversneller waren versneld. Ze maakten 238 Np en twee vrije neutronen. Dit Neptunium-238 vervalt naar 238 Pu voor middel van bèta verval.

Het duurde tot 1946, na de Tweede Wereldoorlog, voor dat dit met de rest van de wetenschappelijke gemeenschap werd gedeeld. Seaborg stuurde in maart 1941 een wetenschappelijk artikel in maar dat artikel werd verwijderd toen men ontdekte dat een isotoop van Plutonium, 239 Pu, gebruikt kan worden voor het maken van een atoombom.
Snel na de ontdekking werd Seaborg naar het Plutonium Production Lab gestuurd, beter bekend als het Met Lab. Dit lab was verbonden aan de universiteit van Chicago. Doel van dit lab was om plutonium te produceren als onderdeel van het Manhattan Project. Het Manhattan Project was tijdens de Tweede Wereldoorlog een geheime operatie die werkte aan de ontwikkeling van een atoombom.

Op 12 augustus 1942 boekten ze hun eerste succes. Ze waren in staat om een minieme hoeveelheid plutonium te produceren die met het blote oog zichtbaar was. Ze hadden ongeveer 1 microgram plutonium gemaakt, voldoende om er de atoommassa mee te bepalen.

Het Manhattan Project produceerde uiteindelijke voldoende plutonium voor de “Trinity test”. Tijdens deze test werd ’s wereld eerste atoombom, “The Gadget” in de woestijn van New Mexico tot ontploffing gebracht. Dit was op 16 juli 1945.

De kracht van deze explosie kwam overeen met die van ongeveer 20.000 ton TNT. De eerste tijdens een oorlog gebruikte kernbom werd op 6 augustus op de Japanse stad Hiroshima geworpen. Deze atoombom werd “Little Boy” genoemd en deze had een kern van uranium. Op 9 augustus 1945 werd de tweede atoombom op de Japanse stad Nagasaki geworpen. Deze had een kern van plutonium. Deze tweede bom werd “Fat Man” genoemd en deze bom bespoedigde het einde van de Tweede Wereldoorlog.

Bohr – Rutherford diagram

elektronenschilconfiguratie van 94 Neptunium
elektronenschilconfiguratie van 94 Neptunium

CC BY-SA 2.0 uk, Link

Isotopen

Tabel 2 – isotopen van plutonium
Nuclide Isotopische massa (u) Halfwaardetijd
228Pu 228,03874 1,1 s
229Pu 229,04015 120 s
230Pu 230,03965 1,70 min
231Pu 231,04110 8,6 min
232Pu 232,04118 33,7 min
233Pu 233,04300 20,9 min
234Pu 234,04331 8,8 uur
235Pu 235,04528 25,3 min
236Pu 236,04605 2,858 jaar
237Pu 237,04840 45,2 dagen
238Pu 238,04955 87,7 jaar
239Pu 239,05216 2,411 × 104 jaar
240Pu 240,05381 6,561 × 103 jaar
241Pu 241,05685 14,290 jaar
242Pu 242,05874 3,75 × 105 jaar
243Pu 243,06200 4,956 uur
244Pu 244,06420 8,00 × 107 jaar
245Pu 245,06774 10,5 uur
246Pu 246,07020 10,84 d
247Pu 247,07407 2,27 d

Eigenschappen van Plutonium

Vers plutonium heeft een zilverachtige kleur die bij blootstelling aan de lucht kan veranderen naar dof grijs of olijfgroen. Het metaal lost gemakkelijk op in minerale zuren. Een groot stuk plutonium voelt warm aan en dat komt door de warmte die vrijkomt tijdens het alpha verval. Grote stukken plutonium kunnen genoeg warmte opleveren om water te laten koken. Bij kamertemperatuur is de alpha-plutonium (de meest voorkomende vorm) hard en bros, vergelijkbaar met gietijzer. Het kan met andere metalen worden gelegeerd en dan ontstaat de bij kamertemperatuur stabiele delta-vorm en die is zacht en buigzaam. Anders dan de meeste metalen is plutonium geen goede geleider van warmte en elektriciteit. Het heeft een laag smeltpunt en een ongewoon hoog kookpunt.

Plutonium kan met de meeste metalen legeringen vormen en verbindingen met veel andere elementen. Sommige legeringen hebben supergeleidende vermogens en anderen worden gebruikt om er brandstof voor kernreactoren van de maken. De verbindingen van plutonium komen in verschillende kleuren voor. In waterige oplossingen kent plutonium vijf valenties.

Plutonium is, net als de andere transuranium elementen, een stralingsgevaar en het moet met gespecialiseerd apparatuur en onder speciale voorzorgsmaatregelen worden behandeld. Uit dierproeven blijkt dat een paar milligram per kilogram lichaamsgewicht al dodelijk zijn.

Bronnen

Plutonium komt niet veel vrij in de natuur voor. Er zijn sporen hoeveelheden plutonium gevonden in uraniumertsen. Het wordt in deze ertsen op dezelfde manier gevormd als neptunium: door bestraling van natuurlijk uranium met neutronen gevolgd door bèta verval.

De meeste plutonium is echter een bijproduct van de kernindustrie. Jaarlijks komt er in kerncentrales over de gehele wereld ongeveer 20 ton plutonium vrij. Gebruikte nucleaire brandstof kan worden bewerkt om de bruikbare plutonium te scheiden van de andere elementen in de brandstof.

Tijdens het testen van kernbommen in de jaren ’50 en ’60 zijn tonnen plutonium in de atmosfeer van de Aarde terechtgekomen. Die zijn volgens de World Nuclear Association nog steeds in de atmosfeer aanwezig.

Toepassingen

Plutonium wordt niet voor veel verschillende zaken gebruikt. Van de vijf algemene isotopen worden er slechts twee gebruikt: 238 Pu en 239 Pu.
238 Pu wordt gebruikt in radioisotope thermoelektrische generatoren die zorgen voor de elektriciteitsproductie in ruimtesondes. Deze generatoren schakelen in als de zonnepanelen van een ruimtesonde te weinig energie op kunnen wekken. Plutonium-238 is onder andere gebruikt in de Cassini- en Galileo-ruimtesondes die naar Saturnus respectievelijk Jupiter reisden.

Als 239 Pu voldoende wordt geconcentreerd dan ondergaat het een kernsplijtingkettingreactie. Om deze reden wordt 239 Pu gebruikt in nucleaire wapens en sommige kernreactoren.
Energie is een van de belangrijkste toepassingen van plutonium. Ongeveer een derde van de energie die in kernreactoren wordt geproduceerd is afkomstig van plutonium. In snelle neutronenreactoren is plutonium de belangrijkste brandstof.

Weetjes

  • Decennialang hebben wetenschappers zich afgevraagd waarom plutonium zich niet gedraagt als andere metalen in zijn groep. Plutonium is bijvoorbeeld een slechte geleider van elektriciteit en het is niet magnetisch. Onderzoekers hebben nu ontdekt waar het ontbrekende magnetisme door wordt veroorzaakt. Het heeft te maken met het gekke gedrag van de elektronen in de buitenste schil van het element. In tegenstelling tot andere metalen, die een bepaald aantal elektronen in hun buitenste schil hebben, kan plutonium in zijn grondtoestand daar vier, vijf of zes elektronen hebben.
  • Dit fluctuerende aantal elektronen in de buitenste schil verklaart waarom plutonium niet magnetisch is: om een atoom te laten interageren met magneten moeten de ongepaarde elektronen in de buitenste schil in een magnetisch veld liggen.
  • Plutonium ’s meest stabiele isotoop, 244 Pu, heeft een halfwaardetijd van maar liefst 82 miljoen jaar en het vervalt door middel van alphaverval naar 240 U.
  • Plutonium is vernoemd naar de planeet Pluto. Plutonium komt na uranium en dit element is vernoemd naar de planeet Uranus, en Neptunium dat is vernoemd naar de planeet Neptunus.
  • Plutonium zendt neutronen, bètadeeltjes en gammastraling uit.

Spectra

Absorptiespectrum

Emissiespectrum