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Curium

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Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Curium, Cm, 96
Elementkategorie
Gruppe, Periode, Block Ac, 7, [[Periodensystem#Block|f]]
Aussehen silbrig-weißes Metall
Massenanteil an der Erdhülle 0
Atomar[1]
Atommasse 247,0703 u
Atomradius 174,3 pm[2] pm
Elektronenkonfiguration [Rn] 5f76d17s2
1. Ionisierungsenergie 581
Physikalisch[1]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur hexagonal
Dichte 13,51 g/cm3
Schmelzpunkt 1613 K (1340 °C)
Siedepunkt 3383 (3110 °C)
Molares Volumen 18,05 · 10−6 m3·mol−1
Wärmeleitfähigkeit 10[3] W·m−1·K−1 bei 300 K
Chemisch[1]
Oxidationszustände (+2), +3, +4
Normalpotential −2,06 V (Cm3+ + 3 e− → Cm)
Elektronegativität 1,3 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
234Cm {syn.} 51 s α 7,239 230Pu
ε ? 234Am
SF ? ?
238Cm {syn.} 2,4 h α 6,620 234Pu
ε ? 238Am
239Cm {syn.} 3 h ε ? 239Am
240Cm {syn.} 27 d α 6,397 236Pu
ε 0,215 240Am
SF ? ?
241Cm {syn.} 32,8 d ε 0,767 241Am
α 6,185 237Pu
242Cm {syn.} 162,8 d α 6,216 238Pu
SF ? ?
243Cm {syn.} 29,1 a α 6,169 239Pu
ε 0,009 243Am
244Cm {syn.} 18,1 a α 5,902 240Pu
SF ? ?
245Cm {syn.} 8500 a α 5,623 241Pu
SF ? ?
246Cm {syn.} 4760 a α 5,475 242Pu
SF ? ?
247Cm {syn.} 1,56 · 107 a α 5,353 243Pu
SF ? ?
248Cm {syn.} 348.000 a α 5,162 244Pu
SF ? ?
249Cm {syn.} 64,15 min β− 0,90 249Bk
250Cm {syn.} 9700 a SF ? ?
α 5,169 246Pu
β− 0,037 250Bk
251Cm {syn.} 16,8 min β− 1,420 251Bk
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
Gefahren- und Sicherheitshinweise
Radioaktiv
Radioaktiv
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[4]

{{{GHS-Piktogramme}}}

H- und P-Sätze H: {{{H}}}
EUH: {{{EUH}}}
P: {{{P}}}
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Curium ist ein ausschließlich künstlich erzeugtes chemisches Element mit dem Symbol Cm und der Ordnungszahl 96 im Periodensystem der Elemente. Es gehört zur Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block) und zählt auch zu den Transuranen. Curium wurde nach den Forschern Marie Curie und Pierre Curie benannt.

Bei Curium handelt es sich um ein radioaktives Metall mit einer großen Härte und einem silbrig-weißen Aussehen. Es wird in Kernreaktoren gebildet, eine Tonne abgebrannten Kernbrennstoffs enthält durchschnittlich etwa 20 g des Metalls.

Curium wurde im Sommer 1944 erstmalig aus dem leichteren Element Plutonium erzeugt, die Entdeckung wurde zunächst nicht veröffentlicht. Kurioserweise wurde dessen Existenz in einer amerikanischen Radiosendung für Kinder durch den Entdecker Glenn T. Seaborg, dem Gast der Sendung, der Öffentlichkeit preisgegeben, der die Frage eines jungen Zuhörers bejahte, ob neue Elemente entdeckt worden seien.

Curium ist ein starker Alphastrahler; es wird gelegentlich aufgrund der sehr großen Wärmeentwicklung während des Zerfalls in Radionuklidbatterien eingesetzt. Außerdem wurde es zur Erzeugung von 238Pu für gammastrahlungsarme Radionuklidbatterien, beispielsweise in Herzschrittmachern, verwendet. Das Element kann weiterhin als Ausgangsmaterial zur Erzeugung höherer Transurane und Transactinoide eingesetzt werden. Es diente auch als α-Strahlenquelle in Röntgenspektrometern, mit denen die Mars-Rover Sojourner, Spirit und Opportunity auf der Oberfläche des Planeten Mars Felsen chemisch analysierten.

Geschichte

Datei:Seaborg Lab Portrait.jpg
Glenn T. Seaborg

Curium wurde im Sommer 1944 von Glenn T. Seaborg und seinen Mitarbeitern Ralph A. James und Albert Ghiorso entdeckt. In ihren Versuchsreihen benutzten sie ein 60-Inch-Cyclotron an der Universität von Californien in Berkeley. Die Probenvorbereitung erfolgte zunächst durch Auftragen von Plutoniumnitratlösung auf eine Platinfolie (etwa 0,5 cm2), die Lösung wurde eingedampft und der Rückstand dann zum Oxid geglüht. Nach dem Beschuss im Cyclotron wurde die Beschichtung mittels HNO3 gelöst, anschließend wieder mit Ammoniak als Hydroxid ausgefällt und in Perchlorsäure gelöst. Die weitere Trennung erfolgte mit Ionenaustauschern. Bei den Versuchsreihen wurden zwei verschiedene Isotope erzeugt: 242Cm und 240Cm.[6][7][8][9]

Das erste Isotop 242Cm erzeugten sie im Juli/August 1944 durch Beschuss von 239Pu mit α-Teilchen . Hierbei entsteht in einer sogenannten (α,n)-Reaktion das gewünschte Isotop und ein Neutron:

Die Identifikation konnte zweifelsfrei anhand der charakteristischen Energie des beim Zerfall ausgesandten α-Teilchens erlangt werden. Die Halbwertszeit dieses α-Zerfalls wurde erstmals auf 150 Tage bestimmt (162,8 d[10]).

Das zweite, kurzlebigere Isotop 240Cm, das ebenfalls durch Beschuss von 239Pu mit α-Teilchen entsteht, entdeckten sie erst später im März 1945:

Die Halbwertszeit des anschließenden α-Zerfalls wurde erstmals auf 26,7 Tage bestimmt (27 d[10]).

Nach Neptunium und Plutonium war es das dritte Transuran, das seit dem Jahr 1940 entdeckt wurde. Seine Erzeugung gelang noch vor der des in der Ordnungszahl um 1 tiefer stehenden Elements Americium. Auf Grund des andauernden Zweiten Weltkriegs wurde die Entdeckung des neuen Elements zunächst nicht veröffentlicht. Die Öffentlichkeit erfuhr erst auf äußerst kuriose Weise von dessen Existenz. In der amerikanischen Radiosendung Quiz Kids vom 11. November 1945 fragte einer der jungen Zuhörer Glenn Seaborg, den Gast der Sendung, ob während des Zweiten Weltkriegs im Zuge der Erforschung von Nuklearwaffen neue Elemente entdeckt worden seien. Seaborg bejahte die Frage und enthüllte damit die Existenz des Elements gleichzeitig mit der des nächstniedrigeren Elements, Americium.[11] Dies geschah noch vor der offiziellen Bekanntmachung bei einem Symposium der American Chemical Society.

Die Entdeckung von Curium (242Cm, 240Cm), ihre Produktion und die ihrer Verbindungen wurden später unter dem Namen „ELEMENT 96 AND COMPOSITIONS THEREOF “ patentiert, wobei als Erfinder nur Glenn T. Seaborg angegeben wurde.[12]

Der Name Curium wurde in Analogie zu Gadolinium gewählt, dem Seltenerdmetall, das im Periodensystem genau über Curium steht. Die Namenswahl ist als Ehrerbietung an das Ehepaar Marie und Pierre Curie zu verstehen, die viel zur Erforschung der Radioaktivität beigetragen haben. Es folgt damit der Namensgebung von Gadolinium, das nach dem berühmten Erforscher der Seltenen Erden, Johan Gadolin benannt ist.

Die erste wägbare Menge Curium konnte 1947 in Form des Hydroxids von Louis B. Werner und Isadore Perlman[13] hergestellt werden. Hierbei handelte es sich um 40 μg Curium 242Cm, das durch Neutronenbeschuss von Americium 241Am entstand.[14] In elementarer Form wurde es erst 1951 durch Reduktion von Curium(III)-fluorid mit Barium dargestellt.[15][16]

Vorkommen

Das langlebigste Isotop 247Cm besitzt eine Halbwertszeit von 15,6 Millionen Jahren. Aus diesem Grund ist das gesamte primordiale Curium, das die Erde bei ihrer Entstehung enthielt, mittlerweile zerfallen. Curium wird zu Forschungszwecken in kleinen Mengen künstlich hergestellt. Weiterhin fällt es in geringen Mengen in abgebrannten Kernbrennstoffen an. Im Weltall entsteht Curium neben Californium im r-Prozess in Supernovae.

In der Umwelt vorkommendes Curium stammt größtenteils aus atmosphärischen Kernwaffentests bis 1980. Lokal gibt es bedingt durch nukleare Unfälle und andere Kernwaffentests höhere Vorkommen. Zum natürlichen Hintergrund der Erde trägt Curium allerdings kaum bei.[17]

Gewinnung und Darstellung

Gewinnung von Curiumisotopen

Curium fällt in geringen Mengen in Kernreaktoren an. Es steht heute weltweit lediglich in Mengen von wenigen Kilogramm zur Verfügung, weshalb es einen sehr hohen Preis besitzt. Derzeit beträgt dieser etwa 160 US-Dollar pro Milligramm 244Cm bzw. 248Cm.[18] In Kernreaktoren wird es aus 238U in einer Reihe von Kernreaktionen gebildet. Ein wichtiger Schritt ist hierbei die (n,γ)- oder Neutroneneinfangsreaktion, bei welcher das gebildete angeregte Tochternuklid durch Aussendung eines γ-Quants in den Grundzustand übergeht. Die hierzu benötigten freien Neutronen entstehen durch Kernspaltung anderer Kerne im Reaktor. In diesem kernchemischen Prozess wird zunächst durch eine (n,γ)-Reaktion gefolgt von zwei β−-Zerfällen das Plutoniumisotop 239Pu gebildet. In Brutreaktoren wird dieser Prozess zum Erbrüten neuen Spaltmaterials genutzt.

Bei den angegebenen Zeiten handelt es sich um Halbwertszeiten.

Zwei weitere (n,γ)-Reaktionen mit anschließendem β−-Zerfall liefern das Americiumisotop 241Am. Dieses ergibt nach einer weiteren (n,γ)-Reaktion mit folgendem β-Zerfall 242Cm.

Bei den angegebenen Zeiten handelt es sich um Halbwertszeiten.

Zu Forschungszwecken kann Curium auf effizienterem Wege gezielt aus Plutonium gewonnen werden, das im großen Maßstab aus abgebranntem Kernbrennstoff erhältlich ist. Dieses wird hierzu mit einer Neutronenquelle, die einen hohen Neutronenfluss besitzt, bestrahlt. Die hierbei möglichen Neutronenflüsse sind um ein vielfaches höher als in einem Kernreaktor, so dass hier ein anderer Reaktionspfad als der oben dargestellte überwiegt. Aus 239Pu wird durch vier aufeinander folgende (n,γ)-Reaktionen 243Pu gebildet, welches durch β-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 4,96 Stunden zu dem Americiumisotop 243Am zerfällt. Das durch eine weitere (n,γ)-Reaktion gebildete 244Am zerfällt wiederum durch β-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 10,1 Stunden letztlich zu 244Cm.[9]

Bei den angegebenen Zeiten handelt es sich um Halbwertszeiten.

Diese Reaktion findet auch in Kernkraftwerken im Kernbrennstoff statt, so dass 244Cm auch bei der Wiederaufarbeitung abgebrannter Kernbrennstoffe anfällt und auf diesem Wege gewonnen werden kann.

Aus 244Cm entstehen durch weitere (n,γ)-Reaktionen im Reaktor in jeweils kleiner werdenden Mengen die nächst schwereren Isotope. In der Forschung sind besonders die Isotope 247Cm und 248Cm wegen ihrer langen Halbwertszeiten beliebt. Die Entstehung von 250Cm auf diesem Wege ist jedoch sehr unwahrscheinlich, da 249Cm nur eine kurze Halbwertszeit besitzt und so weitere Neutroneneinfänge in der kurzen Zeit unwahrscheinlich sind. Dieses Isotop ist jedoch aus dem α-Zerfall von 254Cf zugänglich. Problematisch ist hierbei jedoch, dass 254Cf hauptsächlich durch Spontanspaltung und nur in geringem Maße durch α-Zerfall zerfällt. 249Cm zerfällt durch β−-Zerfall zu Berkelium 249Bk.

(n,γ)-Reaktionen für die Nukleonenzahlen A=244–248, selten auch für A=249 und 250.

Durch Kaskaden von (n,γ)-Reaktionen und β-Zerfällen hergestelltes Curium besteht jedoch immer aus einem Gemisch verschiedener Isotope. Eine Auftrennung ist daher mit erheblichem Aufwand verbunden.

Zu Forschungszwecken wird auf Grund seiner langen Halbwertszeit bevorzugt 248Cm verwendet. Die effizienteste Methode zur Darstellung dieses Isotops ist durch den α-Zerfall von Californium 252Cf gegeben, das bedingt durch seine lange Halbwertszeit in größeren Mengen zugänglich ist. Auf diesem Wege gewonnenes 248Cm besitzt eine Isotopenreinheit von 97 %. Etwa 35–50 mg 248Cm werden auf diese Art derzeit pro Jahr erhalten.

Bei den angegebenen Zeiten handelt es sich um Halbwertszeiten.

Das lediglich zur Isotopenforschung interessante reine 245Cm kann aus dem α-Zerfall von Californium 249Cf erhalten werden, welches in sehr geringen Mengen als Tochternuklid des β−-Zerfalls des Berkeliumisotops 249Bk erhalten werden kann.

Bei den angegebenen Zeiten handelt es sich um Halbwertszeiten.

Darstellung elementaren Curiums

Metallisches Curium kann durch Reduktion aus seinen Verbindungen erhalten werden. Zuerst wurde Curium(III)-fluorid zur Reduktion verwendet. Dieses wird hierzu in wasser- und sauerstofffreier Umgebung in Reaktionsapparaturen aus Tantal und Wolfram mit elementarem Barium oder Lithium zur Reaktion gebracht.[9][15][19][20][21]

Auch die Reduktion von Curium(IV)-oxid mittels einer Magnesium-Zink-Legierung in einer Schmelze aus Magnesiumchlorid und Magnesiumfluorid ergibt metallisches Curium.[22]

Eigenschaften

Doppelt-hexagonal dichteste Kugelpackung mit der Schichtfolge ABAC in der Kristallstruktur von α-Cm (A: grün; B: blau; C: rot).
Laserinduzierte orange-
farbene Fluoreszenz von Cm3+-Ionen in Lösung.[23]

Physikalische Eigenschaften

Bei Curium handelt es sich um ein künstliches, radioaktives Metall. Dieses ist hart und hat ein silbrig-weißes Aussehen ähnlich dem Gadolinium, seinem Lanthanoidanalogon. Auch in seinen weiteren physikalischen und chemischen Eigenschaften ähnelt es diesem stark. Sein Schmelzpunkt von 1340 °C liegt deutlich höher als der der vorhergehenden Transurane Neptunium (639 °C) und Americium (1173 °C). Im Vergleich dazu schmilzt Gadolinium bei 1312 °C. Der Siedepunkt liegt bei 3110 °C.

Von Curium existiert bei Standardbedingungen mit α-Cm nur eine bekannte Modifikation. Diese kristallisiert im hexagonalen Kristallsystem in der Raumgruppe mit den Gitterparametern a = 365 pm und c = 1182 pm sowie vier Formeleinheiten pro Elementarzelle.[24] Die Kristallstruktur besteht aus einer doppelt-hexagonal dichtesten Kugelpackung mit der Schichtfolge ABAC und ist damit isotyp zur Struktur von α-La.

Oberhalb eines Drucks von 23 GPa geht α-Cm in β-Cm über. Die β-Modifikation kristallisiert im kubischen Kristallsystem in der Raumgruppe mit dem Gitterparameter a = 493 pm[24], was einem kubisch flächenzentrierten Gitter (fcc) beziehungsweise einer kubisch dichtesten Kugelpackung mit der Stapelfolge ABC entspricht.

Die Fluoreszenz angeregter Cm(III)-Ionen ist ausreichend langlebig, um diese zur zeitaufgelösten Laserfluoreszenzspektroskopie zu nutzen.[25] Die lange Fluoreszenz kann auf die große Energielücke zwischen dem Grundterm 8S7/2 und dem ersten angeregten Zustand 6D7/2 zurückgeführt werden. Dies erlaubt die gezielte Detektion von Curiumverbindungen unter weitgehender Ausblendung störender kurzlebiger Fluoreszenzprozesse durch weitere Metallionen und organische Substanzen.[26]

Chemische Eigenschaften

Die stabilste Oxidationsstufe für Curium ist +3. Gelegentlich ist es auch in der Oxidationsstufe +4 zu finden.[27][28] Sein chemisches Verhalten ähnelt sehr dem Americium und vielen Lanthanoiden. In wässriger Lösung ist das Cm3+-Ion farblos, das Cm4+-Ion blassgelb.[29]

Curiumionen gehören zu den harten Lewis-Säuren, weshalb sie die stabilsten Komplexe mit harten Basen bilden.[30] Die Komplexbindung besitzt hierbei nur einen sehr geringen kovalenten Anteil und basiert hauptsächlich auf ionischer Wechselwirkung. Curium unterscheidet sich in seinem Komplexierungsverhalten von den frühen Actinoiden wie Thorium und Uran und ähnelt auch hier stark den Lanthanoiden.[31] In Komplexen bevorzugt es eine neunfach Koordination mit dreifach überkappter trigonal-prismatischer Geometrie.

Biologische Aspekte

Curium besitzt keine biologische Bedeutung.[32] Die Biosorption von Cm3+ durch Bakterien und Archäen wurde untersucht.[33][34]

Isotope

Von Curium existieren nur Radionuklide und keine stabilen Isotope. Insgesamt sind 20 Isotope und 7 Kernisomere des Elements zwischen 233Cm und 252Cm bekannt.[10] Die längsten Halbwertszeiten haben 247Cm mit 15,6 Mio. Jahren und 248Cm mit 348.000 Jahren. Daneben haben noch die Isotope 250Cm mit 9700, 245Cm mit 8500 und 246Cm mit 4730 Jahren lange Halbwertszeiten. Curium 250Cm ist dabei eine Besonderheit, da sein radioaktiver Zerfall zum überwiegenden Teil (etwa 86 %) in spontaner Spaltung besteht.

Die am häufigsten technisch eingesetzten Curiumisotope sind 242Cm mit 162,8 Tagen und 244Cm mit 18,1 Jahren Halbwertszeit.

Die Wirkungsquerschnitte für induzierte Spaltung durch ein thermisches Neutron betragen:[35] für 242Cm etwa 5 b, 243Cm 620 b, 244Cm 1,1 b, 245Cm 2100 b, 246Cm 0,16 b, 247Cm 82 b, 248Cm 0,36 b. Dies entspricht der Regel, nach der meist die Transuran-Nuklide mit ungerader Neutronenzahl "thermisch leicht spaltbar" sind.

→ Liste der Curiumisotope

Verwendung

Der APXS Typ von Spirit und Opportunity.

in Radionuklidbatterien

Curium gehört zu den am stärksten radioaktiven Substanzen. Da die beiden am häufigsten erbrüteten Isotope, 242Cm und 244Cm, nur kurze Halbwertszeiten (162,8 Tage bzw. 18,1 Jahre) und Alphaenergien von etwa 6 MeV haben, zeigt es eine viel stärkere Aktivität als etwa das in der natürlichen Uran-Radium-Zerfallsreihe erzeugte 226Ra.[3] Aufgrund dieser Radioaktivität gibt es sehr große Wärmemengen ab; Curium 244Cm emittiert 3 Watt/g und Curium 242Cm sogar 120 Watt/g.[36] Diese Curiumisotope können aufgrund der extremen Wärmeentwicklung in Form von Curium(III)-oxid (Cm2O3) in Radionuklidbatterien zur Versorgung mit Elektrischer Energie z. B. in Raumsonden eingesetzt werden. Dafür wurde vor allem die Verwendung von 244Cm untersucht. Als Alphastrahler benötigt es eine wesentlich dünnere Abschirmung als die Betastrahler, jedoch ist seine Spontanspaltungsrate und damit die Neutronen- und Gammastrahlung höher als die von 238Pu. Es unterlag daher wegen der benötigten dicken Abschirmung und starken Neutronenstrahlung sowie seiner kürzeren Halbwertszeit (18,1 Jahre) dem Plutonium 238Pu mit 87,7 Jahren Halbwertszeit.[37]

242Cm wurde auch eingesetzt, um 238Pu für Radionuklidbatterien in Herzschrittmachern zu erzeugen. Im Reaktor erbrütetes 238Pu wird durch die (n,2n)-Reaktion von 237Np immer mit 236Pu verunreinigt, in dessen Zerfallsreihe der starke Gammastrahler 208Tl vorkommt. Ähnliches gilt auch für aus Uran unter Deuteronenbeschuss gewonnene 238Pu. Die anderen gewöhnlicherweise im Reaktor in relevanten Mengen erbrüteten Curium-Isotope führen in ihren Zerfallsreihen schnell auf langlebige Isotope, deren Strahlung für die Konstruktion von Herzschrittmachern dann nicht mehr relevant ist.[38]

in Röntgenspektrometern

244Cm dient als α-Strahlenquelle in den vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz entwickelten α-Partikel-Röntgenspektrometern (APXS), mit denen die Mars-Rover Sojourner, Spirit und Opportunity auf dem Planeten Mars Felsen chemisch analysierten. Auch der Lander Philae der Raumsonde Rosetta ist mit einem APXS ausgestattet, um die Zusammensetzung des Kometen Tschurjumow-Gerasimenko zu analysieren.[39]

Außerdem hatten bereits die Mondsonden Surveyor 5–7 Alphaspektrometer an Bord. Diese arbeiteten jedoch mit Curium 242Cm und maßen die von den Alphateilchen aus dem Mondboden herausgeschlagenen Protonen und zurückgeworfene Alphateilchen.[40][41]

zur Herstellung anderer Elemente

Weiterhin ist Curium Ausgangsmaterial zur Erzeugung höherer Transurane und auch der Transactinoide. So führt zum Beispiel der Beschuss von 248Cm mit Sauerstoff- (18O) beziehungsweise Magnesiumkernen (26Mg) zu den Elementen Seaborgium 265Sg beziehungsweise Hassium 269Hs und 270Hs.[42]

als Kernbrennstoff

Die ungeradzahligen Curiumisotope, insbesondere 243Cm, 245Cm und 247Cm eignen sich aufgrund der hohen Spaltquerschnitte prinzipiell auch als Kernbrennstoffe im Kernreaktor. Untenstehende Tabelle gibt die kritischen Massen für eine reine Kugelgeometrie ohne Moderator und Reflektor an:

Isotop Kritische Masse Durchmesser
243Cm 7,34–10 kg 10–11 cm
244Cm (13,5)–30 kg (12,4)–16 cm
245Cm 9,41–12,3 kg 11–12 cm
246Cm 39–70,1 kg 18–21 cm
247Cm 6,94–7,06 kg 9,9 cm

Mit Reflektor liegen die kritischen Massen der ungeradzahligen Isotope bei etwa 3–4 kg. In wässrigen Lösung mit Reflektor lässt sich die kritische Masse für 245Cm bis auf 59 g reduzieren (243Cm: 155 g; 247Cm: 1,55 kg; diese Werte sind aufgrund von Unsicherheiten der für die Berechnung relevanten physikalischen Daten nur auf etwa 15 % genau)[43]. Aufgrund der geringen Verfügbarkeit und des hohen Preises wird Curium aber nicht als Kernbrennstoff eingesetzt und ist daher im Atomgesetz in Deutschland auch nicht als solcher klassifiziert.[44]

in Kernwaffen

Wie auch für den Reaktorbetrieb können vor allem die ungeradzahligen Curiumisotope, hier wiederum insbesondere 245Cm und 247Cm, auch zum Bau von Kernwaffen eingesetzt werden. Bomben aus 243Cm wären aufgrund der geringen Halbwertszeit des Isotops mit einem erheblichen Wartungsaufwand verbunden. Außerdem müsste 243Cm als Alphastrahler durch die beim Radioaktiven Zerfall freiwerdende Energie glühend heiß sein, was die Konstruktion einer Bombe sehr erschweren dürfte. Da die kritischen Massen zum Teil sehr klein sind, ließen sich so vergleichsweise kleine Bomben konstruieren. Bisher sind allerdings keine Aktivitäten dieser Art publik geworden, was sich ebenfalls auf die geringe Verfügbarkeit zurückführen lässt.

Sicherheitshinweise

Da von Curium nur radioaktive Isotope existieren, darf es selbst sowie seine Verbindungen nur in geeigneten Laboratorien unter speziellen Vorkehrungsmaßnahmen gehandhabt werden. Die meisten gängigen Curiumisotope sind α-Strahler, weshalb eine Inkorporation unbedingt vermieden werden muss. Auch zerfällt ein Großteil der Isotope zu einem gewissen Anteil unter Spontanspaltung. Das breite Spektrum der hieraus resultierenden meist ebenfalls radioaktiven Tochternuklide stellt ein weiteres Risiko dar, das bei der Wahl der Sicherheitsvorkehrungen berücksichtigt werden muss.[17]

Wirkung im Körper

Wird Curium mit der Nahrung aufgenommen, so wird es größtenteils innerhalb einiger Tage wieder ausgeschieden und nicht in den Blutkreislauf aufgenommen. Lediglich ein geringer Teil von etwa 0,05 % wird aufgenommen. Von diesen werden etwa 45 % in der Leber deponiert, weitere 45 % werden in die Knochensubstanz eingebaut. Die verbleibenden 10 % werden ebenfalls wieder ausgeschieden. Im Knochen lagert sich Curium insbesondere an der Innenseite der Grenzflächen zum Knochenmark an. Die weitere Verbreitung in die Kortikalis findet nur langsam statt.[17]

Bei Inhalation wird Curium deutlich besser in den Körper aufgenommen, weshalb diese Art der Inkorporation bei der Arbeit mit Curium das größte Risiko darstellt. 0,002 µg 244Cm gelten noch als unschädlich.[45] Die maximal zulässige Gesamtbelastung des menschlichen Körpers durch 244Cm (in löslicher Form) beträgt 0,3 µCi.[18]

In Tierversuchen mit Ratten wurde nach einer intravenösen Injektion von 242Cm und 244Cm ein erhöhtes Auftreten von Knochentumoren beobachtet, deren Auftreten als Hauptgefahr bei der Inkorporation von Curium durch den Menschen betrachtet wird. Inhalation der Isotope führte zu Lungen- und Leberkrebs.[17]

Kernreaktor-Abfallproblematik

In wirtschaftlich sinnvoll (d. h. mit langer Verweildauer des Brennstoffs) genutzten Kernreaktoren entstehen physikalisch unvermeidlich Curiumisotope durch (n,γ)-Kernreaktionen mit nachfolgendem β--Zerfall (siehe auch oben unter Gewinnung von Curiumisotopen). Eine Tonne abgebrannten Kernbrennstoffs enthält durchschnittlich etwa 20 g verschiedener Curiumisotope.[46] Darunter befinden sich auch die α-Strahler mit den Massenzahlen 245–248, die auf Grund ihrer relativ langen Halbwertszeiten in der Endlagerung unerwünscht sind und deshalb zum Transuranabfall zählen. Eine Verminderung der Langzeitradiotoxizität in nuklearen Endlagern wäre durch Abtrennung langlebiger Isotope aus abgebrannten Kernbrennstoffen möglich. Zur Beseitigung des Curiums wird derzeit die Partitioning & Transmutation-Strategie verfolgt.[47] Geplant ist hierbei ein dreistufiger Prozess, in welchem der Kernbrennstoff aufgetrennt und in Gruppen aufgearbeitet und endgelagert werden soll. Im Rahmen dieses Prozesses sollen abgetrennte Curiumisotope durch Neutronenbeschuss in speziellen Reaktoren zu kurzlebigen Nukliden transmutiert werden, welche dann endgelagert werden sollen. Die Entwicklung dieses Prozesses ist Gegenstand der aktuellen Forschung[25], wobei die Prozessreife zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht erreicht ist.

Verbindungen und Reaktionen

→ Kategorie:Curiumverbindung

Oxide

Curium wird leicht von Sauerstoff angegriffen. Von Curium existieren Oxide der Oxidationsstufen +3 (Cm2O3) und +4 (CmO2). Auch das zweiwertige Oxid CmO ist bekannt.[48]

Das schwarze Curium(IV)-oxid kann direkt aus den Elementen dargestellt werden. Hierzu wird metallisches Curium an Luft oder in einer Sauerstoffatmosphäre geglüht.[28] Für Kleinstmengen bietet sich das Glühen von Salzen des Curiums an. Meistens werden hierzu Curium(III)-oxalat (Cm2(C2O4)3) oder Curium(III)-nitrat (Cm(NO3)3) herangezogen.

Aus Curium(IV)-oxid kann das weißliche Curium(III)-oxid durch thermische Zersetzung im Vakuum (ca. 0,01 Pa) bei 600 °C erhalten werden:[28]

Ein weiterer Weg ist durch die Reduktion von Curium(IV)-oxid mit molekularem Wasserstoff gegeben:[49]

Weiterhin ist eine Reihe ternärer oxidischer Curiumverbindungen des Typs M(II)CmO3 bekannt.[50]

Der größte Teil des in freier Natur vorkommenden Curiums (s. Abschnitt "Vorkommen") liegt als Cm2O3 und CmO2 vor.[17]

Halogenide

Von den vier stabilen Halogenen sind Halogenide des Curiums bekannt.

Das farblose Curium(III)-fluorid (CmF3) kann durch Versatz von Cm(III)-haltigen Lösungen mit Fluoridionen erhalten werden. Das tetravalente Curium(IV)-fluorid (CmF4) ist nur durch die Umsetzung von Curium(III)-fluorid mit molekularem Fluor zugänglich.[9]
Eine Reihe komplexer Fluoride der Form M7Cm6F31 (M = Alkalimetall) sind bekannt.[51]

Das farblose Curium(III)-chlorid (CmCl3) kann durch die Reaktion von Curium(III)-hydroxid (Cm(OH)3) mit wasserfreiem Chlorwasserstoffgas dargestellt werden. Dieses kann genutzt werden, um die weiteren Halogenide, Curium(III)-bromid (hellgrün) und -iodid (farblos), zu synthetisieren. Hierzu wird Curium(III)-chlorid mit dem Ammoniumsalz des Halogenids umgesetzt:[52]

Chalcogenide und Pentelide

Von den Chalcogeniden sind das Sulfid und das Selenid bekannt. Sie sind durch die Reaktion von gasförmigem Schwefel oder Selen im Vakuum bei erhöhter Temperatur zugänglich.[53]

Die Pentelide des Curiums des Typs CmX sind für die Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen und Antimon dargestellt worden.[9] Ihre Herstellung kann durch die Reaktion von entweder Curium(III)-hydrid (CmH3) oder metallischem Curium mit diesen Elementen bei erhöhter Temperatur bewerkstelligt werden.

Metallorganische Verbindungen

Analog zu Uranocen, einer Organometallverbindung in der Uran von zwei Cyclooctatetraen-Liganden komplexiert ist, wurden die entsprechenden Komplexe von Thorium, Protactinium, Neptunium, Plutonium und Americium dargestellt. Das MO-Schema legt nahe, dass eine entsprechende Verbindung (η8-C8H8)2Cm, ein "Curocen", synthetisiert werden kann, was jedoch bisher nicht gelang.[54]

Einzelnachweise

  1. ↑ Die Werte der atomaren und physikalischen Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Curium) entnommen.
  2. ↑ Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 2149.
  3. ↑ a b Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3, S. 174–178.
  4. ↑ Die von der Radioaktivität ausgehenden Gefahren gehören nicht zu den einzustufenden Eigenschaften nach der GHS-Kennzeichnung.
  5. ↑ In Bezug auf ihre Gefährlichkeit wurde die Substanz von der EU noch nicht eingestuft, eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
  6. ↑ G. T. Seaborg, R. A. James, A. Ghiorso: "The New Element Curium (Atomic Number 96)", NNES PPR (National Nuclear Energy Series, Plutonium Project Record), Vol. 14 B, The Transuranium Elements: Research Papers, Paper No. 22.2, McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, 1949.
  7. ↑ The New Element Curium (Atomic Number 96); Abstract.
  8. ↑ The New Element Curium (Atomic Number 96); Maschinoskript (Januar 1948).
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Literatur

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  • Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9.
  • Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1.
  • James E. Huheey: Anorganische Chemie, 1. Auflage, de Gruyter, Berlin 1988, ISBN 3-11-008163-6.
  • Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Hrsg.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements, Springer-Verlag, Dordrecht 2006, ISBN 1-4020-3555-1.

Weblinks

Wiktionary: Curium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Curium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
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