Filnavn:THORIUM

THORIUM

Th, atomnr. 90, molvekt 232,0381 g, elektronkonfigurasjon (Rn)+6d2-7s2, smeltepunkt 1750 °C, kokepunkt ca.4790 °C, tetthet 11,72 g/cm³. Thorium hører til gruppe 3 (3b) i det periodiske systemet (også kjent som 'de sjeldne jord(arts)metallene'.) Det har (1981) 25 kjente isotoper, alle radioaktive.

HISTORIE
På arilds tid flakket forfedrene våre om på havet og visste om en som red med bukker under himmelen i farlig vær. Tidlig på 1800-tallet var han glemt av de fleste, men fremdeles når det tyknet kunne man høre vognhjulene og se gnistene som hammeren slo fra jotners panner.

Nedover i Europa hadde sterke hjerner lenge ønsket å rive av seg de slitne åndstvangstrøyene fra middelalderen og vende tilbake til den klassiske oldtids rene, klare, frie tanke. Under klassisismen vokste vitenskap, teknologi og filosofi, og samfunn omstøptes. Den preget også kunst, litteratur og musikk, og emner fra det klassiske Roma og Hellas ble gjenstand for utstrakt behandling. Mytologi var på moten. Greske og romerske guder måtte låne navnene sine til nye planeter, asteroider og grunnstoffer. Men i 1815 var klassisismen litt på hell, da revolusjonshelten Napoleon møtte den gamle verden ved Waterloo, og ble beseiret av den. Og den svenske kjemikeren Jöns Jakob Berzelius, som allerede hadde ristet sterke runer i kjemihistorien, visste at også norden hadde en oldtid. Til det nye grunnstoffet han mente å ha oppdaget, valgte han navnet thorium, etter Tor, norrøn himmelgud.

Dessverre viste det seg at det han hadde oppdaget ikke var et nytt grunnstoff allikevel, og navnet thorium måtte legges på hyllen. Men det var for godt til å glemmes, og tålmodig ventet han på en ny sjanse. Det var den norske presten og mineralogen Hans Morten Thrane Esmark som ga ham den da han i 1828 sendte ham en prøve av et mineral han hadde funnet på Lauvøya nær Brevik i Telemark. I mineralet fant han et oksyd som ikke var blitt funnet før, og uten hensyn til Esmarks pietetiske følelser tok han fram den hedenske guden igjen da han skulle navnsette mineralet, thoritt, ThSiO₄, oksydet, thoria, ThO₂, og grunnstoffet thorium, som var i oksydet. Allerede året etter hadde Berzelius fremstilt en uren prøve av det nye grunnstoffet ved å varme opp en blanding av kalium og kalium-thorium-fluorid, KThF₅. Men det var først i 1914 at relativt rent metallisk thorium ble fremstilt av D. Davy i Eindhoven.

Da hadde i mellomtiden mye skjedd. Den gamle tordengudens metall hadde vist seg å ha krefter i sitt indre. Urans stråler var blitt oppdaget av Becquerel i 1896. Marie Curie, som var den første av mange som tok opp tråden etter denne oppdagelsen, oppdaget selv thoriums stråler i 1898. Emanasjonen (d.v.s. produksjonen av radongass) fra thorium var inspirasjonskilden til Ernest Rutherfords hypotese (fra 1899) om at radioaktivitet besto i at grunnstoffene ble omvandlet til hverandre. Etterhvert som thoriums omvandlinger ble kartlagt fikk også det sitt alfabet, sin egen radioaktive serie, i likhet med radium og actinium. Thoriumserien består av følgende: mesothorium 1 (²²⁸Ra), mesothorium 2 (²²⁸Ac), radiothorium (²²⁸Th), thorium X (²²⁴Ra), thoriumemanasjon eller thoron (²²⁰Rn), thorium A (²¹⁶Po), thorium B (²¹²Pb), thorium C (²¹²Bi), thorium C' (²¹²Po), thorium C'' (²⁰⁸Tl) og det stabile sluttproduktet thorium D (²⁰⁸Pb). Alle disse har nukleontall som er delelig med 4, og serien kalles også derfor 4n-serien. Thorium X var den første som ble navngitt, fordi den var det første omvandlingsproduktet som lot seg registrere når en thoriumprøve var renset. Dette skyldes at under rensingen fikk man ikke fjernet radiothorium (²²⁸Th) da det er en isotop av det samme grunnstoffet, og derfor har de samme kjemiske egenskapene. Fra den rensede prøven dukker altså både mesothorium 1 (²²⁸Ra) og thorium X (²²⁴Ra) opp, men sistnevnte registreres mye lettere fordi den har mye kortere halveringstid og dermed er mye mer aktiv. De neste som kom på listen var thorium A, B osv., fordi de dannes av thoriumemanasjonen og man lett kunne måle den nokså kortlivede aktiviteten deres hvis man blåste vekk litt emanasjon fra thorium og målte på det. Thorium C' og C'' er litt perifere og ble ikke registrert før senere. Da man etter atomvektmålinger fastslo at ²²⁸Th måtte eksistere, ga man det navnet radiothorium, da det er mye mer aktivt enn ²³²Th. De to siste medlemmene i serien ble kalt mesothorium (etter gresk mesos 'mellom') fordi de ligger mellom de to thoriumisotopene. Disse 'alfabet'-betegnelsene er sjarmerende, og var nyttige i pionertiden da man strevde med kartleggingen, men idag brukes de lite i fagmiljøene.

Gudenavnet Tor, gammelnorsk Þórr, gammel-høytysk Donar, angelsaksisk Þunor, har klar sammenheng med ordet 'torden' og stammer fra germansk þunara- 'torden,' som hører til den indoeuropeiske roten (s)ten- 'tordne, bruse, drønne, stønne,' som også har gitt opphav til f.eks. ordet stønne og (via omveier) stenografi.

GEOLOGI
Thorium utgjør 0,001 % av den faste, øvre jordskorpen, og ligger på en 37. plass i listen over de mest utbredte grunnstoffene der. Det har altså godt og vel halvparten av de naturlige grunnstoffene bak seg i utbredelse. Og til tross for sin dype plassering i det periodiske systemet har det bare tre av de andre grunnstoffene i bigruppe 3 foran seg i statistikken: Ce, Y og La. Dette har flere grunner. Thorium har en lang halveringstid, 14,05 milliarder år, og hvis man regner at solstystemet er 4.5 milliarder år gammelt, finner man at 2^(-4,5/14,05)= 0,80 eller altså 80 % av alt thorium ennå er tilstede. Dessuten, da grunnstoffene i solsystemet ble til ble det foruten de grunnstoffene vi kjenner fra naturen idag dannet en lang rekke transuraner: neptunium, plutonium, americium... helt opp til fermium, og alle i betydelige mengder. Alt dette er forsvunnet nå. Levetidene er for korte. Men uran og thorium ligger i nedbrytningsbanene til disse grunnstoffene, og har feid til seg mye av det som er blitt borte.

Naturlig thorium består av så å si rent thorium 232. Men det er et lite tillegg. Alt thorium som ikke er spesielt isotopseparert inneholder en liten mengde radiothorium, 228Th, samt tilskudd av 230Th hvis mineralet thoriumet er utvunnet av også har inneholdt uran. Andre thoriumisotoper som inngår i nedbrytningsseriene til uran er thorium 227, 231 og 234, mens en liten mengde ²²⁹Th finnes som produkt etter det neptunium som dannes p.g.a. kjernereaksjoner i naturen. De totale mengdeforholdene er:

²²⁷Th: 0,000000000016 % av alt thorium.
²²⁸Th: 0,00000001362 %
²²⁹Th: 0,0000000005 %
²³⁰Th: 0,0005 %
²³¹Th: 0,0000000000009 %
²³²Th: praktisk talt 100 %
²³⁴Th: 0,0000000004 %

Thorium opptrer vidt spredt i naturen. Det inngår i større eller mindre mengder i mineraler med andre sjeldne jordmetaller, hvor det p.g.a. sin store ioneradius mest følger cerittene. Det har også egne mineraler hvor det opptrer fireverdig, analogt med titangruppen. Men p.g.a. ioneradien følger det sjelden med som noen vesentlig forurensning i denne gruppens mineraler. Thorium er (1975) en hovedbestanddel i ca. 35 kjente mineraler. Mange av disse mineralene er godt kjente fra norske pegmatittganger, og mang en norsk steinsamler har thoriummineraler liggende på hyllene som tikker fint ivei når man setter en geigerteller borttil dem.

Det eneste mineralet som er viktig økonomisk for thoriumutvinning idag er Monazitt, (Ce,La,Nd,Th)PO₄. Andre thoriummineraler av betydning er thoritt, ThSiO₄, og thorianitt, ThO₂. Monazitt forekommer som forvitringssand i store avleiringer i Amazonas i Brasil og på stranden i Travancore i India. Viktige produksjonsland er (1975) Brasil, India, Sørafrika, Australia, Malaysia, USA.

KJEMI
Thorium er et sølvhvitt, glinsende metall. I luft vil overflaten av metallet langsomt gråne og til slutt få et svart overtrekk av thorium(IV)oksyd. I høyere temperatur går oksydasjonen raskere, men den går saktere med stigende renhetsgrad av metallet. De reneste thoriumprøvene kan ligge flere måneder uten å miste glansen. Thorium er vanskelig å rense for oksyd. Selv de reneste prøvene kan inneholde nærmere en halv prosent av oksydet. Rent thorium er mykt og smidig og kan valses til folier, hamres og trekkes til tråder. Men oksydinnholdet gjør det merkbart sprøere og hardere, og det er også oksydinnholdet som gjør det urene metallet mindre bestandig i luft.

Thorium angripes langsomt av vann, men av de vanlige syrene er det bare saltsyre som effektivt angriper det. Thorium passiviseres av kosentrert salpetersyre, d.v.s. at det danner et beskyttende oksydlag som hindrer videre reaksjon. Pulverisert thoriummetall kan ta fyr spontant i luft og må behandles med forsiktighet. Thoriumspon tar fyr ved oppvarming og brenner med en sterkt lysende hvit flamme.

Thoriumforbindelser er med få unntak fireverdige. P.g.a. dette og fordi protactinium og uran viser likheter med h.h.v. tantal og wolfram, ble thorium før plassert i bigruppe 4, titangruppen. Det var oppdagelsen av transuranene som førte til at det periodiske systemet ble modifisert med en actinideserie parallelt med lantanideserien. I analogi med lantanidene, som har som oppgave i det periodiske systemet å fylle 4f-orbitalen, er det aktinidenes å fylle 5f-orbitalen. Denne oppgaven sluntrer thorium forsåvidt unna, da det foretrekker å danne et elektronpar i 6d fremfor å ha to uparede elektroner. En slik konfigurasjon er også typisk for titangruppen, herav likhetene. Men det er også forskjeller, bl.a. i grunnstoffenes tetthet og smeltepunkt.

Thorium(IV)-ionet har en edelgasskonfigurasjon, og dets forbindelser er derfor oftest fargeløse. Vandige løsninger av thorium(IV)-salter er sure p.g.a. protolyse(hydrolyse). Thorium(III) og (II)-forbindelser er ustabile, og sterke reduksjonsmidler. De kan lages best ved direkte reaksjon mellom thorium og halogener. De enverdige, og derfor plasskrevende halogenionene stabiliserer dem i noen grad.

De viktigste forbindelsene er:

Thorium(IV)oksyd(thoria). Hvite, kubiske krystaller. Tetthet 9,86 g/cm³, sm.p. 3220 °C, kok.p. 4400 °C. Uløselig i både kaldt og varmt vann, men kan løses i varm svovelsyre. Uløselig i svake syrer og baser. Thoria har det høyeste smeltepunktet av alle kjente oksyder.

Thoriumtetrafluorid. Et hvitt pulver. Tetthet 6,32 g/cm³. Sm.p. over 900 °C. Praktisk talt uløselig i vann og syrer. Danner lett kompleksforbindelser med alkalimetallenes fluorider.

Thorium(IV)nitrat. Store, fargeløse, plateformede krystaller. Uhyre lettløselig i vann og alkohol. Lett løselig i eter. Tungt løselig i aceton. Reagerer på oppvarming ved å svelle opp.

BIOLOGI
Det er ikke kjent at thorium spiller noen rolle i det naturlige stoffskiftet hos noen dyre- eller plantearter. P.g.a. radioaktiviteten er inntak utilrådelig. Særlig thoriumprøver som har stått en stund bør man være forsiktig med. Thorium anrikes i lever, nyrer, milt og beinmarg, mens radiumisotopene som er de første nedbrytningsproduktene anrikes i knoklene.

UTNYTTELSE
Thorium er mest kjent for sin anvendelse i gassglødelys, såkalte Auer-brennere (etter oppfinneren, Carl Auer von Welsbach.) Slike lamper brukes i dag lite, selv om de kan fås som tilbehør til propanbrennere som turutstyr, men prinsippet er ganske interessant.

Poenget med glødelamper er å få ut mest mulig lys, og jo høyere temperatur, jo større utstråling. Men hvis en stor del av utstrålingen skjer i det 'nære' infrarødt (d.v.s. det relativt kortbølgede) stråles det ut mye varme, og det blir vanskelig å få opp temperaturen. I likhet med andre fargeløse stoffer har thoriumdioksyd ganske liten utstråling i det synlige området når det opphetes. Det gjelder også det 'nære' infrarøde. Det er i det fjernere infrarøde at det meste av utstrålingen skjer. Det er jo ikke så nyttig. Derimot har ceriumdioksyd en stor utstråling i det synlige området, spesielt i det blå. Men det utstråler svært mye også i det nære infrarøde, og er derfor heller ikke så nyttig. Så var det noen som fant på å blande de to sammen, og det viste seg at en tilblanding av så lite som 0,9 % CeO₂ ga omtrent like mye stråling som rent CeO₂ i det synlige spekteret, mens det infrarøde spekteret var omtrent identisk med thoriumoksydets. Dermed hadde man funnet et columbi egg og grunnlagt en industri som forbrukte omtrent alt thorium som ble produsert de neste hundre årene. Glødenettene ble gjennomfuktet med thorium-cerium-nitrat som så ble omgjort til oksyd ved gløding.

Thoriumdioksyd brukes p.g.a. sitt høye smeltepunkt til å lage særlig ildfaste digler, som kontrastmiddel ved røntgenundersøkelser og som katalysator ved høytemperaturprosesser (f.eks. oksydering av ammoniakk.) P.g.a. at glass tilsatt oksydet har høy brytningsindeks og lav dispersjon brukes det som linseglass i kameraindustrien og til linser i optiske vitenskapelige instrumenter.

Metallisk thorium brukes som elektrodemateriale i kvikksølvdamplamper, i fotoelektriske celler, røntgenrør o.a. Magnesium tilsatt 3 % thorium gir en meget sterk, lett og temperaturbestandig legering som brukes i fly- og romfartsteknikk og som kontruksjonsmateriale i atomreaktorer.

Andre thoriumlegeringer brukes i sveiseelektroder, som motstandstråd i elektriske ovner og som luftfjerner i høyvakuumteknikk. Visse høytemperaturlegeringer tilsettes også thoriumdioksydpartikler for å høyne smeltepunktet og øke hardheten. Et eksempel er såkalt TD-nikkel ("Thoria-Dispergert nikkel.") I wolframtrådene i elektriske glødelamper reduserer oksydet krystallstørrelsen, og dermed sprøheten.

En nyere anvendelse av thorium er til fremstilling av reaktorbrensel. Plasserer man thorium i en reaktor med høy nøytronfluks får man reaksjonen ²³²Th + ¹n = ²³³Th. Men ²³³Th er ustabilt og går med en halveringstid på 22,3 minutter over til ²³³Pa, som med en halveringstid på 27,0 dager går over til ²³³U. Dette uranet er ganske stabilt og sender ut alfapartikler med en halveringstid på 159200 år, så det er håndterbart, og dessuten har det nesten like stor fisjonsevne som uran-235 og plutonium-239. Tatt i betraktning hvor mye mer det er av thorium enn av uran i naturen, er thorium et større energireservoar enn uran og alle andre energikilder i verden til sammen.

Hovedkilder:

Prof.dr.phil. Haakon Haraldsen (Asch.konv.leks.5.utg.b.3)
Therald Moeller "The Chemistry of the Lanthanides" Pergamon Press 1975
CRC Handbook of Chemistry anf Physics, 57th ed. 1976-77.
Michael Fleischer "Glossary of Mineral Species" US Geological Survey 1975

:-) LEF