اكتشاف عنصر الثوريوم

في الكيمياء يعد عنصر الثوريوم واحد من العناصر الكيميائية المتواجدة في الجدول الدوري ويمتلك الرمز Th ورقم ذري مقداره 90، كما ويصنف الثوريوم على أنه أحد عناصر الأكتينيدات، وهو يكون على شكل مادة صلبة في درجة حرارة الغرفة.

اكتشاف عنصر الثوريوم

اسم عنصر الثوريوم مشتق من ثور وهو إله الرعد الإسكندنافي، لقد تم اكتشاف هذا العنصر في معدن الثوريت ذو الصيغة الكيميائية التالية: (ThSiO4)، وقد تم هذا الاكتشاف بواسطة الكيميائي السويدي يونس جاكوب برزيليوس في العام 1828 ميلادي، ولقد تم عزل عنصر الثوريوم لأول مرة من قبل الكيميائيين ليلي جونيور وإل هامبرغر في عام 1914 ميلادي.

لقد اكتشف الكيميائي السويدي يونس جاكوب برزيليوس عنصر الثوريوم في عام 1828ميلادي، وقد اكتشفه في عينة من معدن أعطاها له القس هاس مورتن ثرين إيسمارك الذي اشتبه في احتوائه على مادة ما، كما ويُعرف معدن إيسمارك الآن باسم الثوريت (ThSiO4).

يشكل عنصر الثوريوم حوالي نسبة 0.0007٪ من القشرة الأرضية، كما ويتم الحصول عليه بشكل أساسي ورئيسي من معدن الثوريت ومعدن الثوريانيت ذو الصيغة الكيميائية التالية: (ThO2) ومعدن المونازيت ((Ce، La، Th، Nd، Y) PO4).

وجد مورتن إيسمارك معدنًا أسود في جزيرة لوفويا بالنرويج وأعطى عينة إلى والده جينس اسمارك، وهو عالم المعادن الشهير، ولم يتمكن اسمارك الأكبر من التعرف عليه، وقام بإرسال عينة إلى الكيميائي السويدي يونس جاكوب برزيليوس لفحصها في عام 1828 ميلادي.

وفي العام 1829 ميلادي قرر برزيليوس أنها تحتوي على عنصر جديد وأطلق عليه اسم الثوريوم، لم يكن لهذا المعدن أي استخدامات عملية حتى عام 1885 ميلادي، وذلك عندما اخترع كارل أوير فون ويلسباخ عباءة الغاز، ولوحظ أن معدن الثوريوم مشع لأول مرة في عام 1898 ميلادي.

بشكل مستقل من قبل الفيزيائية البولندية الفرنسية ماري كوري والكيميائي الألماني جيرهارد كارل شميت بين عامي 1900 ميلادي و 1903 ميلادي، أظهر إرنست رذرفورد وفريدريك سودي كيف يتحلل عنصر الثوريوم بمعدل ثابت بمرور الوقت إلى سلسلة من العناصر الأخرى.

أدت الملاحظة السابقة إلى القدرة على تحديد نصف العمر، وذلك كأحد نتائج تجارب جسيمات ألفا التي أدت إلى نظرية تفكك النشاط الإشعاعي، ولقد تم اكتشاف عملية القضيب البلوري (أو “عملية اليوديد”) بواسطة أنطون إدوارد فان أركيل وجان هندريك دي بوير في عام 1925 ميلادي، وذلك لإنتاج الثوريوم المعدني عالي النقاء.

بسبب المخاوف الصحية، لقد تم استبدال الثوريوم الموجود في عباءات الفانوس الكلاسيكية بعناصر أرضية نادرة تنتج أيضًا ضوءًا شديدًا بدون نشاط إشعاعي، عندما يكون الثوريوم نقيًا، يكون عبارة عن معدن أبيض فضي مستقر في الهواء ويحتفظ ببريقه لعدة أشهر.

عندما يتلوث المعدن بالأكسيد يتلاشى عنصر الثوريوم ببطء في الهواء ثم يتحول إلى اللون الرمادي ثم الأسود في النهاية، كما تتأثر الخصائص الفيزيائية لمعدن الثوريوم بدرجة كبيرة بدرجة التلوث بالأكسيد، وغالبًا ما تحتوي أنقى العينات على عدة أعشار من نسبة الأكسيد.

لقد تم تصنيع الثوريوم عالي النقاء، وهو الثوريوم النقي الطري، يكون مطيل للغاية ومن الممكن درفله على البارد وتقطيعه وسحبه، كما أن الثوريوم يعتبر ثنائي الشكل، حيث يتغير الشكل عند درجة حرارة مقدارها 1400 درجة مئوية من مكعب إلى هيكل مكعب محوره الجسم، ويحتوي أكسيد الثوريوم على درجة انصهار تبلغ درجة الحرارة عندها 3300 درجة مئوية وهي أعلى نقطة بين جميع الأكاسيد، فقط عدد قليل من العناصر مثل عنصر التنجستن وقليل من المركبات مثل مركب كربيد التانتالوم لها نقاط انصهار أعلى.

كما يهاجم الماء معدن الثوريوم ببطء لكنه لا يذوب بسهولة في الأحماض الأكثر شيوعًا باستثناء حمض الهيدروكلوريك، وغالبًا ما يكون معدن الثوريوم المسحوق سريع الاشتعال وبالتالي يجب التعامل معه بحذر، وعند تسخينه في الهواء تشتعل خراطة الثوريوم وتحترق ببراعة بضوء أبيض.

يستخدم معدن الثوريوم كعامل خلائط من أجل تحسين قوة معدن المغنيسيوم في درجات الحرارة العالية، كما ويستخدم الثوريوم أيضًا في عمليات طلاء خيوط التنجستن التي يتم استخدامها في الأجهزة الإلكترونية مثل أجهزة التلفزيون، وعند قصفه بالنيوترونات يتحول نظير الثوريوم 232 إلى نظير الثوريوم 233، والذي يتحلل في النهاية إلى نظير اليورانيوم 233 من خلال سلسلة من اضمحلال بيتا، علما أن نظير اليورانيوم 233 عبارة عن مادة قابلة للانشطار، ومن الممكن استخدامه كوقود نووي.

معلومات عامة عن الثوريوم

• أكسيد الثوريوم (ThO2) هو أحد مركبات الثوريوم له استخدامات عديدة، إذ يتم استخدامه بشكل أساسي في نوع من رف الفانوس المعروف باسم عباءة ويلسباخ، هذا الوشاح الذي يحتوي أيضًا على حوالي 1 ٪ من أكسيد السيريوم، يضيء بضوء أبيض ساطع عند تسخينه في لهب غاز.

• يحتوي أكسيد الثوريوم على نقطة انصهار عالية جدًا حوالي 3300 درجة مئوية ويستخدم لصنع بوتقات عالية الحرارة، ويستخدم أكسيد الثوريوم أيضًا في صناعة الزجاج بمؤشر انكسار عالٍ يستخدم لصنع عدسات كاميرا عالية الجودة، كما ويستخدم أكسيد الثوريوم كعامل مساعد في إنتاج حامض الكبريتيك (H2SO4) وفي تكسير المنتجات البترولية وتحويل الأمونيا (NH3) إلى حمض النيتريك (HNO3).

• إن من أكثر نظائر الثوريوم ثباتًا نظير الثوريوم 232 وله عمر نصف يبلغ حوالي 14،050،000،000 سنة، ويتحلل إلى نظير الراديوم 228 من خلال اضمحلال ألفا أو يتحلل من خلال الانشطار التلقائي.

• معدن الثوريوم هو مصدر للطاقة النووية، ومن المحتمل أن يكون هناك طاقة متاحة للاستخدام من الثوريوم في معادن قشرة الأرض أكثر من استخدام اليورانيوم والوقود الأحفوري، أي طلب كبير من الثوريوم كوقود نووي لا يزال عدة سنوات في المستقبل، ولقد تم العمل على تطوير أنظمة مفاعلات دورة الثوريوم.

• لقد تم تشغيل العديد من النماذج الأولية بما في ذلك HTGR (مفاعل تبريد بالغاز عالي الحرارة) و MSRE (تجربة مفاعل محول الملح المصهور)، في حين أن مفاعلات HTGR فعالة فإنه لا يُتوقع أن تصبح مهمة تجاريًا لسنوات عديدة بسبب بعض صعوبات التشغيل.

• نظير الثوريوم 232 هو نوكليد بدائي وُجد في شكله الحالي لأكثر من 4.5 مليار سنة ونصف العمر يمكن مقارنته بعمر الكون، وبالتالي يسبق تكوين الأرض، ولقد تم تشكيل الثوريوم في قلب النجوم المحتضرة من خلال عملية r وتناثر عبر المجرة بواسطة المستعرات الأعظمية.

• يوجد معدن الثوريوم بكميات قليلة في معظم الصخور والتربة، وتحتوي التربة عادة على متوسط ​​حوالي 6 أجزاء في المليون (جزء في المليون) من الثوريوم.

• الثوريانايت معدن نادر وقد يحتوي على ما يصل إلى 12٪ من أكسيد الثوريوم، ويحتوي المونازيت على 2.5٪ من الثوريوم، بينما يحتوي الألانيت على 0.1 إلى 2٪ من الثوريوم ويمكن أن يحتوي الزركون على 0.4٪ من الثوريوم.

• تتوفر عدة طرق لإنتاج معدن الثوريوم فمن الممكن الحصول عليها عن طريق عملية اختزال أكسيد الثوريوم بالكالسيوم، وعن طريق عملية التحليل الكهربائي لكلوريد الثوريوم اللامائي في خليط منصهر من كلوريد الصوديوم والبوتاسيوم، وعن طريق اختزال الكالسيوم لرابع كلوريد الثوريوم المخلوط مع كلوريد الزنك اللامائي وعن طريق اختزال رباعي كلوريد الثوريوم بمعدن قلوي.

• لقد تم تمييز سبعة وعشرين نظيرًا من نظائر الثوريوم المشعة، يتراوح وزنها الذري من 210 إلى 236، وجميعها غير مستقرة، وأكثرها استقرارًا هو نظير (232-Th)، حيث يمثل الثوريوم 232 كل شيء باستثناء أثر للثوريوم الطبيعي، حيث إنه باعث ألفا ويمر عبر ست خطوات ألفا وأربع خطوات تحلل بيتا قبل أن يصبح النظير المستقر (208-Pb).

• نظير (232-Th) مشع بدرجة كافية لفضح لوحة فوتوغرافية في بضع ساعات، أما نظائر الثوريوم الأخرى عبارة عن مواد وسيطة قصيرة العمر في سلاسل الاضمحلال للعناصر الأعلى، ولا توجد إلا بكميات ضئيلة.

• الأطول عمرا لهذه النظائر النزرة تشمل: (230-Th) بعمر نصف 75380 سنة، (229-Th) بعمر نصف 7340 سنة و (228-Th) مع نصف عمر 1.92 سنة.

• جميع النظائر المشعة المتبقية لها فترات نصف عمر أقل من ثلاثين يومًا وأغلبية هذه النظائر لها نصف عمر أقل من عشر دقائق، ويُعزى الكثير من الحرارة الداخلية التي تنتجها الأرض إلى الثوريوم واليورانيوم.