thorium

Figur 1: Krystallstrukur for thorium metall for temperaturer lavere enn 1363 grad.C: Kubisk flatesentrert
Lisens: CC BY SA 3.0

Thorium er et metallisk, radioaktivt grunnstoff som hører inn under actinidene (actinoidene) i periodesystemet.

Faktaboks

Uttale
thˈorium
Etymologi

Oppkalt etter den nordiske guden Tor, guden for lyn og torden

Rent thorium metall er sølvhvitt, relativt duktilt og kan valses til folier og trekkes til tråd. Metallet eksisterer i to allotrope former: α-thorium med kubisk flatesentrert struktur (Figur 1) og β-thorium med kubisk romsentrert struktur, omvandlingstemperatur 1363 °C. Metallet er elektropositivt og reaktivt, men er relativt korrosjonsbestandig i luft ved romtemperatur på grunn av passiviserende oksidbelegg av thorium(IV)oksid, ThO2. Thorium har 32 kjente isotoper der alle er radioaktive.

Tabell 1: Kjente thorium-isotoper (per november 2019) med halveringstider og desintegrasjonsmåter
Lisens: CC BY SA 3.0
Figur 2. Desintegrasjonsserien som starter med 232-Th og ender i stabilt 208-Pb.
Lisens: CC BY SA 3.0

Kjemiske/fysiske egenskaper

  • Oppdagelsesår: 1828
  • Kjemisk kategori: Aktinoide
  • Elektronkonfigurasjon: [Rn]6d27s2
  • Fase ved normalt trykk og temperatur (STP): Fast, metallisk
  • Smeltepunkt: 2023 K (1750 °C)
  • Kokepunkt: 5061 K (4788 °C)
  • Tetthet: 11.7 g/cm3
  • Oxidasjonstall: +2, +3, +4 (mest stabil)
  • Varmekapasitet: 120 J/(kg·K)
  • Fordampningsvarme: 514 kJ/mol
  • Ionisasjonsenergi: 6.308 ± 0.003 eV
  • Atomær radius: 179.8 pm
  • Kovalent radius: 206.6 ± 6 pm
  • Ioneradius (+4): 94 pm
  • Molart volum: 19.8 cm3/mol
  • Krystallstruktur: Kubisk flatesentrert (se Figur 1)

Nukleære egenskaper

  • Atomnummer: Z = 90
  • Massetall for mest stabil isotop: A = 232 (≈100%)
  • Halveringstid (A=232): 1.40·1010 år
  • Datternuklide: 228Ra (T1/2=5.75 år)
  • Desintegrasjonsmåte: α (alfa-utsendelse, ≈100%), spontan fisjon (≈1.1·10-9%)
  • Atommasse: 232.377 u (eller amu)
  • Reaksjonstverrsnitt for termiske nøytroner: σnth = 7.37 b (barn)
  • Fisjonstverrsnitt for termiske nøytroner: σf,nth = 3·10-6 b
  • Auger elektroner: 44.573 keV (15.8%, sterkeste linje)
  • Isotoper: 32 kjente (per november 2019), se Tabell 1
  • Desintegrasjonsserie for A=232: Se Figur 2

Historie

Figur 3. Jens Morten Thrane Esmark som først oppdaget et mineral som skulle vise seg å inneholde thorium.
Etter skriftlig tillatelse fra Ramnes historielag.
Figur 4. Jens Esmark, ofte betegnet som Norges første geolog.
https://norsk-bergverksmuseum.no/kunnskap-til-lunsj-istidens-oppdager-jens-esmark/.
Figur 5. Jöns Jacob Berzelius som først beskrev thorium som et nytt grunnstoff.
https://www.dreamstime.com/royalty-free-stock-photos-j%C3%B6ns-jacob-berzelius-image20369798.

Et nytt mineral ble funnet av presten og amatørmineralogen Hans Morten Thrane Esmark (Figur 3) på Løvøya ved Brevik i 1828. Han var sønn av Bergassessor Jens Esmark (Figur 4) på Bergseminaret på Kongsberg, og han fikk tidlig stor interesse for å samle mineraler. Likevel utdannet han seg til prest og fikk prestekall til Brevik. Det gav ham imidlertid et enestående utgangspunkt for å farte rundt i skjærgården for å leite etter sjeldne mineraler. Det brune mineralet han fant på Løvøya, og som han ikke klarte å bestemme selv, forela han sin far, mineralogen og geologen, som heller ikke klarte å bestemme mineralet. Han sendte det igjen til sin venn kjemikeren Jöns Jacob Berzelius (Figur 5) i Sverige.

Berzelius isolerte et nytt oksid fra mineralet; han kalte oksidet thoria, mineralet thoritt og grunnstoffet thorium, alle etter guden Tor som «råder over torden og lyn, vind og regn, klart vær og grøde».

Berzelius fremstilte også en uren prøve av grunnstoffet ved å reagere kaliumthoriumfluorid med kalium metall og publiserte oppdagelsen i 1829. Men det var først i 1914 at relativt rent thorium metall (99 prosent) ble fremstilt av D. Levy i Eindhoven. Thoriums radioaktivitet ble oppdaget i 1898 av Marie Curie i Paris og uavhengig av henne av G. C. Schmidt i Erlangen.

En annen lang-livet thorium isotop som det finnes litt av i naturen som et av nedbrytningsproduktene til 238U, 230Th, har tidligere blitt gitt navnet ionium (se radioaktivitet (naturlig radioaktivitet)). Ionium ble første gang påvist i uranmineraler av den amerikanske kjemikeren B. B. Boltwood i 1907. Ionium er radioaktivt og omdannes til radium 226Ra under utsendelse av α-partikler og γ-stråling (halveringstid på 7,538·104 år).

Global forekomst

Figur 6. Registrerte forekomster av thorium globalt. Data, angitt i kilotonn, er fra IAEA (2005, første tall) og fra USGS (2011, andre tall eller manglende tall).).
Lisens: CC BY NC SA 3.0

Thorium tilhører de primordiale radioaktive grunnstoffene. Det er anslått at det midlere innholdet av thorium i jordskorpen er omkring 9.7 ppm som utgjør omkring 1·10-3 vekt%, mens tilsvarende innhold av uran er omkring 2.7 ppm.

Thorium finnes sammen med lanthanider (lanthanoider) og uran i en rekke mineraler. Mineraler med større innhold av thorium er relativt sjeldne. Bare få steder forekommer thorium i større utnyttbare mengder. Hovedråstoffet er monazittsand som inneholder 3–12 vektprosent thorium, og hovedprodusenter av dette er Australia, India, Malaysia, Brasil og USA. Av egentlige thoriummineraler kan nevnes thoritt, ThSiO4 og thorianitt (Th,U)O2.

Størrelsen på forekomstene synes noe usikker for mange land. I de seneste årene er der stor sprik i rapporterte forekomster fra ulike interesseorganisasjoner. Figur 6 gir et bilde av data som er rapportert av IAEA i 2005 og av USGS i 2011.

Kjemiske egenskaper

Thorium metall løses i rykende saltsyre og i kongevann, passiveres i konsentrert salpetersyre, og reagerer ikke med base. Det reagerer lett med ikke-metallene under oppvarming og danner en rekke intermetalliske faser med d-grunnstoffer.

I sine kjemiske forbindelser har thorium oksidasjonstallene +II, +III og +IV. Det siste er det mest stabile. De fireverdige forbindelsene er vanligvis fargeløse. Vandige løsninger av thoriumsalter gir sur reaksjon på grunn av protolyse.

Radioaktivitet

Alle thoriumisotoper er radioaktive. Naturlig forekommende thorium består nesten utelukkende av 232Th med halveringstid 1,405·1010 år. Dessuten finnes spormengder (1,34·10-8 prosent) av 228Th, som har halveringstid 1,9116 år og er i radiokjemisk likevekt med 232Th (se Figur 2). Ellers er det kjente isotoper med massetall fra 208 til 239 (se Tabell 1). Lengst levetid av disse utenom 232Th har 230Th med halveringstid 7,538·104 år.

232Th desintegrerer med α-stråling til 228Ra. Den radioaktive transformasjonen fortsetter gjennom 9 ledd med i alt 6 α- og 4 β-desintegrasjoner og ender i den stabile 208Pb. Kjeden av nuklider fra 232Th til 208Pb kalles thoriumserien eller 4n-serien, siden alle nuklidene har nukleontall (massetall) delelige med 4.

Fremstilling

Monazittsand oppvarmes med konsentrert svovelsyre, som omdanner innholdet av thorium og lanthanider til sulfater. Disse løses i vann, og thorium felles som difosfat. Ved videre rensing blir fosfat filtrert fra, løst i saltsyre og igjen felt ut. Til slutt felles thorium som oksalat, som ved etterfølgende gløding omdannes til oksid. Ved nyere metoder oppnås renere thoriumprodukter ved selektiv ekstraksjon med tributylfosfat, (C4H9)3PO4 (thorexprosessen).

Metallisk thorium fremstilles ved reduksjon av oksidet ThO2 med kalsium ved 900–1000 °C, elektrolyse av smelte av natrium- og kaliumklorid tilsatt kaliumthoriumfluorid, KThF5, eller ved reduksjon av thoriumtetrafluorid, ThF4, med kalium i nærvær av sinkklorid. Metodene gir metall i pulver- eller svampform. Dette presses og sintres, smeltes i lysbue- eller induksjonsovn eller ved elektronstrålesmelting. Særlig rent thorium fremstilles ved termisk spalting av thoriumtetrajodid, ThI4, på glødende thoriumtråd (van Arkel-de Boer-metoden).

Bruk

Kjernekraft

Figur 3. Produksjon av fissilt 233-U fra termisk nøytroninnfangning i 232-Th med påfølgende to beta-desintegrasjoner.
Lisens: CC BY NC SA 3.0

Ved innfangning av et nøytron omdannes 232Th til 233Th. Denne desintegrerer med β-stråling til 233Pa, som desintegrerer videre til 233U. Denne prosessen kan foregå i en kjernereaktor med nøytroner fra 235U og 239Pu, og blir brukt til å lage 233U som er fissilt materiale. Kjernereaksjon med påfølgende utsendelse av to β--partikler er (Figur 6):

232Th + nth233Th + γ →(β--desintegrasjon) 233Pa →(β--desintegrasjon) 233U

Slike reaktorer kalles breeder- eller formeringsreaktorer. I tilfelle med reaksjonen ovenfor kalles denne prosessen termisk breeding. Fordi thoriummengden i jordskorpen er 3–4 ganger større enn uranmengden, er thoriumforekomster en viktig potensiell kilde for kjerneenergi.

Annen sivil teknisk bruk

I tillegg til bruk av thorium i fremstilling av fissilt uran 233U, har thorium mindre anvendelser, blant annet som getter i høyvakuumteknikk, elektrodemateriale i kvikksølvdamplamper, i fotoelektriske celler, røntgenrør, sveiseelektroder, katalysator og annet. Magnesium tilsatt cirka 3 prosent thorium blir brukt i fly og romfartsteknikk og i kjernereaktorer. En viktig anvendelse av thorium(IV)oksid er i auerbrennere. Oksidet brukes dessuten i form av små dispergerte partikler i nikkel og høytemperaturlegeringer (for eksempel såkalt thoria-dispergert nikkel).

Thorium ble tidligere brukt som kontrastmiddel ved røntgenundersøkelser av blodårer.

Thorium ble i 2019 kåret til Norges nasjonalgrunnstoff.

Fysiologisk virkning

Fordi thorium (og nuklidene i thoriumserien) er radioaktive, må nødvendige sikkerhetsregler følges ved all handtering. Størst fare oppstår hvis det kommer stoff inn i kroppen, hvor de thoriumlignende nuklidene fra i desintegrasjonskjeden av thorium anrikes i lever, nyrer, milt og benmarg, mens de radiumlignende nuklidene anrikes i knoklene.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg