Plutonium
Plutonium ist das mit der höchsten Ordnungszahl in der Natur vorkommende Element. Es ist das 5. Element der Gruppe der Actinoide. Das silberweiße, radioaktive Schwermetall ist in verdünnten Säuren löslich und bildet überwiegend Pu(IV)-Verbindungen. Verbindungen mit den Oxidationszahlen III, V, VI und VII sind ebenfalls bekannt. Plutonium neigt zur Bildung von Komplexen, z. B. [Pu(NO3)4(TBP)2] (TBP - Tributylphosphat), was zur Abtrennung des Elementes aus Kernbrennstäben genutzt wird. Plutonium wird bei der Bestrahlung von 238U mit Neutronen gewonnen. Das Isotop 239Pu unterliegt oberhalb einer kritischen Masse von 5,4 kg einer spontanen Ketten-Kernreaktion. Das Metall kann aus PuF4 durch Reduktion mit Calcium gewonnen werden. Verwendet wird das Metall als Energiequelle in Reaktoren. Einen Einsatz in Kernwaffen gilt es weltweit zu verhindern.
Eigenschaften des Elements
| Einordnung in das Periodensystem der Elemente und Eigenschaften |
Atombau |
| Ordnungszahl: 94 | 94 Protonen 94 Elektronen |
| 7. Periode | 7 besetzte Elektronenschalen |
| Gruppe der Actinoide | 8 Außenelektronen |
| Elektronenkonfiguration im Grundzustand | Rn 7s25f6 |
| Elektronegativität | 1,3 |
| Ionisierungsenergie in eV | 5,8 |
| häufigste Oxidationszahlen | IV |
| Atommasse des Elements in u | 244 |
| Atomradius in 10- 1 0m | 1,51 |
| Ionenradius in 10- 1 0m | 0,93 (+4) |
| Aggregatzustand im Normalzustand | fest |
Stoffkonstanten und Häufigkeit des Vorkommens in der Natur
Dichte in  bei 25 °C |
19,8 |
| Härte nach Mohs und Brinell | |
Schallgeschwindigkeit in  |
2260 |
| Schmelztemperatur in °C | 640 |
spezifische Schmelzwärme in  |
11,48 |
| Siedetemperatur in °C | 3232 |
| spezifische Verdampfungswärme in |
1407,8 |
Standardentropie S0 in  |
|
Wärmeleitfähigkeit in  bei 27 °C |
6,74 |
spezifische Wärmekapazität in  |
|
Volumenausdehnungskoeffizient in 10-
3
|
|
spez. elektrischer Widerstand in  |
1,4610 |
| Anteil in der Erdhülle in % (Atmosphäre, Wasser, Erdkruste bis 10 km Tiefe) |
2 · 10- 1 9 |
Alle Isotope sind radioaktiv.
Isotope des Elements
| Ordnungszahl Z | Massen- zahl A | Atommasse in u | Häufigkeit in % |
Art der Strahlung und Energie in MeV |
Halbwertszeit |
| 94 | 238 | 238,049 | künstlich | α: 5,499 | 86 a |
| 239 | 239,052 | künstlich | α: 5,157 | 2,44 · 104 a | |
| 240 | 240,053 | künstlich | α: 5,168 | 6,6 · 103 a | |
| 241 | 241,056 | künstlich | β
 : 0,02 |
13,0 a | |
| 242 | 242,058 | künstlich | α: 4,901 | 3,8 · 105 a | |
| 244 | 244,064 | künstlich | α: 4,589 | 8 · 107 a |
Energieniveauschema
Weitere Eigenschaften
Plutonium bildet sechs verschiedene Modifikationen. Sie sind unter bestimmten Bedingungen ineinander überführbar. Plutonium ist ein silberweiß glänzendes und radioaktives Schwermetall. Plutonium ist das schwerste natürlich vorkommende Element. Plutonium gehört zu den Actinoiden. In seinen Verbindungen bildet es fast alle Oxidationsstufen von II bis VII, wobei die Stufe IV die stabilste ist. Plutonium ist ein unedles und sehr reaktionsfähiges Metall. An Luft bildet sich oberflächlich schnell eine Oxidschicht. In Salzsäure, Iodwasserstoffsäure und Perchlorsäure löst es sich auf. Von konz. Schwefelsäure, Salpetersäure und Eisessig wird es aufgrund der Passivierung nicht angegriffen. Bei höheren Temperaturen verbindet sich Plutonium mit Nichtmetallen, wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff direkt zu binären Plutoniumverbindungen.
Entdeckung
Im Dezember 1940 wurde Plutonium in Form des Isotops Pu von der Arbeitgruppe SEABORG, McMILLAN, KENNEDY und WAHL in den USA künstlich hergestellt und eindeutig identifiziert. Nach der Entdeckung des Neptuniumisotops Np waren sich die Wissenschaftler sicher, dass beim β-Zerfall dieses Isotops als Tochtersubstanz auch ein Isotop des Elements 94 entstanden sein musste. Sie konnten es aber nicht nachweisen. Im Dezember 1940 wurden Proben des Isotops U mit hochbeschleunigten Deuteronen bestrahlt. Dabei bildete sich das kurzlebige Neptuniumisotop Np. Der langsame Anstieg der α-Aktivität der Probe wies darauf hin, dass zunächst das Isotop Np entstanden war. Dies verwandelte sich dann mit der Halbwertszeit von 2.117 Tagen durch β-Emission in das Isotop 238 des Elements 94. Das zweite Isotop des Elements 94 erhielt man bei der Bestrahlung des Isotops U mit schnellen Neutronen. Den eindeutigen Nachweis, dass es sich hierbei um die Isotope des Elements 94 handelte, brachte ARTHUR C. WAHL im Februar 1941. Es gelang ihm, durch mehrere Redox- und Fällungsreaktionen das Element 94 zu isolieren. Im März 1942 entschied man, den Namen «Plutonium» mit dem chemischen Symbol «Pu» einzuführen.
Vorkommen/Herstellung
In Form des Isotops Pu kommt Plutonium in der Natur in sehr geringen Mengen in Uranerzen vor, z. B. in der kanadischen Pechblende, im Carnotit, Monazit und Fergusonit. Natürliches Plutonium wurde 1951 aus kongolesischen Pechblendekonzentraten isoliert. Die Hauptmenge des in der Umwelt zu findenden Plutoniums stammt u. a. von Atombombenexplosionen und Kernwaffentests. Plutonium wird im technischen Maßstab in Form des spaltbaren Isotops Pu aus U hergestellt. Dazu wird natürliches Uran verwendet, das aus dem nichtspaltbaren Isotop U und dem spaltbaren Isotop U besteht. Die notwendigen Neutronen entstehen bei der Spaltung des Isotops U.
Verwendung
Als Energiequelle hat das spaltbare Isotop Pu in Kernreaktoren technische Bedeutung. Als Kernbrennstoff der Zukunft gelten die Monocarbide, -nitride und Carbonnitride als besser geeignet. Dafür existieren z. Z. aber noch keine wirtschaftlichen Herstellungsverfahren. Das Isotop wird als Energiequelle für Satelliten, Raumstationen, sowie auch in Herzschrittmachern eingesetzt.
