Thori

Thori là một trong 3 kim loại phóng xạ xuất hiện trong tự nhiên với số lượng lớn ở dạng nguyên thủy (hai nguyên tố còn lại là bismuth và urani. Thori được nhà khoáng vật học người Na Uy Morten Thrane Esmark phát hiện năm 1828 và được xác định bởi nhà hóa học Thụy Điển Jöns Jakob Berzelius, ông đã đặt tên nó theo Thor, thần sấm trong thần thoại Bắc Âu. Trong tự nhiên, thori là một kim loại phóng xạ thấp, và cũng được xem là một nguyên liệu hạt nhân thay thế cho urani.

Thori,  90Th
Tính chất Thori chung
Tên, ký hiệu	Thori, Th
Phiên âm	/ˈθɔːriəm/ (THOHR-ee-əm)
Hình dạng	Bạc, thường có màu đen xỉn
Thori trong bảng tuần hoàn
Ce ↑ Th ↓ (Uqn) Actini ← Thori → Protactini
Số nguyên tử (Z)	90
Khối lượng nguyên tử chuẩn (Ar)	232,0381
Phân loại	họ actini
Nhóm, phân lớp	f
Chu kỳ	Chu kỳ 7
Cấu hình electron	[Rn] 6d2 7s2
mỗi lớp	2, 8, 18, 32, 18, 10, 2
Tính chất Thori vật lý
Màu sắc	Bạc, thường có màu đen xỉn
Trạng thái vật chất	Chất rắn
Nhiệt độ nóng chảy	2115 K ​(1842 °C, ​3348 °F)
Nhiệt độ sôi	5061 K ​(4788 °C, ​8650 °F)
Mật độ	11,7 g·cm−3 (ở 0 °C, 101.325 kPa)
Nhiệt lượng nóng chảy	13,81 kJ·mol−1
Nhiệt bay hơi	514 kJ·mol−1
Nhiệt dung	26,230 J·mol−1·K−1
Áp suất hơi P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ở T (K) 2633 2907 3248 3683 4259 5055
Tính chất Thori nguyên tử
Trạng thái oxy hóa	4, 3, 2 ​Bazơ yếu
Độ âm điện	1,3 (Thang Pauling)
Năng lượng ion hóa	Thứ nhất: 587 kJ·mol−1 Thứ hai: 1110 kJ·mol−1 Thứ ba: 1930 kJ·mol−1
Bán kính cộng hoá trị	thực nghiệm: 179 pm
Bán kính liên kết cộng hóa trị	206±6 pm
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thể	​Lập phương tâm mặt
Vận tốc âm thanh	que mỏng: 2490 m·s−1 (ở 20 °C)
Độ giãn nở nhiệt	11,0 µm·m−1·K−1 (ở 25 °C)
Độ dẫn nhiệt	54,0 W·m−1·K−1
Điện trở suất	ở 0 °C: 147 n Ω·m
Tính chất Thori từ	Thuận từ
Mô đun Young	79 GPa
Mô đun cắt	31 GPa
Mô đun khối	54 GPa
Hệ số Poisson	0,27
Độ cứng theo thang Mohs	3,0
Độ cứng theo thang Vickers	350 MPa
Độ cứng theo thang Brinell	400 MPa
Số đăng ký CAS	7440-29-1
Đồng vị ổn định nhất
Bài chính: Đồng vị của Thori
Iso NA Chu kỳ bán rã DM DE (MeV) DP 227Th Vết 1,9116 năm α - 223Ra 228Th Vết 1,9116 năm α 5.520 224Ra 229Th Vết 7340 năm α 5.168 225Ra 230Th 0.02% 7,538×104 năm α 4.770 226Ra SF - (nhiều) 231Th Vết 25,5 giờ β- 0.39 231Pa 232Th 99,98% 1,405×1010 năm α 4.083 228Ra SF - (nhiều) CD - 182Yb 26Ne 24Ne 234Th Vết 24,1 ngày β- 0.27 234Pa

Vật lý

Thori nguyên chất là một kim loại có ánh bạc, bền trong không khí và giữ được ánh của nó trong khoảng vài tháng. Khi lẫn với oxide, thori bị mờ đi từ từ trong không khí và chuyển sang màu xám và cuối cùng là đen. Các tính chất vật lý của thori chịu ảnh hưởng lớn bởi mức độ lẫn với oxide. Các loại tinh khiết nhất thường chứa khoảng 10% lượng oxide. Thori nguyên chất mềm, dễ uốn và có thể cuộn tròn ở trạng thái lạnh (không cần gia nhiệt), rập nóng và kéo dài. Thori có hai kiểu cấu trúc và chúng biến đổi ở 1400 °C từ lập phương sang lập phương tâm khối. Bột thori thường tự bốc cháy do vậy nên cẩn thận khi cầm chúng. Khi nung nóng trong không khí, kim loại thori phát cháy và có ngọn lửa sáng màu trắng.

Xem Actinit trong môi trường để biết thêm chi tiết về thori.

Hóa học

Thori phản ứng rất chậm với nước nhưng không phải lúc nào cũng tan trong acid thường trừ acid clohidrit (HCl). Nó hòa tan trong acid nitric (HNO3) đậm đặc với một ít chất xúc tác là ion Flo.

Các hợp chất của thori thường bền ở trạng thái oxy hóa +4.

Hợp chất

Thori đioxide được sử dụng làm chất ổn định trong các điện cực tungsten (tức wolfram) trong kỹ thuật hàn khí trơ tungsten, ống điện, động cơ máy bay. Nó nóng chảy ở 3300 °C là giá trị cao nhất trong tất cả các oxide.

Thori(IV) nitrat và thori(IV) fluoride thường có các dạng hydrat như: Th(NO
₃)
₄.4H
₂O và ThF
₄.4H
₂O. Tâm thori nằm trong mặt phẳng phân tử hình vuông. Thori(IV) cacbonat, Th(CO
₃)
₂ cũng tương tự.

Khi xử lý với natri fluoride và acid clohiđric, Th⁴⁺ tạo thành ion phức ThF
₆²⁻, và có thể kết tủa ở dạng muối không tan K
₂ThF
₆.

Thori(IV) hydroxide, Th(OH)
₄, không tan trong nước, cũng không là chất lưỡng tính. Peroxide của thori rất hiếm ở dạng chất rắn không tan. Tính chất Thori này có thể dùng để tách thori ra khỏi các ion khác trong dung dịch.

Nếu có mặt các ion phosphat, Th⁴⁺ sẽ kết tủa thành nhiều hợp chất khác nhau và là các hợp chất không tan trong nước và các dung dịch acid.

 

Thori được tách ra chủ yếu từ monazit: thori diphosphat (Th(PO₄)₂) cho phản ứng với acid nitric, và thori nitrat thu được đem xử lý với tributyl phosphat. Các nguyên tố đất hiếm lẫn tạp chất được tách ra bằng cách điều chỉnh pH trong dung dịch sulfat.

Một phương pháp tách khác là monazit được phân rã trong dung dịch chứng 45% natri hydroxide ở 140 °C. Hỗn hợp hydroxide kim loại được tách ra đầu tiên, được lọc ở 80 °C, rửa sạch bằng nước và cho hòa tan vào acid hydrochloric đậm đặc. Sau đó, dung dịch acid được trung hòa với hydroxide để đạt đến pH = 5,8, mức mà tạo kết tủa thori hydroxide (Th(OH)₄) chứa khoảng ~3% hydroxide đất hiếm; các hydroxide đất hiếm còn lại vẫn nằm trong dung dịch. Thori hydroxide đem hòa tan trong acid vô cơ và sau đó tách ra khỏi các nguyên tố đất hiếm. Một phương pháp hiệu quả là sự hòa tan thori hydroxide trong acid nitric, so dung dịch tạo thành có thể được làm tinh khiết bằng cách chiết tách với các dung môi hữu cơ:

Th(OH)₄ + 4 HNO₃ → Th(NO₃)₄ + 4 H₂O

Thori kim loại được tách ra từ anhydrous oxide hoặc chloride bằng cách phản ứng với calci trong không khí trơ:

ThO₂ + 2 Ca → 2 CaO + Th

Đôi khi thori được tách ra bằng phương pháp điện phân fluoride trong hỗn hợp natri và kali chloride ở 700–800 °C trong nồi bằng than chì. Thori độ tinh khiết cao có thể được tách ra từ iodide của nó với quá trình hình thành thanh tinh thể.

Một số ứng dụng của thori như:

• Thori là một nguyên tố trong hợp kim với magiê, dùng trong các động cơ máy bay, nhằm tăng độ bền và chống lại biến dạng trườn ở nhiệt độ cao.
• Thori cũng là chất trong hợp kim kỹ thuật hàn cung tungsten khí (GTAW) để tăng nhiệt độ nóng chảy của các điện cực tungsten và tăng độ bền mối hàn.
• Thori được phủ lên dây kim loại tungsten trong các thiết bị điện nhằm làm tăng truyền nhiệt qua điện tích của catốt bị nung nóng.
• Định tuổi Urani-thori được dùng để xác định tuổi hóa thạch họ người.
• Thori được dùng để bổ sung thêm trong quá trình sản xuất nguyên liệu hạt nhân. Đặc biệt đối với các lò phản ứng khuếch đại năng lượng được thiết kế với mục đích sử dụng thori. Khi thori nhiều hơn urani, một số mẫu lò phản ứng hạt nhân kết hợp thori vào chu trình nguyên liệu của chúng.
• Thori cũng được sử dụng trực tiếp làm nguyên liệu hạt nhân giống như urani, vì nó tạo ra ít chất thải phóng xạ nguyên tử lớn.
• Thori là tấm chắn phóng xạ rất hiệu quả, mặc dù nó chưa bao giờ được sử dụng vào mục đích này so với chì.

Các ứng dụng của thori dioxide (ThO₂):

• Lớp áo trong các đèn khí cầm tay. Các lớp áo này phát sáng rực rỡ với các tia sáng chói (không liên quan đến phóng xạ) khi nung nóng bằng ngọn lửa khí.
• Sử dụng trong các điện cực kỹ thuật hàn cung tungsten khí.
• Sử dụng để điều khiển kích thước hạt của tungsten dùng trong các bóng đèn điện.
• Sử dụng trong gốm cách nhiệt giống như các nồi nấu kim loại nhiệt độ cao trong phòng thí nghiệm.
• Thêm vào thủy tinh, nó giúp tạo ra thủy tinh có hệ số khúc xạ cao và tán xạ thấp. Ngoài ra chúng còn được sử dụng làm các thấu kính của camera và thiết bị khoa học.
• Sử dụng làm chất xúc tác:
  • Chuyển amonia thành acid nitric.
  • Trong các phản ứng cracking dầu mỏ.
  • Sản xuất Thori acid sulfuric.
• Thori dioxide là chất hoạt động của Thorotrast, sử dụng như là một phần của chẩn đoán bằng tia X. Ứng dụng Thori này đã bị hủy bỏ bởi vì Thorotrast tự nhiên có thể gây ung thư.

• David Hahn, người đã tạo ra một lượng nhỏ vật liệu có thể phân hạch hạt nhân.
• Lò phản ứng hạt nhân
• Chuỗi phân rã phóng xạ

• Los Alamos National Laboratory — Thorium Lưu trữ 2010-11-21 tại Wayback Machine
• WebElements.com — Thorium
• The World Nuclear Association
• European Nuclear Society — Natural Decay Chains Lưu trữ 2019-06-04 tại Wayback Machine
• often-quoted article by Michael Anissimov advocating adopting Thorium reactors Lưu trữ 2011-04-29 tại Wayback Machine

• Thorium information page Lưu trữ 2006-11-07 tại Wayback Machine
• New Age Nuclear: article on thorium reactors | Cosmos Magazine Lưu trữ 2006-09-03 tại Wayback Machine
• ATSDR ToxFAQs — Thorium
• USGS data — Thorium
• Thorium as a Secure Nuclear Fuel Alternative
• The Endless Refrigerator/Freezer Deodorizer, a commercial product which claimed to destroy odours 'forever.' Made with thorium-232.
• Is thorium the answer to our energy crisis? Lưu trữ 2009-01-09 tại Wayback Machine
• Thorium Energy Blog, discussion forum and document repository
• Another thorium information page
• Monazite