Радиоактивные изотопы церия; методы получения, ядерно-физические свойства.

Природный церий состоит из смеси четырёх стабильных изотопов: ¹³⁶Ce (0,185%), ¹³⁸Ce (0,251%), ¹⁴⁰Ce (88,450%) и ¹⁴²Ce (11,114%). Два из них (¹³⁶Ce и ¹⁴²Ce) в принципе могут испытывать двойной бета-распад, однако их радиоактивность не наблюдалась, установлены лишь нижние ограничения на периоды полураспада (3,8×10¹⁶ лет и 5,0×10¹⁶ лет, соответственно). Известны также 26 радионуклидов церия. Из них наиболее стабильны ¹⁴⁴Ce (период полураспада 284,893 д), ¹³⁹Ce (137,640 д) и ¹⁴¹Ce (32,501 д). Остальные известные радионуклиды церия имеют периоды полураспада менее 4 дней, а большинство из них - менее 10 минут. Известны также 2 изомерных состояния изотопов церия. [5]

Церий-144 (период полураспада 285 суток) является одним из продуктов деления урана-235, в связи с чем нарабатывается в больших количествах в ядерных реакторах. Максимальная энергия излучения бета частиц - 91 кэВ. Применяется в виде двуокиси (плотность около 6,4 г/см³) в производстве радиоизотопных источников тока в качестве источника тепла, его энерговыделение составляет около 12,5 Вт/см³. [1]

Методы определения. Определение содержания церия 144 в объектах окружающей среды проводят по гамма-, бета излучению на бета-гамма радиометрах или спектрометре. При радиохимическом определении в объектах внешней среды церия 141 и 144 основано на групповом осаждении изотопов редкоземельных элементов с носителем лантаном в виде оксалатов и гидроксидов с последующим разделением.

Радиоактивные изотопы церия получают в ядерном реакторе при делении ядер атомов тяжелых элементов или при ядерных взрывах. Содержание изотопов церия в неразделенной смеси продуктов деления составляют 6 %. [5]

 

 

Расчетная часть.

Исходные данные:

Состав раствора: «Ce(NO₃)₃ – Na₃PO₄ – Na₂SO₄ – KF – H₂O»

C(Ce(NO₃)₃) = 10^-6 моль/л

С(Na₃PO₄) = 0,01 моль/л

С(Na₂SO₄) = 0,2 моль/л

С(KF) = 0,02 моль/л

рН = 1-12

Основные реакции

1. Ce(NO₃)₃ ↔ Ce³⁺ + 3 NO₃^-

2. Na₃PO₄ ↔ 3 Na⁺ + PO₄^3-

3. Na₂SO₄↔ 2 Na⁺ + SO₄^2-

4. KF ↔ K⁺ + F^-

Рассчитать долю и концентрацию форм состояния гидролизующихся лигандов в растворе во всем диапазоне рН; построить распределительную диаграмму для каждого из них.

1. Серная кислота:

т.к. серная кислота является сильной кислотой, то далее в расчетах примем что: = = 0,2 моль/л (по условию).

Фосфорная кислота

РО₄^3- + НОН → НРО₄^2- + ОН^-

НРО₄^2- + НОН → Н₂РО₄^- + ОН^-

Н₂РО₄^- + НОН → Н₃РО₄ + ОН^-

Н₃РО₄ → Н⁺ + Н₂РО₄^- k_1d = 7.6*10^-3

Н₂РО₄^- → Н⁺ + НРО₄^2- k_2d = 6.2*10^-8

НРО₄^2- → Н⁺ + РО₃^3- k_3d = 4,2*10^-13

 

 

C(Na₃PO₄) = + + +

Все члены равенства разделим на [PO₄^3-] и получим:

 

+ + + 1

 

= C(Na₃PO₄) / + + + 1

 

Расчет концентраций ионов при рН = 1

C (Na ₃ PO ₄) = 0,01 моль / л

 

= 1,83 ∙ 10^-21

[ HPO ₄^2-] = (0,01 · 1,83 · 10^-21) / 4,2 ∙ 10^-13 = 4,37 ∙ 10^-10

[ H ₂ PO ₄^-] = (0,01² · 1,83 · 10^-21) / (6,2 · 10^-8 · 4,2 · 10^-13) = 0,000706

[ H ₃ PO ₄] = (0,01³ · 1,83 ∙ 10^-21) / (7,6·10^-3·6,2·10^-8·4,2·10^-13) = 0,009293

Табл. 1. Расчет концентрации ионов при C (Na ₃ PO ₄) = 0,01 моль / л

рН	[PO4 3-]	[HPO4 2-]	[H2PO4-]	[H3PO4]	Проверка
	1,83926E-21	4,37918E-10	0,00070632	0,00929368	0,01
	1,12445E-18	2,67727E-08	0,00431817	0,005681803	0,01
	2,30108E-16	5,47877E-07	0,008836725	0,001162727	0,01
	2,56861E-14	6,11574E-06	0,009864094	0,000129791	0,01
	2,58457E-12	6,15375E-05	0,009925403	1,30597E-05	0,01
	2,45167E-10	0,000583732	0,009415029	1,23882E-06	0,01
	1,60739E-08	0,003827123	0,006172779	8,12208E-08	0,01
	3,61654E-07	0,008610798	0,001388838	1,82742E-09	0,01
	4,13163E-06	0,009837204	0,000158665	2,08769E-11	0,01
	4,17573E-05	0,009942207	1,60358E-05	2,10998E-13	0,01
	0,000403009	0,009595444	1,54765E-06	2,03638E-15	0,01
	0,002957713	0,007042174	1,13583E-07	1,49452E-17	0,01

 

Рассчитаем доли ионов α.

рН = 1

α(PO ₄^3-) = 1,84 * 10^-21 / 0,01 = 1,83 * 10^-19

α(HPO ₄^2-) = 4,37 * 10^-10 / 0,01 = 4,37 * 10^-8

α(H ₂ PO ₄^-) = 0,0007063 / 0,01 = 0,0706

α(H ₃ PO ₄) = 0,0092937 / 0,01 = 0,9294

Табл. 2. Расчет доли ионов α при C (Na ₃ PO ₄) = 0,01 моль / л

 

рН	α[PO4 3-]	α[HPO4 2-]	α[H2PO4 -]	α[H3PO4]	Проверка
	1,83926E-19	4,37918E-08	0,070631967	0,929367989
	1,12445E-16	2,67727E-06	0,431817026	0,568180297
	2,30108E-14	5,47877E-05	0,883672513	0,116272699
	2,56861E-12	0,000611574	0,986409356	0,01297907
	2,58457E-10	0,00615375	0,992540276	0,001305974
	2,45167E-08	0,058373181	0,941502913	0,000123882
	1,60739E-06	0,382712326	0,617277945	8,12208E-06
	3,61654E-05	0,861079811	0,138883841	1,82742E-07
	0,000413163	0,983720378	0,015866458	2,08769E-09
	0,004175727	0,994220691	0,001603582	2,10998E-11
	0,040300864	0,959544371	0,000154765	2,03638E-13
	0,295771288	0,704217353	1,13583E-05	1,49452E-15

 

Диаграмма 1. Зависимость α (PO ₄^3-, HPO ₄^2-, H ₂ PO ₄^-, H ₃ PO ₄) от рН раствора C (Na ₃ PO ₄) = 0,01 моль / л

 

3. Фтороводородная кислота

HF ↔ H⁺ + F^-

 

 

K_d4 = 6.9∙10^-4

 

 

C(KF) = [HF] + [F^-] = =

Табл. 3. Расчет концентрации и доли ионов при C (KF) = 0,02 моль / л

pH	[F-]	α[F-]
	0,017222222	0,861111111
	0,01968254	0,984126984
	0,019967794	0,998389694
	0,019996775	0,999838736
	0,019999677	0,999983871
	0,019999968	0,999998387
	0,019999997	0,999999839
	0,02	0,999999984
	0,02	0,999999998
	0,02
	0,02
	0,02