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Americium

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Eigenschaften
Allgemein
Name,Symbol,OrdnungszahlAmericium, Am, 95
ElementkategorieActinoide
Gruppe,Periode,BlockAc,7,f
Aussehensilbrig-weißes Metall
CAS-Nummer

7440-35-9

EG-Nummer231-144-4
ECHA-InfoCard100.028.313
Atomar[1]
Atommasse243,061375[2]u
Atomradius184pm
Van-der-Waals-Radius228,5 pm
Elektronenkonfiguration[Rn] 5f7 7s2
1.Ionisierungsenergie5.97381(25)eV[3]576.38kJ/mol[4]
2. Ionisierungsenergie11.7(4) eV[3]1130 kJ/mol[4]
3. Ionisierungsenergie21.7(4) eV[3]2090 kJ/mol[4]
4. Ionisierungsenergie36.8(4) eV[3]3550 kJ/mol[4]
5. Ionisierungsenergie50.0(1,9) eV[3]4820 kJ/mol[4]
Physikalisch[1]
Aggregatzustandfest
Kristallstrukturhexagonal
Dichte13,67 g/cm3
Magnetismusparamagnetisch (χm = 7,1 · 10−4)[5]
Schmelzpunkt1449K (1176 °C)
Siedepunkt2880 K (2607 °C)
Molares Volumen1,778 · 10−5 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie238,5 kJ·mol−1
Schmelzenthalpie14,4 kJ·mol−1
Spezifische Wärmekapazität0,11 J·kg−1·K−1
Elektrische Leitfähigkeit147,1[2]S·m−1 bei 293,15 K
Wärmeleitfähigkeit10[2]W·m−1·K−1 bei 300 K
Chemisch[1]
Oxidationszustände+2,+3, +4, +5, +6, (+7)
Normalpotential−2,070 V (Am3+ + 3 e → Am)[2]
Elektronegativität1,3 (Pauling-Skala)
Isotope
IsotopNHt1/2ZAZE (MeV)ZP

[6]

238Am
{syn.}98 minε (≈ 100 %)238Pu
α (1,0 · 10−4 %)234Np
239Am
{syn.}11,9 hε (≈ 100 %)239Pu
α (0,010 %)235Np
240Am
{syn.}50,8 hε (≈ 100 %)240Pu
α (1,9 · 10−4 %)236Np
241Am
{syn.}432,2 aα (≈ 100 %)5,486237Np
SF (4,3 · 10−10 %)??
242Am
{syn.}16,02 hβ (82,7 %)0,665242Cm
ε (17,3 %)0,751242Pu
242m1Am
{syn.}141 aIT (≈ 100 %)0,049242Am
α (0,45 %)5,637238Np
SF (4,7 · 10−9 %)??
242m2Am
{syn.}0,014 sSF (≈ 100 %)??
α7,788238Np
IT2,2242Am
243Am
{syn.}7370 aα (≈ 100 %)5,438239Np
SF (4,7 · 10−9 %)??
244Am
{syn.}10,1 hβ (100 %)244Cm
Weitere Isotope sieheListe der Isotope
Gefahren- und Sicherheitshinweise
Radioaktiv
Radioaktiv
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung
keine Einstufung verfügbar[7]
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten beiStandardbedingungen.

Americium (anhören/?;Elementsymbol Am) ist einchemisches Element mit derOrdnungszahl 95. ImPeriodensystem steht es in der Gruppe derActinoide (7. Periode,f-Block) und zählt auch zu denTransuranen. Es ist ein leicht verformbaresradioaktives Metall silbrig-weißen Aussehens.

Von Americium gibt es kein stabilesIsotop. Auf der Erde kommt es ausschließlich in künstlich erzeugter Form vor. Das Element wurde erstmals im Spätherbst 1944 erzeugt, die Entdeckung jedoch zunächst nicht veröffentlicht. Seine Existenz wurde in einer amerikanischen Radiosendung für Kinder durch den EntdeckerGlenn T. Seaborg, den Gast der Sendung, der Öffentlichkeit preisgegeben.

Americium wird inKernreaktoren gebildet, eine Tonne abgebranntenKernbrennstoffs enthält durchschnittlich etwa 100 g des Elements. Es wird als Quelle ionisierender Strahlung eingesetzt, z. B. in derFluoreszenzspektroskopie und inIonisationsrauchmeldern. Das Americiumisotop241Am wurde wegen seiner gegenüberPlutonium (238Pu) wesentlich längerenHalbwertszeit von 432,2 Jahren zur Befüllung vonRadionuklidbatterien (RTG) fürRaumsonden vorgeschlagen, welche dann hunderte Jahre lang elektrische Energie zum Betrieb bereitstellen würden.

Geschichte

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Americium wurde im Spätherbst 1944 vonGlenn T. Seaborg,Ralph A. James,Leon O. Morgan undAlbert Ghiorso im 60-Zoll-Cyclotron an derUniversität von Kalifornien in Berkeley sowie ammetallurgischenLaboratorium derUniversität von Chicago (heute:Argonne National Laboratory) erzeugt. NachNeptunium undPlutonium war Americium das vierteTransuran, das seit dem Jahr 1940 entdeckt wurde; das um eine Ordnungszahl höhereCurium wurde als drittes schon im Sommer 1944 erzeugt. Der Name für das Element wurde in Anlehnung zum Erdteil Amerika gewählt – in Analogie zuEuropium, demSeltene-Erden-Metall, das imPeriodensystem genau über Americium steht:The name americium (after the Americas) and the symbol Am are suggested for the element on the basis of its position as the sixth member of the actinide rare-earth series, analogous to europium, Eu, of the lanthanide series.[8][9][10]

Zur Erzeugung des neuen Elements wurden in der Regel dieOxide der Ausgangselemente verwendet. Dazu wurde zunächst Plutoniumnitratlösung (mit demIsotop239Pu) auf eine Platinfolie von etwa 0,5 cm2 aufgetragen; die Lösung danach eingedampft und der Rückstand dann zum Oxid (PuO2) geglüht. Nach dem Beschuss im Cyclotron wurde die Beschichtung mittelsSalpetersäure gelöst, anschließend wieder mit einer konzentrierten wässrigenAmmoniaklösung als Hydroxid ausgefällt; der Rückstand wurde inPerchlorsäure gelöst. Die weitere Trennung erfolgte mitIonenaustauschern. In ihren Versuchsreihen wurden der Reihe nach vier verschiedene Isotope erzeugt:241Am,242Am,239Am und238Am.

Als erstes Isotop isolierten sie241Am aus einerPlutonium-Probe, die mitNeutronen bestrahlt wurde. Es zerfällt durch Aussendung einesα-Teilchens in237Np. Die Halbwertszeit diesesα-Zerfalls wurde zunächst auf 510 ± 20 Jahre bestimmt; der heute allgemein akzeptierte Wert ist 432,2 a.[6]

 94239Pu (n,γ)  94240Pu (n,γ)  94241Pu 14,35 aβ  95241Am ( 432,2 aα  93237Np){\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{240}Pu\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{241}Pu\ {\xrightarrow[{14,35\ a}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{241}Am\ \left(\ {\xrightarrow[{432,2\ a}]{\alpha }}\ _{\ 93}^{237}Np\right)} }
Die angegebenen Zeiten sindHalbwertszeiten.

Als zweites Isotop wurde242Am durch erneuten Neutronenbeschuss des zuvor erzeugten241Am gefunden. Durch nachfolgenden raschenβ-Zerfall entsteht dabei242Cm, das zuvor schon entdeckteCurium. Die Halbwertszeit dieses β-Zerfalls wurde zunächst auf 17 Stunden bestimmt, der heute als gültig ermittelte Wert beträgt 16,02 h.[6]

 95241Am (n,γ)  95242Am ( 16,02 hβ  96242Cm){\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am\ \left(\ {\xrightarrow[{16,02\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{242}Cm\right)} }

Erstmals öffentlich bekannt gemacht wurde die Entdeckung des Elements in der amerikanischen RadiosendungQuiz Kids am 11. November 1945 durch Glenn T. Seaborg, noch vor der eigentlichen Bekanntmachung bei einem Symposium derAmerican Chemical Society: Einer der jungen Zuhörer fragte den Gast der Sendung, Seaborg, ob während desZweiten Weltkrieges im Zuge der Erforschung von Nuklearwaffen neue Elemente entdeckt wurden. Seaborg bejahte die Frage und enthüllte dabei auch gleichzeitig die Entdeckung des nächsthöheren Elements,Curium.[11]

Americium (241Am und242Am) und seine Produktion wurde später unter dem NamenElement 95 and method of producing said element patentiert, wobei als Erfinder nur Glenn T. Seaborg angegeben wurde.[12]

In elementarer Form wurde es erstmals im Jahr 1951 durch Reduktion vonAmericium(III)-fluorid mitBarium dargestellt.[13]

Vorkommen

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Americiumisotope entstehen imr-Prozess inSupernovae und kommen auf derErde wegen ihrer im Vergleich zum Alter der Erde zu geringenHalbwertszeit nicht natürlich vor.

Heutzutage wird jedoch Americium als Nebenprodukt inKernkraftwerken erbrütet; das Americiumisotop241Am entsteht als Zerfallsprodukt (u. a. in abgebranntenBrennstäben) aus dem Plutoniumisotop241Pu. Eine Tonne abgebrannten Kernbrennstoffs enthält durchschnittlich etwa 100 g verschiedener Americiumisotope.[14] Es handelt sich dabei hauptsächlich um die α-Strahler241Am und243Am, die aufgrund ihrer relativ langen Halbwertszeiten in derEndlagerung unerwünscht sind und deshalb zumTransuranabfall zählen. Eine Verminderung der Langzeitradiotoxizität in nuklearen Endlagern wäre durch Abtrennung langlebiger Isotope aus abgebrannten Kernbrennstoffen möglich. Zur Beseitigung des Americiums wird derzeit diePartitioning & Transmutation-Strategie untersucht.[15][16]

Da Americium auf der Erde nicht natürlich vorkommt, ist jegliches anderweitige Vorkommen in der Natur durch Kontamination verursacht. Seit den oberirdischen Atomwaffenversuchen ist es ubiquitär auf derNordhalbkugel in geringen Konzentrationen in Boden, Luft undHydrosphäre nachweisbar.[17] Über diese Grundkontamination hinaus konzentriert sich die bestehende Kontamination mit Americium aufGebiete, die zwischen 1945 und 1980 für Atomwaffentests genutzt wurden,[17] wie dieWüste von Nevada, dasBikini-Atoll,Nowaja Semlja,Kasachstan,Nullarbor-Wüste (Australien). Dazu kommen von nuklearen Unfällen betroffene Gebiete[17], z. B.Tschernobyl oderWindscale etc. und Flächen die bei Unfällen mit Atomwaffen verseucht worden sind,[17] z. B.Palomares im spanischenAlmeria, wo sich das beim Unfall freigesetzte und nicht beseitigte Plutonium-241 im Laufe der Jahre zu Americum-241 umgewandelt hat, oderThule (Grönland). Hinzu kommen Gebiete und Gewässer, in denen radioaktive Abfälle unsachgemäß gelagert oder entsorgt wurden, wie dasKarische Meer, dieBarentssee, sowie der Umkreis von Anlagen der Kernwaffenproduktion in den USA und Russland wieHanford,Rocky Flats,Tschelyabinsk undKyschtym.[17] Bei erhöhter Kontamination des Bodens liegt durch Aufwirbelung vonAerosolen eine örtlich erhöhte Kontamination der Luft in diesen Gebieten vor.[17]

Gewinnung und Darstellung

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Gewinnung von Americiumisotopen

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Americium fällt in geringen Mengen inKernreaktoren an. Es steht heute in Mengen von wenigen Kilogramm zur Verfügung. Durch die aufwändige Gewinnung aus abgebranntenBrennstäben hat es einen sehr hohen Preis. Seit der Markteinführung 1962 soll der Preis fürAmericium(IV)-oxid mit dem Isotop241Am bei etwa 1500 US-Dollar proGramm liegen.[18] Das Americiumisotop243Am entsteht in geringeren Mengen im Reaktor aus241Am und ist deshalb mit 160 US-Dollar proMilligramm243Am[19] noch wesentlich teurer.

Americium wird über das Plutoniumisotop239Pu in Kernreaktoren mit hohem238U-Anteil zwangsläufig erbrütet, da es aus diesem durchNeutroneneinfang und zwei anschließendeβ-Zerfälle (über239U und239Np) entsteht.

 92238U (n,γ)  92239U 23,5 minβ  93239Np 2,3565 dβ  94239Pu{\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23,5\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2,3565\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }
Die angegebenen Zeiten sindHalbwertszeiten.

Danach wird, wenn es nicht zur Kernspaltung kommt, aus dem239Pu, neben anderen Nukliden, durch stufenweisen Neutroneneinfang (n,γ) und anschließenden β-Zerfall241Am oder243Am erbrütet.

 94239Pu 2(n,γ)  94241Pu 14,35 aβ  95241Am{\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow {2(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{241}Pu\ {\xrightarrow[{14,35\ a}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{241}Am} }

Das Plutonium, welches aus abgebrannten Brennstäben von Leistungsreaktoren gewonnen werden kann, besteht zu etwa 12 % aus dem Isotop241Pu.[18] Deshalb erreichen erst 70 Jahre, nachdem der Brutprozess beendet wurde, die abgebrannten Brennstäbe ihren Maximalgehalt von241Am; danach nimmt der Gehalt wieder (langsamer als der Anstieg) ab.[20]

Aus dem so entstandenen241Am kann durch weiteren Neutroneneinfang im Reaktor242Am entstehen. BeiLeichtwasserreaktoren soll aus dem241Am zu 79 %242Am und zu 10 %242mAm entstehen:[21]

zu 79 %: 95241Am (n,γ)  95242Am{\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am} }

zu 10 %: 95241Am (n,γ)    95242mAm{\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ \ \ 95}^{242m}Am} }

Für die Erbrütung von243Am ist ein vierfacher Neutroneneinfang des239Pu erforderlich:

 94239Pu 4(n,γ)  94243Pu 4,956 hβ  95243Am{\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow {4(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{243}Pu\ {\xrightarrow[{4,956\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{243}Am} }

Darstellung elementaren Americiums

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Metallisches Americium kann durchReduktion aus seinen Verbindungen erhalten werden. Zuerst wurdeAmericium(III)-fluorid zur Reduktion verwendet. Dieses wird hierzu in wasser- und sauerstofffreier Umgebung in Reaktionsapparaturen ausTantal undWolfram mit elementaremBarium zur Reaktion gebracht.[13][22]

2AmF3+3Ba2Am+3BaF2{\displaystyle {\ce {2 AmF3 + 3 Ba -> 2 Am + 3 BaF2}}}

Auch die Reduktion vonAmericium(IV)-oxid mittelsLanthan oderThorium ergibt metallisches Americium.[23]

3AmO2+4La3Am+2La2O3{\displaystyle {\ce {3 AmO2 + 4 La -> 3 Am + 2 La2O3}}}

Eigenschaften

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Am-241 unter dem Mikroskop
Doppelt-hexagonal dichteste Kugelpackung mit der Schichtfolge ABAC in der Kristallstruktur von α-Am (A: grün; B: blau; C: rot)

ImPeriodensystem steht das Americium mit der Ordnungszahl 95 in der Reihe der Actinoide, sein Vorgänger ist das Plutonium, das nachfolgende Element ist das Curium. SeinAnalogon in der Reihe der Lanthanoiden ist dasEuropium.

Physikalische Eigenschaften

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Americium ist ein radioaktives Metall. Frisch hergestelltes Americium ist ein silberweißes Metall, welches jedoch beiRaumtemperatur langsam matt wird. Es ist leicht verformbar. Sein Schmelzpunkt beträgt 1176 °C[23], der Siedepunkt liegt bei 2607 °C. Die Dichte beträgt 13,67 g·cm−3[23].[24] Es tritt in zwei Modifikationen auf.

Die beiStandardbedingungen stabileModifikation α-Am kristallisiert imhexagonalen Kristallsystem in derRaumgruppeP63/mmc (Raumgruppen-Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194 mit denGitterparameterna = 346,8 pm undc = 1124 pm sowie vierFormeleinheiten proElementarzelle. DieKristallstruktur besteht aus einer doppelt-hexagonal dichtesten Kugelpackung (d. h.c.p.) mit der Schichtfolge ABAC und ist damitisotyp zur Struktur vonα-La.[24][22]

Bei hohem Druck geht α-Am in β-Am über. Die β-Modifikation kristallisiert imkubischen Kristallsystem in der Raumgruppe Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225 mit dem Gitterparametera = 489 pm[24][22], was einemkubisch flächenzentrierten Gitter (f.c.c.) beziehungsweise einer kubisch dichtesten Kugelpackung mit der Stapelfolge ABC entspricht.

DieLösungsenthalpie von Americium-Metall inSalzsäure bei Standardbedingungen beträgt −620,6 ± 1,3 kJ·mol−1. Ausgehend von diesem Wert erfolgte die erstmalige Berechnung derStandardbildungsenthalpiefH0) von Am3+(aq) auf −621,2 ± 2,0 kJ·mol−1 und desStandardpotentials Am3+ / Am0 auf −2,08 ± 0,01 V.[25]

Chemische Eigenschaften

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Americium ist ein sehr reaktionsfähiges Element, das schon mitLuftsauerstoff reagiert und sich gut inSäuren löst. GegenüberAlkalien ist es stabil.

Die stabilsteOxidationsstufe für Americium ist +3, die Am(III)-Verbindungen sind gegen Oxidation und Reduktion sehr stabil. Mit dem Americium liegt der erste Vertreter der Actinoiden vor, der in seinem Verhalten eher denLanthanoiden ähnelt als den d-Block-Elementen.

Es ist auch in den Oxidationsstufen +2 sowie +4, +5, +6 und +7 zu finden. Je nachOxidationszahl variiert die Farbe von Americium in wässrigerLösung ebenso wie in festenVerbindungen:
Am3+ (gelbrosa), Am4+ (gelbrot), AmVO2+ (gelb), AmVIO22+ (zitronengelb), AmVIIO65− (dunkelgrün).

Im Gegensatz zumhomologen Europium – Americium hat eine zu Europium analogeElektronenkonfiguration – kann Am3+ in wässriger Lösung nicht zu Am2+reduziert werden.

Verbindungen mit Americium ab Oxidationszahl +4 aufwärts sind starkeOxidationsmittel, vergleichbar demPermanganat-Ion (MnO4) in saurer Lösung.[26]

Die in wässriger Lösung nicht beständigen Am4+-Ionen lassen sich nur noch mit starken Oxidationsmitteln aus Am(III) darstellen. In fester Form sind zwei Verbindungen des Americiums in der Oxidationsstufe +4 bekannt:Americium(IV)-oxid (AmO2) undAmericium(IV)-fluorid (AmF4).

Der fünfwertige Oxidationszustand wurde beim Americium erstmals 1951 beobachtet.[27] In wässriger Lösung liegen primär AmO2+-Ionen (sauer) oder AmO3-Ionen (alkalisch) vor, die jedoch instabil sind und einer raschenDisproportionierung unterliegen:[28][29]

3AmO2++4H+2AmO22++Am3++2H2O{\displaystyle {\ce {3 AmO2^+ + 4 H^+ -> 2 AmO2^2+ + Am^3+ + 2 H2O}}}

Zunächst ist von einer Disproportionierung zur Oxidationsstufe +6 und +4 auszugehen:

2Am(V)Am(VI)+Am(IV){\displaystyle {\ce {2 Am (V) -> Am (VI) + Am (IV)}}}

Etwas beständiger als Am(IV) und Am(V) sind die Americium(VI)-Verbindungen. Sie lassen sich aus Am(III) durch Oxidation mitAmmoniumperoxodisulfat in verdünnter Salpetersäure herstellen. Der typische rosafarbene Ton verschwindet in Richtung zu einer starken Gelbfärbung.[30] Zudem kann die Oxidation mitSilber(I)-oxid in Perchlorsäure quantitativ erreicht werden.[31] InNatriumcarbonat- oderNatriumhydrogencarbonat-Lösungen ist eine Oxidation mitOzon oderNatriumperoxodisulfat gleichfalls möglich.[32]

  • Americium(III) in 2 M Na2CO3-Lösung
    Americium(III)
    in 2 M Na2CO3-Lösung
  • Americium(IV) in 2 M Na2CO3-Lösung
    Americium(IV)
    in 2 M Na2CO3-Lösung
  • Americium(IV) und (VI) in 2 M Na2CO3-Lösung
    Americium(IV) und (VI)
    in 2 M Na2CO3-Lösung

Biologische Aspekte

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Eine biologische Funktion des Americiums ist nicht bekannt.[33] Vorgeschlagen wurde der Einsatz immobilisierter Bakterienzellen zur Entfernung von Americium und anderen Schwermetallen aus Fließgewässern. So könnenEnterobakterien der GattungCitrobacter durch diePhosphataseaktivität in ihrerZellwand bestimmte Americiumnuklide aus wässriger Lösung ausfällen und als Metall-Phosphat-Komplex binden.[34] Ferner wurden die Faktoren untersucht, die dieBiosorption undBioakkumulation des Americiums durch Bakterien[35][36] und Pilze[37] beeinflussen.

Spaltbarkeit

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Das Isotop242m1Am hat mit rund 5700 barn den höchsten bisher (10/2008) gemessenen thermischenSpaltquerschnitt.[38] Damit geht eine kleinekritische Masse einher, weswegen242m1Am als Spaltmaterial vorgeschlagen wurde, um beispielsweise Raumschiffe mit Kernenergieantrieb anzutreiben.[39]

Dieses Isotop eignet sich prinzipiell auch zum Bau vonKernwaffen. Die kritische Masse einer reinen242m1Am-Kugel beträgt etwa 9–14 kg. Die Unsicherheiten der verfügbarenWirkungsquerschnitte lassen derzeit keine genauere Aussage zu. Mit Reflektor beträgt die kritische Masse noch etwa 3–5 kg.[40] In wässriger Lösung wird sie nochmals stark herabgesetzt. Auf diese Weise ließen sich sehr kompakte Sprengköpfe bauen. Nach öffentlichem Kenntnisstand wurden bisher keine Kernwaffen aus242m1Am gebaut, was mit der geringen Verfügbarkeit und dem hohen Preis begründet werden kann.

Aus denselben Gründen wird242m1Am auch nicht alsKernbrennstoff inKernreaktoren eingesetzt, obwohl es dazu prinzipiell sowohl in thermischen als auch inschnellen Reaktoren geeignet wäre.[41] Auch die beiden anderen häufiger verfügbaren Isotope,241Am und243Am können in einem schnellen Reaktor eine Kettenreaktion aufrechterhalten. Die kritischen Massen sind hier jedoch sehr hoch. Sie betragen unreflektiert 57,6–75,6 kg bei241Am und 209 kg bei243Am[42], so dass sich durch die Verwendung keine Vorteile gegenüber herkömmlichen Spaltstoffen ergeben.

Entsprechend ist Americium rechtlich nach§ 2 Abs. 1 desAtomgesetzes nicht den Kernbrennstoffen zugeordnet. Es existieren jedoch Vorschläge, sehr kompakte Reaktoren mit einem Americium-Inventar von lediglich knapp 20 g zu konstruieren, die in Krankenhäusern alsNeutronenquelle für dieNeutroneneinfangtherapie verwendet werden können.[43]

Isotope

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Von Americium sind 16Isotope und 11Kernisomere mitHalbwertszeiten zwischen Bruchteilen von Mikrosekunden und 7370 Jahren bekannt. Es gibt zwei langlebigeα-strahlende Isotope241Am mit 432,2 und243Am mit 7370 Jahren Halbwertszeit. Außerdem hat das Kernisomer242m1Am mit 141 Jahren eine lange Halbwertszeit. Die restlichen Kernisomere und Isotope haben mit 0,64 µs bei245m1Am bis 50,8 Stunden bei240Am kurze Halbwertszeiten.[6]

241Am ist das am häufigsten erbrütete Americiumisotop und liegt auf derNeptunium-Reihe. Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von 432,2 Jahren[6] mit einemα-Zerfall zu237Np.241Am gibt nur mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,35 % die gesamte Zerfallsenergie mit dem α-Teilchen ab, sondern emittiert meistens noch ein oder mehrereGammaquanten.[44]

242Am ist kurzlebig und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 16,02 h[6] zu 82,7 % durch β-Zerfall zu242Cm und zu 17,3 % durchElektroneneinfang zu242Pu. Das242Cm zerfällt zu238Pu und dieses weiter zu234U, das auf derUran-Radium-Reihe liegt. Das242Pu zerfällt über die gleiche Zerfallskette wie238Pu. Während jedoch238Pu als Seitenarm beim234U auf die Zerfallskette kommt, steht242Pu noch vor dem238U.242Pu zerfällt durch α-Zerfall in238U, den Beginn der natürlichen Uran-Radium-Reihe.

242m1Am zerfällt mit einer Halbwertszeit von 141 Jahren[6] zu 99,541 % durchInnere Konversion zu242Am und zu 0,459 % durch α-Zerfall zu238Np. Dieses zerfällt zu238Pu und dann weiter zu234U, das auf derUran-Radium-Reihe liegt.

243Am ist mit einer Halbwertszeit von 7370 Jahren[6] das langlebigste Americiumisotop. Es geht zunächst durch α-Strahlung in239Np über, das durch β-Zerfall weiter zu239Pu zerfällt. Das239Pu zerfällt durch α-Strahlung zu Uran235U, dem offiziellen Anfang derUran-Actinium-Reihe.

Die Americiumisotope mitungeraderNeutronenzahl, also geraderMassenzahl, sind gut durchthermische Neutronenspaltbar.

Liste der Americiumisotope

Verwendung

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Für die Verwendung von Americium sind vor allem die beiden langlebigsten Isotope241Am und243Am von Interesse. In der Regel wird es in Form des Oxids (AmO2) verwendet.

Americium 241 in einem Rauchmelder

Ionisationsrauchmelder

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Dieα-Strahlung des241Am wird inIonisationsrauchmeldern genutzt.[18] Es wird gegenüber226Ra bevorzugt, da es vergleichsweise wenigγ-Strahlung emittiert. Dafür muss aber dieAktivität gegenüber Radium ca. das Fünffache betragen. Die Zerfallsreihe von241Am „endet“ für den Verwendungszeitraum quasi direkt nach dessen α-Zerfall bei237Np, das eine Halbwertszeit von rund 2,144 Millionen Jahren besitzt.

Radionuklidbatterien

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241Am wird wegen besserer Verfügbarkeit von derESA zur Befüllung vonRadionuklidbatterien (RTG) vonRaumsonden untersucht. Die ESA-Mitgliedsstaaten verfügen über keinen Brutreaktor, der das bisher häufig eingesetzte238Pu in den notwendigen Mengen produzieren könnte, somit ist man bisher für Missionen jenseits der Jupiterumlaufbahn auf eine Zusammenarbeit mit der NASA angewiesen.241Am lässt sich hingegen deutlich preiswerter aus leicht verfügbaren abgebrannten Kernbrennstäben oder dem sogenanntenAtommüll in ausreichenden Mengen isolieren. Der Leistungsabfall über eine Missionsdauer von 15 bis 20 Jahren ist mit 3,2 % deutlich geringer als bei Einheiten auf Basis von238Pu mit 15 %.[45] Die ESA plante, ab Mitte der 2020er[veraltet] Radionuklidbatterien in Missionsstudien zu berücksichtigen.[46] Die Zerfallsprodukte eines solchen RTG sind in erster Linie die sehr langlebigen Alphastrahler237Np und233U. Ein RTG aus241Am benötigt allerdings die vierfache Masse als ein RTG mit vergleichbarer anfänglicher Leistung aus238Pu. Besondere Vorteile hätte ein solcher RTG für sehr langlebige Missionen.

Neutronenquellen

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241Am als Oxid mitBeryllium verpresst stellt eineNeutronenquelle dar, die beispielsweise für radiochemische Untersuchungen eingesetzt wird.[2] Hierzu wird der hohe Wirkungsquerschnitt des Berylliums für (α,n)-Kernreaktionen ausgenutzt, wobei das Americium als Produzent der α-Teilchen dient. Die entsprechenden Reaktionsgleichungen lauten:

 95241Am   93237Np + 24He + γ{\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{237}Np\ +\ _{2}^{4}He\ +\ \gamma } }
49Be + 24He   612C + 01n + γ{\displaystyle \mathrm {^{9}_{4}Be\ +\ _{2}^{4}He\ \longrightarrow \ _{\ 6}^{12}C\ +\ _{0}^{1}n\ +\ \gamma } }

Derartige Neutronenquellen kommen beispielsweise in derNeutronenradiographie und-tomographie zum Einsatz.

Ionisator

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Americium 241 im Bürstenkopf

Neben dem häufig verwendeten210Po alsIonisator zur Beseitigung von unerwünschterelektrostatischer Aufladung kam auch241Am zum Einsatz. Dazu wurde z. B. die Quelle am Kopf einer Bürste montiert, mit der man langsam über die zu behandelnden Oberflächen strich und dadurch eine Wiederverschmutzung durch elektrostatisch angezogene Staubpartikel vermeiden konnte.

Herstellung anderer Elemente

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Americium ist Ausgangsmaterial zur Erzeugung höhererTransurane und auch derTransactinoide. Aus242Am entsteht zu 82,7 % Curium (242Cm) und zu 17,3 % Plutonium (242Pu). Im Kernreaktor wird zwangsläufig in geringen Mengen durch Neutroneneinfang aus243Am das244Am erbrütet, das durch β-Zerfall zum Curiumisotop244Cm zerfällt.

 95243Am (n,γ)  95244Am 10,1 hβ  96244Cm{\displaystyle \mathrm {^{243}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{244}Am\ {\xrightarrow[{10,1\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{244}Cm} }

InTeilchenbeschleunigern führt zum Beispiel der Beschuss von241Am mit Kohlenstoffkernen (12C) beziehungsweise Neonkernen (22Ne) zu den ElementenEinsteinium247Es beziehungsweiseDubnium260Db.[2]

Spektrometer

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Mit seiner intensivenGammastrahlungs-Spektrallinie bei 60 keV eignet sich241Am gut als Strahlenquelle für die Röntgen-Fluoreszenzspektroskopie. Dies wird auch zurKalibrierung vonGammaspektrometern im niederenergetischen Bereich verwendet, da die benachbarten Linien vergleichsweise schwach sind und so ein einzeln stehender Peak entsteht. Zudem wird der Peak nur vernachlässigbar durch dasCompton-Kontinuum höherenergetischer Linien gestört, da diese ebenfalls höchstens mit einer um mindestens drei Größenordnungen geringeren Intensität auftreten.[47]

Sicherheitshinweise und Gefahren

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Einstufungen nach derCLP-Verordnung liegen nicht vor, weil diese nur die chemische Gefährlichkeit umfassen, welche eine völlig untergeordnete Rolle gegenüber den auf derRadioaktivität beruhenden Gefahren spielt. Eine chemische Gefahr liegt überhaupt nur dann vor, wenn es sich um eine dafür relevante Stoffmenge handelt.

Da von Americium nur radioaktive Isotope existieren, darf es selbst sowie seine Verbindungen nur in geeigneten Laboratorien unter speziellen Vorkehrungen gehandhabt werden. Die meisten gängigen Americiumisotope sind α-Strahler, weshalb eineInkorporation unbedingt vermieden werden muss. Das breite Spektrum der hieraus resultierenden meist ebenfalls radioaktiven Tochternuklide stellt ein weiteres Risiko dar, das bei der Wahl der Sicherheitsvorkehrungen berücksichtigt werden muss.[48]241Am gibt beim radioaktiven Zerfall große Mengen relativ weicher Gammastrahlung ab, die sich gut abschirmen lässt.[49]

Nach Untersuchungen des Forschers Arnulf Seidel vom Institut für Strahlenbiologie desKernforschungszentrums Karlsruhe erzeugt Americium (wiePlutonium), bei Aufnahme in den Körper, mehrKnochentumore als dieselbe DosisRadium.[50]

Die biologische Halbwertszeit von241Am beträgt in denKnochen 50 Jahre und in derLeber 20 Jahre. In denGonaden verbleibt es dagegen offensichtlich dauerhaft.[51]

Verbindungen

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→ Kategorie:Americiumverbindung

Oxide

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Von Americium existierenOxide derOxidationsstufen +3 (Am2O3) und +4 (AmO2).

Americium(III)-oxid (Am2O3) ist ein rotbrauner Feststoff und hat einen Schmelzpunkt von 2205 °C.[52]

Americium(IV)-oxid (AmO2) ist die wichtigste Verbindung dieses Elements. Nahezu alle Anwendungen dieses Elements basieren auf dieser Verbindung. Sie entsteht unter anderem implizit in Kernreaktoren beim Bestrahlen vonUrandioxid (UO2) bzw.Plutoniumdioxid (PuO2) mit Neutronen. Es ist ein schwarzer Feststoff und kristallisiert – wie die anderenActinoiden(IV)-oxide – imkubischen Kristallsystem in derFluorit-Struktur.

Halogenide

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Halogenide sind für die Oxidationsstufen +2, +3 und +4 bekannt.[53] Die stabilste Stufe +3 ist für sämtliche Verbindungen von Fluor bis Iod bekannt und in wässriger Lösung stabil.[54]

Oxidations-
zahl
FClBrI
+4Americium(IV)-fluorid
AmF4
schwach rosa
+3Americium(III)-fluorid
AmF3
rosa
Americium(III)-chlorid
AmCl3
rosa
Americium(III)-bromid
AmBr3
hellgelb
Americium(III)-iodid
AmI3
hellgelb
+2Americium(II)-chlorid
AmCl2
schwarz
Americium(II)-bromid
AmBr2
schwarz
Americium(II)-iodid
AmI2
schwarz

Americium(III)-fluorid (AmF3) ist schwerlöslich und kann durch die Umsetzung einer wässrigen Americiumlösung mit Fluoridsalzen im schwachSauren durch Fällung hergestellt werden:

Am3+ (aq)+ 3 F (aq) AmF3 (s){\displaystyle \mathrm {Am^{3+}\ _{(aq)}+\ 3\ F^{-}\ _{(aq)}\longrightarrow \ AmF_{3}\ _{(s)}\downarrow } }

Das tetravalenteAmericium(IV)-fluorid (AmF4) ist durch die Umsetzung von Americium(III)-fluorid mit molekularemFluor zugänglich:[55]

2 AmF3 + F2  2 AmF4{\displaystyle \mathrm {2\ AmF_{3}\ +\ F_{2}\ \longrightarrow \ 2\ AmF_{4}} }

In der wässrigen Phase wurde das vierwertige Americium auch beobachtet.[56]

Americium(III)-chlorid (AmCl3) bildet rosafarbenehexagonale Kristalle. SeineKristallstruktur istisotyp mitUran(III)-chlorid. Der Schmelzpunkt der Verbindung liegt bei 715 °C.[53] Das Hexahydrat (AmCl3·6 H2O) weist einemonokline Kristallstruktur auf.[57]

Durch Reduktion mit Na-Amalgam aus Am(III)-Verbindungen sind Am(II)-Salze zugänglich: die schwarzen Halogenide AmCl2, AmBr2 und AmI2. Sie sind sehr sauerstoffempfindlich, und oxidieren in Wasser unter Freisetzung von Wasserstoff zu Am(III)-Verbindungen.

Chalkogenide und Pentelide

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Von denChalkogeniden sind bekannt: dasSulfid (AmS2)[58], zweiSelenide (AmSe2 und Am3Se4)[58][59] und zweiTelluride (Am2Te3 und AmTe2).[60]

DiePentelide des Americiums (243Am) des Typs AmX sind für die ElementePhosphor,Arsen,[61]Antimon undBismut dargestellt worden. Sie kristallisieren im NaCl-Gitter.[59]

Silicide und Boride

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Americiummonosilicid (AmSi) und Americium„disilicid“ (AmSix mit: 1,87 < x < 2,0) wurden durch Reduktion vonAmericium(III)-fluorid mit elementarenSilicium im Vakuum bei 1050 °C (AmSi) und 1150–1200 °C (AmSix) dargestellt. AmSi ist eine schwarze Masse, isomorph mit LaSi. AmSix ist eine hellsilbrige Verbindung mit einem tetragonalen Kristallgitter.[62]

Boride der Zusammensetzungen AmB4 und AmB6 sind gleichfalls bekannt.[63]

Metallorganische Verbindungen

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Analog zuUranocen, einerOrganometallverbindung in der Uran von zweiCyclooctatetraen-Liganden komplexiert ist, wurden die entsprechenden Komplexe vonThorium,Protactinium, Neptunium, Plutonium und auch des Americiums, (η8-C8H8)2Am, dargestellt.[64]

Literatur

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Weblinks

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Commons: Americium – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Americium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

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  1. Die Werte der atomaren und physikalischen Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, auswww.webelements.com (Americium) entnommen.
  2. abcdefHarry H. Binder:Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999,ISBN 3-7776-0736-3, S. 18–23.
  3. abcdeEintrag zuamericium in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019):NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1). Hrsg.:National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD.doi:10.18434/T4W30F (physics.nist.gov/asd).  Abgerufen am 13. Juni 2020.
  4. abcdeEintrag zuamericium beiWebElements,www.webelements.com, abgerufen am 13. Juni 2020.
  5. Robert C. Weast (Hrsg.):CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990,ISBN 0-8493-0470-9, S. E-129 bis E-145. Die Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  6. abcdefghG. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra:The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties, in:Nuclear Physics A, 729, 2003, S. 3–128.doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. (PDF; 1,0 MB).
  7. Die von der Radioaktivität ausgehenden Gefahren gehören nicht zu den einzustufenden Eigenschaften nach der GHS-Kennzeichnung. In Bezug auf weitere Gefahren wurde dieses Element entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
  8. G. T. Seaborg, R. A. James, L. O. Morgan:The New Element Americium (Atomic Number 95), NNES PPR(National Nuclear Energy Series, Plutonium Project Record), Vol. 14 BThe Transuranium Elements: Research Papers, Paper No. 22.1, McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, 1949 (Abstract;Maschinoskript (Januar 1948)).
  9. K. Street, Jr., A. Ghiorso, G. T. Seaborg:The Isotopes of Americium, in:Physical Review,1950,79 (3), S. 530–531 (doi:10.1103/PhysRev.79.530;Maschinoskript (11. April 1950)).
  10. Übersetzung:Der Name Americium (nach den beiden Amerikas) und das Symbol Am werden für das Element vorgeschlagen – basierend auf seiner Position als sechstes Mitglied der Actinoid-Seltenerdmetalle-Serie, in Analogie zum Europium, Eu, aus der Lanthanoiden-Serie.
  11. Rachel Sheremeta Pepling:Americium. Chemical & Engineering News, 2003.
  12. Patent US3156523: Element 95 and method of producing said element. Angemeldet am 23. August 1946, veröffentlicht am 10. November 1964, Erfinder: Glenn T. Seaborg.
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  14. Klaus Hoffmann:Kann man Gold machen? Gauner, Gaukler und Gelehrte. Aus der Geschichte der chemischen Elemente, Urania-Verlag; Leipzig, Jena, Berlin 1979,DNB800228367, S. 233.
  15. L. H. Baetsle:Application of Partitioning/Transmutation of Radioactive Materials in Radioactive Waste Management (Memento vom 26. April 2005 imInternet Archive) (PDF; 2,4 MB), September 2001.
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  59. abJ. W. Roddy:Americium Metallides: AmAs, AmSb, AmBi, Am3Se4, and AmSe2, in:J. Inorg. Nucl. Chem.,1974,36 (11), S. 2531–2533 (doi:10.1016/0022-1902(74)80466-5).
  60. D. Damien:Americium Tritelluride and Ditelluride, in:Inorg. Nucl. Chem. Lett.,1972,8 (5), S. 501–504 (doi:10.1016/0020-1650(72)80262-9).
  61. J. P. Charvillat, D. Damien:Americium Monoarsenide, in:Inorg. Nucl. Chem. Lett.,1973,9 (5), S. 559–563 (doi:10.1016/0020-1650(73)80191-6).
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Periodensystem derElemente
HHe
LiBeBCNOFNe
NaMgAlSiPSClAr
KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr
RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXe
CsBaLaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLuHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn
FrRaAcThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLrRfDbSgBhHsMtDsRgCnNhFlMcLvTsOg
AlkalimetalleErdalkalimetalleLanthanoideActinoideÜbergangsmetalleMetalleHalbmetalleNichtmetalleHalogeneEdelgaseChemie unbekannt
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