Плутоний (Pu) — трансурановый металл, относящийся к актунидам, с атомным номером 94. Он обладает сложной кристаллической структурой, проявляя несколько аллотропных модификаций (α, β, γ, δ, δ′, ε), каждая из которых характеризуется различной плотностью и механической прочностью. Наиболее устойчивой при комнатной температуре является α-модификация, имеющая твердую плотную структуру, но хрупкую механически. Металл имеет серебристо-белый цвет при чистом состоянии, однако при взаимодействии с воздухом быстро покрывается тусклой оксидной пленкой.
Ключевые физические характеристики:
Плутоний — сильный радионуклид, преимущественно α-излучатель. Наиболее известен изотоп (^{239})Pu с периодом полураспада 24 100 лет, который играет важную роль как в ядерной энергетике, так и в ядерном оружии.
Плутоний проявляет широкий диапазон окислительных состояний: +3, +4, +5, +6 и +7, что делает его химически уникальным среди трансуранов. Наиболее стабильными в водных растворах являются состояния +3 и +4.
Плутоний способен к образованию множества соединений с галогенами, кислородом, серой и углеродом. Например:
Радиоактивность плутония требует особого внимания к его самонагреванию, альфа-радиоактивному распаду и образованию газов при разложении некоторых соединений. Альфа-излучение вызывает самоподогрев и радиолиз водных растворов, что влияет на химическую устойчивость и транспортировку соединений.
Изотопы плутония обладают различной применимостью:
Диоксид плутония (PuO₂) является основой ядерного топлива, образуя твердые стехиометрические керамические материалы, устойчивые к высокотемпературному воздействию и окислению. В комбинации с оксидом урана (UO₂) образует смешанные оксиды MOX (Mixed Oxide Fuel), используемые в реакторах на быстрых и тепловых нейтронах.
Галогенидные соединения применяются в металлургических процессах, например, для выделения чистого плутония методом реакций с галогенами. Фториды PuF₃ и PuF₄ используются в пирохимических технологиях, где плутоний извлекается из отработанного ядерного топлива.
Комплексные соединения плутония, особенно с нитратами и карбоксилатами, важны для процессов переработки отработанного топлива и радиохимического синтеза. Например, Pu(IV) образует устойчивые нитратные комплексы, растворимые в органических растворителях, что позволяет осуществлять жидкостно-жидкостную экстракцию.
Плутоний проявляет высокую химическую активность в контакте с кислородом, водой и карбонатами, что ведет к образованию оксидных и гидроксидных пленок. Эти соединения практически нерастворимы в воде, что ограничивает его мобильность в окружающей среде, однако радиохимическая миграция возможна через образование растворимых комплексных ионов Pu(V) и Pu(VI).
В почвах и гидрологических системах плутоний связывается с коллоидами и органическими веществами, что усложняет прогнозирование его распространения. Важное значение имеют окислительно-восстановительные условия, pH и присутствие комплексообразующих анионов.
Плутоний остаётся уникальным элементом, сочетающим сложную радиохимию, множественность валентных состояний и высокую технологическую ценность. Его соединения требуют строгого контроля, безопасного хранения и точного понимания химических и радиохимических процессов для эффективного использования и минимизации экологических рисков.