Plutoniul este un element chimic metalic radioactiv din grupa actinidelor, având numărul atomic 94 și simbolul chimic Pu. A fost descoperit în 1940 în urma reacției de bombardare a 238U cu deuteroni, dar – din cauza războiului – descoperirea sa a fost comunicată abia în 1948. A fost „botezat” în martie 1942, numele elementului provenind de la cel al planetei pitice Pluto, în analogie cu uraniul și neptuniul.
Chiar dacă urme de plutoniu sunt prezente în mod natural pe Pământ (fiind cel mai greu element prezent în natură anterior erei atomice), el este considerat ca fiind un produs antropogen.Herman V. Henderickx, Plutonium: blessing or curse?, Copper Beech, 1999 - Nuclear energy - 119 pages Dintre cei 20 de radioizotopi existenți se remarcă 238Pu (sursă termoenergetică) și 239Pu (izotop fisil).
Plutoniul este un element pentru care electronii 5f sunt situați la limita de tranziție delocalizare–localizare. În tăietură proaspătă are culoarea gri–argintie, care se acoperă rapid cu un strat de oxohidroxid de culoare gri (uneori cu tentă verzuie) în prezența umidității.M.A. Haschke, T.H. Allen, L.A. Morales, Surface and corrosion chemistry of plutonium, Los Alamos Science 26 (2000) 257 Este unul din puținele elemente metalice a cărui densitate crește prin topire; în plus, metalul topit suferă o descreștere a densității odată cu creșterea temperaturii. Din punct de vedere chimic, în stare metalică prezintă nu mai puțin de șapte forme alotropice, iar în compuși multiple stări de oxidare (până la +7). Reacționează cu carbon, halogeni, azot, siliciu, hidrogen etc.
Plutoniul a fost produs în cantități semnificative tehnologic în timpul Proiectului Manhattan. Bombele Fat Man utilizate în cadrul testului nuclear Trinity și la bombardarea orașului japonez Nagasaki (în august 1945) au utilizat plutoniu drept material exploziv. Testele nucleare efectuate în anii 1950-1960 au utilizat la scară extinsă plutoniu. Plutoniul produs în scopuri militare și cel format în reactori nucleari prin procese de activare ridică în prezent probleme majore de proliferare nucleară. Puterea specifică rezultată ca urmare a evenimentelor de dezintegrare (0,57 W/g) a 238Pu este suficientă pentru utilizarea sa ca stimulator cardiac, surse de putere pentru generatoarele termoelectrice, balize de navigare, vehicule spațiale etc.
Având în vedere comportamentul fizico-chimic și perspectivele tehnologice, plutoniul este considerat a fi unul dintre cele mai complexe și fascinante elemente din sistemul periodic, jucând un rol unic în istoria recentă a omenirii. La mai puțin de cinci ani de la izolarea sa, acesta a fost folosit în una dintre cele două bombe atomice utilizate în scopuri beligerante, către sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial. De asemenea, o parte importantă a energiei de origine nucleară este produsă în reactori nucleari prin fisiunea nucleelor atomilor de plutoniu. Au fost efectuate mai multe experimente de iradiere a unor subiecți umani care studiază plutoniu, fără consimțământul acestora, iar mai multe accidente critice, unele letale (iradiere acută), au avut loc după război.
Practic, era atomică este asociată plutoniului (alături de uraniu): „Plutoniul evocă toată gama de emoții umane, de la bine la rău, de la speranță la disperare, de la salvarea omenirii la distrugerea sa totală. Nu există alt element în sistemul periodic care să fi avut un impact atât de profund în conștiința umanității”.
Descoperirea elementului
În 1934, Enrico Fermi a raportat descoperirea elementului Hesperium (Z=94), incluzând aceste rezultate în prelegerea susținută în fața Comitetului Nobel în 1938. De fapt, probele analizate erau amestecuri conținând bariu, kripton și alte fragmente de fisiune,L. Darden, Lindley. The Nature of Scientific Inquiry . College Park: Department of Philosophy, University of Maryland. Retrieved 3 ianuarie 2008 reprezentând o interpretare eronată a fenomenului de fisiune nucleară evidențiat ulterior (în 1938) de către Otto Hahn și Fritz Strassmann.
Plutoniul (izotopul 238) a fost produs și izolat în urma experimentelor din 14 decembrie 1940 realizate de către Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph W. Kennedy și Arthur Wahl.Jeremy Bernstein: Plutonium: A History of the World's Most Dangerous Element. Cornell University Press, 2009. ISBN [./https://en.wikipedia.org/wiki/Special:BookSources/0-8014-7517-1 0-8014-7517-1] Ei au bombardat 238U cu deuteroni în ciclotronul de 1,5 m al Universității Berkeley din California. A fost astfel produs 238Np (cu un timp de înjumătățire de 2,1 zile), care se transformă prin emisie de particule β– în 238Pu (cu un timp de înjumătățire de 87,7 ani):
thumb|Prima probă în care s-a pus în evidență procesul de fisiune a nucleelor de 239Pu|alt=|147x147px
Identificarea chimică a elementului a avut loc la data de 23 februarie 1941. Imediat, grupul de cercetare a scris un articol care a fost trimis spre publicare la Physical Review (martie 1941), dar publicarea a fost amânată până după sfârșitul războiului din motive de securitate.G.T. Seaborg, E. Seaborg, Adventures in the Atomic Age: From Watts to Washington. Farrar, Straus and Giroux, 2001
Imediat apoi, s-a descoperit că 239Pu fisionează sub neutroni lenți, stabilindu-se că 239Pu poate fi utilizat drept sursă de energie de origine nucleară.
Astfel, la Cavendish Laboratory din Cambridge, Egon Bretscher și Norman Feather au demonstrat că un reactor nuclear cu uraniu sub neutroni lenți va produce o cantitate semnificativă de 239Pu ca produs secundar de activare. Ei au calculat că 239Pu este fisil, prezentând avantajul că – fiind diferit din punct de vedere chimic de uraniu – poate fi separat facil de acesta.
Elementul a fost denumit Plutoniu în martie 1942, numele elementului provenind de la cel al planetoidului Pluto, în analogie cu elementele precedente în sistemul periodic, uraniul și neptuniul. Seaborg a propus inițial numele Plutium. Alte denumiri considerate pentru acest element au fost Ultimium și Extemium, nume provenind din convingerea (greșită) că acesta ar fi ultimul element posibil a exista în sistemul periodic al elementelor. Interesant este faptul că simbolul elementului (Pu) nu respectă normele în domeniu (conform normelor, acesta ar fi trebuit să fie Pl).Alegerea evidentă a simbolului ar fi fost Pl, dar Seaborg a sugerat Pu, așa cum un copil ar exclama: „Pee-yoo!” când miroase ceva rău. Seaborg a crezut că va fi dojenit pentru această sugestie, dar comitetul de numire a acceptat simbolul fără probleme.
Caracteristici
Caracteristici fizice thumb|Pastilă de 238Pu folosită ca sursă de energie în generatoare termoelectrice utilizate pentru sondele spațiale - se poate observa efectul termic asociat dezintegrării alfa thumb|Variația volumului atomic al diverselor forme alotropice ale plutoniului în funcție de temperatură thumb|Densitatea diferitelor forme alotropice ale plutoniului În condiții normale, plutoniul metalic este prezent în șase forme alotropice; o a șaptea (zeta, ζ) poate fi obținută la temperaturi înalte și într-un interval îngust de presiune. Acesta face ca plutoniul să fie extrem de sensibil la schimbări de temperatură, presiune sau compoziție chimică, variații minore conducând la schimbări dramatice de volum (de până la 25%) sau structură cristalină, fenomene care însoțesc transformările de fază. Spre deosebire de majoritatea elementelor/materialelor, densitatea plutoniului crește prin topire cu 2,5%, iar metalul topit suferă o descreștere a densității odată cu creșterea temperaturii. În funcție de starea alotropică are densitatea cuprinsă între 16,00 și 19,86 g/cm3, fiind un metal greu.
Acest comportament complicat face ca prelucrarea plutoniului metalic să fie foarte dificilă, cu schimbări greu de controlat între fazele de temperatură joasă. Faza delta (δ-phase) există în metalul pur doar în intervalul 310–452 °C, dar poate fi stabilizată la temperatura camerei prin aliere cu mici cantități de galiu, aluminiu sau ceriu. Aceasta conduce la îmbunătățirea proprietăților prelucrative pentru aplicații militare. Faza delta are un caracter metalic mai pronunțat, fiind aproximativ la fel de rezistentă și maleabilă precum aluminiul. Plutoniul este un element actinid transuranian, în stare metalică având culoarea alb-argintie (asemănătoare nichelului). În prezența aerului umed se acoperă rapid cu un strat de oxohidroxid de culoare gri, uneori cu tentă verzuie.Actinide Research Quarterly. Los Alamos (NM): Los Alamos National Laboratory (semestrul al treilea, 2008), 09/02/2010: „În timp ce dioxidul de plutoniu este, în mod normal, de culoarea uleiului de măsline, probele pot avea diferite culori. Se consideră, în general, că aceasta (culoarea) este o caracteristică a purității chimice, a stoichiometriei, a dimensiunii particulelor și a metodei de preparare, deși culoarea care rezultă dintr-o metodă dată de preparare nu este întotdeauna reproductibilă.” La temperatura camerei plutoniul apare în forma sa α (alfa). Aceasta este forma structurală cea mai comună a elementului, este aproximativ la fel de dură și fragilă precum fonta atunci când nu este aliată cu alte metale. Spre deosebire de cele mai multe metale, plutoniul nu este un bun conducător de căldură sau electricitate. Are un punct de topire scăzut (640 °C) și un punct de fierbere neobișnuit de ridicat (3228 °C).
Din cauza dezintegrării alfa, piesele metalice de plutoniu se încălzesc; evident, cu cât timpul de viață a izotopului este mai redus, cu atât efectul termic asociat este mai puternic. O masă de 5 kg de 239Pu conține aproximativ 12,5 × 1024 atomi. Pentru un timp de înjumătățire de 24100 de ani, aproximativ 11,5 × 1012 din atomii săi se descompun în fiecare secundă prin emiterea unei particule alfa de 5,157 MeV. Aceasta corespunde unei puteri de 9,68 watt. Căldura produsă de decelerarea acestor particule alfa se simte la atingerea probei.Heiserman, David L. (1992). "Element 94: Plutonium". Exploring Chemical Elements and their Compounds. New York (NY): TAB Books. pp. 337–340.
Tot din cauza autoiradierii, eșantioanele de plutoniu amorfizează (parțial sau total) în timp, într-un proces asemănător celui de metamictizare a mineralelor. Structura cristalină poate fi recuperată în urma tratamentelor termice.
Rezistivitatea plutoniului la temperatura camerei este foarte ridicată pentru un metal și devine și mai ridicată la temperaturi mai scăzute, ceea fapt neobișnuit pentru metal. Această tendință continuă până la 100 K, sub care rezistivitatea scade rapid pentru probele proaspăt preparate. Rezistivitatea crește în timp la aproximativ 20 K cu o viteză dictată de compoziția izotopică a eșantionului analizat.
În condiții normale, plutoniul metalic este prezent în șase forme alotropice; o a șaptea (zeta, ζ) poate fi obținută la temperaturi înalte și într-un interval îngust de presiune. Acesta face ca plutoniul să fie extrem de sensibil la schimbări de temperatură, presiune sau compoziție chimică, variații minore conducând la schimbări dramatice de volum (de până la 25%) sau structură cristalină, fenomene care însoțesc transformările de fază. Spre deosebire de majoritatea elementelor/materialelor, densitatea plutoniului crește prin topire cu 2,5%, iar metalul topit suferă o descreștere a densității odată cu creșterea temperaturii. În funcție de starea alotropică are densitatea cuprinsă între 16,00 și 19,86 g/cm3, fiind un metal greu.Acest comportament complicat face ca prelucrarea plutoniului metalic să fie foarte dificilă, cu schimbări greu de controlat între fazele de temperatură joasă. Faza delta (δ-phase) există în metalul pur doar în intervalul 310–452 °C, dar poate fi stabilizată la temperatura camerei prin aliere cu mici cantități de galiu, aluminiu sau ceriu. Aceasta conduce la îmbunătățirea proprietăților prelucrative pentru aplicații militare. Faza delta are un caracter metalic mai pronunțat, fiind aproximativ la fel de rezistentă și maleabilă precum aluminiul.
Caracteristici chimice