Plutoni

Plutoni,  94Pu
2 mẫu plutoni có đường kính khoảng 3 vm
Tính chất chung
Tên, ký hiệuPlutoni, Pu
Phiên âm/plˈtniəm/
ploo-TOE-nee-əm
Hình dạngTrắng bạc
Plutoni trong bảng tuần hoàn
Hiđrô (diatomic nonmetal)
Hêli (noble gas)
Liti (alkali metal)
Berili (alkaline earth metal)
Bo (metalloid)
Cacbon (polyatomic nonmetal)
Nitơ (diatomic nonmetal)
Ôxy (diatomic nonmetal)
Flo (diatomic nonmetal)
Neon (noble gas)
Natri (alkali metal)
Magiê (alkaline earth metal)
Nhôm (post-transition metal)
Silic (metalloid)
Phốtpho (polyatomic nonmetal)
Lưu huỳnh (polyatomic nonmetal)
Clo (diatomic nonmetal)
Argon (noble gas)
Kali (alkali metal)
Canxi (alkaline earth metal)
Scandi (transition metal)
Titan (transition metal)
Vanadi (transition metal)
Chrom (transition metal)
Mangan (transition metal)
Sắt (transition metal)
Coban (transition metal)
Niken (transition metal)
Đồng (transition metal)
Kẽm (transition metal)
Gali (post-transition metal)
Gecmani (metalloid)
Asen (metalloid)
Selen (polyatomic nonmetal)
Brom (diatomic nonmetal)
Krypton (noble gas)
Rubidi (alkali metal)
Stronti (alkaline earth metal)
Yttri (transition metal)
Zirconi (transition metal)
Niobi (transition metal)
Molypden (transition metal)
Tecneti (transition metal)
Rutheni (transition metal)
Rhodi (transition metal)
Paladi (transition metal)
Bạc (transition metal)
Cadimi (transition metal)
Indi (post-transition metal)
Thiếc (post-transition metal)
Antimon (metalloid)
Telua (metalloid)
Iốt (diatomic nonmetal)
Xenon (noble gas)
Xêsi (alkali metal)
Bari (alkaline earth metal)
Lantan (lanthanide)
Xeri (lanthanide)
Praseodymi (lanthanide)
Neodymi (lanthanide)
Promethi (lanthanide)
Samari (lanthanide)
Europi (lanthanide)
Gadolini (lanthanide)
Terbi (lanthanide)
Dysprosi (lanthanide)
Holmi (lanthanide)
Erbi (lanthanide)
Thuli (lanthanide)
Ytterbi (lanthanide)
Luteti (lanthanide)
Hafni (transition metal)
Tantan (transition metal)
Wolfram (transition metal)
Rheni (transition metal)
Osmi (transition metal)
Iridi (transition metal)
Platin (transition metal)
Vàng (transition metal)
Thuỷ ngân (transition metal)
Tali (post-transition metal)
Chì (post-transition metal)
Bitmut (post-transition metal)
Poloni (post-transition metal)
Astatin (metalloid)
Radon (noble gas)
Franxi (alkali metal)
Radi (alkaline earth metal)
Actini (actinide)
Thori (actinide)
Protactini (actinide)
Urani (actinide)
Neptuni (actinide)
Plutoni (actinide)
Americi (actinide)
Curi (actinide)
Berkeli (actinide)
Californi (actinide)
Einsteini (actinide)
Fermi (actinide)
Mendelevi (actinide)
Nobeli (actinide)
Lawrenci (actinide)
Rutherfordi (transition metal)
Dubni (transition metal)
Seaborgi (transition metal)
Bohri (transition metal)
Hassi (transition metal)
Meitneri (unknown chemical properties)
Darmstadti (unknown chemical properties)
Roentgeni (unknown chemical properties)
Copernixi (transition metal)
Nihoni (unknown chemical properties)
Flerovi (post-transition metal)
Moscovi (unknown chemical properties)
Livermori (unknown chemical properties)
Tennessine (unknown chemical properties)
Oganesson (unknown chemical properties)
Sm

Pu

(Uqq)
PlutoniAmerici
Số nguyên tử (Z)94
Khối lượng nguyên tử chuẩn (Ar)(244)
Phân loại  nhóm actini
Nhóm, phân lớpn/a, f
Chu kỳChu kỳ 7
Cấu hình electron[Rn] 5f6 7s2
mỗi lớp
2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
Tính chất vật lý
Trạng thái vật chấtChất rắn
Nhiệt độ nóng chảy912.5 K ​(639.4 °C, ​1182.9 °F)
Nhiệt độ sôi3505 K ​(3228 °C, ​5842 °F)
Mật độ19.816 g·cm−3 (ở 0 °C, 101.325 kPa)
Mật độ ở thể lỏngở nhiệt độ nóng chảy: 16.63 g·cm−3
Nhiệt lượng nóng chảy2.82 
Nhiệt bay hơi333.5 kJ·mol−1
Nhiệt dung35.5 J·mol−1·K−1

Áp suất hơi

P (Pa)1101001 k10 k100 k
ở T (K)175619532198251129263499
Tính chất nguyên tử
Trạng thái ôxy hóa7, 6, 5, 4, 3 ​Ôxit lưỡng tính
Độ âm điện1.28 (Thang Pauling)
Năng lượng ion hóaThứ nhất: 584.7 kJ·mol−1
Bán kính cộng hoá trịthực nghiệm: 159 pm
Bán kính liên kết cộng hóa trị187±1 pm
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thểĐơn nghiêng
Cấu trúc tinh thể Đơn nghiêng của Plutoni
Vận tốc âm thanh2260 m·s−1
Độ giãn nở nhiệt46.7 µm·m−1·K−1 (ở 25 °C)
Độ dẫn nhiệt6.74 W·m−1·K−1
Điện trở suấtở 0 °C: 1.460 µ Ω·m
Tính chất từThuận từ[1]
Mô đun Young96 GPa
Mô đun cắt43 GPa
Hệ số Poisson0.21
Số đăng ký CAS7440-07-5
Đồng vị ổn định nhất
Bài chính: Đồng vị của Plutoni
isoNAChu kỳ bán rãDMDE (MeV)DP
238Putổng hợp87,74 nămSF204.66[2]
α5.5234U
239Puvết2.41 × 104 nămSF207.06
α5.157235U
240Pusyn6.5 × 103 nămSF205.66
α5.256236U
241Pusyn14 năm0.02078241Am
SF210.83
242Pusyn3.73 × 105 nămSF209.47
α4.984238U
244Puvết8.08 × 107 nămα4.666240U
SF

Plutoni là một nguyên tố hóa học hiếm, có tính phóng xạ cao với ký hiệu hóa học Pu và số nguyên tử 94. Nó là một kim loại thuộc nhóm actini với bề ngoài màu trắng bạc và bị xỉn khi tiếp xúc với không khí, tạo thành một lớp phủ mờ khi bị ôxi hóa. Nguyên tố này thông thường biểu hiện (exhibit) 6 dạng thù hình (allotrope) và bốn trạng thái ôxi hóa. Nó phản ứng với cácbon, halogen, nitơsilicon. Khi tiếp xúc với không khí ẩm, nó tạo thành các ôxít và hiđrua làm thể tích các mẫu giãn nở lên đến 70%, hay nói cách khác là nó bong ra thành dạng bột có thể tự bốc cháy. Nó cũng là một chất độc phóng xạ mà tích tụ trong tủy xương. Những đặc tính này và các tính chất khác khiến cho việc việc xử lý plutoni nguy hiểm.

Plutoni là nguyên tố nguyên thủy nặng nhất, đồng vị bền nhất của nó là plutoni-244chu kỳ bán rã khoảng 80 triệu năm đủ lâu để nguyên tố này có thể được tìm thấy ở dạng vết trong tự nhiên.[3] Nhưng plutoni là sản phẩm phụ thường xuyên có mặt khi nguyên tử urani bị tách làm đôi trong lò phản ứng hạt nhân. Một số hạt hạ nguyên tử được tăng tốc trong quá trình phân hạch biến đổi urani thành plutoni.[4]

Đồng vị quan trọng nhất của plutoni là plutoni-239, với chu kỳ bán rã 24.100 năm. Plutoni-239 là đồng vị có ích nhất trong các vũ khí hạt nhân. Plutoni-239 và plutoni-241 có khả năng phân hạch, có nghĩa là các nguyên tử của nó có thể tách ra bằng cách bắn phá bởi neutron nhiệt chuyển động chậm giải phóng năng lượng, tia gammanhiều neutron hơn. Các neutron này sau đó có thể duy trì phản ứng hạt nhân dây chuyền, được ứng dụng trong các vũ khí hạt nhân và lò phản ứng hạt nhân.

Plutoni-238 có chu kỳ bán rã 88 năm và phát ra các hạt anpha. Nó là một nguồn cung cấp nhiệt trong các máy phát điện hạt nhân, một loại động cơ cung cấp điện cho tàu không gian. Plutoni-240 có tỷ lệ phân hạch tự phát cao, làm tăng thông lượng neutron của bất kỳ mẫu nào. Sự có mặt của plutoni-249 hạn chế khả năng sử dụng của các mẫu trong vũ khí hạt nhân hoặc nhiên liệu hạt nhân, và xác định cấp của nó. Các đồng vị của plutoni đắt và khó tách, vì thế các đồng vị riên biệt thường được sản xuất trong các lò phản ứng chuyên dụng.

Plutoni được một nhóm nghiên cứu đứng đầu là Glenn T. SeaborgEdwin McMillan tổng hợp đầu tiên năm 1940 tại Đại học California, Berkeley bằng cách bắn phá urani-238 bởi hạt nhân deuteron. McMillan đặt tên nguyên tố mới theo tên Pluto (Sao Diêm Vương), và Seaborg đề nghị ký hiệu nó là Pu. Sau đó, một lượng nhỏ plutoni ở dạng vết cũng được phát hiện trong tự nhiên. Việc tạo ra plutoni được sử dụng với lượng lớn lần đầu tiên trong phần chính của dự án Manhattan suốt chiến tranh thế giới thứ 2, để tạo ra bom nguyên tử đầu tiên. Vụ thử hạt nhân đầu tiên, "Trinity" (tháng 7 năm 1945), và bom nguyên tử lần thứ 2 được sử dụng để phá hủy thành phố (Nagasaki, Nhật Bản tháng 8 năm 1945), "Fat Man", cả hai lõi đều dùng plutoni-239. Các nghiên cứu thí nghiệm ảnh hưởng của plutoni đối với con người đã được tiến hành mà không có sự đồng ý trước, và một số tai nạn (criticality accident), gây chết người đã xảy ra trong và sau chiến tranh. Chất thải plutoni từ các nhà máy điện hạt nhân và từ việc giải trừ vũ khí hạt nhân được tạo ra trong suốt thời kỳ chiến tranh lạnh là những mối nguy hiểm cho môi trường. Các nguồn khác của plutoni trong môi trường như bụi phóng xạ từ các vụ thử hạt nhân trên mặt đất (hiện nay đã bị cấm).

Tính chất

Tính chất vật lý

Tỷ trọng của plutoni theo nhiệt độ

Plutoni có màu trắng bạc sáng ban đầu nhìn thì rất giống niken, nhưng nó bị ôxy hóa rất nhanh trong không khí làm chuyển sang màu xám tối, mặc dù đôi khi cũng gặp màu lục xanh oliu và lục vàng.[5][6]nhiệt độ phòng, plutoni có dạng thu hình α (anpha). Hình dạng cấu trúc phổ biến nhất của nguyên tố này giòn và cứng giống như gang xám trừ khi nó ở dạng hợp kim với các kim loại khác làm cho nó mềm và dễ uốn/dát. Không giống với hầu hết kim loại khác, nó không dẫn nhiệt và dẫn điện tốt. Plutoni có điểm nóng chảy thấp (640 °C) và có điểm sôi cao bất thường (3,327 °C).[5]

Phát xạ hạt anpha giải phóng hạt nhân heli năng lượng cao là cách phát xạ phổ biến của plutoni.[7] 5 kg lõi của vũ khí hạt nhân đặc trưng chứa khoảng 12,5 × 1024 nguyên tử. Với chu kỳ bán rã 24.100 năm, khoảng 11,5 × 1012 trong số nguyên tử trên phân rã mỗi giây phát ra 5,157 MeV hạt anpha bằng với 9,68 W. Nhiệt sinh ra từ việc bắt giữ các hạt này làm chúng ta có cảm giác ấm khi chạm tay vào.[8][9]

Điện trở suất của plutoni ở nhiệt độ phòng là rất cao so với mặt bằng chu của các kim loại, và giá trị này sẽ cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn, đó là điều bất thường đối với một kim loại.[10] Xu hướng này tiếp tục khi nhiệt độ giảm xuốn 100 K, dưới mức này điện trở suất giảm nhanh chóng đối với các nguyên chất (chưa bị ôxy hóa).[10] Sau đó điện trở suất bắt đầu tăng theo thời gian ở khoảng 20 K do sự phá hủy bức xạ, với tốc độ được quyết định bởi thành phần đồng vị của mẫu.[10]

Do tự chiếu xạ, một mẫu plutoni sẽ mỏi diễn ra trong hầu hết cấu trúc tinh thể của nó, tức là sự sắp xếp có thứ tự của các nguyên tử của nó bị phá vở do phóng xạ theo thời gian.[11] Tự chiếu xạ cũng có thể dẫn đến việc tôi làm chống lại một vài hiệu ứgn mỏi khi nhiệt độ tăng trên 100 K.[12]

Không giống hầu hết các kim loại khác, plutoni tăng tỷ trọng khoảng 2,5% khi nó nóng chảy, nhưng tỷ trọng của kim loại lỏng thì thể hiện sự suy giảm tuyến tính theo nhiệt độ.[10] Gần điểm nóng chảy, plutoni lỏng cũng có độ nhớt và ứng suất mặt rất cao so với các kim loại khác.[11]

Thù hình

A graph showing change in atomic volume with increasing temperature upon sequential phase transitions between alpha, beta, gamma, delta, delta' and epsilon phases
Plutoni có 6 dạng thù hình: anpha (α), beta (β), gamma (γ), delta (δ), delta phẩy (δ'), & epsilon (ε)[13]

Plutoni bình thường có 6 dạng thù hình và một dạng thứ 7 (zeta, ζ) ở nhiệt độ trong dãi áp suất giới hạn.[13] Các dạng thù hình khác nhau về hình dạng sắp xếp của nguyên tố có điểm rất giống nhau là nội năng nhưng có tỉ trọngcấu trúc tinh thể thay đổi đáng kể. Điều này làm cho plutoni rất nhạy cảm với những thay đổi về nhiệt độ, áp suất hoặc và điều đó làm cho thể tích thay đổi đặc trưng sau khi chuyển pha từ dạng thù hình này sang sang khác.[11] Tỷ trọng của các thù hình khác nhau thay đổi từ 16,00 g/cm3 đến 19,86 g/cm3.[14]

Việc tồn tại các dạng thù hình này làm cho việc gia công plutoni trở nên rất khó, vì nó thay đổi trạng thái một cách dễ dàng. Ví dụ dạng α tồn tại ở nhiệt độ phòng trong plutoni chưa được gia công. Nó có đặc điểm gia công tương tự như gang nhưng biến đổi thành dạng β có tính dẻo và dễ uốn ở nhiệt độ cao hơn một chút.[15] Các nguyên nhân dẫn đến sự phức tạp về các pha thì chưa được hiểu một cách toàn vẹn. Dạng α có cấu trúc tinh thể đơn tà có tính đối xứng thấp, có tính giòn, bền, nén được, và dẫn suất kém.[13]

Plutoni ở dạng δ thường hình thành ở nhiệt độ từ 310 °C đến 452 °C, nhưng nó ổn định ở nhiệt độ phòng khi ở dạng hợp kim với một lượng nhỏ galli, nhôm, hay cesi, làm tăng khả năng làm việc và làm cho có thể hàn nó được.[15] Dạng delta có các tính chất kim loại đặc trưng hơn, và tương đối bền và dễ uốn như nhôm.[13] Trong vũ khí phân hạch, sóng sóc nổ được dùng để nén lõi plutoni cũng gây ra sự chuyển dạng từ pha delta thông thường sang pha anpha đặc hơn, có ý nghĩa ứng dụng để đạt đến mức siêu tới hạn.[16] Pha ε là dạng thù hình rắn ở nhiệt độ cao nhất, thể hiện tính tự khuếch tán nguyên tử cao bất thường so với các nguyên tố khác.[11]

Phân hạch hạt nhân

A rusty metal cylinder
A ring of weapons-grade 99.96% pure electrorefined plutonium, enough for one bomb core. The ring weighs 5.3 kg, is ca. 11 cm in diameter and its shape helps with criticality safety.

Plutoni là một nguyên tố có các electron ngoài cùng thuộc lớp 5f đây là ranh giới chuyển tiếp giữa giới hạn mà các electron của nó có thể có liên kết hoặc không có liên kết với một nguyên tử riêng biệt; nó được xem là một trong số những nguyên tử phức tạp nhất.[17] Đây là kim loại actini có tính phóng xạ, đặc biệt là đồng vị plutoni-239 là một trong 3 đồng vị phân hạch nguyên thủy[note 1][18] (hai đồng vị còn lại là urani-233 và urani-235);[19] plutoni-241 cũng có khả năng phân hạch cao. Xét về khả năng phân hạch, một đồng vị hạt nhân nguyên tử phải có khả năng tách đôi khi bị tác động bởi neutron chuyển động chậm, và giải phóng đủ lượng neutron cần thiết để duy trì phản ứng dây chuyền.

Plutoni-239 có hệ số sinh neutron (k) lớn hơn 1, do đó nếu kim loại có đủ khối lượng và yếu tố hình học thích hợp (như khối cầu nén), nó có thể đạt đến khối lượng tới hạn.[20] Trong quá trình phân hạch, một phần năng lượng lên kết được giải phóng ở dạng nhiệt, điện từ và động năng mal; một kg plutoni-239 có thể tạo ra một vụ nổ tương đương với 20.000 tấn thuốc nổ TNT.[8] Do tạo ra nguồn năng lượng khổng lồ nên plutoni-239 được ứng dụng làm vũ khí hạt nhân và được dùng trong lò phản ứng.

Việc có mặt đồng vị plutoni-240 trong mẫu sẽ làm giới hạn khả năng của bom hạt nhân, vì plutoni-240 có tốc độ phân hạch tự phát tương đối cao (~440 phân hạch một giây/1 gram sinh ra hơn 1.000 neutron/giây/gram[21]) nên sẽ làm tăng mức neutron ban đầu và làm tăng nguy cơ đạt đến trang thái siêu tới hạn cực nhanh mà chưa đạt đến trạng thái tối đa của một chuỗi phản ứng dây chuyền cần thiết.[22] Plutoni được xác định đạt cấp vũ khí, cấp nhiên liệu hay cấp năng lượng lò phản ứng tùy thuộc vào phần trăm plutoni-240 có trong đó. Plutoni cấp vũ khí chứa ít hơn 7% plutoni-240, còn cấp nhiên liệu thì chứa từ 7% đến dưới 19%, và cấp năng lượng lò phản ứng thì chứa từ 19% plutoni-240 trở lên. Plutoni siêu cấp chứ đồng vị plutoni-240 ít hơn 4% thì được dùng trong các vũ khí đặt trên các tàu và tàu ngầm của hải quân Hoa Kỳ do nó có độ phóng xạ thấp hơn.[23] Đồng vị plutoni-238 không thể phân hạch nhưng có thể trải qua quá trình phân hạch một cách dễ dàng bằng cách dùng neutron nhanh và nó phát ra hạt anpha.[8]

Các đồng vị

Bài chi tiết: Đồng vị của plutoni

Có 20 đồng vị phóng xạ của plutoni đã được nhận biết. Các đồng vị sống lâu nhất là plutoni-244 có chu kỳ bán rã 80,8 triệu năm, plutoni-242 là 373.300 năm, và plutoni-239 là 24.110 năm. Tất cả các đồng vị phóng xạ còn lại có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 7.000 năm. Nguyên tố này cũng có 8 đồng phân hạt nhân, mặc dù không có đồng phân nào ổn định và tất cả có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 1 giây.[7]

Các đồng vị của plutoni có số khối nằm trong khoảng từ 228 đến 247. Các cơ chế phân rã ban đầu của các đồng vị có số khối thấp hơn đồng vị bền nhất plutoni-244, là phân hạch tự phát, phát ra hạt anpha và hầu hết tạo thành các đồng vị urani (92 proton) và neptuni (93 proton). Cơ chế phân rã ban đầu đối với các đồng vị có số khối cao hơn đồng vị plutoni-244 là phát ra hạt beta và hầu hết tạo thành các đồng vị americi (95 proton). Plutoni-241 là đồng vị mẹ của chuỗi phân rã neptuni phân rã tạo ra americi-241 và hạt β hoặc electron.[7][24]

Plutoni-238 và 239 là các đồng vị tổng hợp phổ biến nhất.[8] Plutoni-239 được tổng hợp thông qua phản ứng giữa urani (U) và neutron (n) thông qua giai đoạn trung gian với phân rã beta (β) và neptuni (Np):[25]

Neutron từ sự phân hạch urani-235 được bắt giữ bởi hạt nhân urani-238 để tạo ra urani-239; qua một phân rã beta sẽ biến đổi một neutron thành proton để tạo ra Np-239 (chu kỳ bán rã 2,36 ngày) và qua một phân rã beta khác để tạo ra plutoni-239.[26] Những người làm việc cho dự án Tube Alloys đã dự đoán trên lý thuyết phản ứng nào năm 1940.

Plutoni-238 được tổng hợp từ việc bắn phá urani-238 bằng các hạt nhân deuteron theo phản ứng sau:[27]

Trong quá trình này, hạt nhân Deuteri đụng vào urani-238 sinh ra 2 neutron và neptuni-238, đến lượt nó neptuni-238 phân rã tự phát bằng cách phát ra các hạt beta âm để tạo thành plutoni-238.

Nhiệt phân rã và đặc điểm phân hạch

Các đồng vị plutoni trải qua phân rã phóng xạ sinh ra nhiệt phân rã. Các đồng vị khác nhau sinh ra những lượng nhiệt khác nhau theo khối lượng của chúng. Nhiệt phân rã thường được tính theo đơn vị watt/kilogram, hay milliwatt/gram.

Nhiệt phân rã của các đồng vị plutoni[28]
Đồng vị Cơ chế phân rã Bán rã (năm) Nhiệt phân rã (W/kg) Số neutron tự phát (1/(g·s)) Ghi chú
Pu-238 anpha thành U-234 87,74 560 2600 Nhiệt rất cao. Thậm chí một lượng nhỏ có thể đủ để tự nung nóng. Sử dụng trong các máy phát nhiệt điện đồng vị (radioisotope thermoelectric generator).
Pu-239 anpha thành U-235 24100 1,9 0,022 sử dụng đồng vị có thể phân hạch chính.
Pu-240 anpha thành U-236, phân hạch tự phát 6560 6,8 910 Đồng vị Pu-239 không nguyên chất. Cấp plutoni được đánh giá theo phần trăm Pu-240. Phân hạch tự phát cao cản trở cho việc sử dụng trong các vũ khí hạt nhân.
Pu-241 beta, to Am-241 14,4 4,2 0,049 Phân rã tạo thành americi-241; sự tích tụ của nó thể hiện tính nguy hiểm phóng xạ cho các mẫu cũ hơn.
Pu-242 anpha tạo thành U-238 376000 0,1 1700

Americi-241, sản phẩm phân rã của plutoni-241, có chu kỳ bán rã 430 năm, 1,2 phân hạch tự phát/1 gram/1 giây, và nhiệt phân rã là 114 watt/kg. Khi phân rã nó phát ra các tia gamma có khả năng đâm xuyên mạnh. Sự có mặt của nó trong plutoni, xác định theo hàm lượng ban đầu của plutoni-241, được xem là làm tăng nguy hiểm phơi nhiễm phóng xạ đối với các cấu túc xung quanh và con người.

Các hợp chất

Five liuids in glass bottles: violet, label Pu(III); dark brown, label Pu(IV)HClO4; light purple, label Pu(V); light brown, label Pu(VI); dark green, label Pu(VII).
Các trạng thái ôxy hóa của plutoni trong dung dịch

Ở nhiệt độ phòng, plutoni nguyên chất có màu bạc nhưng sẽ chuyển sang màu xỉn khi bị ôxy hóa.[29] Plutoni có 4 trạng thái ôxy hóa phổ biến trong dung dịch gốc nước và một dạng hiềm gặp hơn gồm:[14]

  • Pu(III), ion Pu3+ (oải hương lam)
  • Pu(IV), ion Pu4+ (nâu vàng)
  • Pu(V), ion PuO2+ (hồng tím)[note 2]
  • Pu(VI), as PuO22+ (vàng hồng)
  • Pu(VII), as PuO53− (lục)–ion hóa trị 7 thì hiếm gặp

Màu sắc của các dung dịch plutoni tùy thuộc vào trạng thái ôxy hóa và anion axit tự nhiên.[30] Anion axit ảnh hưởng đến cấp độ tạp phức - cách mà cách nguyên tử liên kết với một nguyên tử trung tâm của các đồng vị plutoni.

Plutoni kim loại được tạo ra từ phản ứng của plutoni tetraflorua với bari, canxi hoặc liti ở 1200 °C.[31] Nó phản ứng với các axít, ôxy, và hơi nước nhưng không phản ứng với kiềm, và dễ dàng hòa tan trong các axit clohydric, hydroiodic và perchloric.[32] Kim loại nóng chảy phải được cất giữ trong môi trường chân không hoặc khí trơ để ngăn phản ứng với không khí.[15] Ở 135 °C kim loại plutoni sẽ bốc cháy trong không khí và sẽ nổ nếu có mặt cacbon tetrachlorua.[33]

A black block on a table with red spots on top and yellow powder around it.
Plutonium pyrophoricity can cause it to look like a glowing ember under certain conditions.

Plutoni là một kim loại hoạt động. Trong không khí ẩm hoặc argon ẩm, nó bị ôxy hóa một cách nhanh chóng tạo ra hỗn hợp các ôxit và hydrit.[5] Nếu kim loại của nó tiếp xúc đủ lâu với một lượng hơi nước nhất định thì sẽ hình thành một lớp bột phủ lên bề mặt của nó.[5] Quá trình này cũng tạo thành plutoni hydrit nhưng với lượng nước nhiều hơn thì chỉ tạo ra PuO2.[32]

Với lớp áo này, kim có khả năng tự bốc cháy, vì thế kim loại plutoni thường được vận chuyển trong môi trường trơ và không như nitơ hay argon. Ôxy là chậm các hiệu ứng của các chất ẩm và đóng vai trò như chất thụ động.[5]

Plutoni thể hiện tốc độ phản ứng mạnh, thuận nghịch với hydro tinh khiết tạo thành plutonium hydrua.[11] Nó cũng sẵn sàng phản ứng với ôxy tạo thành PuO và PuO2 cũng như các ôxit trung gian; plutoni ôxit tăng hơn 40% thể tích so với plutoni kim loại. Nó phản ứng với các halogen tạo ra các hợp chất dạng PuX3, với X có thể là F, Cl, Br hoặc I; cũng có mặt. Các oxyhalua sau cũng được tìm thấy: PuOCl, PuOBr và PuOI. Nó sẽ phản ứng ớ cacbon để tạo ra PuC, nitơ tạo ra PuN và silic tạo ra PuSi2.[14][33]

Nồi được dùng để chứa plutoni cần chịu được các tính chất khử mạnh của nó. Các kim loại chịu lửa như tantalum và tungsten cùng với các ôxit bền hơn như boride, carbide, nitride và silicide có thể chịu được các tính chất này. Quá trình nóng chảy trong electric arc furnace có thể được dùng để tạo ra các thỏi nhỏ kim loại mà không cần dùng nồi nấu.[15]

Cerium được dùng làm chất có tính chất hóa học giống plutoni để làm vật dụng chứa, chiết tách và các công nghệ khác.[34]

Tạo hợp kim

Plutoni có thể tạo một số hợp kim và các hợp chất trung giann với hầu hết các kim loại khác, ngoại trừ các kim loại kiềm như liti, natri, kali, và rubidi; và các kim loại kiềm thổ như magiê, canxi, stronti, và bari; và kim loại đất hiếm như europiytterbi.[32] Ngoài ra, các kim loại có thể gia công như crôm, molybden, niobi, tantali, và tungsten có thể hòa tan trong dung dịch plutoni, nhưng không hòa tan hoặc hòa tan rất ít trong plutoni rắn.[32] Galli, nhôm, americi, scandi và ceri có thể ổn định hóa đồng phân δ của plutoni ở nhiệt độ phòng. Silic, indi, kẽmzirconi cho phép tạo thành đồng phân δ khi làm lạnh nhanh. Một lượng lớn hafni, holmi và thali cũng cho phép duy trì pha δ ở nhiệt độ phòng. Neptuni là nguyên tố duy nhất có thể ổn định pha α ở nhiệt độ cao hơn.[11]

Các hợp kim plutoni có thể được tạo ra bằng cách cho kim loại cần thiết vào plutoni nóng chảy. Nếu kim loại tạo hợp kim đủ tính khử, plutoni có thể được cho vào ở dạng ôxít hay halua. Các hợp kim gali-plutoni pha δ và nhôm-plutoni được tạo ra bằng cách thêm plutoni(III) florua vào gali hoặc nhôm nóng chảy, đây là một điểm thuận lợi nhằm tránh việc tiếp xúc trực tiếp với kim loại plutoni có tính phản ứng cao.[35]

  • Plutoni-galli được dùng để ổn định hóa pha δ của plutoni, nhằm tránh các vấn đề gặp phải khi nó chuyển sang pha α và pha α-δ. Ứng dụng chủ yếu của nó là trong các pit của implosion nuclear weapons.[36]
  • Plutoni-nhôm là một hợp kim thay thế cho hợp kim Pu-Ga. Nó là thành phần ban đầu dùng trong việc ổn định hóa pha δ, nhưng nó có khuynh hướng phản ứng với các hạt anpha và giải phóng neutron làm giảm công năng của nó trong các vũ pit của vũ khí hạt nhân. Hợp kim plutoni-nhôm cũng có thể được ứng dụng làm một phần của nhiên liệu hạt nhân.[37]
  • Hợp kim plutoni-galli-coban (PuCoGa5) là một chất siêu dẫn phi truyền thống ở nhiệt độ dưới 18,5 kelvin, cường độ lớn hơn giá trị cao nhất giữa các hệ fermion nặng, và có dòng điện tới hạn lớn.[17][38]
  • Hợp kim plutoni-zirconi có thể được sử dụng làm nhiên liệu hạt nhân.[39]
  • Các hợp kim plutoni-ceriplutoni-ceri-coban cũng được dùng làm nhiên liệu hạt nhân.[40]
  • Plutoni-urani, với khoảng 15–30% mol. plutoni, có thể được dùng làm nhiên liệu hạt nhân cho các lò phản ứng tái sinh nhan. Do tính tự cháy và sự nhạy cảm cao của nó đối với ăn mòn tại điểm tự bốc cháy hay việc phân hủy sau khi tiếp xúc với không khí nên cần tạo hợp kim với các thành phần khác. Thêm nhôm, cacbon hay đồng vào sẽ không làm cải thiện tôlàm tăng tôc độ tự phân hủy một cách đáng kể; còn nếu thêm zirconi và sắt sẽ tăng tính chống ăn mòn nhưng chúng có thể phân hủy trong vài tháng trong không khí. nếu thêm vào titan hay zirconi sẽ làm tăng điểm nóng chảy của hợp kim.[41]
  • Các hợp kim plutoni-urani-titanplutoni-urani-zirconi đã được nghiên cứu để dùng làm nhiên liệu hạt nhân. Việc thêm vào nguyên tố thứ 3 sẽ làm tăng khả năng chống ăn mòn, giảm tính cháy, và tăng tính dẻo, tính kéo sợi, độ bền và sự nở vì nhiệt. Plutoni-urani-molybden có khả năng chống ăn mòn tốt nhất, vì nó tạo thành một lớp ôxít mỏng bảo vệ, nhưng với titan và zirconi thì chỉ có tác dụng về mặt vật lý.[41]
  • Hợp kim thori-urani-plutoni đã được nghiên cứu để làm nhiên liệu hạt nhân cho các lò phản ứng tái sinh nhanh.[41]

Xuất hiện

Một lượng rất nhỏ dạng vết của ít nhất 2 đồng vị plutoni (plutoni-239 và 244) có thể được tìm thấy trong tự nhiên. Các vết của plutoni-239 chỉ chiếm khoảng vài ppt, và các sản phẩm phân rã của nó cũng được tìm thấy trong tự nhiên ở một số mỏ urani,[42] như trong " lò phản ứng phân hạch tự nhiên" ở Oklo, Gabon.[43] Tỷ lệ plutoni-239/urani ở urani Mỏ Cigar Lake dao động trong khoảng từ 2.4 × 10−12 đến 44 × 10−12.[44] Thậm chí một lượng nhỏ hơn của plutoni-244 nguyên thủy có mặt trong tư nhiên do chúng có chu kỳ bán rã tương đối cao khoảng 80 triệu năm.[45] Các hàm lượng vết của Pu-239 có nguồn gốc từ các kiểu sau: trong những trường hợp hiếm, U-238 trải qua phân hạch tự phát, và trong quá trình này, hạt nhân phát ra một hoặc hai neutron tự do cùng với động năng. Khi một trong các neutron này va chạm vào nguyên tử U-238 khác, nó bị thấp thụ tạo ra U-239. Với toh72i gian tồn tại khá ngắn, U-239 phân rã thành neptuni-239 (Np-239), và sau đó Np-239 phân rã thành Pu-239.

Vì đồng vị Pu-240 có thời gian tồn tại tương đối lâu có mặt trong chuỗi phân rã của plutoni-244, nó cũng có thể có mặt, mặc dù gấp 10.000 lần nhưng vẫn hiếm hơn. Cuối cùng, một lượng cực nhỏ plutoni-238 tham gia vào phân rã beta kép của urani-238 cực kì hiếm gặp, được tìm thấy trong các mẫu urnai tự nhiên.[46]

Một lượng vết nhỏ plutoni thường được tìm thấy trong cơ thể con người từ các nguồn trong các vụ thử hạt nhân dưới nước và trong khí quyển và một lượng nhỏ từ các tai nạn hạt nhân lớn. Hầu hết các vụ thử hạt nhân dưới nước và trong khí quyển đã bị dừng theo Hiệp ước Cấm thử hạt nhân năm 1963, trong đó, các nước tham gia ký kết gồm Hoa Kỳ, Vương quốc Anh, Liên Xô, và các nước khác. Việc thử vũ khí hạt nhân trong khí quyển đã được tiếp tục ở các nước không tham gia vào Hiệp ước trên như Trung Quốc (thử bom hạt nhân trên sa mạc Gobi năm 1964, thử bom hydro năm 1967, và các thử nghiệm sau đó),[cần dẫn nguồn]Pháp (thử trong thập niên 1980).[cần dẫn nguồn]

Plutoni-239 là đồng vị dồi dào nhất của plutoni có khả năng dùng để chế tạo vũ khí hạt nhân và trong lò phản ứng.[33]

Cũng có giả thuyết cho rằng một lượng nhỏ plutoni được tạo ra từ việc bắn phát các quặng urani bởi tia vũ trụ.[cần dẫn nguồn]

En otros idiomas
Afrikaans: Plutonium
አማርኛ: ፕሉቶኒየም
العربية: بلوتونيوم
armãneashti: Plutoniu
asturianu: Plutoniu
azərbaycanca: Plutonium
تۆرکجه: پلوتونیوم
Bahasa Indonesia: Plutonium
Bahasa Melayu: Plutonium
Bân-lâm-gú: Plutonium
Basa Jawa: Plutonium
беларуская: Плутоній
беларуская (тарашкевіца)‎: Плютон (элемэнт)
भोजपुरी: प्लुटोनियम
bosanski: Plutonij
brezhoneg: Plutoniom
български: Плутоний
català: Plutoni
Cebuano: Plutonyo
Чӑвашла: Плутони
čeština: Plutonium
corsu: Plutoniu
Cymraeg: Plwtoniwm
dansk: Plutonium
Deutsch: Plutonium
eesti: Plutoonium
Ελληνικά: Πλουτώνιο
English: Plutonium
español: Plutonio
Esperanto: Plutonio
euskara: Plutonio
فارسی: پلوتونیم
Fiji Hindi: Plutonium
føroyskt: Plutonium
français: Plutonium
Frysk: Plutoanium
Gaeilge: Plútóiniam
Gaelg: Plutonium
Gàidhlig: Plutonium
galego: Plutonio
ગુજરાતી: પ્લુટોનીયમ
客家語/Hak-kâ-ngî: Plutonium
хальмг: Плутониум
한국어: 플루토늄
Հայերեն: Պլուտոնիում
हिन्दी: प्लूटोनियम
hrvatski: Plutonij
interlingua: Plutonium
íslenska: Plútóníum
italiano: Plutonio
עברית: פלוטוניום
ქართული: პლუტონიუმი
қазақша: Плутоний
Кыргызча: Плутоний
кырык мары: Плутоний
Kiswahili: Plutoni
Kreyòl ayisyen: Plitonyòm
Latina: Plutonium
latviešu: Plutonijs
Lëtzebuergesch: Plutonium
lietuvių: Plutonis
Ligure: Plutonnio
Limburgs: Plutonium
la .lojban.: jinmrplutoni
lumbaart: Plutonio
magyar: Plutónium
македонски: Плутониум
Mìng-dĕ̤ng-ngṳ̄: Plutonium
монгол: Плутони
မြန်မာဘာသာ: ပလူတိုနီယမ်
Nederlands: Plutonium
नेपाली: प्लुटोनियम
नेपाल भाषा: प्लुटोनियम
norsk: Plutonium
norsk nynorsk: Plutonium
oʻzbekcha/ўзбекча: Plutoniy
ਪੰਜਾਬੀ: ਪਲੂਟੋਨੀਅਮ
پنجابی: پلوٹونیم
Piemontèis: Plutòni
Plattdüütsch: Plutonium
português: Plutónio
română: Plutoniu
Runa Simi: Plutonyu
русский: Плутоний
саха тыла: Плутониум
संस्कृतम्: प्लुटोनियम
Scots: Plutonium
Seeltersk: Plutonium
sicilianu: Plutoniu
Simple English: Plutonium
slovenčina: Plutónium
slovenščina: Plutonij
српски / srpski: Плутонијум
srpskohrvatski / српскохрватски: Plutonijum
suomi: Plutonium
svenska: Plutonium
Tagalog: Plutonyo
татарча/tatarça: Плутоний
తెలుగు: ప్లూటోనియం
ᏣᎳᎩ: ᏡᏙᏂᎥᎻ
Türkçe: Plütonyum
українська: Плутоній
ئۇيغۇرچە / Uyghurche: پلوتونىي
vepsän kel’: Plutonii
文言:
Winaray: Plutonyo
ייִדיש: פלוטאניום
粵語:
中文:
Kabɩyɛ: Plʊtɔnɩyɔm