Neptunium

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE MeV	ZP
²³⁵Np	{syn.}	396,1 d	α	5,192	²³¹Pa
²³⁵Np	{syn.}	396,1 d	ε	0,124	²³⁵U
²³⁶Np	{syn.}	1,54 · 10⁵ a	ε	0,940	²³⁶U
			β⁻	0,490	²³⁶Pu
			α	5,020	²³²Pa
²³⁷Np	{syn.}	2,144 · 10⁶ a	α	4,959	²³³Pa
²³⁸Np	{syn.}	2,117 d	β⁻		²³⁸Pu
²³⁹Np	{syn.}	2,355 d	β⁻		²³⁹Pu

Sicherheitshinweise

Gefahrstoffkennzeichnung ^[4]

keine Einstufung verfügbar

R- und S-Sätze

R: siehe oben

S: siehe oben

weitere Sicherheitshinweise

Radioaktivität

Radioaktives Element

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Neptunium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Np und der Ordnungszahl 93. Im Periodensystem der Elemente gehört es zur Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block). Neptunium ist das erste der sogenannten Transurane, die auf der Erde, bis auf Spuren von Plutonium, nicht mehr natürlich vorkommen. Neptunium ist ein giftiges und radioaktives Schwermetall. Es wurde benannt nach dem Planeten Neptun, der auf den Planeten Uranus folgt. Neptunium folgt im Periodensystem auf Uran, dann folgt Plutonium.

Inhaltsverzeichnis

1 Geschichte
2 Gewinnung
3 Eigenschaften
- 3.1 Physikalische Eigenschaften
4 Isotope
- 4.1 Spaltbarkeit
5 Verwendung
6 Verbindungen
7 Einzelnachweise
8 Literatur
9 Weblinks

[Bearbeiten] Geschichte

Neptunium wurde 1940 von E. M. McMillan und P. H. Abelson bei der Beschießung von Uran mit Neutronen erstmals synthetisiert.^[5]

$\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{239}_{\ 92}U\ \xrightarrow[23 \ min]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2,355 \ d]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 94}Pu}$

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

[Bearbeiten] Gewinnung

Neptunium entsteht als "Nebenprodukt" der Energiegewinnung in Kernreaktoren. Eine Tonne abgebrannter Kernbrennstoff soll 500 g Neptunium enthalten.^[6] So entstandenes Neptunium besteht fast ausschließlich aus dem Isotop ²³⁷Np.

[Bearbeiten] Eigenschaften

[Bearbeiten] Physikalische Eigenschaften

Neptuniummetall hat ein silbernes Aussehen, ist chemisch reaktiv und existiert in mindestens drei verschiedenen Modifikationen:^[3]

Modifikationen bei Atmosphärendruck
Phasenbezeichnung	stabiler Temperaturbereich	Dichte (Temperatur)	Kristallsystem
α-Np		20,25 g/cm³ (20 °C)	orthorhombisch
β-Np	über 280 °C	19,36 g/cm³ (313 °C)	tetragonal
γ-Np	über 577 °C	18,0 g/cm³ (600 °C)	kubisch

[Bearbeiten] Isotope

Von Neptunium sind insgesamt 20 Isotope und 5 Kernisomere bekannt. Die langlebigsten Isotope sind ²³⁷Np mit 2,144 Mio. Jahren, ²³⁶Np mit 154.000 Jahren und ²³⁵Np mit 396,1 Tagen Halbwertszeit. Die restlichen Isotope und Kernisomere besitzen Halbwertszeiten zwischen 45 Nanosekunden (^237m1Np) und 4,4 Tagen (²³⁴Np).

²³⁷Np ist Ausgangspunkt der Neptunium-Reihe, einer Zerfallskette, die beim Isotop Thallium ²⁰⁵Tl endet.

→ Liste der Neptuniumisotope

[Bearbeiten] Spaltbarkeit

Wie bei allen Transuran-Nukliden ist auch bei den Np-Isotopen die neutroneninduzierte Kernspaltung möglich. Die Isotope mit ungerader Neutronenanzahl im Kern – von den langlebigen also ²³⁶Np – haben große Wirkungsquerschnitte für die Spaltung durch thermische Neutronen; beim ²³⁶Np beträgt er 2600 Barn^[7], es ist also "leicht spaltbar".

Bei dem im Kernreaktorbrennstoff anfallenden ²³⁷Np beträgt dieser Wirkungsquerschnitt nur 20 Millibarn.^[7] Dieses Isotop ist jedoch aufgrund anderer kernphysikalischer Eigenschaften geeignet, mit der Spaltung durch schnelle Neutronen im reinen Material eine Kettenreaktion aufrecht zu erhalten. Im Los Alamos National Laboratory wurde seine kritische Masse experimentell zu 60 kg bestimmt.^[8] Daher ist ²³⁷Np ein mögliches Material für Kernwaffen.^[9]^[10]

[Bearbeiten] Verwendung

Das in Kernreaktoren aus ²³⁵U erbrütete ²³⁷Np kann zur Gewinnung von ²³⁸Pu zur Verwendung in Radionuklidbatterien genutzt werden. Dazu wird es (zusammen mit unwesentlichen Mengen anderer Neptuniumisotope) vom abgebrannten Reaktorbrennstoff abgetrennt und in Brennstäbe gefüllt, die nur Neptunium enthalten. Diese werden wieder in den Kernreaktor eingesetzt, wo sie erneut mit Neutronen bestrahlt werden; aus dem ²³⁷Np wird ²³⁸Pu erbrütet.

$\mathrm{^{235}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{236}_{\ 92}U_m\ \xrightarrow[120 \ ns]{} \ ^{236}_{\ 92}U\ +\ \gamma}$

$\mathrm{^{236}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{237}_{\ 92}U\ \xrightarrow[6,75 \ d]{\beta^-} \ ^{237}_{\ 93}Np}$

$\mathrm{^{237}_{\ 93}Np\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{238}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2,117 \ d]{\beta^-} \ ^{238}_{\ 94}Pu}$

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

[Bearbeiten] Verbindungen

Neptunium bildet eine Reihe von Verbindungen, in denen es in den Oxidationsstufen +III bis +VII vorliegen kann. Damit bildet Neptunium zusammen mit Plutonium die höchste Oxidationsstufe aller Actinoiden. In wässriger Lösung haben die Neptuniumionen charakteristische Farben, so ist das Np³⁺-Ion purpurviolett, Np⁴⁺ gelbgrün, Np^VO₂⁺ grün, Np^VIO₂²⁺ rosarot und Np^VIIO₂³⁺ tiefgrün.^[11]

→ Kategorie:Neptuniumverbindung

[Bearbeiten] Oxide

Bekannt sind Oxide in den Stufen +2, +4 bis +6: Neptunium(II)-oxid (NpO), Neptunium(IV)-oxid (NpO₂), Neptunium(V)-oxid (Np₂O₅) und Neptunium(VI)-oxid (NpO₃ · H₂O).^[12] Neptuniumdioxid (NpO₂) ist das chemisch stabilste Oxid des Neptuniums und findet Verwendung in Kernbrennstäben.

[Bearbeiten] Halogenide

Für Neptunium sind Halogenide in den Oxidationstufen +3 bis +6 bekannt.^[13] In der Oxidationsstufe +VI ist das Neptuniumhexafluorid (NpF₆) von besonderer Bedeutung. Es ist ein orangefarbener Feststoff mit sehr hoher Flüchtigkeit, der schon bei 56 °C in den gasförmigen Zustand übergeht. In dieser Eigenschaft ähnelt es sehr dem Uranhexafluorid und Plutoniumhexafluorid, daher kann es genauso in der Anreicherung und Isotopentrennung verwendet werden.

Für die Stufe +3 sind sämtliche Verbindungen der vier Halogene Fluor, Chlor, Brom und Iod bekannt.

Darüber hinaus bildet es Halogenide in den Stufen +4 bis +6, vor allem das erwähnte Neptuniumhexafluorid (NpF₆).

Oxidationszahl	F	Cl	Br	I
+6	Neptunium(VI)-fluorid NpF₆ orange (CAS: 14521-05-2)
+5	Neptunium(V)-fluorid NpF₅ hellblau (CAS: 31479-18-2)
+4	Neptunium(IV)-fluorid NpF₄ grün (CAS: 14529-88-5)	Neptunium(IV)-chlorid NpCl₄ rotbraun (CAS: 15597-84-9)	Neptunium(IV)-bromid NpBr₄ dunkelrot (CAS: 15608-32-9)
+3	Neptunium(III)-fluorid NpF₃ violett (CAS: 16852-37-2)	Neptunium(III)-chlorid NpCl₃ grün (CAS: 20737-06-8)	Neptunium(III)-bromid NpBr₃ grün (CAS: 20730-39-6)	Neptunium(III)-iodid NpI₃ violett (CAS: 37501-52-3)

[Bearbeiten] Metallorganische Verbindungen

Analog zu Uranocen, einer Organometallverbindung in der Uran von zwei Cyclooctatetraen-Liganden komplexiert ist, wurden die entsprechenden Komplexe von Thorium, Protactinium, Plutonium, Americium und auch des Neptuniums, (η⁸-C₈H₈)₂Np, dargestellt.^[14]

[Bearbeiten] Einzelnachweise

↑ Die Werte der atomaren und physikalischen Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Neptunium) entnommen.
↑ ^a ^b Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 2149.
↑ ^a ^b ^c ^d ^e Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3, S. 413–419.
↑ In Bezug auf ihre Gefährlichkeit wurde die Substanz von der EU noch nicht eingestuft, eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
↑ E. McMillan und P. H. Abelson: "Radioactive Element 93", in: Physical Review 1940, 57, S. 1185–1186; doi:10.1103/PhysRev.57.1185.2.
↑ Klaus Hoffmann: Kann man Gold machen? Gauner, Gaukler und Gelehrte. Aus der Geschichte der chemischen Elemente. Urania-Verlag, Leipzig, Jena, Berlin 1979, S. 233.
↑ ^a ^b Pfennig et al.: Karlsruher Nuklidkarte. Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 1998.
↑ Weiss: Little-studied metal goes critical - Neptunium Nukes?. In: Science News. 26. Oktober 2002 (volltext ; Stand: 29. September 2006).
↑ David Albright, Kimberly Kramer: Neptunium 237 and Americium: World Inventories and Proliferation Concerns. August 2005 (pdf).
↑ Walter Seifritz: Nukleare Sprengkörper – Bedrohung oder Energieversorgung für die Menschheit?. Thiemig-Verlag, München 1984.
↑ Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1956.
↑ Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1972.
↑ Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1969.
↑ Christoph Elschenbroich: Organometallchemie, 6. Auflage, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8351-0167-8, S. 589.

[Bearbeiten] Literatur

Ida Noddack: "Über das Element 93", in: Angewandte Chemie 1934, 47, 653–655.
Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3, S. 413–419.
Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9.
Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1.
Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Hrsg.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements, Springer-Verlag, Dordrecht 2006, ISBN 1-4020-3555-1.