Thorium

23 mei 2021 Chemiepedia

Inhoudsopgave

Naamgeving

Thorium is vernoemd naar de Noorse god van de donder. Het is een zilverkleurig, glanzend en radioactief element dat uranium als brandstof voor kernreactoren kan vervangen.

Chemische gegevens

Tabel 1 – gegevens element Thorium
Symbool	Th
Volledige naam	Thorium
Atoomnummer	90
Atoommassa (g.mol^-1 )	232,0
Groep	actiniden
Elektronegativiteit (Pauling)	1,3
Dichtheid (g.cm^-3 bij 20 °C)	11,7
Smeltpunt (°C)	1750
Kookpunt (°C)	4788
Vanderwaalsstraal (nm)	0,182
Ionstraal (nm)	0,110 (+4)
Isotopen	1 stabiel, 8 radioactief
Elektronenschil	[Rn]6d²7s²
Elektronen per schil	2, 8, 18, 32, 18, 10, 2
Eerste ionisatiepotentiaal (kJ.mol^-1 )	587
Tweede ionisatiepotentiaal (kJ.mol^-1 )	1110
Derde ionisatiepotentiaal (kJ.mol^-1 )	1930
Standaard potentiaal (V)	—
Ontdekt door:	1829 door Jöns Jakob Berzelius

Isotopen

Tabel 2 – natuurlijke isotopen en abundanties
Naam	Symbool	Atoommassa (u)	Abundantie (%)
Th	²³⁰Th	230,0331341	0,02
	²³²Th	232,0380558	99,98

Radioisotopen

Tabel 3 – radioisotopen van Thorium
Nuclide	Atoommassa (u)	Halfwaardetijd
²⁰⁹Th	209,01772	7 ms
²¹⁰Th	210,015075	17 ms
²¹¹Th	211,01493	48 ms
²¹²Th	212,01298	36 ms
²¹³Th	213,01301	140 ms
²¹⁴Th	214,011500	100 ms
²¹⁵Th	215,011730	1,2 s
²¹⁶Th	216,011062	26,8 ms
²¹⁸Th	218,013284	109 ns
²²¹Th	221,018184	1,73 ms
²²²Th	222,018468	2,237 ms
²²³Th	223,020811	0,60 s
²²⁴Th	224,021467	1,05 s
²²⁵Th	225,023951	8,72 min
²²⁶Th	226,024903	30,57 min
²²⁷Th	227,0277041	18,68 dagen
²²⁸Th	228,0287411	1,9116 jaar
²²⁹Th	229,031762	7,34 × 10³ jaar
²³⁰Th	230,0331338	7,538 × 10⁴ jaar
²³¹Th	231,0363043	25,52 uur
²³²Th	232,0380553	1,405 * 10¹⁰ jaar
²³³Th	233,0415818	21,83 min
²³⁴Th	234,043601	24,10 d
²³⁵Th	235,04751	7,2 min
²³⁶Th	236,04987	37,5 min
²³⁷Th	237,05389	4,8 min
²³⁸Th	238,0565	9,4 min

Geschiedenis

In 1815 dacht de Zweedse chemicus Jöns Jakob Berzelius dat hij een nieuw aards element had gevonden. Hij vernoemde het naar Thor, de Noorse god van de oorlog. In 1824 kwam men er achter dat Berzelius eigenlijk het mineraal yttriumfosfaat had gevonden.

In 1828 kreeg Berzelius een monster van een zwart mineraal dat op Løvø was gevonden. Løvø is een eiland voor de Noorse kust. Dit mineraal bevatte ongeveer 60% van een onbekend element en dit element kreeg de naam thorium. Het mineraal kreeg de naam thoriet. Het element bevatte ook veel bekende elementen als ijzer, mangaan, lood, tin en uranium.

Berzelius isoleerde thorium door thoriumoxide te mengen met koolstof om zo thoriumchloride te verkrijgen. Dit liet hij reageren met kalium om er kaliumchloride en thorium uit te verkrijgen.

In 1898 ontdekten Gerhard Schmidt en Marie Curie onafhankelijk van elkaar en met enkele maanden tussentijd dat thorium radioactief is.

De halfwaardetijd van thorium werd ontdekt door Ernest Rutherford en Frederick Soddy. Hun werk leverde een belangrijke bijdrage aan de kennis over andere radioactieve elementen.

In 1925 slaagden de Nederlandse chemici Anton Eduard van Arkel en Jan Hendrik de Boer er in om zeer zuiver metallisch thorium te produceren.

Bohr-Rutherford diagram

*Elektronenschilconfiguratie 90 Thorium*

Weetjes

In vloeibare vorm heeft thorium het grootste temperatuurbereik van alle bekende elementen. Tussen smeltpunt en kookpunt bijna 3000 °C.
Van alle bekende oxides heeft thoriumoxide het hoogste smeltpunt.
Thorium komt net zo veel voor als lood en bijna drie keer zo veel als uranium.
In de korst van de Aarde bevindt zich 6 ppm thorium. Het is daarmee het 41^ste meest voorkomende element in de korst van de Aarde.
Thorium wordt voornamelijk gewonnen in Australië, Canada, de Verenigde Staten en India.
Sporen thorium zijn gevonden in gesteente, grond, water, planten en dieren.
Hogere concentraties thorium worden aangetroffen in mineralen als thoriet, thorianiet, monaziet, allaniet en zirconium.
Het meest stabiele isotoop is ²³²Th. Dit isotoop heeft een halfwaardetijd van 14 miljard jaar.
Thorium wordt gemaakt in de kern van supernovae en dan tijdens explosies verspreid door het heelal.
Sinds 1885 is thorium gebruikt in gasmantels maar vanwege zijn radioactiviteit is het vervangen door niet-radioactieve zeldzame aardmetalen.
Thorium wordt ook gebruikt om magnesium te versterken, wolfraamdraad in elektrische apparatuur te coaten, de korrelgrootte van wolfraam te regelen in elektrische lampen, smeltkroezen voor hoge temperaturen, in glazen, in lenzen voor camera’s en wetenschappelijke instrumenten. Bovendien is thorium een bron voor kernenergie.
Andere toepassingen voor thorium zijn onder meer hittebestendig keramiek, vliegtuigmotoren en in gloeilampen. Ook werd thorium, voordat de gevaren van radioactiviteit werden ontdekt, toegepast in tandpasta’s.
Thorium en uranium zijn betrokken bij de verwarming van het binnenste van de Aarde.
Teveel blootstelling aan thorium kan leiden tot longziektes, long- en alvleesklierkanker, genetische afwijkingen, leverziektes, botkanker en metaalvergiftiging.

Huidig onderzoek

Een groot deel van het huidige onderzoek is gericht op thorium als brandstof voor nucleaire reactoren. Thorium heeft diverse voordelen boven uranium:

Er komt drie tot vier keer meer thorium dan uranium voor op Aarde
Thorium is gemakkelijker te winnen dan uranium.
Reactoren met vloeibare thoriumfluoride produceren veel minder afval dan reactoren die door uranium worden aangedreven.
Een thoriumreactor werkt op atmosferische druk in plaats van de 150 tot 160 bar die nodig is bij een uraniumreactor.
Thorium is minder radioactief dan uranium.

In de jaren ’50 werd in de Verenigde Staten gewerkt aan de ontwikkeling van thoriumreactoren ter ondersteuning van programma’s voor nucleaire vliegtuigen. Het programma stopte in 1961 ten gunste van andere technologieën. Dit werd gedaan omdat thoriumreactoren minder plutonium produceren als door uranium aangedreven reactoren. In die tijd was plutonium, evenals uranium vanwege de Koude Oorlog erg belangrijk.

Thorium zelf wordt niet gebruikt voor nucleaire brandstof maar het wordt gebruikt om het kunstmatige uraniumisotoop ²³³U te maken. ²³²Th absorbeert eerst een neutron waardoor ²³³Th ontstaat. Dit vervalt binnen 4 uur tot ²³³Pa. Dit proactinium-233 vervalt in ongeveer 10 maanden tot ²³³U. Uranium-233 wordt vervolgens als brandstof in kernreactoren gebruikt.