Америций. 
Фундаментальная радиохимия

Америций (americium) Am, актинид, Z= 95, атомная масса 243,0614. Назван от слова «Америка» (по месту открытия). Был идентифицирован как ^24,Ат Г. Т. Сиборгом, А. Гиорсо, Р. Джеймсом и Л. Морганом в 1944 г. в результате облучения нейтронами изотопов плутония в реакторе. Америций был также получен Сиборгом путем бомбардировки ²³⁴Ри а-частицами.

Известно 18 изотопов америция. Самый легкий ²³¹ Ат (Г_½ = 30 с), самый тяжелый ²⁴⁹Am (Т_{/2 = 1 м). Есть 8 ядерных изомеров. Наиболее устойчив изотоп ²⁴³Ат (Г, ₂ = 7370 л). Средняя энергия a-излучения ²³⁷Ат, ²³⁸Ат, ²³⁹Ат, ²⁴⁰Ат, ²⁴¹ Ат, ²⁴²'" Ат, ²⁴³Ат равна соответственно 1,54−10 ³; 6,04−10″⁶; 5,87−10-⁴; 1,08 -10-⁵; 5,57; 2,52 Ю²; 5,36 МэВДБк с).

Америций-241 (Г_½ = 432,6 л) — дочерний продукт рраспада ²⁴¹Ри (Г_½ = 13, 2 л), электронного захвата ядром ²⁴¹Ст (Ту₂ = 32,9 дня), а-распада ²⁴⁵Вк (Г_½ = 4,94 дня). При распаде ²⁴¹Ат (энергия распада 5,6378 МэВ) испускает а-частицы, а дочернее ядро ^23/Np — каскад у-квантов и (или) конверсионных электронов, а-раснад происходит в основном на возбужденные уровни ²³⁷Np, лишь в 0,34% случаев на основной уровень.

²⁴'Ри образуется во всех ядерных реакторах при захвате нейтрона ²³⁸U. При этом протекают ядерные реакции:

Промышленное получение изотопов америция основано на облучении нейтронами ²³⁸U, ^2:i'Np и ²³⁵Pu. Для получения некоторых изотопов америция используют отдельные изотопы самого элемента. Так,²⁴⁸Ат и ²⁴³Ат могут быть получены у-нейтронным излучением ²⁴¹Ат и ²⁴⁴Ат. Изотопы америция с массовыми числами 241, 245 и 246 являются дочерними продуктами изотопов плутония с такими же массовыми числами. Некоторые изотопы америция образуются при испытаниях ядерного оружия.

Исходным сырьем для получения ^24|Ат служит Ри0₂, накапливающийся при переработке ОЯТ. Ри0₂ — соединение труднорастворимое. Скорость его растворения можно увеличить путем обработки высококонцентрированным озоном и применением церия (при растворении РиО., малой выдержки) или америция (при растворении выдержанного Ри0₂). Для получения чистых препаратов плутония и америция применяется сорбционное разделение на высокоосновном анионите или на фосфорсодержащем катионите.

Радиус атома америция 0,173 нм, электронная конфигурация [Rn]5/⁷7s², радиус иона (+4с) 0,092 и (+3е) 0,107 нм, электроотрицательность по Полингу 1,3, электродный потенциал Am — Am³⁺ -0,90 В, Am «- Am³⁺ -2,07, Am — Am²⁺ -1,95 В, степени окисления 6, 5, 4, 3 (основная 3+), плотность 13,67, Т_пл = 1176 °C, теплота плавления 10 кДж/моль, Т_кт = 2607 °C, теплота испарения 238,5 кДж/моль, молярный объем 20,8 см³/моль, молярная теплоемкость 25,85 ДжДКмоль). Имеет две аллотропные формы. В низкотемпературной форме обладает двойной плотно упакованной гексагональной структурой (а = 0,3468, с = 1,124 нм), которая при 1074 °C преобразуется в ГЦК-структуру.

Металлический америций получают восстановлением трифторида америция парами бария при 1200°С:

Америций — металл серебристо-белого цвета, тягучий и ковкий. Светится в темноте за счет собственного а-излучения. Гомолог европия, более электроположительный и более активный металл, чем нептуний и плутоний, весьма реакционно способен.

Металлический америций хороню растворяется в концентрированных минеральных кислотах с образованием Аш³⁺. Реагирует: с кислородом, образуя нерастворимые оксиды AmO, Ат._;0₃ и Ат0₂; водородом — гидриды АтН₂, АтН₃, Ат₄Н₁₅; азотом — нитриды AmN; серой — сульфиды Am₂S₂; углеродом — карбиды Ат₂С₃; галогенами: с фтором — нерастворимые соли, хлором, бромом и иодом — растворимые соли АтС1₃, АтВг₃, Ат1₃.

AmF₄ получается при действии фтора на соединения Am (III) и Am (IV) при 500 °C. При действии на AmF₄ воды идет восстановление до AmF₃. Америций образует комплексные соединения с минеральными и органическими кислотами.

Как правило, америций проявляет валентность +3, однако может иметь степени окисления 2, 3, 4, 5, 6 и 7. В растворе америций может находиться в виде ионов Ат² Ат³ Ат0₂ и Ат0²⁺.

Ат (И) получается восстановлением Am (III) на ртутном катоде в среде диамина.

Ион Am (III) Am³⁺ получается при растворении металла в кислотах или восстановлением его высших окисленных состояний. При действии на растворы Am^3t щелочей выпадает осадок основного гидроксида, который легко растворяется в кислотах. Ат³* осаждается также в виде фторида, оксалата и фосфата.

Am³" образует с анионами соляной, азотной и серной кислот малоустойчивые комплексы, которые позволяют отделять эти ионы от РЗЭ на катионите в концентрированных растворах кислот. С F^- дает устойчивый комплекс, позволяющий удерживать америций в растворе, в то время как лантаниды остаются в осадке. С роданид-ионом образуются анионные комплексы, сорбируемые на анионите. Ат³⁺ дает прочные комплексы с оксалат-, фосфат-, карбонати ацетатионами, лимонной, винной, молочной кислотами, ЭДТА.

Am (IV) в растворе не получен: он неустойчив и диспроиорционирует.

Америций является единственным из трансплутониевых элементов, который окисляется до Am (V) в водном растворе. Am (V) — сильный окислитель. В растворах этилендиаминтетрауксусной кислоты с pH 5 при 25 °C медленно (кинетика нулевого порядка) переходит в Am (III). Ион Am (V) Am0₂ получается окислением Ат³⁺ гипохлоритом и персульфатом калия, а также озоном в карбонатном растворе при 95 °C. При этом осаждается двойная соль состава Ме^тС^СОз или Ме¹¹₅[Аш0₂(С0₃)з]. При растворении этих солей образуется ион Ат²⁺, который необратимо диспропорционирует:

При действии щелочей на растворы солей Am (V) выпадает гидроксид.

Am (V) способен образовывать комплексы. Примером является хроматный комплекс (Аш0₂)₂Сг0₄ • ггН₂0 и бихроматный комплекс Cs₃Am0₂(Cr₂0₇)₂ H₂0.

Ион Am (VI) Am0₂⁺ получается при окислении Ат (Ш) в кислой среде персульфатом или Ce (IV). Чтобы получить Am (VI) из Ат (Ш), достаточно слегка нагреть исходное соединение с персульфатом аммония в слабокислой среде (обычно в 0,01 М HN0₃). Переход Am (III) — Am (VI) происходит сразу же, минуя промежуточные стадии окисления. Окислительно-восстановительный потенциал этой пары несколько меньше, чем пары Am (III) — Am (V), и потому окислить Ат (Ш) до Am (VI) проще, чем до Am (V). Последний получается лишь в тех случаях, когда образуемое соединение Am (V) сразу же выводится из реагирующей системы, например, выпадает в осадок. Так, если процесс окисления происходит в среде КС0₃, образуется малорастворимая двойная соль Aiii (V) KAiii0₂C0₂. Aiii0₂⁺ — сильный окислитель. Гидразин Н₂0₂, I восстанавливают Am (VI) до Ат (Ш), щелочи переводят Аш0²⁺ в Am (V).

Для разделения смеси америция, тория, лантанидов, тяжелых актинидов, плутония, урана и нептуния используют метод осаждения. Разделение близких по свойствам америция и кюрия возможно с помощью ТБФ. Для отделения америция от лантанидов успешно используются ионообменные методы.

Америций из высокоактивных жидких отходов, образующихся при переработке ОЯТ, обычно извлекают экстракционными методами. Хорошие результаты дает экстракция Ат (Ш) изомерами дигликольамидов (например, N, N, N', ЛГ'-тетраоктилдигликоль-амидом) в среде ионной жидкости.

Каждый из америциевых ионов дает ярко выраженный и характерный только для него спектр поглощения. Это позволяет эффективно использовать спектрофотометрический метод для исследования окислительно-восстановительных процессов, происходящих с ионами америция в растворах.

Изотопы ^241,243Am определяют с помощью жидкосцинтилляционных счетчиков по a-излучению после выделения их в радиохимически чистом состоянии. Измерение а-активности этих изотопов позволяет определить субмикрограммовые количества америция.

Известно, что а-распад изотопов америция сопровождается мягким, но интенсивным у-излучением. Так, изотоп ^24,Аш испускает у-кванты с энергией 0,06 МэВ с выходом 36% на один а-распад, а изотоп ²⁴³Ат — 0,075 МэВ (50%). Кроме того, ²⁴³Ат довольно быстро приходит в равновесие с дочерним ²³⁸Np, испускающим у-кванты с энергией 0,106 МэВ (23%), 0,228 МэВ (12%) и др. Это позволяет проводить радиометрическое определение америция по его у-излучению или по у-излучению ²³⁹Np.

²⁴³Am используется для радиохимических исследований и синтеза более отдаленных трансуранов, вплоть до фермия. ²⁴¹Ат применяется шире, например, в нейтронных источниках на основе америций-бериллиевых смесей, предназначенных для разведки органического топлива (нейтронный каротаж скважин). ²⁴¹Ат при распаде испускает а-частицы и мягкие (60 кэВ) у-лучи. Для защиты от у-излучения ²⁴¹Ат достаточно сантиметрового слоя свинца. В этом одна из причин появления многочисленных приборов с ²⁴¹Аш. В частности, предложена конструкция просвечивающего аппарата размером чуть больше спичечного коробка для медицинских целей. Америциевый источник у-излучения — шарик диаметром 3 см — основа такого аппарата, которому, в отличие от рентгеновской установки, не нужна громоздкая высоковольтная аппаратура. Источник мягкого у-излучения с ²⁴¹Ат используется для диагностики болезней щитовидной железы методом рентгенофлуоресцентного анализа. Стабильный иод, присутствующий в щитовидной железе, под действием у-лучей начинает испускать слабое рентгеновское излучение. Его интенсивность пропорциональна концентрации иода в исследуемой точке. Такая установка позволяет получить сведения о распределении иода в железе, не вводя радиоактивный изотоп внутрь организма. Суммарная доза облучения пациента намного ниже, чем при радиоиодном способе обследования.

В промышленности используются различные контрольно-измерительные приборы с ²⁴¹Ат как источником мягкого у-излучения (дефектоскопы, плотномеры, толщиномеры и т. д.). В частности, такими приборами пользуются для непрерывного измерения толщины стальной и алюминиевой ленты, а также листового стекла. а-Излученис ²⁴¹ Аш используют для снятия электростатических зарядов с пластмасс, синтетических пленок и бумаги. Этот изотоп находится внутри детекторов дыма.²⁴¹ Аш применяется для получения изотопа ²⁴²Ст. Смесь ²⁴¹Ат и ⁹Ве является источником нейтронов в дефектоскопии.

Ядерный изомер ^242wAm обладает высоким сечением деления тепловыми нейтронами (6000 барн), большим количеством выделяемых нейтронов на одно деление (3,6) и относительно большим периодом полураспада (141 л), что делает его подходящим топливом для сверхкомпактных ядерных реакторов (критическая масса 3,78 кг, меньше только у некоторых изотопов калифорния). Предполагается, например, использовать его для ядерных реакторов на межпланетных космических кораблях.

Возможно найдет применение и более короткоживущий (152 л) изотоп ²⁴²Ат, которому свойственно очень высокое сечение захвата тепловых нейтронов — порядка 6000 барн.

Америций — высокотоксичный элемент. Его токсичность обусловлена в большей степени радиационными свойствами, чем химическими. Значение ПДК для америция в воздухе составляет ориентировочно 1 • 10 ⁴ Бк/л, в воде водоемов — 70 Бк/л.

Источниками поступления америция в окружающую среду являются испытания ядерного оружия, атомные электростанции и аварии при производстве и применении радионуклида. Содержание глобального америция в окружающей среде постоянно увеличивается в связи с распадом ²⁴¹Ри. В отличие от плутония, соединения америция обладают большей растворимостью и, следовательно, большей миграционной способностью. Тем не менее закономерности миграции, установленные для плутония, характерны и для америция. При обследовании пострадавших, которым америций поступал в органы дыхания при различных аварийных ситуациях, отмечено, что химические соединения радионуклида могут быстро перемещаться из легких в кровь с Т_в от нескольких дней до нескольких недель и длительно задерживаться в скелете и печени.

Из растворимых соединений ²⁴¹Ат наиболее низкая величина всасывания (%) у нитрата и хлорида — (0,45—1,0) • 10 ³. Большие величины имеют комплексные соединения ²⁴¹Ат, которые слабо гидролизуются в Ж КТ. Для нитратного комплекса уровень всасывания ²⁴¹Аш достигает 0,5%. Наименьшая резорбция (%) из ЖКТ отмечена для оксида ²⁴¹Аш и составляет 1 • 10^-4. Голодание и беременность существенно увеличивают всасывание²⁴¹ Ат из ЖКТ.

Основными органами депонирования ²⁴¹Ат в организме человека являются скелет, печень и почки. На уровни отложения радионуклида в этих органах влияют химическая форма вводимого соединения, возраст, путь и ритм поступления в организм.

При однократном ингаляционном или интратрахеальном поступлении америция в органы дыхания крыс в течение первых суток отмечается в основном равномерное распределение а-трсков на гистоавторадиограммах легких. В отдаленные сроки наблюдается агрегация a-треков в «звезды», что приводит к неравномерному облучению легочной ткани. Хроническое поступление америция в легкие животных приводит к образованию большего количества «звезд» по сравнению с однократной ингаляцией. Опухоли легких и остеосаркомы являются основной опухолевой патологией при инкорпорации ²⁴¹Аш. При этом частота опухолей возрастает с увеличением дозы.

При работе с большими количествами ²⁴¹ Ат в условиях недостаточной защиты возможно внешнее облучение мягким у-излучением радионуклида. Различают острое, подострое и хроническое лучевое поражение ^24,Ат.

Для ²⁴‘Ат, ²⁴²Ат, ²⁴³Ат группа радиационной опасности А, М3 А = 3,7 • 10³ Бк; для ²⁴² Ат,²⁴⁴ Ат группа радиационной опасности В, МЗА = 3,7 • 1(Р Бк.

При работе с радиоактивными изотопами америция необходимо соблюдать санитарные правила и нормы радиационной безопасности с применением специальных мер защиты в соответствии с классом работ. При аварийном поступлении изотопов америция промывание носоглотки и полости рта водой; лечебные ингаляции раствором пентацина. Промывание желудка, слабительные, очистительные клизмы. Дезактивация кожи хозяйственным мылом или раствором пентацина.