钍是一种
放射性金属元素。天然钍经过
中子轰击,可得铀-233,因此它是潜在的
核燃料。金属钍带钢灰色光泽,质地柔软,化学性质较活泼。钍广泛分布在
地壳中,是一种前景十分可观的能源材料。
历史
1815年,
贝齐里乌斯从事分析瑞典法龙(Fahlum)地方出产的一种矿石,发现一种新金属氧化物和锆的氧化物很相似。他用古代北欧雷神Thor命名这一新金属为throine(钍),给出它的拉丁名称thorium和元素符号Th。由于贝齐里乌斯是当时化学界的权威,所以化学家们都承认了它。可是,贝齐里乌斯在10年后发表文章说,那个称为thorine的新金属不是新的,含它的矿石只是
钇的磷酸盐,他自己撤销了对钍的发现。
到1828年,贝齐里乌斯分析了另一种矿石,是由挪威南部勒峰岛上所产的黑色花岗石中找到的,发现其中有一种当时未知的元素。仍用thorine命名它。现明确,这种矿石的主要成分是硅酸钍ThSiO4。因此钍是先被命名后被发现的。
含量分布
钍以化合物的形式存在于矿物内(例如
独居石和
钍石),通常与
稀土金属联系在一起,天然存在钍的是质量数为232的钍同位素。
世界各国已探明的独居石储量达几百万吨。随着各国对钍矿的勘探力度的加大,钍的探明储量也在一直增加。截至2000年,全世界独居石产量约78万吨。巴西是最大的钍资源国,其次是土耳其,加拿大和美国。
中国钍资源比较丰富,据不完全统计。20多个省和地区都已发现具有相当数量的钍资源。2005年中国科学院的资料显示,内蒙古白云鄂博矿区钍储量约为22万吨,占全国钍矿产储量28.6万吨的77.3%。
在地壳中钍的平均含为0.001-0.002%,比
铀的含量大两倍,与
铅、
钴、
铋相当。它的分布是相当广泛的,共有一百多种矿物,其中最重要的有:(1)磷酸盐:
独居石(
铈、其他稀土及钍的磷酸盐,钍含量约4~6%);
磷酸钇矿(钇,其他稀土的磷酸盐;含少量的钍)。(2)氧化物:
方钍石(氧化钍,氧化铀及少量稀土,ThO2含量高达40~90%)。(3)硅酸盐:
钍石(氧化钍,氧化硅,钍含量可高达~62%)后两种矿物含钍量很高,但这些矿很稀少。
同位素与核性质
然界中大量存在的钍是232Th,丰度是100%,放射α粒子,半衰期非常长,为1.4×1010年,是天然钍
放射系(4n系)的原始核。此外,自然界中还存在着很少量的天然
铀系和
锕铀系的成员234,230,231,227Th等核素。自然界存在的以及人工合成的钍同位素已经多达25个。寿命最长的是232Th,寿命相当长的是在
铀矿中少量存在的230Th(半衰期是7.54×104年)。寿命极短的有217,218,219,220等人工核素。
232Th是钍元素最重要的核素,它俘获
热中子发生(n,γ)反应的截面是7.40±0.08b,而发生
裂变的截面仅仅是5.6×10-5b,因此可以认为232Th不能被热中子所裂变。发生(n,γ)反应的产物是233Th,它的衰变子体就是可裂变的233U。
232Th是钍放射系的起始母核,在经过六次
α衰变和四次
β衰变后,衰变系的最终子体是稳定的208Pb。相对于母体232Th的半衰期为140亿年来讲,4n系的全部子体的半衰期都是很短的。其中最长的是半衰期为5.75年的228Ra(MsTh1),其次是半衰期为1.91年的228Th(RdTh)和半衰期为3.64天的224Ra(ThX),其余的半衰期都很短。因此,虽经化学处理提纯的钍,在放置若干年后,其子体能很快地积聚起来,而使钍成品往往都具有由子体产生的很强的放射性。
理化性质
物理性质
化学性质
钍的化学性质比较活泼,不溶于稀酸和氢氟酸,溶于发烟的盐酸、硫酸和王水中。硝酸能使钍钝化。苛性碱对它无作用。高温时可与卤素、硫、氮作用。钍是放射性元素,自然界的钍全部为232Th,所有钍盐都显示出+4价。在化学性质上与
锆、
铪相似。除
惰性气体外,钍能与几乎所有的非金属元素作用,生成二元化合物;加热时迅速氧化并发出耀眼的光。钍是高毒性元素。
钍化合物
二氧化钍ThO2是仅有的较稳定的钍氧化物,属于简单立方晶系,a=5.5971Å,为萤石型结构。熔点高达3390℃,是氧化物中的最高熔融温度。钍的
卤化物以
四氟化钍ThF4最为重要。四氟化钍是熔盐电解法制备粉末状金属钍的原料,也是钙热还原法制取金属钍的原料。它是白色结晶粉末,具有八个配位氟原子的UF4型结构,
单斜晶系。另一个在核工艺中有价值的卤化物是
四氯化钍ThCl4,它是制备金属钍的氯化物熔盐电解法的原料。用盐酸处理ThO2或ThCl4可得到四氯化钍的水溶液。
硝酸钍Th(NO3)4在钍的工艺生产中有重要的价值。它形成的五
水合物Th(NO3)4·5H2O中钍为十一配位。
制备方法
钍元素多数以氧化物的形式存在于矿物内(如独居石),通常与
稀土金属和
铪等金属的氧化物共生,钍的氧化物和其他稀土元素的氧化物一样,很难还原,虽然贝齐里乌斯曾利用金属钾和氟化钍钾作用,获得不纯的金属钍:K2ThF6 + 4K = 6KF + Th。后来用电解的方法才获得较纯的钍。制备钍的最常用方法是将钙与氧化钍研磨后放在CaO衬里的坩埚中在氩气氛围下加热至1000℃,然后用水和稀酸浸取产物,可以得到粉末状金属钍。
用还原的方法很难制得纯的固态金属钍,商业上可买到杂质含量小于0.20%的200目金属粉末,粉末中一般不标出氧含量,通常不能用于许多物理化学性能的测定。
应用领域
钍一般用来制造合金以提高金属强度;灼烧二氧化钍会发出强烈的白光因此曾经做煤气灯的白热纱罩。钍衰变所储藏的能量,比铀、煤、石油和其他燃料总和还要多许多,而且钍的含量也要比铀多得多,所以钍是一种极有前途的能源。钍还是制造高级透镜的常用原料。用中子轰击钍可以得到一种核燃料——铀-233。
另外,钍也是比铀更安全的核燃料,是未来核能利用的发展方向。
计算化学数据
数据:
1.疏水参数计算参考值(XlogP):无
2.氢键供体数量:0
3.氢键受体数量:0
4.可旋转化学键数量:0
5.互变异构体数量:无
6.拓扑分子极性表面积0
7.重原子数量:1
8.表面电荷:0
9.复杂度:0
10.同位素原子数量:0
11.确定原子立构中心数量:0
12.不确定原子立构中心数量:0
13.确定化学键立构中心数量:0
14.不确定化学键立构中心数量:0
15.共价键单元数量:1
安全信息
信息:
风险类别:7
危险类别码:23/24/25-34
安全标志:S27:立刻除去所有污染衣物。
S45:出现意外或者感到不适,立刻到医生那里寻求帮助(最好带去产品容器标签)。
S26:万一接触眼睛,立即使用大量清水冲洗并送医诊治。