Радій

Подружжя Кюрі експериментує з радієм. Картина Андре Кастеня

Відкритий П'єром та Марією Кюрі з допомогою їх помічника Густава Бемона[1] (за іншими джерелами — Жака Бемона[2]) у 1898 році.

Французькі вчені П'єр і Марія Кюрі виявили, що відходи, які залишаються після виділення урану з уранової руди (уранова смола, що видобувається в місті Яхимів, Чехія) радіоактивніші за чистий уран. З цих відходів подружжя Кюрі після кількох років інтенсивної роботи виділили два сильно радіоактивних елементи: полоній і радій. Перше повідомлення про відкриття радію (у вигляді суміші з барієм) Кюрі зробили 26 грудня 1898 у Французькій академії наук. У 1902 Кюрі і Андре Деб'єрн виділили чистий радій шляхом електролізу хлориду радію на ртутному катоді і подальшої дистиляції у водні. Виділений елемент був, як зараз відомо, ізотоп радій-226, продукт розпаду урану-238. За відкриття радію та полонію подружжя Кюрі отримали Нобелівську премію. Радій утворюється через багато проміжних стадій при радіоактивному розпаді ізотопу урану-238 і тому знаходиться в невеликих кількостях в урановій руді. Багато радіонуклідів, що виникають при радіоактивному розпаді радію, до того, як була виконана їх хімічна ідентифікація, отримали найменування типу радій А, радій B, C радій і т. д. Хоча зараз відомо, що вони являють собою ізотопи інших хімічних елементів, їх історично сформовані назви за традицією іноді використовуються.

Назва «радій» пов'язана з випромінюванням атомів Ra: лат. radiusis — промінь.

Атомна маса для найстійкішого ізотопу ²²⁶Ra (період напіврозпаду бл. 1620 років) — 226,0254. Сріблясто-білий метал, на повітрі набуває чорного кольору через утворення нітриду Ra₃N₂. При спалюванні надає червоного відтінку полум'ю.[3] Густина 5500 кг/м³; t_плав 969 °C; t_кип бл. 1500 °C.

Реагує з водою з утворенням сильного лугу Ra(OH)₂. На повітрі легко окиснюється з утворенням RaO, сполучаючись з N, дає нітрид Ra₃N₂.

Всі ізотопи радію радіоактивні. Радій випромінює α, β та γ промені, в залежності від ізотопу. Всі його ізотопи легше ²²⁷Ra альфа-активні. ²²⁵Ra, ²²⁷Ra та всі більш важкі ядра зазнають тільки β^—-розпад. Крім того, для 5 ізотопів радію (з масовими числами 221–224 та 226) був відкритий кластерний розпад. Альфа-частинки, що випромінюються α-активними ізотопами радію (і будь-яких інших елементів), при змішуванні з легкими елементами (берилієм та ін.) викликають (α,n)-реакції на ядрах цих елементів, що призводить до емісії нейтронів[3]; це використовується для створення нейтронних джерел.

Середній вміст у земній корі 10^—10% маси. Як член родини ²³⁸U, ²²⁰Ra є в усіх рудах урану (бл. 0,3 г/т). Внаслідок вимивання з уранових руд радій знаходиться в розчиненому стані у воді і входить до складу вторинних мінералів. У геології ізотопи радію ²²⁸Ra і ін. застосовують для визначення віку океанічних осадових порід і мінералів.

Радій-226 приблизно у мільйон разів радіоактивніший від природного урану з тією ж масою.[3]

Відомо 25 ізотопів радію. Ізотопи ²²³Ra, ²²⁴Ra, ²²⁶Ra, ²²⁸Ra зустрічаються в природі і входять до складу радіоактивних рядів. Решта ізотопів були отримані штучно. Нижче наведені властивості деяких ізотопів радію[4]:

Радій виділяють з уранових руд хімічним методом.[1] Металевий радій отримують електролізом розчину RaCl₂ на ртутному катоді.

Радій досить рідкісний. За час з моменту його відкриття — понад століття — у всьому світі вдалося добути всього лише 1,5 кг чистого радію. Одна тонна уранової смолки, з якої подружжя Кюрі отримали радій, містить лише близько 0,0001 г радію-226. Весь природний радій є радіогенним — виникає при розпаді урану-238, урану-235 або торію-232; з чотирьох знайдених в природі найпоширенішим і найтривалішим ізотопом (період напіврозпаду — 1602 роки) є радій-226, що входить до радіоактивного ряду урану-238. У рівновазі, відношення вмісту урану-238 і радію-226 в руді дорівнює відношенню їх періодів напіврозпаду: (4,468×10⁹ років)/(1602 роки) = 2,789 ×10⁶. Таким чином, на кожні три мільйони атомів урану в природі можна знайти лише один атом радію або 1,02 мкг/т (кларк у земній корі).

Всі природні ізотопи радію зведено у таблиці:

Геохімія радію багато в чому визначається особливостями міграції та концентрації урану, а також хімічними властивостями самого радію — активного лужноземельного металу. Серед процесів, що сприяють концентруванню радію, слід вказати насамперед на формування на невеликих глибинах геохімічних бар'єрів, в яких концентрується радій. Такими бар'єрами можуть бути, наприклад, сульфатні бар'єри в зоні окислення. Хлоридні сірководневі радієвмісні води в зоні окиснення стають сульфатними, радій осаджується з BaSO ₄ та CaSO ₄, де він стає практично нерозчинним постійним джерелом радону. Через високу міграційну здатність урану і здатності його до концентрування, формуються багато типів уранових рудоутворень в гідротермах, вугіллі, бітумах, вуглистих сланцях, пісковиках, торфовищах, фосфоритах, бурих залізняках, глинах з кістковими залишками риб (літофації). При спалюванні вугілля попіл і шлаки збагачуються ²²⁶Ra. Також зміст радію підвищений в фосфатних породах.

У результаті розпаду урану і торію, та вилуговування із порід нафти, що містять нафту, постійно утворюються радіонукліди радію. У статичному стані нафта знаходиться в природних пастках, обміну радієм між нафтою і водами, що її підпирають, немає (окрім зони контакту вода-нафта) і внаслідок цього є надлишок радію в нафті. При розробці родовища пластові та закачані води інтенсивно надходять у нафтові пласти, поверхня поділу вода-нафта різко збільшується і в результаті радій йде у потік вод, що фільтруються. За підвищеного вмісту сульфат-іонів розчинені у воді радій і барій осідають у вигляді радіобариту Ва(Ra)SO₄, який випадає на поверхні труб, арматури, резервуарів. Типова об'ємна активність викачуваної водонафтової суміші за ²²⁶Ra і ²²⁸Ra сягає 10 Бк/л, що відповідає рідким радіоактивним відходам.

Основна маса радію знаходиться в розсіяному стані в гірських породах. Радій — хімічний аналог лужних і лужноземельних породоутворюючих елементів, що утворюють польові шпати, які складають половину маси земної кори. Калієві польові шпати — головні породоутворюючі мінерали кислих магматичних порід — гранітів, сієнітів, гранодіоритів та інших. Відомо, що граніти мають природну радіоактивність, яка трохи вища за фонову через домішки урану. Хоча кларк урану не перевищує 3 г/т, але в гранітах його вміст становить вже 25 г/т. Але якщо набагато поширеніший хімічний аналог радію — барій — входить до складу досить рідкісних калій-барієвих польових шпатів (гіалофанів), а «чистий» барієвий польовий шпат, мінерал цельзіан BaAl ₂Si₂O₈ дуже рідкісний, то накопичення радію з утворенням радієвих польових шпатів і мінералів взагалі не відбувається через короткий період напіврозпаду радію. Радій розпадається на інертний радон, що вивільняється порами і мікротріщинами і вимивається з ґрунтовими водами. У природі іноді зустрічаються молоді радієві мінерали, що не містять уран, наприклад радіобарит і радіокальцит, при кристалізації яких з розчинів, збагачених радієм (у безпосередній близькості від легкорозчинних вторинних уранових мінералів), радій кристалізується разом з барієм і кальцієм завдяки ізоморфізму.

Косметика з радієм. Музей Кюрі, Париж

На початку XX  ст. радій вважався не лише безпечним, але й корисним елементом. Його додавали до харчових продуктів, води, косметики та засобів гігієни.[5] Радій входив до складу радіолюмінесцентної фарби, що наносилася на стрілки та циферблати годинників. Використання фарби без запобіжних заходів спричиняло каліцтво та смерть робітників, що стало причиною звернення до суду деяких жінок, які працювали на фабриці U.S. Radium, Оріндж, Нью-Джерсі (процес «радієвих дівчат»).

Радій застосовується як джерело альфа-частинок для приготування Ra-Be джерел нейтронів, для виготовлення світних фарб, у медицині — для радіотерапії та дефектоскопії, в техніці — для отримання радійберилієвих джерел нейтронів, як джерело гамма-випромінення. Радій також використовується в геохімії як індикатор змішування і циркуляції вод океанів.

Радій надзвичайно радіотоксичний. В організмі він поводить себе подібно до кальцію — близько 80% радію, що потрапляє в організм, накопичується в кістковій тканині. Великі концентрації радію викликають остеопороз, самовільні переломи і злоякісні пухлини кісток та кровотворної тканини. Небезпеку несе також радон — газоподібний радіоактивний продукт розпаду радію.

Передчасна смерть Марії Кюрі сталася внаслідок хронічного отруєння радієм, тому що в той час ще не було усвідомлено небезпеку опромінення.

• Полоній
• Радієві руди

• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2007. — Т. 2 : Л — Р. — 670 с. — ISBN 57740-0828-2.

• Стаття на сайті нобелівського комітету про відкриття полонію та радію (англ.)
• Про відкриття радію на сайті Lateral Science (англ.)