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Neptunium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Np und der Ordnungszahl 93 Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Actinoide 7 Periode f Block Neptunium ist das erste der sogenannten Transurane die auf der Erde bis auf Spuren von Neptunium und Plutonium nicht mehr naturlich vorkommen Neptunium ist ein giftiges und radioaktives Schwermetall Es wurde benannt nach dem Planeten Neptun der auf den Planeten Uranus folgt Neptunium folgt im Periodensystem auf Uran dann folgt Plutonium das auf der Erde naturlich vorkommende Element mit der hochsten Ordnungszahl Eigenschaften Rn 5f4 6d1 7s2 93 Np PeriodensystemAllgemeinName Symbol Ordnungszahl Neptunium Np 93Elementkategorie ActinoideGruppe Periode Block Ac 7 fAussehen silbrigCAS Nummer 7439 99 8EG Nummer 231 108 8ECHA InfoCard 100 028 280Massenanteil an der Erdhulle 4 10 14 ppm 1 Atomar 2 Atommasse 237 0482 uAtomradius a Np 130 pmElektronenkonfiguration Rn 5f4 6d1 7s21 Ionisierungsenergie 6 26554 25 eV 3 604 53 kJ mol 4 2 Ionisierungsenergie 11 5 4 eV 3 1 110 kJ mol 4 3 Ionisierungsenergie 19 7 4 eV 3 1 900 kJ mol 4 4 Ionisierungsenergie 33 8 4 eV 3 3 260 kJ mol 4 5 Ionisierungsenergie 48 0 1 9 eV 3 4 630 kJ mol 4 Physikalisch 2 Aggregatzustand festModifikationen 3Kristallstruktur orthorhombischDichte 20 45 g cm3Schmelzpunkt 912 K 639 5 C Siedepunkt 4175 K 5 3902 C Molares Volumen 11 59 10 6 m3 mol 1Verdampfungsenthalpie 1420 kJ mol 1 1 Schmelzenthalpie 39 91 1 kJ mol 1Elektrische Leitfahigkeit 0 82 106 S m 1 bei 293 1 KWarmeleitfahigkeit 6 30 W m 1 K 1 bei 300 1 KChemisch 2 Oxidationszustande 3 4 5 6 7Normalpotential 1 79 V Np3 3 e Np Elektronegativitat 1 36 Pauling Skala IsotopeIsotop NH t1 2 ZA ZE MeV ZP235Np syn 396 1 d a 5 192 231Pae 0 124 235U236Np syn 1 54 105 a e 0 940 236Ub 0 490 236Pua 5 020 232Pa237Np syn 2 144 106 a a 4 959 233Pa238Np syn 2 117 d b 238Pu239Np syn 2 355 d b 239PuWeitere Isotope siehe Liste der IsotopeGefahren und SicherheitshinweiseRadioaktivGHS Gefahrstoffkennzeichnungkeine Einstufung verfugbar 6 Soweit moglich und gebrauchlich werden SI Einheiten verwendet Wenn nicht anders vermerkt gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen Inhaltsverzeichnis 1 Forschungsgeschichte 2 Gewinnung und Darstellung 2 1 Gewinnung von Neptuniumisotopen 2 2 Darstellung elementaren Neptuniums 3 Eigenschaften 3 1 Physikalische Eigenschaften 3 2 Chemische Eigenschaften 3 3 Biologische Aspekte 4 Isotope 5 Spaltbarkeit 6 Verwendung 7 Verbindungen 7 1 Oxide 7 2 Halogenide 7 3 Metallorganische Verbindungen 8 Sicherheitshinweise 9 Literatur 10 Weblinks 11 EinzelnachweiseForschungsgeschichte BearbeitenDas radioaktive Element Neptunium synthetisierten Edwin M McMillan und Philip H Abelson erstmals 1940 durch Beschuss von Uran mit Neutronen 7 8 9 92 238 U 0 1 n 92 239 U 23 m i n b 93 239 N p 2 355 d b 94 239 P u displaystyle mathrm 238 92 U 0 1 n longrightarrow 92 239 U xrightarrow 23 min beta 93 239 Np xrightarrow 2 355 d beta 94 239 Pu nbsp Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten Arthur C Wahl und Glenn T Seaborg entdeckten 1942 das Neptuniumisotop 237Np Es entsteht aus 237U das ein b Strahler mit rund 7 Tagen Halbwertszeit ist oder durch einen n 2n Prozess aus 238U 237Np ist ein a Strahler mit einer Halbwertszeit von 2 144 106 Jahren 10 92 238 U n 2 n 92 237 U 7 d b 93 237 N p 2 144 10 6 a a 91 233 P a displaystyle mathrm 238 92 U xrightarrow n 2n 92 237 U xrightarrow 7 d beta 93 237 Np xrightarrow 2 144 times 10 6 a alpha 91 233 Pa nbsp Im Jahr 1950 wurden aus 233U 235U und 238U durch Beschuss mit Deuteronen die Neptuniumisotope 231Np 232Np und 233Np erzeugt 11 Im Jahr 1958 wurden aus hochangereichertem 235U durch Beschuss mit Deuteronen die Neptuniumisotope 234Np 235Np und 236Np erzeugt 12 Die 1 Stunden Neptunium Aktivitat die zuvor dem 241Np zugewiesen worden ist gehort hingegen zum Isotop 240Np 13 Gewinnung und Darstellung BearbeitenGewinnung von Neptuniumisotopen Bearbeiten Neptunium entsteht als Nebenprodukt der Energiegewinnung in Kernreaktoren Eine Tonne abgebrannter Kernbrennstoff kann etwa 500 g Neptunium enthalten 14 So entstandenes Neptunium besteht fast ausschliesslich aus dem Isotop 237Np Es entsteht aus dem Uranisotop 235U durch zweifachen Neutroneneinfang und anschliessenden b Zerfall 92 235 U 0 1 n 92 236 U m 120 n s g 92 236 U displaystyle mathrm 235 92 U 0 1 n longrightarrow 92 236 U m xrightarrow 120 ns gamma 92 236 U nbsp 92 236 U 0 1 n 92 237 U 6 75 d b 93 237 N p displaystyle mathrm 236 92 U 0 1 n longrightarrow 92 237 U xrightarrow 6 75 d beta 93 237 Np nbsp Eine deutlich weniger haufige Moglichkeit ist die n 2n Reaktion in 238U Ein Neutron trifft auf und zwei Neutronen werden emittiert Diese Reaktion benotigt allerdings schnelle Neutronen um die endotherme Reaktion mit ausreichend Energie zu versorgen und hat einen relativ kleinen Wirkungsquerschnitt 237Np ist auch ein Glied der Zerfallsreihe von 241Am entsteht also unweigerlich in Americium Proben Angesichts der Halbwertszeit von 241Am von uber 400 Jahren sind jedoch in der Zeit seit Menschen Americium herstellen nur verhaltnismassig geringe Mengen Neptunium auf diese Weise entstanden Darstellung elementaren Neptuniums Bearbeiten Metallisches Neptunium kann durch Reduktion aus seinen Verbindungen erhalten werden Zuerst wurde Neptunium III fluorid mit elementarem Barium oder Lithium bei 1200 C zur Reaktion gebracht 2 NpF 3 3 Ba 2 Np 3 BaF 2 displaystyle ce 2 NpF3 3 Ba gt 2 Np 3 BaF2 nbsp Eigenschaften BearbeitenPhysikalische Eigenschaften Bearbeiten Neptuniummetall hat ein silbernes Aussehen ist chemisch reaktiv und existiert in mindestens drei verschiedenen Modifikationen 1 Modifikationen bei Atmospharendruck Phasenbezeichnung stabiler Temperaturbereich Dichte Temperatur Kristallsystema Np 20 25 g cm3 20 C orthorhombischb Np uber 280 C 19 36 g cm3 313 C tetragonalg Np uber 577 C 18 0 g cm3 600 C kubischNeptunium besitzt eine der hochsten Dichten aller Elemente Neben Rhenium Osmium Iridium und Platin ist es eines der wenigen Elemente die eine hohere Dichte als 20 g cm3 besitzen Chemische Eigenschaften Bearbeiten Neptunium bildet eine Reihe von Verbindungen in denen es in den Oxidationsstufen 3 bis 7 vorliegen kann Damit besitzt Neptunium zusammen mit Plutonium die hochste mogliche Oxidationsstufe aller Actinoiden In wassriger Losung haben die Neptuniumionen charakteristische Farben so ist das Np3 Ion purpurviolett Np4 gelbgrun NpVO2 grun NpVIO22 rosarot und NpVIIO23 tiefgrun 15 Biologische Aspekte Bearbeiten Eine biologische Funktion des Neptuniums ist nicht bekannt 16 Einige anaerobe Mikroorganismen konnen mittels Mn II III und Fe II Spezies Np V zu Np IV reduzieren 17 Ferner wurden die Faktoren untersucht die die Biosorption 18 19 und Bioakkumulation 20 des Neptuniums durch Bakterien beeinflussen Isotope BearbeitenVon Neptunium sind insgesamt 20 Isotope und 5 Kernisomere bekannt Die langlebigsten Isotope sind 237Np mit 2 144 Mio Jahren 236Np mit 154 000 Jahren und 235Np mit 396 1 Tagen Halbwertszeit Die restlichen Isotope und Kernisomere besitzen Halbwertszeiten zwischen 45 Nanosekunden 237m1Np und 4 4 Tagen 234Np 235Np zerfallt mit 396 1 Tagen Halbwertszeit in 99 99740 der Falle durch Elektroneneinfang zu Uran 235U und in 0 00260 der Falle durch Alphazerfall zu Protactinium 231Pa das sich eine Stufe hinter 235U auf der Uran Actinium Reihe befindet 236Np zerfallt mit 154 000 Jahren Halbwertszeit in 87 3 der Falle durch Elektroneneinfang zu Uran 236U in 12 5 der Falle durch Betazerfall zu Plutonium 236Pu und in 0 16 der Falle durch Alphazerfall zu Protactinium 232Pa Das Uran 236U liegt auf der Thorium Reihe und zerfallt mit 23 42 Mio Jahren zu ihrem offiziellen Anfangsnuklid Thorium 232Th Das 236Pu zerfallt mit einer Halbwertzeit von 2 858 Jahren 21 durch a Zerfall auf die Zwischenstufe 232U die mit einer Halbwertszeit von 68 9 Jahren zu 228Th zerfallt das auf dem Hauptstrang der Reihe liegt 237Np zerfallt mit 2 144 Mio Jahren Halbwertszeit durch Alphazerfall zu Protactinium 233Pa 237Np ist offizieller Ausgangspunkt der Neptunium Reihe einer Zerfallskette die beim Isotop Thallium 205Tl endet Siehe auch Liste der NeptuniumisotopeSpaltbarkeit Bearbeiten nbsp Eine Probe von Neptunium Metall 237Np umhullt von einer dicken Wolfram und Nickelschicht glanzend in Schalen aus angereichertem Uran schwarz angelaufen 22 Wie bei allen Transuran Nukliden ist auch bei den Np Isotopen die neutroneninduzierte Kernspaltung moglich Die Isotope mit ungerader Neutronenanzahl im Kern von den langlebigen also 236Np haben grosse Wirkungsquerschnitte fur die Spaltung durch thermische Neutronen beim 236Np betragt er 2600 Barn 23 es ist also leicht spaltbar Bei dem im Kernreaktorbrennstoff anfallenden 237Np betragt dieser Wirkungsquerschnitt nur 20 Millibarn 23 Dieses Isotop ist jedoch aufgrund anderer kernphysikalischer Eigenschaften geeignet mit der Spaltung durch schnelle Neutronen im reinen Material eine Kettenreaktion aufrechtzuerhalten Im Los Alamos National Laboratory wurde seine kritische Masse experimentell zu etwa 60 kg bestimmt 24 25 26 Daher ist 237Np ein mogliches Material fur Kernwaffen 27 28 Verwendung BearbeitenDas in Kernreaktoren aus 235U erbrutete 237Np kann zur Gewinnung von 238Pu zur Verwendung in Radionuklidbatterien genutzt werden Dazu wird das Neptunium bei der Aufbereitung von abgebrannten Brennstaben abgetrennt und in Form von Neptunium IV oxid in neue Brennstabe gefullt Diese werden in einen Kernreaktor eingesetzt wo sie erneut mit Neutronen bestrahlt werden aus dem 237Np wird dabei 238Pu erbrutet 29 Das Plutonium wird anschliessend aus den Neptuniumbrennstaben abgetrennt Andere denkbare Verwendungsmoglichkeiten scheitern zumeist am hohen Preis von Neptunium da selbst bei der Wiederaufarbeitung Neptunium nur ausserst selten vom alten Brennstoff abgetrennt wird was sich wiederum daher erklart dass es kaum Anwendungen fur Neptunium und entsprechend wenig Nachfrage gibt 93 237 N p 0 1 n 93 238 N p 2 117 d b 94 238 P u displaystyle mathrm 237 93 Np 0 1 n longrightarrow 93 238 Np xrightarrow 2 117 d beta 94 238 Pu nbsp Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten Verbindungen Bearbeiten nbsp Neptunium in den Oxidationsstufen 3 bis 7 in wassriger Losung Kategorie Neptuniumverbindung Oxide Bearbeiten Bekannt sind Oxide in den Stufen 4 bis 6 Neptunium IV oxid NpO2 Neptunium V oxid Np2O5 und Neptunium VI oxid NpO3 H2O 30 Neptuniumdioxid NpO2 ist das chemisch stabilste Oxid des Neptuniums und findet Verwendung in Kernbrennstaben Halogenide Bearbeiten Fur Neptunium sind Halogenide in den Oxidationsstufen 3 bis 6 bekannt 31 Fur die Stufe 3 sind samtliche Verbindungen der vier Halogene Fluor Chlor Brom und Iod bekannt Daruber hinaus bildet es Halogenide in den Stufen 4 bis 6 In der Oxidationsstufe 6 ist das Neptuniumhexafluorid NpF6 von besonderer Bedeutung Es ist ein orangefarbener Feststoff mit sehr hoher Fluchtigkeit der schon bei 56 C in den gasformigen Zustand ubergeht In dieser Eigenschaft ahnelt es sehr dem Uranhexafluorid und Plutoniumhexafluorid daher kann es genauso in der Anreicherung und Isotopentrennung verwendet werden Oxidationszahl F Cl Br I 6 Neptunium VI fluoridNpF6orange 5 Neptunium V fluoridNpF5hellblau 4 Neptunium IV fluoridNpF4grun Neptunium IV chloridNpCl4rotbraun Neptunium IV bromidNpBr4dunkelrot 3 Neptunium III fluoridNpF3violett Neptunium III chloridNpCl3grun Neptunium III bromidNpBr3grun Neptunium III iodidNpI3violettMetallorganische Verbindungen Bearbeiten Analog zu Uranocen einer Organometallverbindung in der Uran von zwei Cyclooctatetraen Liganden komplexiert ist wurden die entsprechenden Komplexe von Thorium Protactinium Plutonium Americium und auch des Neptuniums h8 C8H8 2Np dargestellt 32 Sicherheitshinweise BearbeitenEinstufungen nach der CLP Verordnung liegen nicht vor weil diese nur die chemische Gefahrlichkeit umfassen und eine vollig untergeordnete Rolle gegenuber den auf der Radioaktivitat beruhenden Gefahren spielen Literatur BearbeitenGmelins Handbuch der anorganischen Chemie System Nr 71 Transurane Teil A 1 II S 14 17 Teil A 2 S 100 118 180 181 250 253 258 Teil B 1 S 1 9 Teil C S 2 3 7 10 82 83 92 114 157 159 174 175 189 194 200 201 228 245 248 249 251 272 Teil D 1 S 27 30 37 58 100 105 Cornelius Keller Die Chemie des Neptuniums in Fortschr chem Forsch 1969 70 13 1 S 1 124 doi 10 1007 BFb0051170 Zenko Yoshida Stephen G Johnson Takaumi Kimura John R Krsul Neptunium in Lester R Morss Norman M Edelstein Jean Fuger Hrsg The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements Springer Dordrecht 2006 ISBN 1 4020 3555 1 S 699 812 doi 10 1007 1 4020 3598 5 6 S Fried N R Davidson The Basic Dry Chemistry of Neptunium 1947 Report MDDC 1332 United States Atomic Energy Commission Argonne National Laboratory Declassified July 18 1947 A F Neptunium auf dem Mond Die Zeit 3 Marz 1972 Nr 9 G A Burney R M Harbour Radiochemistry of Neptunium Report NAS NS 3060 United States Atomic Energy Commission 1974 PDF 6 7 MB Kurt Starke Zur Fruhgeschichte des Neptuniums in Isotopes in Environmental and Health Studies 1990 26 8 S 349 351 doi 10 1080 10256019008624331 Weblinks Bearbeiten nbsp Commons Neptunium Sammlung von Bildern und Audiodateien nbsp Wiktionary Neptunium Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Eintrag zu Neptunium In Rompp Online Georg Thieme Verlag abgerufen am 3 Januar 2015 Robin Giroux Neptunium Chemical amp Engineering News 2003 Wissenschaft Online Lexika Neptuniumverbindungen im Lexikon der Chemie Einzelnachweise Bearbeiten a b c d e f Harry H Binder Lexikon der chemischen Elemente S Hirzel Verlag Stuttgart 1999 ISBN 3 7776 0736 3 S 413 419 Die Werte der atomaren und physikalischen Eigenschaften Infobox sind wenn nicht anders angegeben aus www webelements com Neptunium entnommen a b c d e Eintrag zu neptunium in Kramida A Ralchenko Yu Reader J und NIST ASD Team 2019 NIST Atomic Spectra Database ver 5 7 1 Hrsg NIST Gaithersburg MD doi 10 18434 T4W30F physics nist gov asd Abgerufen am 13 Juni 2020 a b c d e Eintrag zu neptunium bei WebElements www webelements com abgerufen am 13 Juni 2020 a b A F Holleman E Wiberg N Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage Walter de Gruyter Berlin 2007 ISBN 978 3 11 017770 1 S 2149 Die von der Radioaktivitat ausgehenden Gefahren gehoren nicht zu den einzustufenden Eigenschaften nach der GHS Kennzeichnung In Bezug auf weitere Gefahren wurde dieses Element entweder noch nicht eingestuft oder eine verlassliche und zitierfahige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden E McMillan P H Abelson Radioactive Element 93 in Physical Review 1940 57 S 1185 1186 doi 10 1103 PhysRev 57 1185 2 Neue Elemente in Angewandte Chemie 1947 59 2 S 61 61 A B Garrett The Chemistry of Elements 93 94 95 and 96 Neptunium Plutonium Americium and Curium in The Ohio Journal of Science 1947 XLVII 3 S 103 106 PDF K Wirtz Die neuen Elemente Neptunium Plutonium Americium und Curium In Zeitschrift fur Naturforschung 1 1946 S 543 544 online L B Magnusson S G Thompson G T Seaborg New Isotopes of Neptunium in Physical Review 1950 78 4 S 363 372 doi 10 1103 PhysRev 78 363 J E Gindler J R Huizenga D W Engelkemeir Neptunium Isotopes 234 235 236 in Physical Review 1958 109 4 S 1263 1267 doi 10 1103 PhysRev 109 1263 Richard M Lessler Maynard C Michel Isotopes Np240 and Np241 in Physical Review 1960 118 1 S 263 264 doi 10 1103 PhysRev 118 263 Klaus Hoffmann Kann man Gold machen Gauner Gaukler und Gelehrte Aus der Geschichte der chemischen Elemente Urania Verlag Leipzig Jena Berlin 1979 S 233 A F Holleman E Wiberg N Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage Walter de Gruyter Berlin 2007 ISBN 978 3 11 017770 1 S 1956 The Biochemical Periodic Tables Neptunium J E Banaszak S M Webb B E Rittmann J F Gaillard D T Reed Fate of Neptunium in an anaerobic methanogenic microcosm in Mat Res Soc Symp Proc 1999 556 S 1141 1149 Abstract PDF T Sasaki T Kauri A Kudo Effect of pH and Temperature on the Sorption of Np and Pa to mixed anaerobic bacteria in Appl Radiat Isot 2001 55 4 S 427 431 PMID 11545492 W Songkasiri D T Reed B E Rittmann Bio sorption of Neptunium V by Pseudomonas Fluroescens in Radiochimica Acta 2002 90 S 785 789 A J Francis J B Fillow C J Dodge M Dunn K Mantione B A Strietelmeier M E Pansoy Hjelvik H W Papenguth Role of Bacteria as Biocolloids in the Transport of Actinides from a Deep Underground Radioactive Waste Repository in Radiochimica Acta 1998 82 S 347 354 Abstract PDF G Audi O Bersillon J Blachot A H Wapstra The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties In Nuclear Physics Band A 729 2003 S 3 128 doi 10 1016 j nuclphysa 2003 11 001 PDF 1 0 MB Criticality of a 237Np Sphere 2003 a b G Pfennig H Klewe Nebenius W Seelmann Eggebert Hrsg Karlsruher Nuklidkarte 6 Aufl korrig Nachdr 1998 P Weiss Little studied metal goes critical Neptunium Nukes in Science News 26 Oktober 2002 Volltext Memento des Originals vom 1 Dezember 2006 im Internet Archive nbsp Info Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht gepruft Bitte prufe Original und Archivlink gemass Anleitung und entferne dann diesen Hinweis 1 2 Vorlage Webachiv IABot www findarticles com abgerufen am 5 Dezember 2008 Russell D Mosteller David J Loaiza Rene G Sanchez Creation of a Simplified Benchmark Model for the Neptunium Sphere Experiment PHYSOR 2004 The Physics of Fuel Cycles and Advanced Nuclear Systems Global Developments Chicago Illinois April 25 29 2004 on CD ROM American Nuclear Society Lagrange Park IL 2004 PDF Rene G Sanchez David J Loaiza Robert H Kimpland David K Hayes Charlene C Cappiello William L Myers Peter J Jaegers Steven D Clement Kenneth B Butterfield Criticality of a 237Np Sphere in Nuclear Science and Engineering 2008 158 S 1 14 online David Albright Kimberly Kramer Neptunium 237 and Americium World Inventories and Proliferation Concerns August 2005 PDF Walter Seifritz Nukleare Sprengkorper Bedrohung oder Energieversorgung fur die Menschheit Thiemig Verlag Munchen 1984 Robert G Lange Wade P Carroll Review of recent advances of radioisotope power systems Energy Conversion and Management 2008 49 3 S 393 401 doi 10 1016 j enconman 2007 10 028 A F Holleman E Wiberg N Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage Walter de Gruyter Berlin 2007 ISBN 978 3 11 017770 1 S 1972 A F Holleman E Wiberg N Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage Walter de Gruyter Berlin 2007 ISBN 978 3 11 017770 1 S 1969 Christoph Elschenbroich Organometallchemie 6 Auflage Wiesbaden 2008 ISBN 978 3 8351 0167 8 S 589 Periodensystem der Elemente H HeLi Be B C N O F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br KrRb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I XeCs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At RnFr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts OgAlkalimetalle Erdalkalimetalle Lanthanoide Actinoide Ubergangsmetalle Metalle Halbmetalle Nichtmetalle Halogene Edelgase Chemie unbekannt Normdaten Sachbegriff GND 4171471 4 lobid OGND AKS LCCN sh85090879 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Neptunium amp oldid 237842481