Thorium

Thorium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Th und der Ordnungszahl 90. Es gehört zu den Actinoiden und wurde benannt nach dem germanischen Gott Thor.

Zusammen mit dem ebenfalls radioaktiven Element Uran wird Thorium in Kernkraftwerken als Primärenergieträger genutzt.

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Geschichte

Hans Morten Thrane Esmark fand 1828 auf der norwegischen Insel Løvøya (Løvø), in der Nähe der Ortschaft Brevik im Langesundfjord ein schwarzes Mineral. Er übergab diese Probe seinem Vater Jens Esmark, einem führenden norwegischen Professor für Geologie. Esmark konnte diese Probe keinem bisher bekannten Mineral zuordnen und sendete die Probe, in der er eine unbekannte Substanz vermutete, an den schwedischen Chemiker Jöns Jakob Berzelius. Der stellte dann im gleichen Jahr fest, dass dieses Mineral (Thorit) zu nahezu 60 % aus einem neuen Oxid (Thoriumdioxid) bestand. Das dem Oxid zugrunde liegende Metall benannte er nach dem Gott Thor Thorium.^{[2] [3]} Die Entdeckung des neuen Minerals veröffentlichte Berzelius 1829.^[4]

Bereits 1815 hatte Berzelius eine Gesteinsprobe, die er für ein neues Mineral hielt. Er ordnete dieses Mineral einem neuen Oxid zu und nannte das dazugehörige Metall nach dem skandinavischen Gott des Donners Thor. 1824 stellte es sich jedoch heraus, dass dieses vermeintliche neue Mineral (Xenotim) Yttriumphosphat war.^[3]

1898 entdeckten Marie Curie^[5] und Gerhard Schmidt^[6] zeitgleich die Radioaktivität von Thorium.^[7]

1914 gelang Lely und Hamburger erstmals die Reindarstellung des Metalls.^[8][9]

Vorkommen

  Thoriumverbindungen finden sich häufig in Monazitsanden ((Ce,La,Nd,Th)[PO₄], 4–12 % Thoriumdioxid ThO₂) und in dem mit Zirkon isomorphen Mineral Thorianit ((Th,U)O₂) sowie in Thorit (ThSiO₄). Auch Titanit und Zirkon selbst enthalten geringere Mengen Thorium.

In der Erdkruste kommt Thorium in Mengen zwischen 7 und 13 mg Thorium pro kg vor; damit ist es etwa doppelt bis dreimal so häufig wie Uran. Generell ist das Element aufgrund seines litophilen Charakters in geringen Mengen in fast allen silikatischen Gesteinen vertreten.^[10]

Das radioaktive Metall wird in Australien, Norwegen, Sri Lanka, Kanada, USA, Indien, Lappland und Brasilien abgebaut. Stille Vorkommen von ca. 800.000 Tonnen liegen in der Türkei. Die weltweiten Gesamtreserven an förderwürdigem Thoriumdioxid werden auf eine Million t geschätzt.^[10] Die Knochen eines Menschen enthalten zwischen 0,002 und 0,012 mg Thorium pro kg Knochenmasse. Täglich werden durch Nahrung und Wasser ca. 0,05 bis 3 μg aufgenommen.^[11]

Eigenschaften

Reines Thorium ist ein silberweißes Metall, das an der Luft bei Raumtemperatur stabil ist und seinen Glanz für einige Monate behält. Ist es mit seinem Oxid verschmutzt, läuft es langsam an der Luft an und wird grau und schließlich schwarz. Die physikalischen Eigenschaften von Thorium hängen stark von seiner Verschmutzung durch sein Oxid ab. Die reinsten Sorten enthalten oft einige zehntel Prozent Thoriumdioxid. Es ist aber auch hochreines Thorium verfügbar. Reines Thorium ist weich, sehr dehnbar, kann kalt gewalzt und gezogen werden. Thorium ist polymorph mit 2 bekannten Modifikationen. Bei über 1.400 Grad Celsius wandelt es sich von einer kubisch flächenzentrierten zu einer kubisch raumzentrierten Struktur um. Von Wasser wird Thorium nur sehr langsam angegriffen, es löst sich auch in den meisten verdünnten Säuren (Fluss-, Salpeter, Schwefelsäure) und in konzentrierter Salz- und Phosphorsäure nur langsam. In rauchender Salpetersäure und Königswasser löst es sich gut. Pulverförmiges Thorium oder Späne sind an der Luft sehr leicht beim Erhitzen selbstentzündlich. Thorium verbrennt an der Luft, wenn es erhitzt wird, mit weißer, hell leuchtender Flamme.

Darstellung

Thorium wird aus Thoriumoxid gewonnen. Dazu wird Thoriumoxid mit Calcium in Form von Pulver oder Spänen im Ofen unter Argon-Atmosphäre oder im Vakuumofen reduziert. Eine Reduktion mit Wasserstoff (wie bei anderen Metallen sonst üblich) ist aufgrund der Hydridbildung nicht möglich. Anschließend wird der Kuchen in Flusssäure gewaschen und das Thoriummetall abfiltriert.

Isotope und Zerfallsreihe

Thorium ist ein Reinelement. In der Natur kommt fast nur das Isotop mit der längsten Halbwertszeit ²³²Th vor. Weil ²³²Th lange für den Anfang einer der natürlich vorkommenden Zerfallsreihen gehalten wurde, ist diese nach ihm benannt worden. Die Zerfallsprodukte des natürlich vorkommenden Thoriums-232 sind in folgender Reihenfolge:

• Radium Ra-228 (Halbwertszeit 5,75 a),
• Actinium Ac-228 (6,15 h),
• Thorium Th-228 (1,9116 a),
• Radium Ra-224 (3,66 d),
• Radon Rn-220 (55,6 s),
• Polonium Po-216 (0,145 s),
• Blei Pb-212 (10,6 h),
• Bismut Bi-212 (60,55 min),
• daraus zu 64 % Polonium Po-212 (3·10⁻⁷ s) und
• zu 36 % Thallium Tl-208 (3,053 min),
• aus beiden stabiles Blei Pb-208.

Für die komplette Zerfallsreihe bis zu ihrem Anfang siehe: Thorium-Reihe.

Verwendung

Thorium wurde in Form seines Oxides für die Herstellung von Glühstrümpfen verwendet. Diese Glühstrümpfe stellte man her, indem man Stoffgewebe mit einer Lösung aus 99 % Thoriumnitrat und 1 % Cernitrat tränkte und dann anzündete. In der Hitze zerfiel das Thoriumnitrat in Thoriumoxid und nitrose Gase. Hierbei blieb eine zerbrechliche Struktur zurück, die in der Gasflamme ein weißes Licht abgab. Dieses Leuchten hatte nichts mit der sehr schwachen Radioaktivität des Thoriums zu tun, sondern ist ein gewöhnliches Glühen durch die Hitze der Gasflamme. Aufgrund der Radioaktivität ist man inzwischen zu anderen Materialien übergegangen.

Atomwirtschaft

In Thorium-Hochtemperaturreaktoren wie dem THTR-300 wird Thorium zur Herstellung des Uranisotops ²³³U verwendet: Aus Thorium ²³²Th wird durch Neutronenbestrahlung ²³³Th; dieses zerfällt über Protactinium ²³³Pa in Uran ²³³U. Dieses ist spaltbar und kann als Brennstoff in Kernreaktoren eingesetzt werden. Da Thorium wesentlich häufiger als Uran ist, wird dieser Prozess nach der zu erwartenden Abnahme der weltweiten Uranvorräte möglicherweise in Zukunft eine wichtige Energiequelle sein; heute sind jedoch noch viele technische Probleme und auch Sicherheitsprobleme ungelöst, um diesen Prozess wirtschaftlich zu betreiben.

Die Zeitangaben sind Halbwertszeiten.

Thorotrast

(siehe Hauptartikel Thorotrast)

Eine stabilisierte Suspension von kolloidalem Thoriumdioxid wurde von 1931 beginnend unter diesem Handelsnamen bis Ende der 40er Jahre als Röntgenkontrastmittel für die Angiographie verwendet. Es reichert sich jedoch im retikulo-endothelialen System an und kann aufgrund örtlich erhöhter Strahlenbelastung zu Krebs führen. Klare Assoziationen bestehen zwischen Thorotrast und dem Gallengangs-Karzinom, außerdem kann ein Angiosarkom der Leber, ein sonst sehr seltener bösartiger Tumor der Leber, durch Thorotrast induziert sein. Karzinome der Nasennebenhöhlen nach der Verabreichung von Thorotrast sind beschrieben. Typischerweise treten die Erkrankungen 30–35 Jahre nach der Exposition auf. An Stelle von Thorotrast werden heute Bariumsulfat und deutlich verbesserte aromatische Iodderivate als Röntgenkontrastmittel verwendet.

Andere Anwendungen

Zur Verbesserung der Zündeigenschaften der beim Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen) eingesetzten Elektroden wird diesen Thoriumoxid in der Größenordnung von 1 bis 4 % beigemischt. Als Glühelektrodenwerkstoff eingesetzter Wolframdraht wird zur Verringerung der Elektronen-Austrittsarbeit mit etwa 1–3 % Thoriumdioxid dotiert. Dies ermöglicht die Reduzierung der zu einer vergleichbaren Emission notwendigen Temperatur in Elektronenröhren und erleichtert das Startverhalten von Entladungslampen. Im Lampenbau wird Thorium ferner als Getter in Form von Thoriumoxid-Pillen oder Thoriumfolie eingesetzt. Thoriumdioxid ist ein üblicher Zusatz für hochwertige optische Linsen, wegen seiner hohen Brechzahl.

Sicherheitshinweise

Die akute chemische Toxizität von Thorium wird als gering eingeschäzt und im wesentlichen auf die Radioaktivität zurückgeführt. Dies hängt mit der schlechten Wasserlöslichkeit von 0,0001 μg pro l des reinen Metalls sowie der des meist vorkommenden Thoriumdioxids zusammen. Lediglich in sehr saurem Millieu ab einem pH-Wert von 4 löst sich Thorium besser. Auch Oxalate und andere Komplexbildner erhöhen die Wasserlöslichkeit.^[10]

Radiotoxizität

Das Thoriumisotop ²³²Th ist mit seiner Halbwertszeit von 14,05 Mrd. Jahren noch wesentlich schwächer radioaktiv (geringere Dosisleistung) als Uran, da durch die längere Halbwertszeit weniger Zerfälle pro Sekunde statfinden und auch die Konzentration der kurzlebigen Zerfallsprodukte geringer bleibt. Thorium ist ein α-Strahler und aufgrund dieser Strahlungsart gefährlich bei Inhalation und Ingestion. Metall-Stäube und vor allem Oxide sind aufgrund ihrer Lungengängigkeit radiotoxisch besonders gefährlich und können Krebs verursachen. Beim Lagern und Umgang von bzw. mit Thorium und seinen Verbindungen ist auch die stetige Anwesenheit der Elemente aus der Zerfallsreihe zu beachten. Besonders gefährlich sind starke Beta- und die mit einem hohen 2,6 MeV-Anteil sehr energiereichen und durchdringungsfähigen Gammastrahler.

Thoriumverbindungen

In Übereinstimmung mit seiner Stellung im Periodensystem tritt Thorium in seinen Verbindungen normalerweise in der Oxidationsstufe +IV auf; Thorium(III)- und Thorium(II)-Verbindungen sind seltener. Eine Besonderheit bilden die Carbide der Actinoide ohne feste Stöchiometrie.

Thoriumdioxid, Thorium(IV)-oxid (ThO₂) hat mit 3.300 Grad Celsius von allen Metalloxiden einen der höchsten Schmelzpunkte. Nur einige wenige Metalle, wie Wolfram, und einige Verbindungen, wie Tantalcarbid, besitzen höhere Schmelzpunkte.

Thoriumnitrat, Thorium(IV)-nitrat (Th(NO₃)₄) ist eine farblose, leicht in Wasser und Alkohol lösliche Verbindung. Das Nitrat ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Darstellung von Thorium(IV)-oxid sowie von Thoriummetall und wird auch bei der Erzeugung von Gasglühkörpern eingesetzt.

Thoriumnitrid, Thorium(IV)-nitrid (Th₃N₄) entsteht beim Glühen von Thorium in Stickstoffatmosphäre und hat einen messingfarbenen Glanz. Thoriumnitrid ist hygroskopisch und zerfällt innerhalb weniger Stunden durch Luftfeuchte.

Thoriumcarbid, ThC₂ bildet gelbe, monokline Kristalle mit einem Schmelzpunkt von 2655 °C. Das Carbid wird bei etwa 9 K supraleitend. In Form des Mischcarbids (Th, U)C₂ wird Thoriumcarbid als Brennstoff in gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren eingesetzt. Die Darstellung des Carbidgemisch geschieht durch Umsetzung der Thorium- und Uraniumoxide mit Kohlenstoff bei 1600 bis 2000 °C.

Historische Bezeichnungen

„Thorium-G“

Bei der auch als Weltvernichtungsmaschine titulierten „Cobalt-Thorium-G“-Bombe in Stanley Kubricks Film Dr. Seltsam oder: Wie ich lernte, die Bombe zu lieben handelt es sich in erster Linie um eine Kobaltbombe. Verwendet man im Bombendesign Thorium (möglicherweise anstelle von Uran in der Fissionsstufe oder im Mantel), so entsteht bei der Detonation u. a. radioaktives, hoch giftiges und langlebiges Protactinium-231, was das Verseuchungspotential des Fallouts beträchtlich steigern würde. Die Halbwertszeit von Protactinium-231 beträgt allerdings 32.760 Jahre und weicht somit von der im Film genannten (93,7 bzw. 100 Jahre) deutlich ab.

„Thorium-X“

Unter der Bezeichnung Thorium-X wurden vor allem in der 1. Hälfte des 20. Jahrhunderts verschiedene Lösungen gehandelt, die Thorium- und andere radioaktive Isotope enthielten. In den USA kam z. B. eine Tinktur dieses Namens bis etwa 1960 in der Radiotherapie von Hautkrankheiten zur Anwendung. In Deutschland gab es um 1930 Badezusätze und Ekzemsalben der Marke „Thorium-X“, die wegen der offenkundigen Gesundheitsgefahren allerdings kurz darauf aus dem Handel genommen wurden.

Quellen

1. ↑ ^{a b c} BGIA -Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung- Gestis Stoffdatenbank
2. ↑ bbc.co.uk, The Elements: Names and Origins - O-Z, abgerufen am 11. Dezember 2007
3. ↑ ^{a b} Thorium – History & Etymology, abgerufen am 11. Dezember 2007
4. ↑ Berzelius JJ, Untersuchung eines neuen Minerals und einer darin enthaltenen zuvor unbekannten Erde, in Annalen der Pysik und Chemie, 16/1829, S. 385–415.
5. ↑ Curie MS, Classic of science—radioactive substances by Madame Curie., in Science News Letter, 14/1928, S.137–8.
6. ↑ Badash L, The discovery of thorium’s radioactivity., in The Journal of Chemical Education, 43/1966, S.219–20.
7. ↑ Hedrick JB, Thorium, 1999
8. ↑ van Arkel AE und de Boer JH, Darstellung von reinem Titanium-, Zirkonium-, Hafnium- und Thoriummetall, in Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 148/1925, S.345–50.
9. ↑ Hamburger, Lely, in Ztschr. anorg. Chem., 87/1914, S.209.
10. ↑ ^{a b c} Merkel B., Dudel G. et al.: Untersuchungen zur radiologischen Emission des Uran-Tailings Schneckenstein, 1988, TU Bergakademie Freiberg und TU Dresden
11. ↑ Emsley J. The Elements, 1992, Clarendon Press Oxford