Строение атома полония. Зачем был нужен полоний? Где можно получить радиоактивный яд полоний

Ночью с 22 на 23 ноября 2006 года в лондонской больнице Юниверсити Колледж скончался бывший сотрудник органов госбезопасности Александр Литвиненко. На следующий день Британское агентство здравоохранения сообщило, что причиной смерти стало радиоактивное заражение полонием. Дело Литвиненко до сих пор не закрыто, от комментариев Скотланд-Ярд отказывается. Кто отравил Литвиненко полонием, до сих пор неясно. У следователей Великобритании, России и Германии есть свои версии на этот счет.

Чай с полонием

Отравление Литвиненко до сих пор вызывает массу вопросов. То, что Литвиненко отравили полонием, сомнений не вызывает - следы этого радиоактивного элемента были найдены везде, где он бывал до госпитализации. Открытым остается вопрос, кто является виновным. Существует три версии события преступления:

1. Британская. Подозреваемыми являются Дмитрий Ковтун и Андрей Луговой, действовавших по заданию ФСБ (предположительно; комментариев спецслужбы не дают).
2. Российская. Разрабатывалась версия причастности к убийству Леонида Невзлина.
3. Версия Лугового. По его мнению, смерть Литвиненко связана с деятельностью британских спецслужб или, возможно, русской мафии.

Вряд ли убитый представлял интерес для разведки как бывший сотрудник госбезопасности. Его профилем была организованная преступность, а не разведка - собственно, он и за рубежом работал по профилю.

Тайной осталось и происхождение полония, хотя по его вторичным компонентам можно было установить место и способ его производства.

Вскоре после открытия радиоактивности Поль Кюри и Мария Склодовская-Кюри изучая урановую смоляную руду установили, что она обладает значительно большей радиоактивностью, чем чистый уран. Было сделано предположение, что руда содержит другие химические элементы, более радиоактивные чем уран. Переработка многих тонн урановой руды позволило в 1898 году выделить из нее еще два новых химических элемента: радий и элемент № 84, который в честь Польши был назван Полонием.

Получение:

В природе изотопы полония входят в естественный радиоактивный ряд 238 U и всегда присутствуют в урановых рудах, но, вследствии короткого периода полураспада не накапливаются в ней в значительных количествах. Содержание в урановой руде наиболее устойчивого изотопа 210 Po (период полураспада 138,3 суток) 2*10 -10 . Для выделения полония из руды сначала извлекают радий, затем остатки растворяют в соляной кислоте и осаждают полоний вместе с висмутом сероводородом. От висмута полоний отделяют дробной кристаллизацией соединений, обладаюших разной растворимостью, хроматографией, электрохимическими методами. В настоящее время 210 Po получают главным образом в ядерных реакторах, облучая висмут нейтронами:
209 Bi (n, g ) 210 Bi; 210 Bi (-, b ) 210 Po
Наиболее долгоживущий изотоп полония (период полураспада 103 года) получают бомбардировкой висмута протонами:
209 Bi (p, n) 209 Po.

Физические свойства:

Серебристо-белый металл, напоминающий висмут и свинец. Вследствие высокой радиоактивности в темноте можно заметить светло-голубое свечение, а также наблюдается саморазогревание. Полоний выделяет так много тепловой энергии, что это тепло способно расплавить образец. Температура плавления Po равна 254°С; температура кипения 962°С, плотность 9,4 г/см 3 .
Полоний претерпевает a -распад, превращаясь в устойчивый изотоп свинца: 210 Po (-, a ) 206 Pb

Химические свойства:

По своим свойствам полоний типичный металл, окисляется на воздухе, взаимодействует с галогенами, с водородом образует летучий гидрид. Положение полоние в электрохимическом ряду напряжений противоречиво: по одним данным он реагирует с кислотами с выделением водорода, по другим - расположен между Cu и Ag, по третьим - вытесняется серебром из растворов..
Азотной кислотой полоний окисляется образуя нитрат Po(IV):
Po + 8HNO 3 = Po(NO 3) 4 + 4NO 2 + 4H 2 O
В соединениях проявляет степени окисления -2, +2 и +4 (+6 не характерна).

Важнейшие соединения:

Степень окисления -2 . Гидрид полония PoH 2 по свойства аналогичен теллуроводороду, но еще менее устойчив. Следы PoH 2 образуются при растворении полония в соляной кислоте в присутствии магния. Полониды - соединения полония с более активными металлами, например Na 2 Po
Степень окисления +2 . Галогениды полония (PoCl 2 - красный, PoBr 2) по свойствам аналогичны солям. Известны также черный сульфид PoS и красный сульфит PoSO 3 .
Степень окисления +4 , наиболее характерная.
Оксид полония(IV) , PoO 2 (красный) - амфотерный оксид с преобладанием основных свойств, со щелочами взаимодействует лишь при сплавлении, образуя полониты M 2 PoO 3 . С кислотами реагирует как основной оксид:
PoO 2 + 2H 2 SO 4 = Po(SO 4) 2 + 2H 2 O
Соли полония(IV) Po(SO 4) 2 *nH 2 O, Po(NO 3) 4 , бесцв. кристаллы, в растворе сильно гидролизуются, образуя коллоидные растворы PoO(OH) 2 (светло-желтый). Этот гидроксид тоже амфотерен, его можно считать полонистой кислотой .
Галогениды полония(IV) PoCl 4 (желтый), PoBr 4 (красный), PoI 4 черный), не растворимы в воде, взаимодействуют с галогенидами щелочных металлов, образуя соединения типа K 2

Применение:

Основная область применения полония-210 изготовление атомных батареек, применяемых на космических аппаратах. По сравнению с другими источниками полоний-210 обладает самой высокой удельной мощностью, 1210 вт/см3. Радиоактивный изотоп полоний-210 служил, например, топливом "печки", установленной на "Луноходе-2", поддерживая приемлемую температуру приборного отсека этого аппарата.
Используется он также как источник a -частиц, а в смеси с бериллием или бором - как ампульный источник нейтронов. a -частицы, испускаемые полонием, порождают поток нейтронов из ядер атома бора или бериллия.
Высокая токсичность полония объясняется, главным образом его радиоактивностью. Испускаемое им a -излучение, с одной стороны, наиболее легко поглощается даже листом бумаги. Проникающая способность и длина пробега альфа-частицы минимальны. С другой стороны, это излучение оказывает наиболее разрушительное воздействие при попадании источника внутрь организма. Поскольку полоний способен быстро переходить в аэрозольное состояние и заражать воздух, он опасен и на расстоянии, превышающим длину пробега альфа-частиц. См. также:
Трифонов Д.Н. М. Склодовская-Кюри: познание радиоактивности./ Химия в школе, 1997, №7.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Полоний расположен в шестом периоде VI группе главной (А) подгруппе Периодической таблицы.

Относится к элементам p -семейства. Металл. Обозначение - Po. Порядковый номер - 84. Относительная атомная масса - а.е.м.

Электронное строение атома полония

Атом полония состоит из положительно заряженного ядра (+84), внутри которого есть 84 протона и 126 нейтронов, а вокруг, по шести орбитам движутся 84 электрона.

Рис.1. Схематическое строение атома полония.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

84Po) 2) 8) 18) 32) 18) 6 ;

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4f 14 5s 2 5p 6 5d 10 6s 2 6p 4 .

На внешнем электронном уровне атома висмута находится 6 электронов, которые являются валентными (расположены на 6s- и 6р- подуровнях).

Валентные электроны атома полония можно охарактеризовать набором из четырех квантовых чисел: n (главное квантовое), l (орбитальное), m l (магнитное) и s (спиновое):

Для полония характерно наличие возбужденного состояния за счет вакантных орбиталей 6d -подуровня:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Полоний - это элемент, все изотопы которого (разновидности атомов) являются радиоактивными. Также он является халькогеном, то есть встречается в природе - входит в состав земной коры. А еще он невероятно опасен. Особенно его изотоп - полоний-210. Впрочем, обо всем по порядку.

Период полураспада

Как уже было сказано, полоний-210 является очень опасным веществом. Он высокотоксичен, а его период полураспада составляет 138 дней и 9 часов. Под данной величиной подразумевается время, в течение которого вещество распадается примерно в соотношение ½. Применим данный термин, кстати, не ко всем системам. А исключительно к экспоненциально распадающимся.

Важно отметить, что за два таких периода не распадаются все частицы. Ведь каждый этап полураспада уменьшает количество сохранившихся частиц в 2 раза. И еще стоит знать, что активность вещества является пропорциональной количеству его атомов.

Токсичность

У рассматриваемого элемента очень большая удельная активность - целых 166 ТБк/г. Под данным термином подразумевается количество осуществляемых в единицу времени радиоактивных распадов - спонтанного изменения состава или внутреннего строения атомных ядер.

Данное вещество излучает только альфа-частицы - положительно заряженные, образованные 2 протонами и 2 нейтронами. Но даже несмотря на это, его запрещено брать руками. Коснувшись этого мягкого серебристо-белого металла, человек гарантированно заработает лучевое поражение кожи как минимум. И высока вероятность того, что оно распространится по всему организму. Потому что изотоп легко проникает внутрь через кожные покровы.

Опасен он и на расстоянии, которое превышает длину преодоления альфа-частиц. Все потому, что они начинают самостоятельно нагреваться, вследствие чего переходят в аэрозольное состояние.

Это что касательно токсичности и распада полония-210. Но еще есть изотопы 208 и 209 - более долгоживущие. У 208-го период полураспада составляет 2,898 года. А у 209-го - и вовсе 103 года. Они менее токсичны. А об остальных изотопах и их радиотоксичности практически нет сведений, поскольку они являются короткоживущими.

Существует понятие предельно допустимой концентрации - это законодательно утвержденный санитарно-гигиенический норматив. Он допускает содержание в окружающей среде тех или иных элементов в строго определенном, безопасном для флоры, фауны и человека количестве.

И даже такое токсичное вещество, как полоний-210, фото которого представлено ниже, имеет ПДК. Допустимо его содержание в водоемах в количестве 11,1.10 −3 Бк/л. В воздухе рабочих помещений он может находиться в концентрации 7,41.10 −3 Бк/м³. Именно поэтому с данным изотопом работают исключительно в герметичных боксах.

Наряду с допустимыми пределами существует и летальная доза. Для взрослого человека достаточно всего 0,1—0,3 ГБк. Это от 0,6 до 2 мкг. То есть 0,000002 грамма изотопа, попавшего в организм через легкие, способно убить. Летальный исход в пероральном случае возникает при большем количестве вещества - от 6 до 18 мгк (0,000006 - 0,000018 грамм).

Естественно, у радиоактивного изотопа полония-210 нет антидота. Хотя эксперименты проводятся. Есть сведения, что 2.3-димеркаптопропанол, являющийся дезинтоксикационным лекарственным средством с сульфгидридными составляющими, успешно проявил себя в качестве антидота во время опытов с крысами.

Животным внутривенно вводилась смертельная доза изотопа. И у одной части подопытной группы его выводили при помощи указанного средства, а других оставляли умирать. 90 % крыс, которым был введен 2.3-димеркаптопропанол, выжили. Все другие, включая отравленных и не вылеченных, погибли в следующие 1,5 месяца.

Свойства и характеристики

О них тоже необходимо рассказать. Если рассматривать данное радиоактивное вещество как элемент, то можно выделить следующие его свойства и особенности:

• Масса ядра полония-210 составляет около 208,9824 атомной единицы (г/моль).
• Формула расположений электронов по оболочкам атома (конфигурация) выглядит так: [Хе] 4f 14 5d 10 6s 2 6р 4 .
• Радиус атома, обозначающий расстояние между ядром и самой дальней электронной орбитой, равен 176 пикометрам. 1 пк = 1 триллионная часть метра.
• Ковалентный радиус, обозначающий половину расстояния между ядрами атома с ковалентной связью, равен 146 пк.
• Радиус иона (размер) составляет (+6e) 67 пм.
• Электроотрицательность по шкале Полинга равна 2,3. Данный термин подразумевает способность одних атомов оттягивать к себе электроны иных. Самый высокий показатель, кстати, у фтора - 9,915.
• Электродный потенциал (электродвижущая сила) выглядит следующим образом: Ро ← Ро 3 + 0,56 В и Ро ← Ро2+ 0,65 В.
• Степени окисления следующие: -2, +2, +4 и +6.
• Энергия ионизации (наименьшая необходимая для удаления от свободного атома электрона) составляет 813,1 (8,43) кДж/моль или эВ.
• Плотность вещества при нормальных условиях равна приблизительно 9,5 г/см 3 .
• Температура плавления этого мягкого металла равна всего лишь 254 °C.
• Кипит полоний при 962°C.
• Удельная теплота плавления и испарения составляет 10 и 102,9 кДж/моль соответственно.
• Молярная теплоемкость равна 26,4 Дж/(K*моль).
• Молярный объем составляет 22,7 см³/моль.

И еще пару слов стоит сказать о кристаллической решетке данного мягкого металла. Это геометрический образ, который введен для анализа строения кристаллов вещества. У полония структура кубическая, и параметры равны 3,35 ангстрема.

Источники полония

Мало кто знает, но данный изотоп был обнаружен в табаке, используемом при производстве сигарет. И соответственно, в табачном дыме. Производители, конечно же, предпочитают об этом умалчивать. Но данная информация все равно была выяснена и разглашена.

Впервые статью опубликовали в американском издании под названием American Journal of Public Health. Она была написана группой исследователей, в которую вошли специалисты клиники Майо (Рочестер) и ученые Стэнфордского университета.

В статье говорится, что производители сигар более сорока лет тому назад обнаружили, что радиоактивный полоний-210 входит в состав табака. Они всеми доступными методами пытались его изъять из продукции, но безуспешно.

Во избежание большей информированности потенциальных покупателей о данном факте, компании не стали сообщать о результатах своих внутренних исследований. Об этом свидетельствуют внутренние документы концернов табачной промышленности.

Швейцарская газета Le Temps, в свою очередь, пишет о том, что желание скрыть данную информацию было столь сильным, что производители замалчивали ее даже тогда, когда выяснилось - концентрация полония-210 в два-три раза меньше оценок, сделанных изначально.

Ученые считают, что на сигаретных пачках, в связи с этим, необходимо изображать знак, который предупреждал бы о радиоактивной опасности.

Получение металла

Выше было многое рассказано про молярную массу полония-210, его физико-химические свойства и прочие особенности. Не будет лишним поведать и о том, как происходит получение данного металла.

В природе его изотопы входят в радиоактивный естественный ряд 238 U, а еще присутствуют в урановых рудах. Но в связи с коротким периодом альфа-распада, полоний-210 не накапливается в значительных количествах. Концентрация находится в пределах допустимой нормы.

Чтобы получить данное вещество из руды, необходимо извлечь из нее радий - серебристо-белый блестящий щелочноземельный металл, который отличается высокой химической активностью. Его остатки растворяют посредством соляной кислоты, после чего при помощи сероводорода осаждают полоний. Вместе с ним выделяется и висмут - блестящий металл с розовым оттенком.

Следующий этап - отделение полония. В данном процессе используют метод дробной кристаллизации соединений, которые имеют разную растворимость и отличающиеся свойства.

На сегодняшний день получить полоний-210 можно в ядерных реакторах, где висмут облучают нейронами. А самый долгоживущий изотоп извлекают посредством бомбардировки розового металла протонами.

Говоря простыми словами, получить радиоактивный полоний не так уж и просто. Согласно словам экспертов, в мире существует всего 40-50 реакторов, которые могут произвести это вещество. Некоторые из них являются ядерными объектами, находящимися на территории бывшего СССР, а также Германии и Австралии.

Использование

Выше было достаточно рассказано о различных свойствах данного полуметалла, а также о том, каков состав ядра полония-210. 84 - это номер, под которым элемент располагается, но в таблицу Менделеева он был вписан первым благодаря уникальности, проявляемой по многим показателям.

Где он применяется? Полоний был первым радиоактивным металлом, использованным в космических исследованиях. Примерно 40 лет тому назад он был применим в термоэлектрических элементах спутников. Однако период полураспада полония-210 составляет лишь 138 дней, этого недостаточно. Поэтому его заменили плутонием-238.

Также металл использовался в источниках нейтронов. Однако и там его заменили тритием - сверхтяжелым радиоактивным изотопом водорода.

Кроме этого, полоний использовался в качестве антистатика в печатающих устройствах. Его добавляли, чтобы снизить статическую электризацию, свойственную полимерным материалам. Но сейчас в этом уже нет необходимости.

Вообще, производство этого материала уже давно было прекращено во многих странах. В Британии его закончили в 1960-х годах. В США - в 1970-х. В Канаде производство закончили еще до начала 1980-х, и только в Китае оно длилось до 1990-х. Последний изготовленный полоний был сделан в Сарове - закрытом научном российском городе Нижегородской области.

Отравление. Симптомы

Даже выиграть в лотерею миллиард долларов проще, чем где-то встретить полоний. Ведь его производство засекречено правительством, и каждый микрограмм добываемого вещества строго контролируется. Однако если это каким-то образом произошло, то действовать нужно незамедлительно.

Отравление полонием-210 не имеет явных признаков. Но с первого же контакта вещество провоцирует развитие лучевой болезни, которая сопровождается симптомами радиоактивного поражения. Проявляются те же признаки, которые наблюдаются при отравлении иными высокотоксичными металлами. А именно:

• Диарея, тошнота, рвота.
• Гипертония и тахикардия.
• Упадок и усталость.
• Бред, галлюцинации и нарушения сознания.

Это общие признаки. Спустя какое-то время начинается:

• Выпадение волос.
• Резкое старение организма.
• Отказ органов (начинается с печени и почек).
• Полное поражение иммунитета и отвечающей за него лейкоцитарной формулы.
• Нехватка костного мозга и лимфы.

Полоний-210, попав в организм, посредством крови равномерно «расходится» по всему организму. Однородная концентрация наблюдается уже спустя пару часов после случившегося. Сразу же нарушаются обменные процессы, могут появляться судороги и психоз, проблемы с двигательной моторикой. Сердечные приступы, кровавый стул, перепады давления, частичная или полная слепота - все это является последствиями отравления.

Как действовать?

То, удастся ли спасти человека от губительного контакта с этим веществом, зависит не от периода полураспада полония-210, и даже не от того, какое количество металла или испарений оказало воздействие. А от лечения и своевременной помощи. Вот как нужно действовать:

• При прикосновении к металлу сразу же промыть этот участок тела, применив большое количество стирального порошка или хозяйственного мыла.
• При попадании изотопа в пищевод надо немедля вызвать рвоту. Поскольку счет идет на секунды, для этого применяются подкожные инъекции апоморфина. И прием слабительного - введение клизмой сульфата натрия и магния.

Естественно, перед этим необходимо вызвать скорую. В таких случаях квалифицированная медицинская помощь первостепенна.

В течении полугода-года изотоп может быть выведен из организма почками. Но за это время он накопится и причинит вред (облысение, например).

Если вещество успело впитаться в ткань органов, медики используют химические соединения из оксатиола и унитиола. Эти препараты могут «извлечь» полоний-210 и вывести наружу. В течение как минимум недели пострадавшему придется лежать под капельницей.

Случаи отравления

Истории известно лишь два таковых. Один произошел в 2006 году - полонием-210 отравили 43-летнего Александра Вальтеровича Литвиненко, подполковника советской и российской госбезопасности, пребывавшего на тот момент в Лондоне.

В ночь на 23 ноября его состояние резко ухудшилось, и меньше чем через сутки он скончался. Тело Александра не вскрывали долгое время, поскольку было опасение облучения медиков радиацией. Были проведены подробнейшие расследования. В их рамках удалось обнаружить следы радиации в тех местах, где был Александр перед тем, как ему стало плохо.

Второй случай не столь однозначный. Полоний-210 был обнаружен в личных вещах председателя Палестинской национальной администрации по имени Ясир Арафат, который умер в 2004 году.

Была даже проведена эксгумация его тела, и швейцарская сторона международной комиссии в результате исследований подтвердила - это отравление изотопом. Но потом все-таки они изменили решение. В итоге российская, французская и швейцарская стороны пришли к тому, что доказательств, подтверждающих факт отравления полония, нет, и дело было закрыто.