Радий

Радий — химический элемент 2-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы второй группы) седьмого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 88. Обозначается символом Ra (от лат. Radium). Относится к щёлочноземельным металлам. Простое вещество радий при нормальных условиях представляет собой блестящий серебристо-белый металл, обладающий высокой химической активностью и сильной радиоактивностью. Все изотопы радия нестабильны; наиболее долгоживущий из них — ²²⁶Ra (период полураспада около 1600 лет).

История открытия

Радий был открыт в 1898 году французскими учёными Пьером Кюри и Марией Склодовской-Кюри совместно с Гюставом Бемоном. При исследовании урановой руды (настурана) из месторождения Яхимов (ныне Чехия) учёные обнаружили, что её радиоактивность значительно превышает ожидаемую, исходя из содержания урана. Это указывало на присутствие неизвестного радиоактивного элемента.

После выделения из руды полония (открытого ранее) исследователи продолжили обработку оставшегося раствора. В декабре 1898 года они объявили об открытии нового элемента, названного радием (от лат. radius — «луч») из-за его способности испускать лучи. Для выделения чистого радия супругам Кюри потребовалось несколько лет напряжённой работы с тоннами урановой руды. В 1902 году им удалось получить 0,1 грамма хлорида радия, а в 1910 году Мария Кюри совместно с Андре Дебьерном впервые выделила чистый металлический радий методом электролиза раствора хлорида радия на ртутном катоде с последующим разложением амальгамы в атмосфере водорода.

За открытие радия и полония Пьер и Мария Кюри были удостоены Нобелевской премии по физике за 1903 год (совместно с Анри Беккерелем). Мария Кюри получила Нобелевскую премию по химии в 1911 году за выделение чистого радия и изучение его свойств.

Нахождение в природе

Радий является редким элементом. Его содержание в земной коре оценивается в 1·10⁻¹⁰ % по массе. Радий не образует самостоятельных минералов, а входит в качестве изоморфной примеси в минералы урана (например, уранинит, настуран) и тория, так как сам является продуктом распада урана-238 и тория-232. Наиболее распространён изотоп ²²⁶Ra, входящий в радиоактивный ряд урана-238.

Основные месторождения урановых руд, из которых попутно извлекали радий, находятся в Демократической Республике Конго, Канаде, Чехии, США, России. В России радий содержится в урановых рудах месторождений Забайкалья, Карелии и других регионов.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Радий — серебристо-белый блестящий металл. На воздухе быстро тускнеет, покрываясь плёнкой оксида и нитрида. Обладает следующими характеристиками:

• атомная масса (наиболее стабильного изотопа ²²⁶Ra) — 226,0254 а. е. м.;
• плотность — около 5,5 г/см³;
• температура плавления — 700 °C;
• температура кипения — 1140 °C;
• твёрдость по Моосу — около 1,5 (мягкий металл, легко режется ножом).

Химические свойства

Радий — типичный щёлочноземельный металл, по химическим свойствам наиболее близок к барию, но более активен. Степень окисления в соединениях — +2.

• Энергично реагирует с водой с выделением водорода и образованием гидроксида радия Ra(OH)₂ — сильного основания.
• На воздухе быстро окисляется до оксида RaO, а затем переходит в нитрид Ra₃N₂.
• При нагревании реагирует с галогенами, серой, азотом.
• Соли радия (хлорид, бромид, нитрат) хорошо растворимы в воде, сульфат, карбонат и фосфат — малорастворимы.
• Все соединения радия обладают радиоактивностью и самопроизвольно светятся в темноте (радиолюминесценция) за счёт возбуждения атомов окружающей среды альфа-частицами.

Радиоактивность

Радий-226 испускает альфа-частицы (ядра гелия-4) и гамма-излучение. При распаде образуется радон-222 — радиоактивный благородный газ. Период полураспада ²²⁶Ra составляет 1600 лет. Удельная активность ²²⁶Ra — около 3,7·10¹⁰ Бк/г (1 кюри на грамм). Радий и его соединения чрезвычайно опасны для живых организмов из-за высокой радиотоксичности.

Изотопы

Известно 33 изотопа радия с массовыми числами от 202 до 234. Все они радиоактивны. Наиболее важные:

• ²²³Ra (период полураспада 11,4 дня) — входит в ряд тория-232, используется в медицине;
• ²²⁴Ra (3,66 дня) — входит в ряд тория-232;
• ²²⁶Ra (1600 лет) — самый долгоживущий, основной природный изотоп;
• ²²⁸Ra (5,75 года) — входит в ряд тория-232, используется в геохронологии.

Получение

В настоящее время радий получают искусственно из урановых руд в процессе переработки урана. Основной метод — извлечение радия из отходов уранового производства. Традиционно радий осаждают в виде сульфата RaSO₄, затем переводят в растворимый хлорид или бромид. Металлический радий получают электролизом расплава хлорида радия или восстановлением его оксида алюминием при нагревании в вакууме.

В середине XX века, после начала ядерной эры, добыча радия для коммерческих целей практически прекратилась из-за высокой опасности и появления более доступных источников радиоактивности (например, кобальт-60, цезий-137). В год в мире производится не более нескольких граммов радия, в основном для научных и медицинских целей.

Применение

Медицина

В начале XX века радий широко применялся в лучевой терапии для лечения онкологических заболеваний. Использовались радиевые иглы, аппликаторы и трубки, которые помещали внутрь опухоли или на её поверхность (брахитерапия). Однако из-за высокой радиотоксичности и сложности защиты персонала в середине XX века радий был вытеснен более безопасными изотопами (например, иридий-192, кобальт-60). В современной медицине радий-223 (препарат «Ксофиго») используется для лечения метастатического рака предстательной железы с поражением костей.

Научные исследования

Радий применялся в качестве источника альфа-частиц в первых экспериментах по ядерной физике (например, опыты Эрнеста Резерфорда по рассеянию альфа-частиц, приведшие к открытию атомного ядра). В настоящее время радий используется в радиохимии и геохронологии (радий-урановый метод датирования).

Промышленность и техника

В прошлом радий добавляли в состав светящихся красок (радиолюминофоров) для циферблатов часов, приборов и авиационных компасов. Однако из-за вреда для здоровья рабочих и пользователей такое применение было запрещено в большинстве стран к середине XX века. Радий также использовался в некоторых типах ионизационных детекторов дыма и в нейтронных источниках (смесь радия с бериллием).

Биологическое действие и опасность

Радий является одним из наиболее опасных радиоактивных элементов. При попадании в организм (через дыхание, пищеварение или раны) он ведёт себя подобно кальцию и накапливается в костной ткани, где его альфа-излучение вызывает разрушение костного мозга и развитие остеосарком, лейкозов и других злокачественных новообразований. Хроническое отравление радием получило название «радиевый некроз».

Исторически известны случаи массового отравления работниц часовых заводов в США в 1920-х годах («Radium Girls»), которые облизывали кисточки, смоченные радиевой краской, что приводило к накоплению радия в костях и тяжёлым заболеваниям.

Работа с радием требует строжайших мер радиационной защиты: герметичные боксы, дистанционное управление, индивидуальные средства защиты, постоянный контроль радиационной обстановки. Предельно допустимая концентрация радия-226 в воздухе рабочих помещений составляет 3,7·10⁻³ Бк/м³.

Интересные факты

• Радий был первым элементом, радиоактивность которого была обнаружена по свечению (радиолюминесценции) его солей.
• В 1920-х годах радий считался панацеей и добавлялся в косметику, зубную пасту, шоколад и даже воду (так называемые «радиевые тоники»), что привело к многочисленным отравлениям.
• Единица измерения радиоактивности «кюри» (Ки) первоначально была определена как активность 1 грамма радия-226.
• В СССР в 1930-х годах радий добывался в Табошарском месторождении (Таджикистан) и использовался для научных и медицинских целей.
• Радий-226 является исходным веществом для получения радона-222, который применяется в радоновых ваннах и в некоторых медицинских процедурах.

Источники

1. Кюри М. Радиоактивность. — М.: Наука, 1960.
2. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: И. Л. Кнунянц (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4.
3. Радиоактивные элементы в окружающей среде / Под ред. В. М. Гольдштейна. — М.: Атомиздат, 1975.
4. Greenwood N. N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. — 2nd ed. — Butterworth-Heinemann, 1997.
5. Данные Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) по изотопам радия.