Atomul

 

Generalitati

Orice material este compus din particule mici numite atomi. Acestea sunt atat de mici incat incap cu milioanele pe varful unui ac. Gruparea mai multor atomi formeaza molecule; cele mai mari grupari de acest gen contin mai multe mii de atomi.

Idea ca orice material se compune din particule mici a aparut inca din vremea Greciei Antice. In jurul anului 420 i.e.n. filozoful Democrit a ajuns la concluzia ca materia se compune din particule mici indivizibile. Aceste particule se numesc si astazi atomi, dupa cuvantul grecesc atomos, adica indivizibil.

Alti filozofi aveau teorii diferite. In secolul IV i.e.n. Aristotel era de parere ca fiecare material se compune din patru elemente de baza -pamant, aer, foc, apa -, numai ca in cantitati diferite. Aceasta a fost o teorie acceptata pe larg pana la inceputl secolului XVII. Obiectivul alchimiei a fost crearea “elixirului vietii”, o bautura care ar da viata eterna omului. Un alt obiectiv a fost imbogatirea prin transformarea metalelor obisnuite in aur. Multi alchimisti s-au laudat ca au rezolvat aceste probleme, dar in realitate nici unul nu a avut succes.

        Teoria revolutionara a lui Dalton

Cativa oameni de stiinta au ramas in continuare de parere ca materia se compune din atomi, insa pana la inceputul anilor 1800 nu a existat nici o dovada stiintifica care sa sustina aceasta teorie. Un chimist si scriitor englez, John Dalton, a realizat experiente cu gaze, mai precis a cercetat modul de combinare intre ele. A determinat de exemplu, ca hidrogenul si oxigenul se combina intotdeauna in acelasi raport de greutate spre a forma apa. La rezultate similare au ajuns si alti cercetatori, insa Dalton a fost primul care a inteles implicatiile acestora. El a concluzionat ca materiile sunt compuse din atomi si ca atomii unei substante primare au toti aceeasi greutate. Daca doua substante primare se combina intre ele atunci atomii se unesc intotdeauna in acelasi raport cantitativ. Teoria de atom daltoniana a explicat cauza din care atomii se combina intotdeauna in acelasi raport cantitativ si a creat un punct de plecare pentru alti cercetatori spre examinarea in detaliu a materiei.

Materia se compune deci din atomi, dar oare atomii din ce se compun? Primele indicii in acest sens au aparut spre sfarsitul anilor 1800, cand cercetatorii au examinat trecerea electricitatii prin aerul rarefiat dintr-un tub de sticla.Tubul a emis din cand in cand lumina verde, in momentele in care s-a aplicat o tensiune inalta pe cele doua placute de metal, introduse in gaz, sau altfel spus electrozi. Aceasta luminozitate era produsa de radiatia invizibila care pornea de pe electrodul negativ si se lovea de peretele tubului de sticla.

In anii 1890 fizicianul britanic J.J. Thomson a aratat ca aceste raze catodice, dupa cum se numeau in acea vreme, sunt defapt curenti de particule purtatoare de sarcini negative. In acea vreme s-a presupus ca electronii sunt smulsi intr-un mod oarecare din atomi, dar nu era de loc clara organizarea lor din interiorul atomului. Ipoteza lui Thomson era ca atomii seamana intr-un fel cu o budinca de stafide: mai multe particule cu sarcina negativa- electronii, sunt incorporate intr-o materie voluminoasa dar usoara, de forma sferica. Experientele elaborate si realizate ulterior pentru clarificarea structurii interne a atomului au infirmat teoria lui Thomson.

 

Modelul Rutherford

In 1911, un coleg al lui Thomson, Ernest Rutherford, nascut in Noua Zeelanda, dar care a lucrat in Marea Britanie, a schitat o noua structura atomica, care a dat raspuns la fenomenele observate in experimente. In conformitate cu aceasta, mijlocul atomului sau altfel spus nucleul, are sarcina pozitiva si este relativ greu. In jurul lui se rotesc electronii: particule foarte mici si usoare, purtatoare de sarcina negativa.

Rutherford nu a realizat insa ca nucleul atomic se compune de regula din mai multe tipuri de particule: unele cu sarcina pozitiva si altele fara sarcina. Existenta particulelor cu sarcina pozitiva – a protonilor – s-a dovedit in jurul anului 1920. Particulele fara sarcina electrica au fost descoperite in 1932 de Sir James Chadwick, care le-a denumit neutroni. Prin aceasta s-a completat modelul de atom prin care putem intelege comportamentul materiei.

Elemente

Elementele sunt acele substante, in care fiecare atom are acelasi numar de protoni. Acest numar comun de protoni indica numarul atomic al elementului. Exista in totalitata un numar de 92 de elemente in natura: in atomii lor, numarul protonilor poate varia de la 1 la 92. Prin intermediul unor echipamente speciale, numite acceleratoare de particule se pot produce alte cateva elemente care sa contina mai multi protoni.

In multe substante, atomii formeaza grupari numite molecule. Gazul de hidrogen este format tot din molecule, fiecare molecula fiind compusa din doi atomi de hidrogen. Si apa este o compozitie: molecula de apa contine doi atomi de hidrogen si un atom de oxigen. Exista numeroase molecule care contin un numar mult mai mare de atomi: proteinele din organismele vii sunt compuse din molecule sofisticate, numarul atomilor ajungand la ordinul miilor.

Unele elemente se gasesc in natura numai compuse. Spre exemplu sodiul este un metal, care intra in legatura cu alte metale atat de repede incat niciodata nu poate fi gasit in natura in forma pura, primara. Forma cea mai raspandita este compozitia cu clorul, si anume clorura de sodiu, adica sarea de bucatarie. Sodiul este un metal, se extrage din aceasta compozitie, si adesea se utilizeaza pentru producerea altor substante.

                     

Legaturi chimice

Atomii din molecule pot fi legati sau conectati in mai multe moduri, dar de fiecare data implica un schimb de electroni sau punerea lor in comun pentru a se ajunge la structura stabila de octet sau de dublet. Cele doua tipuri simple de legaturi chimice sunt legatura covalenta si ionica.

In legatura covalenta atomii pun in comun electroni. In molecula de hidrogen, cei doi atomi de hidrogen sunt legati printr-o legatura covalenta. Cei doi electroni apartinand celor doi atomi de hidrogen se rotesc in jurul ambelor nuclee, si astfel stau impreuna. Legatura covalenta se realizeaza intre doua metale sau nemetale. 

La legatura ionica un atom cedeaza unul sau mai multi  electroni atomului pereche, iar legatura intre ele se datoreaza fortei de atractie electrostatice. In mod normal  numarul protonilor pozitivi dintr-un atom coincide cu numarul electronilor negativi. Aceste sarcini de marimi egale dar de sens contrar se anuleaza reciproc, astfel atomul nu are sarcina electrica. Daca insa  atomul pierde electroni, atunci sarcina pozitiva va fi preponderenta, iar atomul care a primit electroni va fi de sarcina negativa. Acesti atomi care prezinta o sarcina globala pozitiva sau negativa, se numesc ioni. Ionii cu sarcini de sens opus se atrag, si tocmai aceasta forta de atractie mentine legatura intre atomi. Molecula din sarea de bucatarie se formeaza printr-o asemenea legatura ionica: un atom de sodiu cedeaza un electron unui atom de clor. Legatura ionica se realizeaza intre un metal si un nemetal.

Atomii unui elemant oarecare au intotdeauna acelasi numar de protoni. Numarul neutronilor insa poate fi diferit. De exemplu, in carbonul natural numarul neutronilor din nucleu este in general de sase, dar intr-un procentaj de aproximativ unu la suta acest numar este de sapte. Acesti atomi diferiti ai aceluiasi element se numesc izotopi. Acestia nu difera in caracterul lor chimic: fiecare formeaza aceleasi compozitii cu diferitele materiale, dar difera in caracteristicile lor fizice, de exemplu ingheata sau incep fierberea la temperaturi diferite.

Cand cerceratorii vorbesc despre un anumit izotop al unui element, atunci il definesc prin numarul atomic, adica prin numarul total al protonilor si neutronilor. De exemplu izotopului cel mai raspandit in natura al carbonului este atomul carbon-12, in care exista sase protoni si sase neutroni. Daca in izotopul mai rar exista cu un neutron mai mult, atunci acesta este izotopul de carbon-13.                   

Masa atomica

Masa protonului si a neutronului este aproape aceeasi; de circa 1800 ori masa electronului. Astfel, daca vrem sa ne referim la masa atomului, de obicei este suficient sa indicam masa atomica a elementului respectiv, care este egala cu numarul total al protonilor si neutronilor, deci este intotdeauna un numar intreg.

Masa atomica relativa a unui element (mai de mult se numea greutatea atomica relativa) este media maselor izotopilor ce se intalnesc in natura, unitatea fiind  1/12  din  masa  atomica a izotopolui de carbon-12. Masa moleculara relativa a unei substante este suma maselor atomice ale tuturor atomilor din molecula respectiva.          

          Complexitatea atomului

De indata ce James Chadwick a descoperit neutronul in 1932, s-a crezut ca se cunoaste perfect

structura atomului. De atunci insa, cercetatorii care au realizat  experimente cu ajutorul  acceleratoarelor de particule, au descoperit inca peste o suta de particule diferite in atom, iar fiecare descoperire noua a ridicat si mai mai multe  intrebari. Din fericire pentru explicarea comportamentului materiei, in marea majoritate a cazurilor, este de ajuns si acest model mai simplu.

Despre cei care au studiat atomul

Gândirea lumii vechi îşi găseşte cea mai luminoasă expresie în concepţiile filosofice ale Greciei Antice. Încununarea gândirii materialistice o constituie teoria atomică. Cuvântul atom a fost folosit pentru prima dată acum 2500 de ani. Atomii, aşa cum îi cunoaştem astăzi, se aseamănă foarte puţin cu particule concepute de filozofii din Abdera.

Filozofii greci, Leucip şi Democrit, au afirmat că universul este alcătuit din particule invizibile, indivizibile – atomi – separate prin vid ; diversitatea corpurilor şi fenomenelor din natură se explică prin aceea că atomii au forme şi mărimi diferite şi au proprietatea de a intra în combinaţii diverse. Prima teorie atomică a lui Democrit nu s-a putut impune din lipsa dovezilor experimentale ; cu toate acestea a influenţat şi inspirat savanţi de-a lungul timpului.

Chimistul şi fizicianul englez John Dalton (1805) a formulat ipoteza că toate substanţele unt formate din particule mici de materie numite atomi, după cuvântul atomos, din limba greacă ( indivizibil ). John Dalton  (1766-1844) consideră că un element chimic este alcătuit, din mulţime de atomi. Fiecare atom, fiind indivizibil, se poate uni cu un număr întreg de alţi atomi, formând substanţe diferite. 

Acest fizician este considerat părintele teoriei atomice.

Confirmarea lui experimentală ridică chimia pe o treaptă superioară. Începutul sec.   al XIX – ^lea marchează trecerea la valorificarea datelor experimentale pentru formularea de generalizări teoretice. Experimentele efectuate în secolul XIX – ^lea şi al XX – ^lea  au dus treptat la concluzia că atomii, particulele foarte mici stabile, au structură complexă.

Sir Joseph John Thomson (1856-1940) – fizician englez, a propus un model static al atomului ; a presupus că atomul trebuia să fie format dintr-o sferă uniformă, de electricitate pozitivă, în care se găsesc electroni astfel încât atomul să fie neutru din punct de vedere electric. 

Fizicianul englez, sir Ernest Rutherford (1871-1937) a stabilit existenţa nucleului atomic şi a pus bazele unui model dinamic al atomului, model planetar (1911); atomul este format din un nucleu central, care conţine sarcina pozitivă a atomului şi aproximativ întreaga masă şi o „atmosferă înconjurătoare” formate din un număr necesar de electroni astfel încât atomul să fie neutru; pentru ca electronii să se menţină la o anumită distanţă de nucleu, ei trebuie să se mişte cu o vitezo foarte mare, astfel încât forţa centrifugă să echilibreze forţa de atracţie electrostatică a atomului.

Modelul duce la concluzia că atomul nu este stabil : electronul, în mişcare va emite continuu o radiaţie electromagnetică, energia sa va scădea treptat ducând la „căderea” lui pe nucleu.

Experimental s-a demonstrat că atomul este stabil şi nu emite radiaţii în starea fundamentală. 

Fizicianul danez Niels Bohr (1985-1968) a dezvoltat ideile lui Rutherford şi a conceput primul model atomic care a putut explica destul de bine multe proprietăţi ale atomului de N ; el a comparat atomul cu un sistem solar : nucleul ţine locul Soarelui, iar electronii – locul planetelor, ce se rotesc pe orbitele lor.

Nucleul atomului lui Bohr este înconjurat de electroni care se deplasează numai pe anumite orbite mai apropiate sau mai depărtate de nucleu, fără să emită radiaţii.

Ulterior teoria lui s-a dovedit insuficientă pentru explicarea unor fapte experimentale şi a problemelor cantitative dintre ele. 

Ervin Schrodinger (1887-1961) – fizician austriac care a dezvoltat modelul Bohr, considerând că electronul nu se deplasează pe anumite orbite distincte, ci el este distribuit sub forma unui nor în jurul nucleului; distribuţia unui electron sub formă de nor a fost denumită orbital atomic. 

Notarea orbitalilor cu literel s, p, d, f, arată unele caracteristici din spectroscopie :

s – sharp = precis, fix, exact ;

p – principal ; 

d – difuz ;

f – fin .

Deci atomul trebuie imaginat ca având un nucleu încărcat pozitiv, înconjurat de un nor electronic, cu sarcină negativă difuză.

Structura nucleului atomic

Nucleul atomic este alcătuit din trei elemente fundamentale: neutronul, protonul şi quarcul. 

        Neutronul, particulă elementară cu polaritate neutră, care face parte din nucleul atomului, este una din cele mai mici părţi de materie pe care oamenii de ştiinţă o pot izola, numită şi particulă elementară. Neutronul are aproximativ 10^-13 cm în diametru şi cântăreşte 1.6749 x 10^-27 kg.

Neutronii si protonii se îmbină strâns pentru a crea nucleul atomic. Numărul de protoni conţinut de un atom determină ce element chimic este, pornind de la 1 proton pentru hidrogen până la 92 pentru uraniu. Oamenii de ştiinţă au reuşit totuşi în laboratoare să creeze atomi cu până la 116 protoni. Fiecare atom conţine de obicei cam atâţia neutroni cât şi protoni, dar diferiţi atomi specifici aceluiaşi element pot avea numere diferite de neutroni.

Atomii care diferă doar prin numărul de neutroni se numesc izotopi. De exemplu, cei mai mulţi atomi ai celui mai simplu element, hidrogenul, au un nucleu ce conţine un singur proton. Totuşi, în hidrogenul natural, 0.015% din atomi au un neutron în adiţie la proton. Izotopul se numeşte hidrogen greu sau deuteriu. Un element are de obicei câţiva izotopi, aproape toţi identici în felul în care reacţionează chimic cu alte elemente şi cu fiecare dintre ei.

Structura si Caracteristici:

Neutronul este sensibil mai greu decât protonul şi de 1.883 ori mai greu decât electronul. Este afectat de cele patru forţe fundamentale ale naturii. Deoarece are masă este afectat de gravitaţie, forţa de atracţie dintre toate obiectele universului. Deşi neutronul nu are încărcătură electrică  el este uşor magnetic deci este afectat de forţa electromagnetică, forţa de atracţie sau respingere dintre particule magnetice sau încărcate electric. Neutronul este afectat de puternica forţă nucleară, o atracţie care menţine neutronii alături de protoni şi de alţi neutroni în nucleu. Neutronul este de asemenea afectat de slaba forţă atomica, o interacţiune dintre componentele neutronului care-i cauzează descompunerea sau ruperea. Izolat de materia nucleară, un neutron liber se descompune intr-un electron încărcat pozitiv şi un electron încărcat negativ, eliberând în acest fel energie. Timpul mediu de existenţă a unui neutron liber este puţin mai mic de 15 minute.

Oamenii de ştiinţă au descoperit neutroni după ce mai întâi ai descoperit protonii în nucleele atomilor. Pentru o perioadă, fizicienii au crezut că neutronii şi protonii sunt cele mai mici particule din nucleu. Totuşi după 1947 fizicienii au descoperit alte particule elementare cum ar fi lambda şi mesons. Aceste particule nu se găsesc în nucleu dar pot fi create de reacţii nucleare, schimbări în nucleu care eliberează particule. Multe din aceste particule elementare au proprietăţi similare cu cele ale neutronului şi protonului. Fizicienii au emis ideea ce, devreme ce particulele elementare par a fi înrudite, ele trebuie sa fie compuse din aceleaşi mai mici „cărămizi ale universului”, pe care le-au numit quarci. La început oamenii de ştiinţă au crezut că quarcii nu erau obiecte reale, dar în 1967 ei au folosit raze de electroni cu energie înaltă pentru a „mina” în proton şi neutron şi au dovedit existenţa unor particule asemănătoare unor granule, quarcii. Neutronul, ca şi protonul este alcătuit din trei quarci. Forţa nucleare puternică de atracţie este de fapt una care atrage quarcii unii de alţii pentru a alcătui protonii şi neutronii. Quarcii unui proton şi neutron vor atrage şi quarcii altui proton sau neutron, formând în acest fel nucleul.

Protonul,  particulă elementară purtătoare de sarcină pozitivă, alături de neutron şi electron este una din componentele tuturor nucleelor. El este singura particulă elementară stabilă acest lucru însemnând că poate exista de unul singur pentru o perioadă mare de timp. Sarcina lor pozitivă este de of 1.602 x 10-¹⁹ coulomb. Sarcina este egală şi de sens opus cu cea a electronului. Ei au o masă de 1.67x 10-²⁷ kg şi alături de neutroni sunt răspunzători pentru cea mai mare parte din masa atomului. Atomii conţin un număr egal de protoni şi neutroni astfel încât fiecare atom au per total o sarcina zero.

Numărul atomic al unui element este egal cu numărul de protoni din nucleu. Numărul de electroni dintr-un atom neschimbat trebuie să fie egal cu numărul de protoni şi aranjarea acestor electroni determină proprietăţile chimice ale atomului.

Structura si Caracteristici

Protonul este de 1.836 ori mai greu decât electronul. Pentru un atom de hidrogen care conţine un electron şi un proton, protonul asigură 99.95% din masă. Neutronul cântăreşte puţin mai mult decât protonul. Elementele mai grele decât hidrogenul conţin de obicei cam acelaşi număr de protoni şi neutroni în nucleele lor, deci masa atomică sau masa unui atom este de obicei de două ori mai mare decât numărul atomic.

Protonii sunt afectaţi de cele patru forţe fundamentale ale naturii care guvernează toate interacţiunile dintre particulele şi energia din univers. De forţa electromagnetică cauzează ca protonii încărcaţi pozitiv să atragă electronii încărcaţi negativ şi îi menţine pe orbita nucleului atomic. Această forţă face de asemenea ca protonii strânşi laolaltă în nucleu să se respingă cu o forţă de 100 milioane de ori mai mare decât atracţia electrică care leagă electronii. Repulsia este totuşi contrată de forţa nucleară puternică, cere leagă protonii şi neutronii împreună într-un nucleu compact. Celelalte doua forţe fundamentale, gravitaţie şi forţa nucleară slabă de asemenea afectează protonul. Gravitaţia este forţa care atrage orice element din univers care are masă ( protonul ) de orice altceva cu masă. Este slabă când masele sunt mici dar poate deveni foarte puternică atunci când masele sunt mari. Forţa nucleară slabă este una ce poate fi „simţită” care se manifestă între anumite particule elementare, incluzând protonul  şi care guvernează modul cum anumite particule elementare se descompun în alte particule.

Protonul a fost mult timp crezut a fi o particulă punctiformă, invizibilă, ca electronul. In anii 1950, oamenii de ştiinţă au folosit raze de electroni pentru a „mina” în proton şi au descoperit că are formă şi mărime definite. Aceste experimente au arătat că, în loc să fie un punct invizibil, protonul are un diametru de aproximativ 10^-13 cu un exterior asemănător unui nor ce înconjoară un centru dens.

Protonii s-au format iniţial după o miime de secundă după Big Bang, explozia despre care cred savanţii că a stat la începutul universului. În acest scurt timp, temperatura universului a scăzut suficient pentru ca quarcii să se unească. Este posibil ca protonii să de mai descompună, dar acest tip de eveniment, numit descompunerea protonilor, este extrem de rar. Experimentele au dovedit că timpul mediu de viaţă al protonului este de cel puţin 10³⁵ ani. Acesta poate părea ciudat având în vedere că universul are aproximativ 15 x 10⁹ ani. Unii protoni trăiesc pentru un timp mult mai scurt decât timpul mediu de viaţă. Totuşi savanţii fac experimente de proporţii cu mii de tone de material, sperând să vadă o descompunere de protoni.

Quarcii,  cele mai mici bucăţi de materie ştiute, nu există niciodată singuri. Sunt mereu găsiţi în combinaţie cu alţi quarci în particule de materie mai mari. Studiind aceste particule mai mari, oamenii de ştiinţă au determinat proprietăţile quarcilor. Protonii şi neutronii, particulele care alcătuiesc atomii, sunt alcătuiţi din quarci. Fără quarci nu ar fi existat atomi, iar fără atomi materia nu ar fi existat aşa cum o ştim.

Există şase tipuri de quarci. Ei sunt numiţi up, down, charm, strange, top, bottom. Toţi quarcii au o anumită masă şi încărcătură electrică. Materia obişnuită, adică materia făcută din atomi, conţine doar cei mai uşori doi quarci, up şi down. Următorii cei mai uşori, charm şi strange, sunt găsiţi în particule ce se numesc raze cosmice, care îşi au originea  spaţiu. Savanţii au produs top şi bottom, cei mai grei quarci, în laborator, dar nu i-au găsit şi în natură. Mulţi fizicieni şi astronauţi cred că chiar imediat dupa Big Bang toate cele şase tipuri de quarci au existat. Cei mai grei quarci s-au descompus apoi în tipurile mai uşoare.

Quarcii au antiparticule contrare în natură, numite antiquarci, care se combină pentru a crea antimateria. Antimateria du există în natură pe Pământ şi majoritatea oamenilor de ştiinţă consideră că este destul de rară în univers, totuşi ea a fost produsă în laborator. Antiquarcii au multe din proprietăţile pe care le au si corespunzătorii lor quarci, dar unele proprietăţi sunt opuse celor pe care le au quarcii.

Fosfor-Phosphorus Mirabilis

Aceasta este o substanţa simpla , fara culoare , eventual uşor colorata in galben . Străvezie ca si chihlimbarul si atât de moale in cat poate fi zgâriat cu unghia,fosforul este aproape de 2 ori mai greu decât apa ,se topeşte la 44 grade C.

Un grăunte de fosfor sau chiar câteva fire de praf aruncate in lichidul supratopit provoacă o solidificare instantanee . Fosforul nu se dizolva nici in apa , nici in alcool , se dizolva puţin in eter si foarte uşor in sulf de carbon .

Dac tăiem o bucatica de fosfor tinandu-l intr-un vas cu apa , o uscam cu hârtie de filtru si apoi o infasuram in vata , lăsând-o pe o farfurie , peste puţin timp apare un fum alb , iar apoi fosforul se aprinde . Aceasta constituie aprinderea de la sine a fosforului in aer sau „ autoaprindere ’’ . Fumul alb care se formează la arderea fosforului nu este altceva decât pentoxidul de fosfor , rezultat din combinarea fosforului cu oxigenul .

Câteva combinatii ale fosforului

Pentoxidul de fosfor , numit si anhidrila fosforica , este un praf alb care seamănă bine cu zăpada . El este foarte avid de apa , fiind capabil sa o scoată nu numai din gaze , dar chiar si din molecula unor substanţe . Datorita aviditatii pe care o manifesta pentru apa pentoxidul de fosfor este folosit ca agent de uscare in special pentru gaze . Gazele umede sunt trecute prin turnuri umplute cu anhidrila fosforica , pe care le parasesc in stare perfect uscate , anhidrila fosforica , reactionand cu apa se transforma in acid fosforic . 

Acidul fosforic se prezintă sub forma unor cristale rombice incolore , care se topesc la 38 grade C si se dizolva foarte uşor in apa . Este un acid de tărie mijlocie , mai slab decât acidul clorhidric . Pe lângă soluţia de acid fosforic , mai rezulta si sulfat de calciu care , fiind insolubile , se indeparteaza prin filtrare .

Fosforul si lumina rece 

Cei care au descoperit fosforul au fost foarte intrigaţi de faptul , nemaiîntâlnit pana atunci , ca un corp sa lumineze fara sa fie aprins si mai ales fara sa incalzeasca . ne putem convinge de aceasta insusire facind următoarea experienţa simpla : se ia cu un cleşte o bucata de fosfor si se scriu ateva litere pe perete .Daca in camera este întuneric ,se va putea citi cu usurinta ceea ce sa scris , mai ales daca se trece uşor cu o cârpa uscata peste cele scrise , ca sa se îndepărteze oxizii de fosfor formaţi 

Aceasta experienţa si altele asemănătoare au pus in evidenta faptul ca ,,lumina rece ’’ se datoreste unei aprinderi încete a fosforului , sub temperatura lui de aprindere . Fenomenul se cheamă luminiscenta . El nu se  datoreza arderii pârtilor solide de fosfor , ci vaporilor si gazelor care se ridica de pe suprafaţa fosforului , formând un fel de val . pentru ca luminiscenta sa aibă loc , este nevoie de o anumita concentraţie a oxigenului in aerul care înconjoară fosforul . Fenomenul a fost lămurit in anul 1927 de Semenov , care a arătat ca este vorba de o caracteristica a aşa-ziselor reacţii in lat . (Aceste sunt reacţiile in cursul cărora se formează o serie de produşi care nu trăiesc decât atât cat sa poată declanşa . la rândul lor , o serie de alte reacţii .)Lanţul care leagă aceste reacţii se rupe atunci când se ajunge la un produs stabil care nu rectioneaza mai departe . In cazul fosforului , acest produs stabil este pentoxidul de fosfor . Din rectia aceasta se degaja energie , dar in cazul de fata energia apare doar sub forma luminoasa , neinsotita de căldura . Acesta este un fenomen destul de rar si el a fost denumit chemiluminiscenta (adică lumina produsa pe cale chimica).

Principiile care au stat la baza alcatuirii tabelului de mai jos , privind clasificarea fosfatilor , sunt valabile si pentru clasificarea acizilor fosforici . Acizii fosforici condensati care au dobandit importanta in industrie sunt doar acizii polifosforici , care in practica intervin sub forma unui amestec de acizi cu un numar diferit de atomi de fosfor , cunoscut sub denumirea de acid superfosforic .

Toti aciziisu fosfatii condensati se descompun , in contact cu apa , in molecule cu numar din ce in ce mai mic de atomu de fosfor rezultand in final acid fosforic . Acest fenomen se numeste , in chimie , hidroliza . Viateza reactiei de hidrioliza a acizilor si fosfatilor condensati creste foarte mult cu temperatura . Ea depinde de cantitatea de apa in care se dizolva produsul respectiv precum si de natura acestuia . In orice caz , se poate preciza ca acizii fosforici condensati hidrolizeaza cu mult mai repede decat sarurile lor .

Fosforul începe sa fie folosit de om

In 1833 au apărut primele chibrituri cu fosfor numite ,, lumânările din Turino ’’ , care nu erau altceva decât bucati de fosfor aplicate pe betisoare de lemn si care se aprindeau in momentul când erau scoase la aer .

Primul inventator al chibriturilor cu fosfor care se aprindeau prin frecare este maghiarul Janson Irinyi , elevul profesorului austriac Meissner . Asistând la o experienţa nereuşita a acestuia , de a aprinde prin frecare amestecul de floare de sulf si bioxid de plumb , tanarul de 17 ani , Irinyi , a avut ideea sa înlocuiască sulful cu fosfor . el a vândut invenţia sa , pentru suma derizorie de 60 de forinţi , unui oarecare Stephan Romer , care a brevetat-o in anul 1840 , începând sa fabrice imediat chibrituri a Viena . 

Curând după aceea , apare la Darmstadt , in Germania , fabrica lui Moldenhaur . anii următori marchează începutul fabricii simultane a chibriturilor cu fosfor in mai multe tari . Introducerea fosforului in fabricaţia chibriturilor a făcut imediat din ele un produs de mare circulaţie . insusi tanarul inventator Irinyi a reuşit sa infiinteze o fabrica la Pesta , care insa a încetat sa lucreze in anul 1848 .

In Anglia , tara care in secolul trecut deţinea supremaţia industriala , inustria de chibrituri s-a dezvoltat vertiginos . In 1844 , Arthur Albright , dându-si seama de necesitatea de a mari producţia de fosfor in vederea scăderii preţului la chibrituri , a început sa folosească ca sursa de fosfor fosfatul de calciu adus din America de Sud . Ca sa obtina fosforul din fosfat erau necesare si cantitati mari de acid sulfuric . Albright n-a ezitat sa-si extindă fabrica de acid sulfuric de la Birmingham , introducând in 1846 camerele de plumb , in locul recipientelor de sticla costisitoare si casante 

Cu toate acestea , Albright nu avea de ajuns fosfor si prin 1845 , începe sa caute alte surse de aprovizionare , ajungând chiar pe meleagurile tarii noastre . La Galaţi exista pe vremea aceea o industrie locala de conserve de carne , unde oasele nu-si găseau intrebuintare , acumulându-se mari cantitati de deşeuri . Trecând peste toate obstacolele puse de administraţia turca , Albright a reuşit sa ajungă la Galaţi . Mirosul urat despre care pomeneşte chiar el nu l-a împiedicat sa construiască pe loc un cuptor de ardere , care sa-i furnizeze cenuşa de oase necesara fabricării fosforului . 

Tot in acelaşi an , 1845 , germanul Schrotter a identificat o noua varietate de fosfor , fosforul roşu , arătând totodată identitatea lui , din punct de vedere chimic , cu fosforul alb . Constatările acestea l-au determinat sa producă fosfor roşu , astfel ca in anul 1851 el este posesorul unui patent de fabricaţie . 

Fosforul roşu nu este toxic , spre deosebire de cel alb a cărui doza letala e doar de 0,1 g pentru omul adult . Datorita marii sale toxicitati , fosforul alb provoca intoxicaţii grave lucrătorilor din industria de chibrituri uneori cauzându-le chiar moartea . Alte inconveniente pe care le prezenta fosforul alb erau pericolul de autoaprindere si slaba rezistenta la umezeala . 

Toate acestea i-au determinat pe Schrotter in Germania si pe Albright in Anglia sa folosească pentru fabricarea chibriturilor fosforul roşu . Acesta este mult mai puţin activ din punct de vedere chimic , căci fiind insolubil in solvenţi obisnuiti , poate trece prin organismul animal fara sa-l imbolnaveasca (eliminându-se in totalitate ) . El nu ai luminează in întuneric si se aprinde mult mai greu . Da atunci când s-a încercat fabricarea chibriturilor cu fosfor roşu , a intervenit o dificultate serioasa . Cloratul de potasiu exploda instantaneu in prezenta lui . Chiar o uşoara atingere intre cele doua substanţe s-a dovedit a fi periculoasa . S-au făcut multe eforturi in vederea găsirii unei reţete corespunzătoare pentru pasta ce urma sa se aplice in capul chibriturilor , dar multa vreme încercările au rămas infructuoase . Se pare ca fabricaria a continuat si o data cu ea si accidentele . Fabricaţii , ingrijorati , ofereau premii mari pentru soluţionarea acestei probleme .  

In anul 1848 , chimistul german  Bottcher a avut ideea de a separa cloratul de potasiu de fosfor , plasându-l pe primul in pasta din capătul batului de chibrit , iar pe celalalt pe cutie . Acest fel de chibrituri purtau numele de chibrituri ,, de siguranţa‚’’ . Reţeta e fabricaţie de atunci consta din clorat de potasiu , sulfura de stibiu si clei pentru pasta din capul batului de chibrit , precum si fosfor , sulfua de stibiu si clei pentru pasta de pe cutie . Aprindea se făcea prin frecare . Chibriturile lui Bottcher au fost introduse in fabricaţie pentru prima data in Suedia la Jonkoping( nu departe de Stockhlm) , de către E. Lundstrom ( in 1855 ) . De aici numele atât de cunoscut de ,, chibrituri suedeze ’’ . 

Pericolul pe îl prezentau chibriturile cu fosfor alb a dus încetul cu încetul la interzicerea lor. Prima tara in care s-a interzis prin lege utilizarea fosforului alb a fost Finlanda ( in 1872 ) . Au urmat apoi alte tari , in care s-au pus taxe prohibitive pe chibriturile cu fosfor alb . In 1906 a avut loc la Berlin un congres internaţional unde s-a luat in discuţie toxicitatea fosforului alb , iar după aceasta , in Europa nu s-au mai folosit astfel de chibrituri . In Germania , chibriturile suedeze ale germanului Bottcher au fost adoptate oficial abia in 1907 , ca urmare a congresului din 1906 ( printr-o lege care interzicea fabricarea orcarui alt tip de chibrituri ) .

In S.U. A. S-a renunţat la chibriturile cu fosfor alb abia in anul 1913 , in urma unei legi care punea taxe foarte mari  pe astfel de chibrituri . Este interesant de menţionat ca in unele tari ale lumii , fabricarea chibiturilor du fosfor alb a continuat pana aproape in zilele noastre . Ca dovada amintim o lege apăruta in Egipt in 1939 , care sancţiona fabricarea , comercializarea  si importul chibriturilor cu fosfor alb . 

Chiar si după inventai lui Bottcher , Albright a continuat sa detina in Anglia supremaţia in fabricarea chibriturilor . In anul 1851 , el a expus o bucata de fosfor roşu la o expoziţie internaţionala . Aceasta i-a adus o comanda importanta de fosfor roşu din părea firmei fraţilor Lundstrom din Suedia . Comanda prevedea o cantitate enorma , ceea ce i s-a părut suspect lui Albight , refuzând sa o onoreze . In scrisoarea adresata fraţilor Lundstrom , el scria : ,, Nu puteţi contesta ca o asemenea cantitate de fosfor nu poate fi folosita decât pentru război‚’’ . Suedezii i-au demonstrat si pana la urma l-au convins ca fosforul va fi utilizat doar pentru chibrituri , pe care Suedia începe sa le producă in cantitati considerabile . 

  Inconvenientele folosirii fosforului alb au făcut sa apară si alte reţete , care păstrau calitatea chibriturilor de a se aprinde prin frecare pe orice suprafaţa ,dar erau mai puţin toxice. In 1898 in S.U.A. se brevetează o reţeta care recomanda aplicarea pe batul de chibrit a unui compus de fosfor cu sulf , denumit sescvisulfura de fosfor , împreuna cu clorat de potasiu . Astfel de chibrituri supranumite ,, de bucătărie’’ au fost lansate in Europa in 1910 . Ele nu au putut insa sa tina pasul cu chibriturile suedeze si după război au dispărut aproape complet . Se mai folosesc inca in Africa de Nord , Spania , tarile arabe , America de Sud , precum si in câteva state sudice di S.A.U. 

Cele mai originale si economice brichete nu au reuşit sa readucă practic producţia de chibrituri , ale căror reţete de fabricatei au rămas in general aproape identice cu  ale lui Bottcher din anul 1848 . Pentru ca sa se aprindă si sa ardă uşor , betele de chibrituri sunt făcute din lemn de brad , plop , tei sau anin . Ele sunt impregnate cu parafina sau cu o soluţie de azotat de potasiu , precum si cu o soluţie de fosfat de sodiu , care fac ca batul o data stins sa se prefacă in cărbune fara jar . In unele tari  pasta de pe cutie este formata dintr-an amestec de fosfor roşu , pulbere de sticla si piroluzita ( bioxid de mangan ) . Esentiala este , prin urmare , prezenta cloratului si a sulfurii de stibiu pe capul batului de chibrit , precum si a fosforului roşu pe cutie .

Este bine de stiut ca fosforul roşu folosit pentru fabricarea chibriturilor trebuie sa fie lipsit de impuritati , care ar putea înlesni oxidarea fosforului . Un astfel de efect l-ar putea avea urmele de cupru si fier . Trebuie evitata chiar si folosirea acelor cerneluri de tipar ce servesc la imprimarea etichetelor de pe cutiile de chibrituri , cerneluri in compoziţia cărora intra pulberi din aceste metale.

Un element cu mai multe forme

Citind despre chibrituri , am ramas cu o nedumerire : Cum este fosforul in definitv , alb sau rosu ? Se aprinde de la sine ori se aprinde greu ? Cum se poate interpreta descoperirea lui Schrotter privind identitatea chimica a fosforului rosu cu cel alb ? Rasunsul este simplu : AMBELE! Si nu numai acestea  !!

Caramida comuna , care sta la baza tuturor formelelor sub care intervine fosforul elementar , este atomul de fosfor trivalent . Acest atom se poate lega cu vecinii lui iin diferite feluri , dand fosforului aspecte exterioare mult diferite si facand ca anumite insusiri chimice ale lui sa fie mai mult sau mai putin accentuate.

Formele extreme sub care apare fosforul alb si fosforul negru . Ambii sunt formati din atomi de fosfor trivalent

In fosforul alb , atomii formeaza molecule , care au forma unor tetraedre regulate , cu cate un atom de fosfor in ficare colt . Atomi sunt legati intre ei , formand deci un fel de piramida . De altfel si vaporii de fosfor sunt compusi din molecule tetraatomice ; abia la temperaturi de peste 800 grade C ele incep sa se desfaca in molecule biatolice . 

Alte forme ale fosforului , printre care si fosforul rosu despre care s-a vorbit mai sus , nu sunt alteva decat modificari ale fosforului negru . la acesta intalnim o inlantuire mai regulata a atomilor in planuri suprapuse , monomoleculare , directiile valentelor, schimbandu-se uneori nesistematic , asa incat intreg ansamblul apare mai putin compact si uneori chiar amorf . (Fosforul rosu a ost considerat multa vreme amorf .) Aceste neunifomitati structurale , la care se mai adaga prezenta a diverse impuritati in cantitati variabile , fac ca fosforul sa apară colorat intr-o gama de culori , de la alb la rosu-deschis si pana la violet-inchis 

Primul ingrasamant artificial

Primul ingrasamant artificial fabricat a fost superfosfarul . La Loose , in Anglia , a inceput a fost in 1843 o fabrica in care faina de oase era tratata cu acid sulfuric , obtinandu-se astfel superfosfatul , care se fabrica si azi in cantitati uriase .

La valoarea fertilizanta a superfosfatului contribuie si calciul , care se gaseste in special sub forma de sulfat in materia prima ( oase , apatita ) . Cercetarile mai recente au aratat ca si sulful poate exercita un efect favorabil asupra cresterii plantelor .

Ideea fabricarii superfosfatului s-a dovedit a fi foarte fericita . Agricultorii din tarile cu o industrie in plina dezvoltare au recunoscut repede avantajele folosirii noului produs , si cererile e superfosfat crescand , curand oasele au devenit cu totul insuficiente pentru a satisfce nevoile de materie prima ale uzinelor de superfosfat . S-a recurs atunci zacaminte de fosfati , gasindu-se ca multe dintre acestea se  preteaza excelent la fabricarea superfosfatului .

Fosforul alb.

Fosforul alb se obţine prin calcinarea fosfatului de calciu (apatite sau fosforite) cu cărbune. În procedeul industrial se adaugă însă dioxid de siliciu (nisip) , al cărui rol este de a pune în libertate din ionul de fosfat, pentaoxidul de fosfor mai reactiv.

Reacţia necesită o temperatură ridicată (peste 2000ºC) şi se efectuează de aceea în cuptorul electric, cu electrozi de cărbune. Vaporii de fosfor formaţi sunt conduşi în apă (spre a evita aprinderea lor în contact cu aerul) şi se condensează astfel, sub formă de fosfor alb, P₄.

Fosforul alb se prezintă ca o masă cristalină, transparentă, de consistenţa cerii. El poate fi tăiat cu cuţitul (sub apa, din cauza pericolului de aprindere). Expus la lumină, fosforul alb se acoperă cu o pojghiţă de fosfor roşu, care îl face să apară galben; de aici numele de fosfor galben care i se dă adesea.

Fosforul alb se topeşte la 44ºC, formând un lichid incolor ce arată o deosebită tendinţă spre suprarăcire, putând fi păstrat mai multă vreme la temperatura camerei fără să se solidifice. Punctul de fierbere este 287^oC. Chiar la temperatura camerei formează vapori (miros caracteristic de usturoi), iar la 100^oC poate fi distilat uşor într-un curent de vapori de apă, proprietate care se poate folosi şi pentru purificarea sa.

Fosforul alb se dizolvă uşor în sulfură de carbon, în triclorură şi tribromură de fosfor şi în grăsimi; este însă insolubil în apă şi în alcool. Prin evaporarea soluţiei în sulfură de carbon se obţin cristale lucioase, transparente, aparţinând sistemului cubic. Acestea sunt compuse din reţele de molecule P₄, unite printre ele prin forţe Van der Waals. Soluţiile fosforului alb conţin de asemenea molecule P₄. Prin metoda difracţiei electronilor s-a stabilit că moleculele P₄ au forma unor tetraedre regulate, cu câte un atom de fosfor la fiecare colţ. Fiecare atom de fosfor este legat, prin trei covalenţe, de ceilalţi trei atomi ai moleculei. Cele trei valenţe ale fosforului au deci o aşezare piramidală. Distanţa dintre doi atomi de fosfor (latura tetraedrului) este 2,21 A. Unghiurile dintre valenţe sunt deci de numai 60º.

Stare naturală

 

        Fosforul se găseşte in natura numai sub forma de ioni de fosfat, PO4³ˉ,cea mai stabilă combinaţie a acestui element. Principalul mineral conţinând fosfor, format la solidificarea scoarţei pământului, este apatita, care poate fi considerată ca o soluţie solidă de fosfat de calciu, dar este în realitate un compus cristalizat, format din ioni de Ca²⁺, PO₄^3- şi F^-, corespunzând formulei brute: Ca₅[(PO₄)₃F].

        Prin acţiunea lentă a agenţilor atmosferici (CO₂ şi H₂O) apatita se transformă în  fosforite. Acestea sunt mult mai răspândite, în concentraţii mici, în solul cultivabil al pădurilor şi au o mare importanţă pentru viaţa plantelor. Se găsesc în puţine locuri pe glob şi zăcăminte mari, exploatabile, de fosforite. Fosforitele (considerate înainte, în mod eronat, ca fosfat tricalcic) sunt în realitate amestecuri neomogene de hidroxil-apatită, Ca₅[(PO₄)₃OH] şi carbonat-apatită, Ca₁₀[(PO₄)₆CO₃](H₂O). 

        Partea anorganică a oaselor vertebratelor este un amestec de multă hidroxil-apatită cu puţină carbonat-apatită. 

Utilizarile Uraniului

 

Inainte de 1940 existau cantitati foarte mari de uraniu rezultat ca subprodus de la extractia radiului si a vanadului , care nu aveau desfacere . O situatie asemanatoare se intalneste si astazi : cantitati mari de uraniu insaracit in izotopul U-235 care asteapta sa fie folosit ca element fertil in reactoare neproducatoare este disponibil pentru a fi folosit in diferite domenii ale economiei .

Exista o singura utilizare traditionala a uraniului : pigment in sticla si ceramica . Adaugat in proportie de la 0,3 la 0,15% , uraniul confera sticlei o coloratie stralucitoare care merge de la negru la rosu . aceste sticle au fost clasificate in urmatoarele trei grupe :

- sticle fluorescente , care contin radicalul uranil , obtinut prin adaugarea uraniului in timpul fabricarii sticlei din soda , var si silice , in conditii oxidante ;

- sticlele contin uranati , nu sunt fuorescente ,iar culoarea lor variaza de la galben in silicati, puternic alcalini la portocaliu si rosu intens in sticla continand mult plumb;

- sticla nefluorescenta de culoare bruna sau verde contine saruri ale uraniului tetravalent adaugate in conditii reducatoare .

Oxizii uraniului pot fi incorporati usor in sticle silicatice , fosfatice sau cu continut de fluor , pana la 50% . Calitatea sticlei silicatice se imbunatateste prin adaugarea de uraniu in sensul ca devine mai insolubila in acizi si in soda caustica .

Pigmentii pe baza de uraniu sunt folositi de mult timp si in ceramica : nuante de galben stralucitor in portelanuri se obtine cu saruri de uraniu .

In industria chimica se utilizeaza catalizatori pe baza de uraniu , prima mentiune in acest sens apartinandu-i lui Fritz Haber care a sugerat folosirea carburii de uraniu drept catalizator la fabricarea amoniacului din azot si hidrogen . Utilizarea cea mai larga a uraniului in procesele de cataliza se intalneste insa la convertirea titeiului in gaze combustibile ( pentru uz casnic ) in prezenta de oxid de uraniu . de fapt catalizatorul consta dintr-un amestec de oxizi de nichel si de uraniu pe un suport de alumina si se caracterizeaza printr-o stabilitate foarte mare , posibilitatea de indepartare a sulfului din titei si rezistenta fata de depunerile de carbon . Firma Standard Oil of Ohio a elaborat si utilizeaza un catalizator pentru fabricarea acrilonitrilului din propilena .

Acelasi catalizator poate fi utilizatla fabricarea metacrilontrilului din izobutilena si pentru oxidarea propilenei la acroleina , aceasta ultima reactie fiind catalizata de altfel si de catre azotatul de uranil . Combinatiil chimice ale uraniului se folosesc si pentru cataliza dehidrogenizarii propanului la propilna . Catalizatorii pe baza de uraniu sunt folositi si in reactiile de polimerizare . Una din intrebuintarile de mare perspectiva se prevede pentru purificarea gazelor de esapament ale automobilelor . Catalizatorii pe baza de uraniu prezinta avantajul de a nu se combina cu plumb dun benzina si de a fi foarte putin afectati de catre sulf cau alte otravuri . De mentionay ca utilizare catalizatorilor pe baza de uraniu nu pune probleme de nocivitate radioactiva .

Au fost elaborate si cercetate numeroase aliaje continand uraniu. Metalele care formeaza solutii solide cu uraniul prezinta uninteres deosebit deoarece ele permit sa se imbunatateasca proprietatile mecanice si anticorosive ale aliajelor . Dar si adaugarea de cantitati reduse de metale de aliere poate conduce la btinerea unor aliaje cu proprietati deosebite . Cu toate acestea , uraniul nu prezinta avantajele evidente ca elemente de aliere in comparatie cu metalele mai putin costisitoare , ceea ce explica utilizarea sa relativ restransa  

 

Uraniul in roci metamorfice 

Radioactivitatea rocilor metamorfice  depinde in primul rand de cea a rocilor initiale , supuse proceselor metamorfice , si in al doilea rand de caracterul metamorfismului : cu sau fara aport de substanta , inclusiv elemente radioactive . Dar in afara de aceasta , in cazul metamorfozarii depozitelor sedimentare poate avea loc o regrupare a mineralelor in interiorul rocilor sedimentare , insotita de saracirea sau imbogatirea in minerale radioactive a unor portiuni ale acestor depozite . In ultimul timp , acestei probleme i se acorda o mare atentie ; numerosi cercetatori ajung la concluzia ca in urma regruparii materialului radio activ in interiorul depozitelor se pot forma asa numite zacaminte metamorfogene  de uraniu .

Pe baza acestor considerente V.I. Dancev s.a. (1871) precizeaza urmatoarele concluzii:

- radioactivitatea rocilor metamorfice este extrem de diferita nu numai pentru diferite tipuri , dar si in cadrul unuia si aceluiasi tip de roci metamorfice omogene ;

- radioactivitatea gnaiselor si sisturilor formate din roci argiloase ( care , in general , se deosebesc de celelalte roci sedimentare printr-o radioactivitate mai mare ) este mai ridicata decat cea a marmurelor cuartitelor  , formate din sendimente cu radioactivitate scazuta ;

- radioactivitatea creste in rocile in care s-a suprapus fenomenul de metamorfism hidrotermal .

Uraniul in roci sedimentare

Dintre rocile sedimentare , cele mai radioactive sunt argilele si sisturile argiloase , iar cele mai putin radioactive sunt rocile pur chimice si organogene : sarea gema , ghipsul , anhidritele , calcarele si dolomitele . Cu toate acestea sarurile potasice prezinta o radioactivitate pronuntata dar nu din cauza continutului de uraniu ( de altfel foarte mic ) , ci datorita prezentei izotopului care conditioneaza radioactivitatea ridicatya a silvinituluyi , carnolitului , cainitului , polihalitului .

Datele din tabelul 4.8 confirma radioactivitatea ridicata a diferitelor varitati de sisturi si continutul scazut de elemente radioactive  in varietatile pure de gresii , calcare si dolomite 

S-a stabilit ca radioactivitatea rocilor sdimentare , de exemplu a gresiilor , creste in cazul przentei intercalatiilor de material argilos . In mod analog se comporta calcarele si dolomitele .

Cu cat ste mai variabil compozitia rocilor , cu atat mai variabila este si radioactivitatea lor . Sisturile argiloase si argilele , caracterizate printr-o mai mare uniformitate a copozitiei lor , prezinta si o radioactivitate mai constanta .

Continuturi pregnant anormale de elemente radioactive se observa adeseori in zonele cu o larga dezvoltare a resturilor organice . In unele varietati de sisturi combustibile , carbuni , gresii si calcare , continutul de elemente radioactive creste pana la valori industriale , insa asemenea cazuri sunt de obicei rare . Nu arareori , concentratiile ridicate de elemente radioactive in rocile sedimentare sunt determinate de procese hipergene , de levigare a uraniului si de redepunerea lui in zone mai favoiabile din cuprinsul rocilor sedimentare .

In urma studierii radioactivitatii rocilor sedimentare a fost elucidat faptul ca depozitele marine prezinta in general continuturi mai ridicate de elemente radioactive  decat depozitele de origine fluviatila .

Acumularea elementelor radioactive in rocile sedimentare este legata de :

-absortia lor de catre materialul clastic fin din bazinele acvifere initiale in care a avut loc sedimentarea ;

-acumularea in rocile sedimentare a materialului clastic fin dispersat de minerale radioactive;

-prezenta izopitului radioactiv de potasiu in bazine , de exemplu , ca rezultat al alterarii rocilor granitice si care da concentratii ridicate in sistuile argiloase si argile .

Din istoria uraniului

Cererea pentru uraniu in scopuri militare a aparut la inceputul anilor 40 , in timpul razboiului. Atunci au fost aduse in Statele Unite toate cantitatile disponibile de concentrate uranifere pentru a fi folosite in cadrul  progamului Manhattan la fabricarea bombei atomice . Cantitatile care au fost procurate astfel nu erau e loc mari deoarece uraniul rezultat ca subprodus de la extragerea radiului din minereurile de pechblenda neavand anterior cautare pe piata fusese neglijat , cantitati mari de ,, steril’’ bogate in uraniu gandindu-se la toate minele fabricantilor de radiu . Din acest motiv , cerintele pentru uraniu au fost satisfacute prin procurarea de minereuri bogate de la Shinkolobwe din Congo Belgian , de la Lacul Ursului Mare din Canada precum si din halzile de la exploatarile vechi de carnotita de pe platoul Colorado . Aproape peste noapte uraniul se transformase dintr-un metal minor , fara intrebuintari si fara cerere comerciala , intr-un element vital pentru castigarea razboiului . Ulterior , si astazi inclusiv , interesul pentru uraniu , este foarte mare datorita utilizarii lor in scopuri pasnice drept combusribil pentru producerea de energie electrica in reactoare nucleare de putere . 

Uraniul a fost descoperit in anul 1789 de catre chimistul german Martin Heinrich Klaproth in minereurile de pechblenda pe care le-a tratat cu carbune delemn , obtinand un produs de culoare neagra cu luciu metalic pe care el l-a considerat a fi un metal necunoscut inca . In realitate acesta era bioxidul de uraniu . Uraniul metalic a fost separat abia dupa peste 50 de ani decatre francezul Peligot care in 1841 si-a publicat rezultatele cercetarilor de readucere a clorului de uraniu cu ajurorul sodiului pus lacald , obtinand pentru prima oara uraniul sub forma de metal . In 1883 un alt chimist francez H. Moissan , repetand experientele lui Klaproth a reusit sa obtina uraniu metalic prin reducere cu carbune din zahar in cuptorul electric . Tot el a mai elaborat procedeul de obtinere a uraniului prin readucere electronica si cu metale alcaline .

Denumirea de uraniu vine de la planeta Uranus descoperita de catre Herschellt in 1781 , Klaproth a ales acest nume un dorinta de a-si omagia prietenul . Tot Klaproth este descoperitorul zircroniului . 

In 1869 D.I. Mendeleev a determinat pozitia uraniului in sistemul periodic si i-a stabilit greutatea atomica de aproximativ 240 ( real 238,07 ) diferita de 120 , propusa de catre Peligot . Istoria uraniului avea sa se schimbe hotarator prin descoperirea , aproape intampatoare , de catre H. Becquerel in 1896 , a proprietatii uraniului de a impresiona placile fotografice infasurat in hartie protectoare de culoare neagra . Aceasta constituie dovada ca uraniul iradiaza o energie capabila sa strapunga hartia negra , izolataore pentru lumina , si sa impresioneze emulsia fotosensibila . Descoperirea lui Becquerel a fost studiata in anii urmatori de catre sotii Pierre si Maria Curie care au numita radioactivitate .

Una din observatiile cele mai interesante ale sotilor Curie a fost ca uraniul era mi putin radoactiv decat minereul de pechblenda din care fusese separat , ceea ce i-a condus la concluzia ca minereul continea un element chimic necunoscut inca , mult mau radioactiv decat uraniul . Intr-adevar in iulie 1898 a fost descoperit radiul care a fost separat insa abia dupa 4 ani ,in 1902.  Proprietatile deosebite ale radiului au facut din el un material foarte cautat , in special in medicina . Acesta a condus la intensificarea exploatarii zacamintelor de pechblenda , precum si a exploatarilor in vederea descoperirii de noi zacaminte . In acest fel au fost descoperite zacamintele de minereuri radioactive din fostul Congo Belgian si din nordul Canadei . Timp de mai multi ani proprietarii acestor mine au detinut monopolul priductiei de radiu , stabilind nivelele de productie la valori care sa mentina preturi cat mai ridicate pentru radiu  – care ajunsera in 1936 la 200 000 dolari gramul . Simultan  cu radiul rezulta o cantitate de 3 milioane de ori mai mare de uraniu care era oferit pe piata la pretul de un dolar kilogramul.      

Ìnceputul erei atomice

Primul pas spre era atomica a fost facut de fizicianul Henri Becquerel, pe 26 februarie  1896 . Acesta a lasat cateva placi fotografice ferite de lumina in apropierea unui minereu de uraniu. Developandu-le le-a descoperit innegrite, ca si cand ar fi fost expuse la lumina . De aici a tras concluzia ca minereul de uraniu emite radiatii necunoscute. Apoi fizicienii Marie Curie si sotul ei Pierre Curie si-au dedicat multi ani cercetarii radiatiilor radioactive. Impreuna, cei trei cercetatori au primit premiul Nobel pentru fizica in anul 1903. 

Identificarea si cercetarea radiatiilor incepe sa-i pasioneze pe cercetatori, asa ca la inceputul secolului trecut Rutherfort si elevii lui, Chadwick, Cockfroft is Walton,  au investigat proprietatile nucleelor cu ajutorul unor particule accelerate artificial la energii cinetice mai mari decat cele ale radiatiilor, emise de substante radioactive.

Ce inseamna radioactivitatea?

Anumiti nuclizi sunt stabili, dar multi nu. Stabilitatea unui nucleu este data de numerele de neutroni si de protoni, de configuratia lor, precum si de fortele pe care le exercita unii asupra altora. Un nuclid instabil se transforma in mod spontan in nuclidul unui alt element si, facand aceasta, emite radiatii. Aceasta proprietate se numeste radioactivitate,  transformarea se cheama dezintegrare, iar nuclidul se numeste radionuclid. De exemplu, carbonul-14 este un radionuclid care se dezintegreaza in azot-14, un nuclid stabil. Plumbul-210 este un radionuclid care se dezintegreaza prin seria prezentata in figura 1, ultimul produs de dezintegrare fiind un izotop stabil al plumbului. Dintre cei aproximativ 1700 nuclizi cunoscuti, circa 280 sunt stabili.

Radiatiile emise in mod obisnuit de radionuclizi sunt: particule alfa, particule beta si fotoni gamma. O particula alfa consta din doi protoni si doi neutroni legati impreuna; ea este astfel grea si are o sarcina egala cu doua sarcini elementare. Radiatia gamma reprezinta o cantitate discreta de energie fara masa sau sarcina, care se propaga ca o unda.

In mod obisnuit energia cu care sunt emise radiatiile se exprima in unitatea numita electron-volt, cu simbolul eV: aceasta este echivalenta cu energia castigata de un electron care strabate o diferenta de potential de un volt. De exemplu, energia unei particule alfa emise de polonium-210 este de circa 5,3 MeV.

In natura exista cateva elemente radioactive, cele mai cunoscute fiind uraniul is toriul. Alte cateva elemente au izotopi radioactivi care se gasesc in natura, cei mai stabili fiind carbonul-14 si potasiul-40. In ultimele decenii s-au produs cu mijloace artificiale cateva sute de izotopi radioactivi ai elementelor naturale, inclusiv cei bine cunoscuti ca strontiul-90, cesiu-137 si iod-131. S-au produs, de asemenea, si cateva elemente radioactive, de exemplu,  prometiu si plutoniu, dar cel din urma apare sub forma de urme si in minereurile de uraniu.

Activitatea unei cantitati de radionuclid este data de rata cu care se produc dezintegrari spontane. Activitatea se exprima printr-o unitate numita becquerel (Bq). Un becqurel este egal cu o dezintegrare a unui radionuclid intr-o secunda. In trecut activitatea se exprima cu unitatea numita curie (Ci), totusi folosita si astazi, mai rar. relatiile dintre aceste doua unitati sunt prezentate in anexa 1.

Timpul necesar ca activitatea unui radionuclid sa scada la jumatate, prin dezintegrare, se numeste timp de injumatatire, symbol T_f. Fiecare radionuclid are un timp de injumatatire unic si nealterabil : pentru carbon-14 el este de 5730 de ani;  pentru bariu-140 de 12,8 zile; pentru lantan-140 de 40,3 ore; pentru plutoniu-239 de 24131 ani; pentru uranium-238 de 4,47 ^.10⁹ ani. Valorile timpilor de injumatatire ai diferitilor radionuclizi variaza intre fractiuni de secunda si milioane de ani. In timpi succesiv egali cu timpul de injumatatire, activitatea unui radionuclid se reduce prin dezintegrare la 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 s.a.m.d. din valoarea initiala, astfel ca este posibil sa prevedem activitatea care va fi ramas la orice moment de timp ulterior. Pe masura ce cantitatea de radionuclid descreste, radiatia emisa descreste in mod proportional. Un nuclid stabil se poate considera a fi un radionuclid cu un timp de injumatatire infinit. 

Exista multe tipuri de radiatii ionizante, dar doua sunt mai importante: radiatiile X si neutronii. Radiatiile X sunt produse, in mod obisnuit, prin bombardare cu electroni a unei tinte metalice intr-un tub vidat. Ele au proprietati similare cu cele ale radiatiilor gamma, dar de obicei au energie mai mica: o instalatie obisnuita de radiatii X dintr-un spital emite radiatii X cu energii pana la 0,15 MeV. Neutronii pot fi eliberati de diferiti nuclizi in mai multe moduri. Daca, de exemplu, se bombardeaza beriliu-9 cu particule alfa de 5,3 MeV, emise de poloniul-210, se formeaza un nuclid de carbon-12 si se emit neutroni cu energia medie de 4,2 MeV. Totusi, cea mai puternica sursa de neutroni este reactorul nuclear. 

Radiatiile gamma si X sunt de aceeasi natura ca si lumina vizibila; astfel, ele se deplaseaza tot timpul cu viteza luminii. Desi viteza initiala a unei particule depinde de energia si de masa particulei, nu poate depasi viteza luminii.

Testele nucleare

Efectuarea numeroaselor teste, peste 1000, mai ales in perioada 1945-1963, cu diverse tipuri de arme nucleare in aer, in apa sau in subteran, a dus la contaminarea Pamantului cu cantitati uriase de radionuclizi. Testele cele mai contaminante la nivel zonal, sau chiar planetar, au fost cele realizate pe suprafata solului (in aer). Era exploziilor a fost inaugurata in 1945, in desertul Alamogordo (New Mexico), fiind urmata, la scurt timp, de detonarea celor doua arme nucleare, de la Hiroshima Si Nagasaki, din Japonia, pe 6 si respectiv 9 august 1945. cele doua explozii nucleare au facut sute de mii de vicime omenesti – efectele lor nu au disparut in totalitate nici in zilele noastre, alaturi de distrugeri materiale incalculabile.

Explozia unei arme nucleare elibereaza in natura o gama larga de produse de fisiune si de activare, precum si material nefisionat (uraniu-235 sau plutoniu-239), care sunt transportate in straturile inalte ale atmosferei, ceea ce face ca aceasta radioactivitate artificiala sa fie raspandita in toata lumea. De aici radionuclizii fixati pe particule de praf, in functie de dimensiuni revin pe pamant la diversi timpi dupa explozie, sub forma de caderi sau depuneri de ploi radioactive, numite si fall-out radioactiv.

Datorita numeroaselo teste nucleare, evaluarile din 1964 aratau ca emisfera nordica prezenta o contaminare radioactiva de 3 ori mai ridicata fata de cea sudica, iar inventarul continutului de strontiu-90 din stratosfera se ridica la uriasa activitate de 5^.10 ¹⁷ Bq. In ceeasi situatie se afla si cesiu-137, in timp ce pe sol s-au depus cca 3 tone de plutoniu-239.

Radioactivitatea depunerilor atmosferice a scazut treptat dupa 1963 (odata cu semnarea Tratatului de interzicere a experientelor cu arme nucleare, intre SUA, fosta URSS si Anglia), ajungand in prezent sa fie foarte redusa si greu de decelat.

 

Deversãri în mediu

In cazul utilizarii fisiunii nucleare in scopuri pasnice, pentru obtinerea curentului electric (energetica nucleara), sunt deversate in mediul inconjurator o serie de substante radioactive, cu activitati relativ reduse, cand reactorul functioneaza la parametrii normali.

Pe plan mondial se considara ca uzina de tratare a combustibilului nuclear uzat prezinta cele mai mari riscuri de contaminare a mediului.

Printre alte utilizari ale fisiunii in scopuri pasnice, dar care chiar daca contamineaza mediul, dilutia este foarte mare, sunt reactorii utilizati pentru propulsia navelor maritime si a celor cosmice, daca la cadere ajung in oceanul planetar.

Doza primita de populatie, ca urmare a radionuclizilor deversati in mediu de la reactorii nucleari energetici sau uzinele de tratare a combustibilului nuclear uzat, se datoresc atat inhalarii acestora, dar si transferarii lor prin diverse lanturi trofice la om, specifice zonelor limitrofe. Activitatea radionuclizilor ajunsi in om, in aceste conditii, depinde de tipul si activiatea radionuclizilor eliberati, de modul de viata si de obiceiurile alimentare ale populatiei din zona contaminata.

Dupa datele prezentate de Consiliul National de Protectie Radiologica din Marea Britanie, persoanele din zona supusa deversarilor de radionuclizi in apa de la centralele din tara pot primi pana la 50  Sv pe an, in timp ce, prin gaze si aerosoli radioactivi aruncati in aer, doza poate ajunge la 100  Sv pe an. Doze mult mai mari pot fi primite de populatia limitrofa uzinelor de tratare a combustibilului nuclear uzat, care se situeaza intre 200 si 840  Sv pe an; valoarea dozei, pentru persoanele cele mai expuse, poate atinge chiar 1000  Sv pe an.

Nu sunt înregistrate documente similare!