Atom torija ima 90protona i 90elektrona, od koji su četiri valentni elektroni. Metal torija je srebrenast, a jako potamni ako je izloženzraku. On je neznatno radioaktivan: njegovi svi poznati izotopi su nestabilni, a šest izotopa se javlja u prirodi (227Th,228Th,230Th,231Th,232Th i234Th) koji imajuvrijeme poluraspada između 25,52 sati i 14,05 milijardi godina. Izotop torij-232 koji ima 142neutrona je najstabilniji među svim izotopima torija, te sačinjava gotovo sav prirodni torij, dok se ostalih pet prirodnih izotopa javlja samo u tragovima. On se raspada vrlo sporo putem alfa raspada naradij-228, započinjući lančani raspad pod nazivomtorijeva serija koja završava izotopomolova-208. Smatra se da torija ima od tri do četiri puta više od uranija u Zemljinoj kori, a uglavnom se rafinira izmonacitnog pijeska kao nusproizvod izdvajanja rijetkih zemnih metala.
Torij se nekada često koristio kao izvor osvjetljenja kao mrežica za gasne lampe i kao materijal zalegiranje, međutim ova praksa je postepeno prestala zbog porasta svijesti o njegovog radioaktivnosti. Torij se koristio i kao element za legiranje u nepotrošnim TIGelektrodama za zavarivanje. On je i dalje ostao popularan kao materijal za visokokvalitetnu optiku i naučne instrumente. Torij iuranij su jedina dva radioaktivna elementa koji imaju značajnije i obimnije komercijalne upotrebe koje se ne zasnivaju na njihovoj radioaktivnosti. Za torij se predviđa da će moći zamijeniti uranij kao gorivo u nuklearnim reaktorima, međutim do danas je napravljeno samo nekoliko torijskih reaktora.
Švedski hemičarJacob Berzelius je 1815. analiziraomineral iz rudnikabakra uFalunu. Pretpostavljajući da se je mineralu sadržan novi element, pretpostavljenom elementu dao je imethorium premanordijskom božastvu munja,Thoru. Međutim, kasnije se pokazalo da se zapravo radilo o mineraluitrija, uglavom sastavljenom izitrij-ortofosfata.[7] Pošto se itrij u ovom mineralu prvobitno greškom smatrao za novi element, mineral je dobio imeksenotim, premagrčkim riječimaκενός (privid, praznina) iτιμή (vrijednost, čast).[8][9]
Morten Thrane Esmark je 1828. pronašao crni mineral na ostrvuLøvøya u Norveškoj te je uzorak dao svom ocuJens Esmarku, poznatom mineralogu. Esmark stariji nije uspio odrediti o kom se mineralu radi pa ga je poslao švedskom hemičaruBerzeliusu da ga prouči. Berzelius je pronašao da uzorak sadrži novi element.[7] Svoje otkriće je objavio 1829. godine.[10][11][12] Međutim, iskoristio je ime ranijeg otkrića navodnog elementa.[10][13] Tako, izvornom mineralu je dao nazivtorit, koji je imao hemijski sastav (Th,U)SiO4.[7]
UMendeljejevljevom periodnom sistemu iz 1869, torij i elementi rijetkih zemalja bili su smješteni izvan glavne tabele, na kraju svake uspravne periode poslijezemnoalkalnih metala. Tim se oslikavalo mišljenje tog vremena da su torij i metali rijetkih zemalja dvovalentni.[b] Kasnijim saznanjima da su elementi rijetkih zemalja uglavnom trovalentni, a torij četverovalentan, Mendeljejev je 1871. pomjeriocerij i torij u grupu IV, koja je sadržavala današnju grupuugljika,grupu titanija, cerij i torij, zbog toga što je njihovo najvišeoksidacijsko stanje bilo +4.[14][15] I dok je cerij vrlo brzo uklonjen iz osnovne tabele te stavljen u zasebnu seriju lantanoida, torij je tu ostao sve do 1945. kada jeGlenn T. Seaborg shvatio da je torij drugi član serije aktinoida te da popunjava red f-bloka, umjesto da je teži holologhafnija i da popunjava četvrti red d-bloka.[16]
Da je torij radioaktivan prvi put su dokazali 1898. nezavisno jedno od drugog poljsko-francuska fizičarkaMarie Curie i njemački hemičarGerhard Carl Schmidt.[17][18][19] Između 1900. i 1903.Ernest Rutherford iFrederick Soddy otkrili su da se torij raspada istom brzinom tokom vremena u seriju drugih elemenata. Ovo otkriće je dovelo do saznanja o pojmu vremena poluraspada nakon nekih eksperimenata o alfa česticama kojim su došli do teorije radioaktivnosti.[20]
Torij je mehak, paramagnetičan, srebrenasto bijeli, radioaktivni metal visokog sjaja. Spada uaktinoide. Uperiodnom sistemu elemenata, nalazi se desno od aktinoidaaktinija, lijevo odprotaktinija, a ispod lantanoidacerija. Čisti torij je mehak, vrlo duktilni metal, a može se hladno valjati, kovati i izvlačiti (u žicu i sl).[21]
Izmjerene osobine jako mnogo variraju u zavisnosti od količine nečistoća u ispitivanom uzorku. Najveći udio u nečistoćama obično imatorij dioksid (ThO2). Najčistiji uzorci torija obično sadrže oko jedan promil dioksida.[21] Njegova izračunatagustoća iznosi 11,724 g/cm3, dok eksperimentalna mjerenja daju vrijednosti između 11,5 i 11,66 g/cm3:[21] ove vrijednosti se nalaze negdje između onih kod susjednogaktinija (10,07 g/cm3) i protaktinija (15,37 g/cm3), što pokazuje kontinuitet trenda duž serije aktinoida.[21] Međutim,tačka topljenja torija od 1750°C je iznad one i kod aktinija (1227°C) iprotaktinija (1562 ± 15°C): tališta aktinoida nemaju jasnu zavisnost od njihovog brojaf elektrona, mada postoji blagi trend prema dolje od torija doplutonija dok se brojf elektrona povećava od nula do šest.[22] Torij je mehak metal, sa modulom elastičnosti od 54GPa, što se može porediti onim kodkalaja iskandija. Tvrdoća torija je slična onoj kod mehkogčelika, tako da se zagrijani čisti torij može valjati u lim ili izvlačiti u žicu.[22] Torij postajesuperprovodnik pri temperaturi ispod 1,40K.[21][c]
I pored toga, iako torij ima upola manju gustoću oduranija iplutonija, on je podjednako tvrd kao oba ova metala.[22] Među aktinoidima, torij ima najvišu tačku topljenja i drugu najnižu gustoću (nižu ima samo aktinij).[21] Termalna ekspanzija, električna i toplotna provodljivost torija, protaktinija i uranija su približno iste, i tipične su za post-prelazne metale.[23]
Izloženkisiku iz zraka postepeno tamni. On je polimorfan, postoji u više modifikacija. Torij također gradilegure sa mnogim drugim metalima. Sahromom i uranijem, gradi eutektične smjese, a torij se potpuno može miješati, bilo u čvrstom ili tečnom stanju, sa svojim lakšim analogomcerijem.
Torij je izuzetno reaktivan metal. Pri standardnim uslovima temperature i pritiska, torij polahko napadavoda, ali se ne otapa u većini uobičajenih kiselina, uz izuzetakhlorovodične kiseline.[4][21] Lahko se otapa u koncentriranojdušičnoj kiselini koja sadrži manje količine katalitičnih fluoridnih ili fluorosilikatnih iona;[21][24] a ako njih nema dešava sepasivizacija.[21] Pri visokim temperaturama, torij vrlo lahko stupa u reakciju sakisikom,vodikom,dušikom,sumporom i halogenim elementima. Također on može graditi i binarne spojeve saugljikom ifosforom.[21] Kada se torij rastvori u hlorovodičnoj kiselini nastaje crni ostatak, najvjerovatnije ThO(OH,Cl)H.[21]
Fino isitnjeni metalni torij predstavlja rizik od požara zbog lahkog zapaljenja (pirofornosti) te se s njim mora pažljivo rukovati.[21] Kada se zagrijava u pristustvu zraka, torij se zapali i gori blještavim plamenom sa bijelom svjetlošću te sagorijevanjem daje dioksid. U većim komadima, reakcija čistog torija sa zrakom je spora, mada se korozija ipak javlja nakon nekoliko mjeseci; međutim većina uzoraka torija je kontaminirano u određenoj mjeri s njegovim dioksidom koji znatno ubrzava korodiranje.[21] Takvi uzorci se polahko pasiviziraju u zraku, poprimajući najprije sivu a kasnije potpuno crnu boju.[21]
Najvažnijeoksidacijsko stanje torija je +4, prisutno u spojevima kao što sutorij-dioksid (ThO2) itorij-tetrafluorid (ThF4), mada su poznati i spojevi gdje je on u nižim formalnim oksidacijskim stanjima.[25][26][27] Tetravalentni spojevi torija su bezbojni zahvaljujući manjkuelektrona u 6d i 5f orbitalama u toriju(IV).[22]
U vodenim rastvorima, torij se javlja isključivo kao tetrapozitivni vodeni ion [Th(H2O)9]4+, koji ima trovrhu trigonalnu prizmatsku molekularnu geometriju::[28][29] pri pH vrijednosti< 3, rastvori torijevih soli imaju ovaj kation.[28] Dužina veze Th-O iznosi (245 ± 1) pm,koordinacijski broj torija Th4+ je (10,8 ± 0,5), efektivni naboj 3,82 a druga koordinacijska sfera sadrži 13,4 molekule vode.[28]
Ion Th4+ je relativno velik te je najveći tetrapozitivni ion među aktinidima, a u zavisnosti od koordinacijskog broja može imati promjer između 0,95 i 1,14 Å. Kao rezultat toga torijeve soli imaju slabu tendenciju da se hidroliziraju, slabiju od mnogih višestruko nabijenih iona poputFe3+.[28] Specifična osobina torijevih soli je njihova velika rastvorljivost, ne samo u vodi nego i u polarnim organskim otapalima.[22] Torij pokazuje aktiviranje ugljik-vodik veza, gradeći neke neobične spojeve. Atomi torija se vežu na više atoma od bilo kojeg drugog elementa: naprimjer u spoju torij-aminodiboranat, torij ima koordinacijski broj 15.[30]
Atom torija ima 90elektrona, od kojih su četiri valentna elektrona. U teoriji, valentnim elektronima su na raspolaganju četiri atomske orbitale koje mogu zauzeti: 5f, 6d, 7s i 7p. Međutim, 7p orbitala je znatno destabilizirana i stoga nije zauzeta u osnovnom stanju bilo kojeg torijevogiona.[31] Uprkos torijevom mjestu u f-bloku periodnog sistema elemenata, on u osnovnom stanju ima anomalnu elektronsku konfiguraciju [Rn]6d27s2. Ipak, u metalnom toriju, konfiguracija [Rn]5f16d17s2 je slabo pobuđeno stanje pa 5f orbitale mogu biti zauzete, te postoje u široj energetskoj traci (vrpci).[31]
Elektronske konfiguracije iona torija u osnovnom stanju su sljedeće: Th+, [Rn]6d27s1; Th2+, [Rn]5f16d1;[d] Th3+, [Rn]5f1; Th4+, [Rn]. Ovo pokazuje povećanje stabilizacije 5f orbitala kako se povećava naboj iona; međutim, ova stabilizacija nije dovoljna da se hemijski stabilizira ion Th3+ sa njegovim slobodnim 5f valentnim elektronom te je stoga stabilan i najčešći oblik torija u hemijskim spojevima ion Th4+ sa otpuštena četiri valentna elektrona, ostavljajući inertno jezgro sa unutrašnjim elektronima elektronske konfiguracije plemenitog gasaradona.[31][32] Izmjerena je i prva energija ionizacije torija 1974. godine[33] i iznosi (6,08 ± 0,12)eV; dok su novija mjerenja dala preciznije podatke 6,3067 eV.[4]
Iako torij ima šestizotopa koji se mogu naći u prirodi, nijedan od njih nije stabilan. Međutim, jedan izotop,232Th, jerelativno stabilan jer imavrijeme poluraspada od 14,05 milijardi godina, što je znatno duže od starostiZemlje, te duže i od općenito prihvaćene starostisvemira (oko 13,8 milijardi godina).[e] Ovaj izotop je najduže "živući" među svim izotopima koji imaju više od83 protona te čini gotovo sav prirodni torij. Stoga, torij se, u tom pogledu, može smatrati i monoizotopnim elementom.[34][35][36] Ipak, u dubokim morima iokeanima udio izotopa230Th se znatno povećava u dovoljnoj mjeri da jeIUPAC 2013. godine odlučio da torij klasificira u binuklidne (dvoizotopne) elemente.[2] Rude uranija sa malim koncentracijama torija se mogu pročistiti da bi se dobili uzorci torija težine oko 1 grama, u kojima više od četvrtine čini izotop230Th.[37] Torij ima karakterističan zemljski izotopski sastav, koji se sastoji većinom od232Th i relativno malo230Th, te muatomska masa iznosi 232,0377(4)u.[2]
Poznate osobine alotropskih modifikacija torija[21]
Monacitni pijesak, koji osim torija sadrži i mnoge druge rijetke metale poputerbija,samarija,cerija i slično
Izotop torija-232 je primordijalni nuklid, koji je postojao u svom današnjem obliku prije više od 4,5 milijarde godina, što predstavlja procijenjenu starost planete Zemlje. On je nastao u jezgrima umirućihzvijezda tokom r-procesa te se kasnije raširio po cijeloj galaksiji nakonsupernove.[38] Njegovim radioaktivnim raspadom nastaje značajna količina Zemljine unutrašnje toplote.[39]
Prirodni torij je uopćenito izotopski čisti232Th, koji ujedno ima i najduževrijeme poluraspada te je i najstabilniji izotop torija, sa "životnim vijekom" usporedivim sa starostisvemira. Kada njegov izvor ne bi sadržavao uranij, jedini izotop torija koji bi se nalazio bio bi228Th, prisutan u lancu raspada torija-232 (torijeva serija): odnos izotopa228Th i232Th bi bio manji od 10−10.[37] Međutim, pošto je uranij prisutan, bit će prisutni i malehni tragovi nekoliko drugih izotopa231Th i227Th, nastalih u lancu raspadanja uranija-235 (aktinijeva serija), te neznatno više ali i dalje u tragovima izotopa234Th i230Th iz lanca raspada uranija-238 (uranijeva serija).[37] Ranije u historiji Zemlje, izotop229Th također je nastajao u lancu raspada, danas nestalog, izotopaneptunija-237 (neptunijeva serija). Danas se ovaj izotop proizvodi kao "kćerka" umjetnog izotopa uranija-233, a koji nastaje iz zračenja neutronima izotopa232Th.[37]
Na Zemlji, torij nije toliko rijedak element kako se ranije mislilo. Njegov udio u Zemljinoj kori se može mjeriti saolovom imolibdenom, ima ga dvostruko više odarsena a trostruko više odkalaja.[40] U prirodi, on se nalazi u oksidacijskom stanju +4, zajedno sa uranijem(IV),cirkonijem(IV),hafnijem(IV) icerijem(IV), ali također i saskandijem,itrijem i trovalentnim lantanoidima koji imaju slične ionske radijuse.[40] Osim toga, torij se može javiti samo kao sporedni sastojak brojnih minerala.[40]
Iako ga količinski ima relativno mnogo, torij je dosta raspršen pa se vrlo rijeko nalazi u većim koncentracijama. Danas jedini isplativi izvor torija jemonacitni pijesak i mineralni konglomerati uOntariju,Kanada. Ranije ga je bilo i uIndiji, Južnoafričkoj Republici,Brazilu, Australiji i Maleziji, a u rijetkim, posebnim slučajevima takav monacit je sadržavao i do 20% ThO2, a najčešće manje od 10%. U kanadskoj rudi, torij je zastupljen u vidu uranotorita, miješanim Th-U silikatima koji su pomješani sauraninitom. Iako je sadržaj ThO2 u njemu vrlo nizak i iznosi 0,4%, i dalje je moguće izdvajanje torija kao nusproizvod dobijanja uranija.[41]
Torij se koristio, uglavnom u obliku oksida, za pravljenje gasnih lampi. Te gasne lampe su se pravile od smjese 99%torij-oksida i 1%cerij nitrata u koju se uranjalo vuneno pletivo te je ono zatim zapaljeno. U plamenu se raspadao torij-nitrat na torij-dioksid idušikom bogat gas. Ostajala je krhka struktura koja je u plamenu gasova davala bijelu svjetlost, koja nije povezana s radioaktivnošću torija nego je rezultat običnogsagorijevanja. Zbog otkrića njegove radioaktivnosti i štetnosti, u međuvremenu se prešlo na druge izvore osvjetljenja.
U reaktorima se torij koristi za proizvodnju uranijevog izotopa233U: Iz torija232Th se putem bombardovanjaneutronima dobija izotop233Th; on se zatim raspada prekoprotaktinija233Pa na uranij233U. Danas je razvijena tehnologija kojom se ovaj proces odvija u reaktorima sa vodenim hlađenjem s ciljem smanjenja količine nuklearnog otpada.[42] Nastali izotop233U se može cijepati i koristi se u nuklearnim reaktorima.
Eksperimenti sa MOX gorivim elementima izvođeni su počev od 1970tih u nuklearnom reaktoruLingen u Njemačkoj.[43] U upotrebi je bio ilahkovodni reaktor Shippingport kao termički brzo-oplodni reaktor u periodu od 1977. do 1982. Raniji visokotemperaturni reaktori (VTR) uz upotrebu torija, npr. THTR-300, davali su premalo uranija233U, pošto su trošili materijal za cijepanje, ne mogu se svrstati među brzo-oplodne reaktore. U reaktorima se moglo iskoristiti samo oko 4% sadržaja torija za proizvodnjuenergije. Takvi VTR reaktori su bili oslonjeni, pored dodavanja torija, na stalno dodavanje fisijskog materijala u visokoobogaćenom obliku (pogodnom za oružje, 93%235U), što se iz razloga inicijative povećanja sigurnosti uskoro pokazalo kao neprihvatljivo. Noviji koncepti VTR reaktora koncentrirali su se na klasični U/Pu ciklus sa manjim koncentracijama obogaćenog uranija, tj. bez torija. Njemački reaktor THTR-300 je 1989. ugašen nakon 423 dana upotrebe i brojnih problema. U atomskoj centrali Obrigheim su 2002.[44] počeli testovi sa torijem. Nova serija testova koja će trajati pet godina počela je u aprilu 2013. u norveškom istraživačkom reaktoru Halden, a koristit će torij u MOX gorivim elementima. Njihov cilj je istraživanje načina komercijalne upotrebe torija u nuklearnim centralama kao i uklanjanje plutonija.[45][46] Kao trenutni koncept termičkog brzo-oplodnog reaktora na bazi torija može se smatratireaktor sa istopljenom soli. Takvi rekatori imaju određene sigurnosne probleme, pa se raspravlja o konceptu brzo-oplodnog reaktora sa istopljenom soli. Također, koncept ubrzivačko-pokretanog "Rubbiatron" reaktora zasnovan je na toriju.
↑Tragovi primordijalnog izotopaplutonija-244 i danas postoje u prirodi,[6] ali se ne javljaju u količinama kao spomenuta tri elementa
↑Ovakvo mišljenje je počivalo na činjenici da su rijetke zemlje postavljene na to mjesto prema vrijednostima atomskih težina od dvije trećine od stvarnih, dok su za torij i uranij bile navedene vrijednosti oko polovine od njihovih današnjih.
↑Prelazna temperatura je između 1,35 i 1,40 K.[21]
↑[Rn]6d2 je u relativno nisko pobuđenom stanju konfiguracije iona Th2+.[31]
↑Izotop232Th je zapravo nuklid sa najkraćim "životnim vijekom" koji ima vrijeme poluraspada duže od općenito prihvaćene starosti svemira. On je šesti najnestabilniji primordijalni nuklid: među primordijalnim nuklidima samo238U,40K,235U,146Sm i244Pu imaju kraća vremena poluraspada.[34]
↑EU ovaj element još uvijek nije stavila na spisak opasnih elemenata, međutim trenutno nije moguće pronaći pouzdani izvor ili literaturu o opasnim svojstvima ove supstance. Radioaktivnostne spada u opasna svojstva koja se ovdje navode.
12Weeks Mary Elvira (1932). "The discovery of the elements. XI. Some elements isolated with the aid of potassium and sodium: Zirconium, titanium, cerium, and thorium".Journal of Chemical Education.9 (7): 1231.Bibcode:1932JChEd...9.1231W.doi:10.1021/ed009p1231.
↑Berzelius, J. J. (1829). "Undersökning af ett nytt mineral (Thorit), som innehåller en förut obekant jord"".Kungliga Svenska Vetenskaps Akademiens Handlingar: 1–30.
↑Schilling Johannes (1902). "Die eigentlichen Thorit-Mineralien (Thorit und Orangit)".Zeitschrift für Angewandte Chemie.15 (37): 921.doi:10.1002/ange.19020153703.
↑Masterton William L.; Hurley Cecile N.; Neth Edward J.Chemistry: Principles and reactions (7izd.). Belmont, CA: Brooks/Cole Cengage Learning. str.173.ISBN1-111-42710-0.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
↑Curie, Marie (1898). "Rayons émis par les composés de l'uranium et du thorium".Comptes Rendus.126: 1101–1103.OL24166254M.
↑Schmidt, G. C. (1898). "Über die vom Thorium und den Thoriumverbindungen ausgehende Strahlung".Verhandlungen der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin.17: 14–16.
↑Hyde, Earl K. (1960).The radiochemistry of thorium(PDF). Subcommittee on Radiochemistry, National Academy of Sciences—National Research Council. Arhivirano soriginala(PDF), 5. 3. 2021. Pristupljeno 5. 8. 2015.
↑Scott R. Daly; etal. (2010). "Synthesis and Properties of a Fifteen-Coordinate Complex: The Thorium Aminodiboranate [Th(H3BNMe2BH3)4]".Angewandte Chemie International Edition.49: 3379–3381.doi:10.1002/anie.200905797.Eksplicitna upotreba et al. u:|author= (pomoć)
↑Y. Shimizu; etal. (2011). "Partial radiogenic heat model for Earth revealed by geoneutrino measurements".Nature Geoscience 4: 647–651.doi:10.1038/ngeo1205.Eksplicitna upotreba et al. u:|author= (pomoć)
