Торий был выделен из черного силикатного минерала, известного в настоящее время как торит, и открыт Берцелиусом [1] в 1828 г. Элементу было дано название по имени бога войны в скандинавской мифологии –Тора.
Рис. 1. Йёнс Якоб Берцелиус.
Новый элемент торий вызывал небольшой интерес вплоть до 1880 – 1890 гг., когда К. Ауэр фон Вельсбах, австрийский химик, специалист по редкоземельным элементам, изобрел газокалильную сетку (сетку Ауэра) и мантию Вельсбаха (ткань, пропитанная нитратом тория с примесью нитрата церия), благодаря которой пламя газовой лампы становилось намного ярче. Потребности в тории для производства сеток в промышленном масштабе стимулировали поиск новых минеральных источников и привели к более интенсивному изучению химии тория. Производство сеток, которое в начале ХХ столетия было безусловно наиболее значительным промышленным применением тория, после Первой Мировой войны пошло на спад из-за повсеместной замены газового освещения электричеством.
Общее число изотопов тория равно 13 с массовыми числами от 223 до 235. Наиболее устойчив природный долгоживущий изотоп 232Th (Т1/2 = 1,4·1010 лет). Торий сравнительно широко распространён в природе (6,5·10-5 масс. долей, %), в основном в виде изотопа 232Th.
Рис. 2. Металлический торий.
Чистый торий представляет собой блестящий серебристый металл с очень высокой температурой плавления; по сравнению с металлами, используемыми в качестве конструкционных металлов, имеет небольшую твёрдость (например, твёрдость стали выше) и довольно высокую реакционноспособность.
Металлический торий существует в двух аллотропных модификациях; фазовый переход наблюдается при температуре ~ 1400°С. Рассчитаны параметр решётки a = 5,084 Å и плотность, равная 11,724 г/см 3 и плотность, равная 11,724 г/см3 при комнатной температуре [2]. Следует отметить, что эта изотипная (гранецентрированная кубическая) структура тория отличается от структур урана и большинства других актиноидов. Очевидно, при температуре выше фазового перехода реализуется объёмно-центрированная кубическая решётка, аналогичная решётке вольфрама, но детали такой структуры установлены неточно. Металлический торий плавится при ~ 1750°С. Температура кипения жидкого тория, определённая путём экстраполяции, составляет ~ 5000 K.
Рис. 3. Гранецентрированная кубическая решётка тория.
Рис. 4. Объёмно-центрированная кубическая решётка тория (высокотемпературная модификация).
Как следовало ожидать исходя из основного состояния электронной структуры (6d27s2), металлический торий проявляет диамагнитные свойства. Металл становится сверхпроводящим при температуре ниже 1,3 – 1,4 К [3, 4].
Торий – активный металл, его стандартный электродный потенциал Eº(Th4+/Th) = -1.9 В. На воздухе и в воде торий весьма устойчив вследствие пассивации его поверхности плёнкой ThO2.
Торий легко образует сплавы с железом, кобальтом, никелем, медью, золотом, серебром, бором, платиной, молибденом, вольфрамом, танталом, цинком, висмутом, свинцом, ртутью, натрием, бериллием, магнием, кремнием, селеном, алюминием и, возможно, с другими элементами. Торий образует простые эвтектические системы с хромом и ураном. Металлический торий смешивается с церием как в жидком, так и в твёрдом состоянии. Опубликованы данные по бинарным фазовым диаграммам для систем тория примерно с 32 различными металлами.
Минералы тория.
Присутствие тория в минералах известно давно [5, 6]. В минералах торий находится в виде устойчивого положительного четырёхзарядного иона Th4+ и встречается вместе с аналогами – четырёхзарядными ионами Zr4+ и Hf4. Торий также обнаруживают вместе с U4+, который имеет довольно близкий ионный радиус. Торий, подобно лантаноидам, образует нерастворимые фосфаты и гидроксиды, поэтому его часто обнаруживают в минералах совместно с редкоземельными элементами.
Рис. 5. Монацитовый песок.
Торит (ThSiO4) – минерал, в котором торий был открыт, найден в районе, известном, как источник минералов, содержащих редкоземельные элементы. Главной рудой тория, имеющей промышленное значение, является не минерал с преимущественным содержанием тория, а скорее безводный фосфат редких земель – монацит. Формулу этого минерала можно представить в виде (Ce, La, Nd)PO4, где все металлы входят, как трёхзарядные катионы. Содержание тория в расчёте на ThO2, как правило, составляет 5-30% оксидов других металлов. Внедрение тория в решётку, по-видимому, часто происходит при параллельном замещении фосфата силикатом.
Монацит широко распространён во всём мире, и некоторые его месторождения осадочного происхождения чрезвычайно крупные. Известное траванкорское месторождение в Индии – одно из главных источников промышленного тория. Высокая плотность и относительная химическая инертность фосфатов монацита способствовали его отложению в результате разрушения россыпей на отмелях. Поскольку монацит проявляет заметные магнитные свойства, его можно концентрировать помощью магнитных полей.