Кіріспе

Беркелий – синтетикалық химиялық элемент, символы Bk, атомдық нөмірі 97. Ол актинидтер мен трансуран элементтері қатарына жатады. Беркелий Калифорния штатындағы Беркли қаласының және сол жерде орналасқан Лоуренс Беркли ұлттық зертханасының (бұрын Калифорния университетінің радиациялық зертханасы) атымен аталады, ол 1949 жылдың желтоқсанында ашылған. Беркелий – нептуний, плутоний, курий және америцийден кейін ашылған бесінші трансуран элементі. Беркелийдің басты изотопы – 249Bk, ол көбінесе Теннесси штатындағы Оук Ридж ұлттық зертханасында және Ресейдегі Димитровград қаласындағы атомдық реакторлар институтында, арнайы жоғары ағынды ядролық реакторларда аз мөлшерде синтезделеді. Ең ұзақ өмір сүретін және екінші маңызды изотоп – 247Bk, ол 244Cm-ді жоғары энергиялы альфа бөлшектерімен сәулелендіру арқылы синтезделеді. 1967 жылдан бері АҚШ-та бір грамнан астам беркелий өндірілген. Беркелийдің ғылыми зерттеулерден басқа ешқандай қолданылуы жоқ, ол негізінен ауыр трансуран және аса ауыр элементтерді синтездеуге бағытталған. 2009 жылы Оук Риджте 250 күн сәулелендіруден кейін 22 миллиграмм беркелий-249 дайындалып, одан әрі 90 күн тазартылды. Бұл үлгі 2009 жылы Ресейдегі Ядролық зерттеулер біріккен институтында 150 күн бойы кальций-48 иондарымен бомбалау арқылы алғаш рет теннесин жаңа элементін синтездеу үшін пайдаланылды. Бұл Ресей мен АҚШ арасындағы периодтық кестедегі ең ауыр элементтерді синтездеу жөніндегі ынтымақтастықтың нәтижесі болды. Беркелий – жұмсақ, күміс-ақ түсті, радиоактивті металл. Беркелий-249 изотопы төмен энергиялы электрондарды шығарады, сондықтан оны қолдану салыстырмалы түрде қауіпсіз. Ол 330 күннің жартылай ыдырау периодымен калифорний-249-ға ыдырайды, ол иондаушы альфа бөлшектерін күшті шығарады. Бұл біртіндеп өзгеру элементтік беркелийдің және оның химиялық қосылыстарының қасиеттерін зерттеу кезінде маңызды, себебі калифорнийдің пайда болуы химиялық ластануды ғана емес, сонымен қатар бос радикалдардың әсерін және шығарылған альфа бөлшектерінен өзін-өзі қыздыруды тудырады.

Физикалық

Беркелий – жұмсақ, күміс түсті ақ радиоактивті актинид металл. Периодтық кестеде ол актинид кюрийдің оң жағында, актинид калифорнийдің сол жағында және физикалық және химиялық қасиеттері жағынан көп ұқсастықтары бар лантаноид тербийдің астында орналасқан. Оның тығыздығы 14,78 г/см³ – курийдің (13,52 г/см³) және калифорнийдің (15,1 г/см³) арасында, ал балқу температурасы 986 °C – курийдің (1340 °C) балқу температурасынан төмен, бірақ калифорнийдің (900 °C) балқу температурасынан жоғары. 70 К және бөлме температурасы аралығында беркелий Кюри-Вейс парамагнетигі ретінде қасиет көрсетеді, оның тиімді магниттік моменті 9,69 Бор магнетон (μB) және Кюри температурасы 101 К-қа тең. Бұл магниттік момент қарапайым атомдық L S байланыс моделі бойынша есептелген 9,72 μB теориялық мәніне жақын. Шамамен 34 К-қа дейін салқындатқанда, беркелий антиферромагниттік күйге өтеді. Стандартты жағдайда тұз қышқылында ерітудің энтальпиясы −600 кДж/моль, одан сулы Bk³⁺ иондарының стандартты энтальпиясы (ΔfH°) −601 кДж/моль есебінде алынады. Стандартты электрод потенциалы Bk³⁺/Bk −2,01 В-қа тең. Бейтарап беркелий атомының иондану потенциалы 6,23 ЭВ құрайды.

Аллотроптар

Қоршаған орта жағдайында беркелий ең тұрақты α түрін қабылдайды, ол алтыбұрышты симметрияға ие, кеңістік тобы P63/mmc, тор параметрлері 341 пм және 1107 пм. Кристалл қос алтыбұрышты тығыз қаптама құрылымына ие, қабаттар тізбегі ABAC және сондықтан α лантанмен және курийден кейінгі актинидтердің α формаларымен изотиптік (ұқсас құрылымды). Жылытқанда α беркелий fcc тормен (бірақ β беркелийден сәл өзгеше), кеңістік тобы Fmm және 500 пм тор тұрақтысымен басқа фазаға өтеді; бұл fcc құрылымы ABC тізбегімен ең тығыз қаптамаға балама. Бұл фаза метастабильді және бөлме температурасында бастапқы α-беркелий фазасына біртінде қайта оралады.

Химиялық

Барлық актинидтер сияқты, беркелий әр түрлі сулы бейорганикалық қышқылдарда еріп, газ тәрізді сутегін бөліп шығарады және +3 тотығу күйіне өтеді. Бұл үш валентті тотығу күйі (+3) ең тұрақты, әсіресе сулы ерітінділерде, бірақ төрт валентті (+4) және, мүмкін, екі валентті (+2) беркелий қосылыстары да белгілі. Екі валентті беркелий тұздарының болуы нақты емес және тек лантан(III) хлориді және стронций хлоридінің қосылған балқымаларында ғана тіркелген. Беркелийдің лантаноид аналогы тербийдің де ұқсас қасиеттері байқалады. Олардың барлығы радиоактивті. Ең ұзақ жартылай ыдырау периоды 247Bk (1380 жыл), 248Bk (300 жылдан астам) және 249Bk (330 күн) үшін байқалады; басқа изотоптардың жартылай ыдырау периоды микросекундтардан бірнеше күнге дейін өзгереді. Синтездеуге ең оңай изотоп – 249 беркелий. Ол негізінен жұмсақ β бөлшектерін шығарады, оларды анықтау қиын. Оның альфа-сәулесі β-сәулесіне қарағанда өте әлсіз (1,45%), бірақ кейде осы изотопты анықтау үшін қолданылады. Екінші маңызды беркелий изотопы – 247, ол актинидтердің көпшілігі сияқты альфа-эмиттер болып табылады.

Пайда болуы

Барлық беркелий изотоптарының жартылай ыдырау мерзімі бастапқы болу үшін тым қысқа. Сондықтан, кез келген бастапқы беркелий – яғни, Жер пайда болған кезде болған беркелий – қазір толығымен ыдырап кеткен. Жерде беркелий көбінесе 1945-1980 жылдар аралығында атмосфералық ядролық қару сынақтары өткізілген белгілі бір аймақтарда, сондай-ақ Чернобыль апаты, Үш Майл аралы апаты және 1968 жылғы Тюль әуе базасындағы B-52 ұшағының апаты сияқты ядролық оқиғалар болған жерлерде шоғырланған. Америка Құрама Штаттарының алғашқы термоядролық қаруының сынақ алаңындағы қалдықтарды талдау (1952 жылдың 1 қарашасы, Эневетак атолы) әртүрлі актинидтердің, оның ішінде беркелийдің жоғары концентрациясын көрсетті. Әскери құпиялылық себептерімен бұл нәтиже 1956 жылға дейін жарияланбады. Ядролық реакторлар негізінен беркелий изотоптарының арасында 249 беркелийді өндіреді. Отын сақтау кезінде және оны кәдеге жіберу алдында оның көп бөлігі бета-ыдырау арқылы 249 калифорнийге айналады. Соңғысының жартылай ыдырау мерзімі 351 жылды құрайды, бұл реакторда өндірілетін басқа изотоптардың жартылай ыдырау мерзімімен салыстырғанда салыстырмалы түрде ұзақ, сондықтан ол кәдеге жіберу өнімдерінде тиімсіз. Америцийден фермийге дейінгі трансуран элементтері, оның ішінде беркелий, Оклодағы табиғи ядролық бөліну реакторында табиғи түрде кездесетін, бірақ қазір ондай емес. Беркелий – Прибыльский жұлдызында теориялық түрде анықталған элементтердің бірі.

Тарих

Беркелийдің өте аз мөлшері бұрынғы ядролық тәжірибелерде мүмкін өндірілген болса да, оны алғаш рет 1949 жылдың желтоқсанында Гленн Т. Сеаборг, Альберт Гиорсо, Стэнли Джеральд Томпсон және Кеннет Стрит-младший синтездеп, оқшаулап, анықтады. Олар Калифорния университеті Берклидегі 60 дюймдік циклотронды қолданды. 1944 жылы америций (95 элемент) және курий (96 элемент) дерлік бір уақытта табылған сияқты, жаңа элементтер беркелий және калифорний (98 элемент) екеуі де 1949–1950 жылдары өндірілді. 97-ші элементтің атауын таңдау, калифорниялық топтың бұрынғы дәстүріне сәйкес, жаңадан табылған актинид пен периодтық кестеде одан жоғары орналасқан лантаноид элементі арасындағы аналогияны көрсету болды. Бұрын америций өзінің аналогы еуропий сияқты континенттің атымен, ал курий ғалымдар Мари және Пьер Кюридің құрметіне аталды, өйткені одан жоғары орналасқан лантаноид гадолиний сирек кездесетін жер элементтерін зерттеуші Йохан Гадолиннің есімімен аталады. Берклидегі топтың есебінде былай делінген: «97-ші элементке беркелий (символы Bk) атауын беру ұсынылады, бұл атау химиялық гомологы тербийге (атомдық нөмірі 65) ат қою тәсіліне ұқсас, оның аты Швециядағы Иттерби қаласынан шыққан, онда сирек кездесетін жер минералдары алғаш рет табылған». Беркелий синтезіндегі ең қиын қадамдар оны соңғы өнімдерден бөлу және мақсатты материал үшін жеткілікті мөлшерде америций өндіру болды. Алдымен америций (241Am) нитратының ерітіндісі платина фольгасына жабылды, ерітінді буландырылды және қалдық америций диоксидіне (AmO2) айналдырылды. Бұл нысанаға Калифорния университеті Берклидегі Лоренс радиациялық зертханасындағы 60 дюймдік циклотронда 6 сағат бойы 35 МэВ альфа бөлшектерімен сәулелендірілді. Сәулелендіру нәтижесінде пайда болған (α,2n) реакция 243Bk изотопын және екі бос нейтронды берді: ^{238} {92}U >[\ce{(n,\gamma)}] ^{239} {92}U >[\beta^ ][23.5 \ \ce{min}] ^{239} {93}Np >[\beta^ ][2.3565 \ \ce{d}] ^{239} {94}Pu (уақыттар – жартылай ыдырау мерзімі). Плутоний 239 жоғары нейтрондық ағыны бар көзбен сәулелендіріледі, бұл ағын кәдімгі ядролық реактордан бірнеше есе жоғары, мысалы, Теннесси штатындағы Оук Ридж ұлттық зертханасындағы 85 МВт-тық Жоғары Флюкс Изотоп Реакторы (HFIR) сияқты. Жоғары ағын бір емес, бірнеше нейтронды қатыстыратын бірігу реакцияларын күшейтеді, 239Pu-ны 244Cm-ге, содан кейін 249Cm-ге айналдырады: Курий 249-дың жартылай ыдырау мерзімі 64 минут, сондықтан оның 250Cm-ге одан әрі айналуының ықтималдығы төмен. Оның орнына ол бета ыдырау арқылы 249Bk-ға айналады: ^{249} {97}Bk >[\ce{(n,\gamma)}] ^{250} {97}Bk >[\beta^ ][3.212 \ \ce{h}] ^{250} {98}Cf. 247Bk беркелийдің ең тұрақты изотопы болғанымен, оны ядролық реакторларда өндіру өте қиын, өйткені оның ықтимал алдағы изотопы 247Cm бета ыдырауынан ешқашан өткен емес. Осылайша, 249Bk беркелийдің ең қолжетімді изотопы болып табылады, ол әлі де тек аз мөлшерде ғана қол жетімді (1967–1983 жылдар аралығында АҚШ-та барлығы 0,66 грамм өндірілді) және микрограмма үшін шамамен 185 АҚШ доллары тұрады. Бұл беркелийдің ірі көлемде қол жетімді жалғыз изотопы, сондықтан оның қасиеттерін кеңінен зерттеуге болатын жалғыз беркелий изотопы. 248Bk изотопы алғаш рет 1956 жылы 25 МэВ α бөлшектерімен курий изотоптарының қоспасын бомбалау арқылы алынды. Оның тікелей анықталуына 245Bk сигналының күшті кедергісі кедергі келтірсе де, жаңа изотоптың бар екендігі бұрын сипатталған 248Cf ыдырауының өсуімен дәлелденді. 248Bk-ның жартылай ыдырау мерзімі 23 сағат деп бағаланды, бірақ кейінірек 1965 жылы жасалған жұмыстар 300 жылдан асатын жартылай ыдырау мерзімін көрсетті (бұл изомерлік күйге байланысты болуы мүмкін). Беркелий 247 сол жылы 244Cm-ды альфа бөлшектерімен сәулелендіру арқылы өндірілді: Беркелий 242 1979 жылы 235U-ды 11B, 238U-ды 10B, 232Th-ды 14N немесе 232Th-ды 15N-мен бомбалау арқылы синтезделді. Ол электронды тұтқындау арқылы 7,0 минуттық жартылай ыдырау мерзімімен 242Cm-ға айналады. Бастапқыда күдік болған 241Bk изотопын іздеу сәтті болмады; 241Bk кейін синтезделді.

Бөлу

Беркелийдің қатты күйде +4 тотығу күйін оңай қабылдауы және сұйықтарда осы күйде салыстырмалы түрде тұрақты болуы, беркелийді көптеген басқа актинидтерден бөлуге көмектеседі. Бұл актинидтер ядролық синтез кезінде салыстырмалы түрде көп мөлшерде түзіледі және көбінесе +3 тотығу күйін қалайды. Бұл факт алғашқы тәжірибелерде белгілі болмаған, онда күрделірек бөлу процедурасы қолданылған. +4 тотығу күйіне ауыстыру үшін ерітінділерге түрлі органикалық емес тотықтырғыштар қолданылуы мүмкін, мысалы, броматтар (BrO3⁻), бисмутаттар (BiO3⁻), хроматтар (CrO4²⁻ және Cr2O7²⁻), күміс(I) тиолаты (Ag2S2O8), қорғасын(IV) оксиді (PbO2), озон (O3) немесе фотохимиялық тотығу процедуралары. Соңғы кезде, 3,4,3 LI(1,2 HOPO) деп аталатын хелатор сияқты кейбір органикалық және биологиялық шабыттанған молекулалар да Bk(III) тотықтырып, Bk(IV) тұрақтылығын қалыпты жағдайларда қамтамасыз ете алатыны анықталды. Содан кейін ион алмасу, экстракциялық хроматография немесе HDEHP (бис(2-этилгексил)фосфор қышқылы), аминдер, трибутилфосфат немесе басқа да реагенттерді қолдана отырып, сұйық-сұйық экстракция жасалады. Бұл процедуралар беркелийді көптеген үшвалентті актинидтер мен лантанидтерден бөліп алады, тек лантанид церийден басқа (лантанидтер сәулелену нысанында болмайды, бірақ әртүрлі ядролық бөліну тізбектерінде пайда болады). Oak Ridge Ұлттық зертханасында қабылданған егжей-тегжейлі процедура мынадай: актинидтердің бастапқы қоспасы литий хлориді реагентін қолдана отырып ион алмасу арқылы өңделеді, содан кейін гидроксидтер түрінде тұнбаға түсіріледі, сүзіледі және азот қышқылында ерітіледі. Одан кейін катион алмасу смолаларынан жоғары қысыммен элюция жасалады, беркелий фазасы тотықтырылады және жоғарыда сипатталған процедуралардың бірін қолдана отырып алынады. Осылайша алынған затты +3 тотығу күйіне дейін тотығудан төмендету нәтижесінде басқа актинидтерден дерлік таза (бірақ церийі бар) ерітінді алынады. Беркелий мен церийді тағы бір ион алмасу кезеңімен бөліп алады.

Қолданбалар

Қазіргі уақытта беркелийдің ешқандай изотобы негізгі ғылыми зерттеулерден басқа еш жерде қолданылмайды, мысалы, лоренций, рутерфордий және борий сияқты. 2009 жылы Оук Ридж қаласында 250 күн бойы сәулелендіріліп, содан кейін 90 күн тазартылған 22 миллиграмм беркелий-249 партиясы дайындалды. Бұл нысана U400 циклотронында кальций иондарымен 150 күн бойы бомбалау нәтижесінде Ресейдің Дубна қаласындағы Ядролық зерттеулер жөніндегі бірлескен институтында (JINR) теннессиннің алғашқы 6 атомын берді. Бұл синтез 1989 жылы басталған 113-тен 118-ге дейінгі элементтерді синтездеу жөніндегі JINR және Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасы арасындағы Ресей-АҚШ ынтымақтастығының нәтижесі болды.

Ядролық отын циклі

Беркелийдің ядролық бөліну қасиеттері көршілес актинидтер – курий және калифорнийден өзгеше, және олар беркелийдің ядролық реакторда отын ретінде тиімсіз жұмыс істейтінін көрсетеді. Атап айтқанда, 249-беркелийдің термиялық нейтрондар үшін 710 барн, резонанстық интегралы 1200 барн болатын орташа үлкен нейтронды ұстау қимасы бар, бірақ термиялық нейтрондар үшін өте төмен бөліну қимасы бар. Термиялық реакторда оның көп бөлігі тез арада 250-калифорнийге ыдырайтын 250-беркелийге айналады. Принцип бойынша, 249-беркелий жылдам көбейту реакторында тізбекті реакцияны сақтауға қабілетті. Оның сыни массасы 192 кг салыстырмалы түрде жоғары; оны су немесе болат рефлектормен азайтуға болады, бірақ бұл изотоптың әлемдік өндірісінен асып түседі. 247-беркелий термиялық және жылдам нейтронды реакторларда тізбекті реакцияны сақтай алады, алайда оның өндірісі өте күрделі, сондықтан оның қолжетімділігі оның сыни массасынан (жалаңаш сфера үшін шамамен 75,7 кг, су рефлекторымен 41,2 кг және 30 см қалыңдығындағы болат рефлекторымен 35,2 кг) әлдеқайда төмен. Беркелийдің уыттылығы туралы көптеген мәліметтер жануарларға жасалған зерттеулерден алынған. Егер тышқандар оны жұтса, қан ағынына бар-жоғы 0,01% беркелий ғана түседі. Одан кейін шамамен 65% сүйектерге, онда 50 жылға жуық уақытқа, 25% өкпеге (биологиялық жартылай өмір шамамен 20 жыл), 0,035% ұрыққа немесе 0,01% жұмыртқалық бездерге түседі, онда беркелий шексіз уақытқа дейін қалады. Қалған 10% организмнен шығарылады. Осы органдардың барлығында беркелий қатерлі ісіктің пайда болуына ықпал етуі мүмкін, ал сүйектерде оның радиациясы қызыл қан жасушаларына зиян келтіруі мүмкін. Адам сүйегіндегі 249-беркелийдің рұқсат етілген ең жоғары мөлшері 0,4 нанограммды құрайды.