1828年,瑞典化学家J.J.贝采利乌斯[注]在来自挪威岛屿的钍石矿中发现了钍并命名。1898年,M.居里[注]和G.C.施密特[注]分别发现了钍的放射性。发现90年后,化学家才首次得以分离纯的钍。
1828年,瑞典化学家J.J.贝采利乌斯[注]在来自挪威岛屿的钍石矿中发现了钍并命名。1898年,M.居里[注]和G.C.施密特[注]分别发现了钍的放射性。发现90年后,化学家才首次得以分离纯的钍。
自然界的钍主要是钍-232(232Th),还有极小量的228Th、229Th、230Th、231Th、234Th。钍以化合物的形式存在于矿物内,制取钍常用的工业矿物是独居石[(Ce,La,Nd,Th)PO4,包含4%~12%的ThO2],其他矿物包括与锆石同晶型的方钍石[(Th,U)O2]和钍石(ThSiO4)。榍石和锆石也含少量钍。在地壳中平均每千克物质含7~13毫克钍,钍是铀含量的2~3倍。由于钍亲土,因此在所有硅酸盐中均含少量钍。
纯的钍是银白色金属,熔点1750℃,沸点约4788℃,密度11.72克/厘米3。它在室温下在空气里较稳定,可以数月保持其金属光泽。之后逐渐氧化为灰色,最后为黑色。钍的物理特性与它含多少氧化物有关,一般纯的钍含有百分之零点几的二氧化钍,但是也可以制造极纯的钍。纯钍柔软,延展性能很好,可以冷压和拉长。钍有两个不同的晶态,在1400℃以上是面心立方晶型的,在这个温度以下是体心立方晶型的。钍原子的电子组态为[Rn]6d27s2,氧化态为+4,化学性质活泼。除惰性气体外,钍与所有非金属元素作用,生成二元化合物。钍在较高温度下能与氢、氮、碳、硅、硫等作用。钍与卤族元素作用,生成相应的四卤化物,其稳定性随卤族元素的原子量增加而降低。钍与一系列金属生成合金,能使这些金属在高温下具有高的机械强度,如钍镁合金、钍锌合金、钍汞合金、钍镍合金等。水对钍的腐蚀作用很慢,在大多数稀酸里以及在浓盐酸和磷酸里它的溶解速率也很慢,在发烟硝酸和王水中它溶解迅速。粉状或者屑状的钍在空气中能自燃,其火焰是白色、明亮的。
已知钍的同位素有30种,质量数为209~238,钍同位素的主要核性质见表。
质量数 | 半衰期 | 衰变类型 | 质量数 | 半衰期 | 衰变类型* |
209 | 3.8ms | α | 224 | 0.81s | α |
210 | 9ms | α;EC+β+ | 225 | 8.72min | α;EC+β+ |
211 | 0.04s | EC+β+;α | 226 | 31min | α |
212 | 0.030s | α | 227 | 18.68d | α |
213 | 0.144s | α | 228 | 1.913a | α |
214 | 0.10s | α | 229 | 7880a | α |
215 | 1.2s | α | 230 | 7.54×104a | α |
216 | 0.026s | α | 231 | 25.5h | β- |
217 | 241μs | α | 232 | 1.405×1010a | α |
218 | 0.117μs | α | 233 | 21.83min | β- |
219 | 1.05μs | α | 234 | 24.10d | β- |
220 | 9.7μs | α | 235 | 7.2min | β- |
221 | 1.68ms | α | 236 | 37.3min | β- |
222 | 2.237ms | α | 237 | 4.7min | β- |
223 | 0.60s | α | 238 | 9.4min | β- |
*EC+β+:电子俘获和/或β+衰变 |
钍可以用来制取铀同位素233U。通过吸收中子,232Th变成233Th,后者通过β-衰变转化为233Pa,再衰变为233U:
233U可以被热中子裂变,用作核电站的燃料。由于钍比铀常见得多,因此当未来铀矿逐渐消耗殆尽,钍可成为重要的能源。
比起235U,钍有一个重要的优点:中子俘获截面与裂变截面之比(σγ/σf)较小,一次裂变发射的平均中子数较高,生成的超铀核素少,而且钍的地壳丰度约为铀的2~3倍。232Th的半衰期为140亿年,放射性比铀-238还要低。但是,以钍为核燃料还存在许多技术和安全问题,除了要设法实现核燃料的增殖外,还有辐照过的钍的强γ放射性问题需要解决。
采用溶剂萃取、离子交换、沉淀等方法,从独居石矿石中将钍与稀土、铀和其他杂质分离,得到钍浓缩物,再制成核素纯的二氧化钍或氯化钍、氟化钍,用高温钙还原二氧化钍或熔盐电解氯化钍、氟化钍并制成金属钍。
钍及其化合物在核能、航空和航天、冶金、化工、石油、电子工业等部门有重要用途。232Th吸收中子后转变为233U,是潜在的核能源。
钍镁合金是制造高速飞机和火箭的主要结构材料。含2%二氧化钍的金属镍,是制造超声速飞机和宇宙飞行器的良好外壳材料,也是制造喷气式发动机的良好材料。
二氧化钍熔点高(3350℃),很稳定,是理想的耐火材料,二氧化钍在石油和化学工业中,可用作催化剂。
钍的电子逸出功小,电子发射性能好,可制作电子放电管、电子计算机的记忆元件、光敏薄膜、燃料电池元件、辐射探测器、光电池等。四氟化钍用于制造特种光学玻璃,金属钍在真空管中用作吸气剂。
钍是高毒性元素,主要积蓄于肝、骨髓、脾和淋巴结,其次是骨骼、肾等脏器中。急性中毒主要是钍化合物的化学毒性所致,慢性中毒则由钍及其子体的辐射作用引起。天然钍在放射性工作场所空气中的最大容许浓度为7.4×10−5贝可/升,在露天水源中的限制浓度为0.37贝可/升。