Toryum

Toryum, ₉₀Th ⓘ
Toryum
Telaffuz	/ˈθɔːriəm/ (THOR-ee-əm)
Görünüş	gümüşi, genellikle siyah kararmalı
Standart atom ağırlığı Ar°(Th)	232.0377±0.0004; 232,04±0,01 (kısaltılmış);
Periyodik tabloda toryum
	actinium ← TORYUM → protaktinyum
Atom numarası (Z)	90
Grup	grup n/a
Dönem	dönem 7
Blok	f-blok
Elektron konfigürasyonu	[[[Radon\|Rn]]] 6d2 7s2
Kabuk başına elektron	2, 8, 18, 32, 18, 10, 2
Fiziksel özellikler
STP'de Faz	katı
Erime noktası	2023 K (1750 °C, 3182 °F)
Kaynama noktası	5061 K (4788 °C, 8650 °F)
Yoğunluk (r.t.'ye yakın)	11,7 g/cm3
Füzyon ısısı	13,81 kJ/mol
Buharlaşma ısısı	514 kJ/mol
Molar ısı kapasitesi	26.230 J/(mol-K)
Atomik özellikler
Oksidasyon durumları	+1, +2, +3, +4 (zayıf bazik bir oksit)
Elektronegatiflik	Pauling ölçeği: 1.3
İyonlaşma enerjileri	1: 587 kJ/mol ; 2.: 1110 kJ/mol ; 3.: 1930 kJ/mol ; ;
Atomik yarıçap	ampi̇ri̇k: 179.8 pm
Kovalent yarıçap	206±6 pm
	Toryumun spektral çizgileri
Diğer özellikler
Doğal oluşum	ilkel
Kristal yapı	yüz merkezli kübik (fcc)
Ses hızı ince çubuk	2490 m/s (20 °C'de)
Termal genleşme	11,0 µm/(m⋅K) (25 °C'de)
Termal iletkenlik	54,0 W/(m⋅K)
Elektriksel direnç	157 nΩ⋅m (0 °C'de)
Manyetik sipariş	paramanyetik
Molar manyetik duyarlılık	132,0×10-6 cm3/mol (293 K)
Young modülü	79 GPa
Kayma modülü	31 GPa
Yığın modülü	54 GPa
Poisson oranı	0.27
Mohs sertliği	3.0
Vickers sertliği	295-685 MPa
Brinell sertliği	390-1500 MPa
CAS Numarası	7440-29-1
Tarih
İsimlendirme	İskandinav gök gürültüsü tanrısı Thor'dan sonra
Keşif	Jöns Jakob Berzelius (1829)
Toryumun ana izotopları
	Kategori Toryum; görünüm; konuşmak; Düzenle; \| referanslar

Toryum, sembolü Th ve atom numarası 90 olan zayıf radyoaktif metalik bir kimyasal elementtir. Toryum gümüş rengindedir ve havaya maruz kaldığında toryum dioksit oluşturarak kararır; orta derecede yumuşak ve dövülebilirdir ve yüksek bir erime noktasına sahiptir. Toryum, kimyasına +4 oksidasyon durumunun hakim olduğu elektropozitif bir aktinittir; oldukça reaktiftir ve ince bölündüğünde havada tutuşabilir. ⓘ

Bilinen tüm toryum izotopları kararsızdır. En kararlı izotop olan ²³²Th'nin yarı ömrü 14,05 milyar yıl ya da yaklaşık evrenin yaşı kadardır; alfa bozunumu yoluyla çok yavaş bozunur ve kararlı ²⁰⁸Pb'de sonlanan toryum serisi adlı bir bozunma zinciri başlatır. Dünya'da toryum ve uranyum, ilkel elementler olarak hala büyük miktarlarda doğal olarak bulunan tek önemli radyoaktif elementlerdir. Toryumun yerkabuğunda uranyumdan üç kat daha fazla bulunduğu tahmin edilmektedir ve esas olarak nadir toprak metallerinin çıkarılmasının bir yan ürünü olarak monazit kumlarından rafine edilmektedir. ⓘ

Toryum 1828 yılında Norveçli amatör mineralog Morten Thrane Esmark tarafından keşfedilmiş ve İsveçli kimyager Jöns Jacob Berzelius tarafından tanımlanarak İskandinav gök gürültüsü tanrısı Thor'un adı verilmiştir. İlk uygulamaları 19. yüzyılın sonlarında geliştirilmiştir. Toryumun radyoaktivitesi 20. yüzyılın ilk on yıllarında yaygın olarak kabul görmüştür. Yüzyılın ikinci yarısında, radyoaktivitesiyle ilgili endişeler nedeniyle toryum birçok kullanımda değiştirildi. ⓘ

Toryum halen TIG kaynak elektrotlarında alaşım elementi olarak kullanılmakta ancak sahada yavaş yavaş farklı bileşimlerle değiştirilmektedir. Ayrıca üst düzey optik ve bilimsel enstrümantasyonda, bazı yayın vakum tüplerinde ve gaz mantolarında ışık kaynağı olarak kullanılan bir malzemeydi, ancak bu kullanımlar marjinal hale geldi. Nükleer reaktörlerde nükleer yakıt olarak uranyumun yerini alması önerilmiş ve birkaç toryum reaktörü inşa edilmiştir. Toryum ayrıca magnezyumun güçlendirilmesinde, elektrikli ekipmanlarda tungsten telin kaplanmasında, elektrik lambalarında tungstenin tane boyutunun kontrol edilmesinde, yüksek sıcaklık potalarında ve kamera ve bilimsel alet lensleri dahil olmak üzere camlarda kullanılır. Toryumun diğer kullanım alanları arasında ısıya dayanıklı seramikler, uçak motorları ve ampuller yer almaktadır. Okyanus bilimi, eski okyanusu anlamak için ²³¹Pa/²³⁰Th izotop oranlarını kullanmıştır. ⓘ

Toryum (Th). Atom numarası 90, atom ağırlığı yaklaşık 232 g/mol olan, 11,7 g/mL yoğunluğunda, 1755 °C de eriyen, kurşun renginde, havada bozulmaz, atom enerjisi kaynağı olarak kullanılan radyoaktif bir elementtir. ⓘ

Toryum kendiliğinden bölünebilme yeteneğine sahip değildir. Bu yüzden doğrudan nükleer yakıt olarak kullanılamaz. ²³²Th (toryum-232) izotopunun, bir nötron yutarak, fisyon yapabilen (fisil) bir izotop olan ²³³U'e dönüştürülmesi gerekir. ²³²Th'nin düşük enerjili nötronlarla reaksiyonu (nötron yutumu) sonucunda, önce kararlılığı daha az olan ²³³Th oluşur. ⓘ

Yarılanma süresi 23 dakika olan ²³³Th ise, bir beta parçacığı (b) yayarak, yarılanma süresi 27 gün olan, ²³³Pa'a dönüşür. ²³³Pa, bir beta ve gama parçacığı (g) yayarak bölünebilen ²³³U'a (yarılanma süresi 163 bin yıl) dönüşmektedir. Böylece ²³²Th, ²³⁵U veya ²³⁹Pu (plütonyum-239) gibi bir fisil maddeyle birlikte kullanılır. ⓘ

Toryum yakıt döngüsünde uranyumdan daha az plütonyum ve diğer trans-uranyum elementleri üretildiğinden, toryum, nükleer santrallerin en temiz yakıtı olarak kabul edilir. Çevreye daha az zarar vermesi açısından da ileride nükleer reaktörlerde uranyum yerine kullanılması düşünülmektedir. ⓘ

Toryum ⓘ

Toryumun nükleer yakıt olarak kullanılması ile ilgili çalışmalar hâlen devam etmektedir. Ancak günümüzde toryumla çalışan ticarî ölçekli bir nükleer reaktör bulunmamaktadır. ⓘ

Yığın özellikleri

Toryum orta derecede yumuşak, paramanyetik, parlak gümüşi radyoaktif bir aktinit metalidir. Periyodik tabloda aktinyumun sağında, protaktinyumun solunda ve seryumun altında yer alır. Saf toryum çok sünektir ve metaller için normal olduğu üzere soğuk haddelenebilir, bükülebilir ve çekilebilir. Oda sıcaklığında, toryum metali yüz merkezli kübik kristal yapıya sahiptir; biri yüksek sıcaklıkta (1360 °C'nin üzerinde; gövde merkezli kübik) ve diğeri yüksek basınçta (yaklaşık 100 GPa; gövde merkezli tetragonal) olmak üzere iki farklı formu daha vardır. ⓘ

Toryum metalinin yığın modülü (bir malzemenin sıkıştırılmasına karşı direncin bir ölçüsü) 54 GPa'dır, yaklaşık olarak kalayınki ile aynıdır (58,2 GPa). Alüminyumunki 75,2 GPa; bakırınki 137,8 GPa; ve yumuşak çeliğinki 160-169 GPa'dır. Toryum yaklaşık olarak yumuşak çelik kadar serttir, bu nedenle ısıtıldığında levhalar halinde yuvarlanabilir ve tel haline getirilebilir. ⓘ

Toryum, uranyum ve plütonyumun neredeyse yarısı kadar yoğundur ve her ikisinden de daha serttir. Toryumun 1750 °C'lik erime noktası hem aktinyumun (1227 °C) hem de protaktinyumun (1568 °C) erime noktalarının üzerindedir. Periyot 7'nin başında, frankiyumdan toryuma, elementlerin erime noktaları artar (diğer periyotlarda olduğu gibi), çünkü her atomun katkıda bulunduğu delokalize elektronların sayısı frankiyumda birden toryumda dörde çıkar ve bu elektronlar ile metal iyonları arasında yükleri birden dörde çıktıkça daha fazla çekime yol açar. Toryumdan sonra, erime noktalarında toryumdan plütonyuma doğru yeni bir düşüş eğilimi vardır; burada f elektronlarının sayısı yaklaşık 0,4'ten yaklaşık 6'ya yükselir: bu eğilim 5f ve 6d orbitallerinin artan hibridizasyonundan ve daha karmaşık kristal yapılar ve zayıflamış metalik bağlarla sonuçlanan yönlü bağların oluşumundan kaynaklanmaktadır. (Toryum metali için f-elektron sayısı, 5f-6d örtüşmesi nedeniyle tamsayı değildir). En azından miligram miktarlarda incelenebilen kaliforniyuma kadar olan aktinitler arasında toryum en yüksek erime ve kaynama noktalarına ve ikinci en düşük yoğunluğa sahiptir; sadece aktiniyum daha hafiftir. Toryumun 4788 °C'lik kaynama noktası, bilinen kaynama noktalarına sahip tüm elementler arasında beşinci en yüksektir. ⓘ

Toryumun özellikleri, numunedeki safsızlık derecesine bağlı olarak büyük ölçüde değişir. Başlıca safsızlık genellikle toryum dioksittir (ThO₂); en saf toryum numuneleri bile genellikle dioksitin yaklaşık yüzde onda birini içerir. Yoğunluğunun deneysel ölçümleri 11,5 ile 11,66 g/cm³ arasında değerler verir: bunlar toryumun kafes parametrelerinden hesaplanan teorik olarak beklenen 11,7 g/cm³ değerinden biraz daha düşüktür, belki de döküm sırasında metalde oluşan mikroskobik boşluklar nedeniyle. Bu değerler komşuları olan aktininyum (10,1 g/cm³) ve protaktinyum (15,4 g/cm³) arasında yer alır ve erken aktinitlerdeki eğilimin bir parçasıdır. ⓘ

Toryum diğer birçok metalle alaşım oluşturabilir. Küçük oranlarda toryum ilavesi magnezyumun mekanik mukavemetini artırır ve toryum-alüminyum alaşımları gelecekte önerilen toryum nükleer reaktörlerinde toryumu depolamanın bir yolu olarak düşünülmüştür. Toryum, krom ve uranyum ile ötektik karışımlar oluşturur ve daha hafif olan seryum ile hem katı hem de sıvı halde tamamen karışabilir. ⓘ

İzotoplar

Bizmuta (element 83) kadar olan iki element dışında tüm elementler, teknesyum ve prometyum (element 43 ve 61) istisna olmak üzere, tüm amaçlar için pratik olarak kararlı ("klasik olarak kararlı") bir izotopa sahiptir. Polonyumdan (element 84) itibaren tüm elementler ölçülebilir derecede radyoaktiftir. ²³²Th, bizmut dışında (diğeri ²³⁸U) yarı ömürleri milyarlarca yılla ölçülen iki nüklitten biridir; yarı ömrü 14,05 milyar yıldır, yani dünyanın yaşının yaklaşık üç katı ve evrenin yaşından biraz daha uzundur. Dünya'nın oluşumunda mevcut olan toryumun beşte dördü günümüze kadar ulaşmıştır. ²³²Th, doğada miktar olarak bulunan tek toryum izotopudur. Kararlılığı 142 nötronlu kapalı nükleer alt kabuğuna atfedilir. Toryum, atom ağırlığı 232.0377(4) olan karakteristik bir karasal izotopik bileşime sahiptir. Standart bir atom ağırlığının belirlenebilmesi için Dünya'da yeterince büyük miktarlarda bulunan dört radyoaktif elementten (bizmut, protaktinyum ve uranyum ile birlikte) biridir. ⓘ

Toryum çekirdekleri alfa bozunmasına yatkındır çünkü güçlü nükleer kuvvet protonları arasındaki elektromanyetik itmenin üstesinden gelemez. ²³²Th'nin alfa bozunumu, kütle numarası 4'e bölünebilen izotopları içeren 4n bozunma zincirini başlatır (bu nedenle adı; atasından sonra toryum serisi olarak da adlandırılır). Bu ardışık alfa ve beta bozunum zinciri ²³²Th'nin ²²⁸Ra'ya bozunmasıyla başlar ve ²⁰⁸Pb'de son bulur. Herhangi bir toryum örneği veya bileşikleri talyum, kurşun, bizmut, polonyum, radon, radyum ve aktinyum izotopları olan bu kızların izlerini içerir. Doğal toryum örnekleri, kanser tedavisi için nükleer tıpta kullanılan ²¹²Pb gibi yararlı yavru nüklidleri çıkarmak için kimyasal olarak saflaştırılabilir. ²²⁷Th (18,68 günlük yarılanma ömrüne sahip alfa yayıcı) de hedefli alfa terapileri gibi kanser tedavilerinde kullanılabilir. ²³²Th de çok nadiren alfa bozunması yerine kendiliğinden fisyona uğrar ve minerallerinde bunun kanıtlarını bırakmıştır (fisyon ürünü olarak oluşan sıkışmış ksenon gazı olarak), ancak bu sürecin kısmi yarı ömrü 10²¹ yıldan fazladır ve alfa bozunması baskındır. ⓘ

Genellikle "toryum serisi" olarak adlandırılan ²³²Th'nin 4n bozunma zinciri ⓘ

Toplamda, kütle numaraları 207 ile 238 arasında değişen 32 radyoizotop karakterize edilmiştir. ²³²Th'den sonra en kararlı olanları (ilgili yarı ömürleriyle) ²³⁰Th (75.380 yıl), ²²⁹Th (7.340 yıl), ²²⁸Th (1.92 yıl), ²³⁴Th (24.10 gün) ve ²²⁷Th'dir (18.68 gün). Bu izotopların tümü, ²³²Th, ²³⁵U, ²³⁸U ve ²³⁷Np bozunma zincirlerindeki varlıkları nedeniyle doğada eser radyoizotoplar olarak bulunur: bunlardan sonuncusu kısa yarı ömrü (2,14 milyon yıl) nedeniyle doğada uzun süre yok olmuştur, ancak uranyum cevherlerinde nötron yakalamadan kaynaklanan küçük izler halinde sürekli olarak üretilmektedir. Geri kalan tüm toryum izotoplarının yarı ömürleri otuz günden azdır ve bunların çoğunluğunun yarı ömürleri on dakikadan azdır. ⓘ

Derin deniz sularında ²³⁰Th izotopu doğal toryumun %0,04'ünü oluşturur. Bunun nedeni, ana ²³⁸U'nun suda çözünebilir olması, ancak ²³⁰Th'nin çözünemez olması ve tortuya çökmesidir. Düşük toryum konsantrasyonuna sahip uranyum cevherleri saflaştırılarak dörtte birinden fazlası ²³⁰Th izotopu olan gram boyutunda toryum örnekleri elde edilebilir, çünkü ²³⁰Th ²³⁸U'nun kızlarından biridir. Uluslararası Saf ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) 2013 yılında toryumu binüklidik bir element olarak yeniden sınıflandırdı; daha önce mononüklidik bir element olarak kabul ediliyordu. ⓘ

Toryumun ^216m1Th, ^216m2Th ve ^229mTh olmak üzere bilinen üç nükleer izomeri (veya metastabil hali) vardır. ^229mTh, 7,6±0,5 eV olarak ölçülen, herhangi bir izomerin bilinen en düşük uyarılma enerjisine sahiptir. Bu o kadar düşüktür ki izomerik geçişe uğradığında yayılan gama radyasyonu ultraviyole aralığındadır. ⓘ

Toryumun farklı izotopları kimyasal olarak aynıdır, ancak biraz farklı fiziksel özelliklere sahiptir: örneğin, saf ²²⁸Th, ²²⁹Th, ²³⁰Th ve ²³²Th yoğunluklarının sırasıyla 11.5, 11.6, 11.6 ve 11.7 g/cm³ olması beklenmektedir. ²²⁹Th izotopunun 2839 kg'lık çıplak kritik kütle ile bölünebilir olması beklenmektedir, ancak çelik reflektörlerle bu değer 994 kg'a düşebilir. ²³²Th bölünebilir değildir, ancak nötron yakalama ve ardından beta bozunumu yoluyla bölünebilir ²³³U'ya dönüştürülebildiği için verimlidir. ⓘ

Radyometrik tarihleme

İki radyometrik tarihleme yöntemi toryum izotoplarını içerir: ²³⁴U'nun ²³⁰Th'ye bozunmasına dayanan uranyum-toryum tarihlemesi ve ²³²Th'nin ²³⁰Th'ye oranını ölçen iyonyum-toryum tarihlemesi. Bunlar ²³²Th'nin ilkel bir radyoizotop olduğu gerçeğine dayanır, ancak ²³⁰Th yalnızca ²³⁸U'nun bozunma zincirinde bir ara bozunma ürünü olarak ortaya çıkar. Uranyum-toryum tarihlemesi, ²³⁴U ve ²³⁰Th'nin Dünya'nın yaşına göre kısa yarı ömürleri nedeniyle nispeten kısa menzilli bir süreçtir: ²³⁵U'nun alfa bozunumunu içeren bir kardeş süreç de ²³¹Th'ye eşlik eder, bu da çok hızlı bir şekilde daha uzun ömürlü ²³¹Pa'ya dönüşür ve bu süreç genellikle uranyum-toryum tarihleme sonuçlarını kontrol etmek için kullanılır. Uranyum-toryum tarihlemesi genellikle speleothem veya mercan gibi kalsiyum karbonat malzemelerinin yaşını belirlemek için kullanılır, çünkü uranyum suda toryum ve protaktinyumdan daha fazla çözünür, bunlar seçici olarak oranlarının ölçüldüğü okyanus tabanı tortularına çökelir. Şema birkaç yüz bin yıllık bir aralığa sahiptir. İonyum-toryum tarihlemesi, toryumun (hem ²³²Th hem de ²³⁰Th) çözünmezliğinden ve dolayısıyla ²³²Th'nin ²³⁰Th'ye oranını ölçerek bu tortuları tarihlemek için okyanus tortularındaki varlığından yararlanan ilgili bir süreçtir. Bu tarihleme yöntemlerinin her ikisi de tortu tabakasının oluştuğu dönemde ²³⁰Th'nin ²³²Th'ye oranının sabit olduğunu, tortunun uranyumun bozunmasından kaynaklanan katkılardan önce zaten toryum içermediğini ve toryumun tortu tabakası içinde göç edemediğini varsaymaktadır. ⓘ

Kimya

Bir toryum atomunun 90 elektronu vardır ve bunlardan dördü değerlik elektronudur. Değerlik elektronlarının teorik olarak işgal edebileceği dört atomik orbital mevcuttur: 5f, 6d, 7s ve 7p. Toryumun periyodik tablonun f bloğundaki konumuna rağmen, temel durumda anormal bir [Rn]6d²7s² elektron konfigürasyonuna sahiptir, çünkü erken aktinitlerde 5f ve 6d alt kabuklarının enerjisi çok yakındır, hatta lantanitlerin 4f ve 5d alt kabuklarından daha fazladır: Toryumun 6d alt kabuklarının enerjisi 5f alt kabuklarından daha düşüktür, çünkü 5f alt kabukları dolu 6s ve 6p alt kabukları tarafından iyi korunmaz ve kararsızlaşır. Bunun nedeni periyodik tablonun alt kısmına yakın yerlerde güçlenen rölativistik etkiler, özellikle de rölativistik spin-yörünge etkileşimidir. Toryumun 5f, 6d ve 7s enerji seviyelerindeki yakınlık, toryumun neredeyse her zaman dört değerlik elektronunu da kaybetmesine ve mümkün olan en yüksek oksidasyon durumu olan +4'te meydana gelmesine neden olur. Bu, +4'ün de mümkün olan en yüksek durum olduğu lantanit eşleniği seryumdan farklıdır, ancak +3 önemli bir rol oynar ve daha kararlıdır. Toryum, iyonlaşma enerjileri ve redoks potansiyellerinde ve dolayısıyla kimyasında seryumdan çok geçiş metalleri zirkonyum ve hafniyuma benzer: bu geçiş metali benzeri davranış, aktinit serisinin ilk yarısında normdur. ⓘ

Toryum dioksit florit kristal yapısına sahiptir.
Th⁴⁺: __ / O2-: __ ⓘ

Gaz halindeki toryum atomları için anormal elektron konfigürasyonuna rağmen, metalik toryum önemli ölçüde 5f katılımı gösterir. Fermi seviyesinin üzerinde 5f orbitalleri ile [Rn]6d²7s² konfigürasyonuna sahip toryumun varsayımsal bir metalik hali, gerçekte olduğu gibi yüz merkezli kübik değil, grup 4 elementleri titanyum, zirkonyum ve hafniyum gibi yakın paketlenmiş altıgen olmalıdır. Gerçek kristal yapısı ancak 5f durumları çağrıldığında açıklanabilir ve bu da toryumun metalürjik olarak gerçek bir aktinit olduğunu kanıtlar. ⓘ

Tetravalent toryum bileşikleri, Th⁴⁺ iyonunun 5f veya 6d elektronları olmadığından, gümüş veya kurşun bileşikleri gibi genellikle renksiz veya sarıdır. Bu nedenle toryum kimyası büyük ölçüde kararlı bir soygaz konfigürasyonuna sahip tek bir diamanyetik iyon oluşturan elektropozitif bir metaldir ve toryum ile s-blokunun ana grup elementleri arasında bir benzerlik olduğunu gösterir. Toryum ve uranyum radyoaktif elementler arasında en çok araştırılanlardır çünkü radyoaktiviteleri laboratuvarda özel işlem gerektirmeyecek kadar düşüktür. ⓘ

Reaktivite

Toryum oldukça reaktif ve elektropozitif bir metaldir. Th⁴⁺/Th çifti için -1,90 V standart indirgeme potansiyeli ile zirkonyum veya alüminyumdan biraz daha elektropozitiftir. İnce bölünmüş toryum metali, havada kendiliğinden tutuşarak piroforiklik sergileyebilir. Havada ısıtıldığında, toryum dönüşleri tutuşur ve dioksit üretmek için parlak beyaz bir ışıkla yanar. Yığın halinde, saf toryumun hava ile reaksiyonu yavaştır, ancak birkaç ay sonra korozyon meydana gelebilir; çoğu toryum numunesi, korozyonu büyük ölçüde hızlandıran çeşitli derecelerde dioksit ile kirlenmiştir. Bu tür numuneler yavaşça kararır, grileşir ve sonunda yüzeyde siyahlaşır. ⓘ

Standart sıcaklık ve basınçta, toryum su tarafından yavaşça saldırıya uğrar, ancak ThO(OH,Cl)H'nin siyah çözünmez bir kalıntısını bırakarak çözündüğü hidroklorik asit hariç, en yaygın asitlerde kolayca çözünmez. Az miktarda katalitik florür veya florosilikat iyonları içeren konsantre nitrik asitte çözünür; bunlar mevcut değilse, uranyum ve plütonyumda olduğu gibi nitrat tarafından pasifleştirme meydana gelebilir. ⓘ

Toryum tetraflorürün kristal yapısı
Th⁴⁺: __ / F-: __ ⓘ

İnorganik bileşikler

Toryumun ametallerle ikili bileşiklerinin çoğu, elementlerin birlikte ısıtılmasıyla hazırlanabilir. Toryum havada yanarak florit yapısına sahip ThO₂ oluşturur. Toryum dioksit, bilinen tüm oksitlerin en yüksek erime noktasına (3390 °C) sahip refrakter bir malzemedir. Biraz higroskopiktir ve su ve birçok gazla kolayca reaksiyona girer; florür varlığında konsantre nitrik asitte kolayca çözünür. ⓘ

Havada ısıtıldığında, toryum dioksit yoğun mavi ışık yayar; ThO₂ daha hafif homologu seryum dioksit (CeO₂, ceria) ile karıştırıldığında ışık beyaz olur: bu, gaz mantolarında daha önce yaygın olarak kullanılmasının temelidir. Bu etki için alev gerekli değildir: 1901'de sıcak bir Welsbach gaz mantosunun (%1 CeO₂ ile ThO₂ kullanılarak) soğuk ve ateşlenmemiş bir yanıcı gaz ve hava karışımına maruz bırakıldığında "tam parlaklıkta" kaldığı keşfedilmiştir. Toryum dioksit tarafından yayılan ışığın dalga boyu, aynı sıcaklıktaki akkorlaşmadan beklenen kara cisim emisyonundan daha yüksektir; bu etki kandolüminesans olarak adlandırılır. Bunun nedeni ThO₂ : Ce'nin alevde yüksek konsantrasyonda ortaya çıkan serbest radikallerin rekombinasyonu için bir katalizör görevi görmesi ve bunların deeksitasyonunun büyük miktarlarda enerji açığa çıkarmasıdır. Gaz örtülerinde olduğu gibi %1 seryum dioksit ilavesi, spektrumun görünür bölgesinde emisyonu artırarak etkiyi yükseltir; ancak toryumun aksine seryum çoklu oksidasyon durumlarında ortaya çıkabildiğinden, yükü ve dolayısıyla görünür emisyonu alevde bulunduğu bölgeye bağlı olacaktır (bu bölgeler kimyasal bileşimlerine ve dolayısıyla ne kadar oksitleyici veya indirgeyici olduklarına göre değişir). ⓘ

Birkaç ikili toryum kalkogenid ve oksikalkogenid de sülfür, selenyum ve tellür ile birlikte bilinmektedir. ⓘ

Bazı düşük değerli bromürler ve iyodürler gibi dört toryum tetrahalitin tümü bilinmektedir: tetrahalitlerin tümü su gibi polar çözücülerde kolayca çözünen 8 koordinatlı higroskopik bileşiklerdir. Birçok ilgili polihalid iyonu da bilinmektedir. Toryum tetraflorür, zirkonyum tetraflorür ve hafniyum tetraflorür gibi monoklinik bir kristal yapıya sahiptir; burada Th⁴⁺ iyonları F- iyonları ile biraz çarpık kare antiprizmalar halinde koordine edilmiştir. Diğer tetrahalidler bunun yerine dodekahedral geometriye sahiptir. Daha düşük iyodürler ThI₃ (siyah) ve ThI₂ (altın renkli) de tetraiyodürün toryum metali ile indirgenmesiyle hazırlanabilir: Th(III) ve Th(II) içermezler, bunun yerine Th⁴⁺ içerirler ve daha açık bir şekilde elektrid bileşikleri olarak formüle edilebilirler. Toryum florürleri, klorürleri ve bromürleri için alkali metaller, baryum, talyum ve amonyum ile birçok polinary halojenür bilinmektedir. Örneğin, potasyum florür ve hidroflorik asit ile muamele edildiğinde, Th⁴⁺ kompleks anyon ThF2- oluşturur.
₆, çözünmeyen bir tuz olan K₂ThF₆ olarak çökelir. ⓘ

Toryum boridler, karbürler, silikidler ve nitrürler uranyum ve plütonyum gibi refrakter malzemelerdir ve bu nedenle olası nükleer yakıtlar olarak dikkat çekmişlerdir. Dört ağır piktogenin (fosfor, arsenik, antimon ve bizmut) hepsi de ikili toryum bileşikleri oluşturur. Toryum germanidleri de bilinmektedir. Toryum hidrojenle tepkimeye girerek toryum hidrürleri ThH₂ ve Th₄H₁₅'i oluşturur; bunlardan ikincisi 7,5-8 K'nin altında süper iletkendir; standart sıcaklık ve basınçta elektriği bir metal gibi iletir. Hidritler termal olarak kararsızdır ve hava veya neme maruz kaldıklarında kolayca ayrışırlar. ⓘ

Torosenin sandviç molekül yapısı ⓘ

Koordinasyon bileşikleri

Asidik bir sulu çözeltide toryum, üç köşeli trigonal prizmatik moleküler geometriye sahip tetrapozitif aqua iyonu [Th(H₂O)₉]⁴⁺ olarak ortaya çıkar: pH < 3'te, toryum tuzlarının çözeltilerine bu katyon hakimdir. Th⁴⁺ iyonu, tetrapozitif aktinit iyonlarının en büyüğüdür ve koordinasyon sayısına bağlı olarak 0,95 ile 1,14 Å arasında bir yarıçapa sahip olabilir. Yüksek yükü nedeniyle oldukça asidiktir, sülfürik asitten biraz daha güçlüdür: bu nedenle pH 3 veya altındaki çözeltilerde ağırlıklı olarak [Th₂(OH)₂]⁶⁺ 'ya hidroliz ve polimerizasyona (Fe³⁺ 'den daha az ölçüde olsa da) uğrama eğilimindedir, ancak daha alkali çözeltilerde polimerizasyon jelatinimsi hidroksit Th(OH)₄ oluşup çökelene kadar devam eder (dengeye ulaşılması haftalar alabilir, çünkü polimerizasyon genellikle çökelmeden önce yavaşlar). Sert bir Lewis asidi olan Th⁴⁺, donör olarak oksijen atomlarına sahip sert ligandları tercih eder: donör olarak sülfür atomlarına sahip kompleksler daha az kararlıdır ve hidrolize daha yatkındır. ⓘ

Büyük boyutu nedeniyle toryum için yüksek koordinasyon sayıları kuraldır. Toryum nitrat pentahidrat 11 numaralı koordinasyonun bilinen ilk örneğidir, oksalat tetrahidrat 10 numaralı koordinasyona sahiptir ve borohidrit (ilk olarak Manhattan Projesi'nde hazırlanmıştır) 14 numaralı koordinasyona sahiptir. Bu toryum tuzları suda ve polar organik çözücülerde yüksek çözünürlükleriyle bilinirler. ⓘ

Perkloratlar, sülfatlar, sülfitler, nitratlar, karbonatlar, fosfatlar, vanadatlar, molibdatlar ve kromatlar ve bunların hidratlı formları gibi çok atomlu anyonlara sahip diğer birçok inorganik toryum bileşiği bilinmektedir. Bunlar toryumun saflaştırılması ve nükleer atıkların bertaraf edilmesinde önemlidir, ancak çoğu özellikle yapısal özellikleri bakımından henüz tam olarak karakterize edilmemiştir. Örneğin, toryum nitrat, toryum hidroksitin nitrik asitle reaksiyona sokulmasıyla üretilir: suda ve alkollerde çözünür ve toryum ve bileşiklerinin saflaştırılmasında önemli bir ara maddedir. Oksalat, sitrat ve EDTA gibi organik ligandlara sahip toryum kompleksleri çok daha kararlıdır. Doğal toryum içeren sularda, organik toryum kompleksleri, inorganik ligandların konsantrasyonları organik ligandlarınkinden çok daha fazla olsa bile, genellikle inorganik komplekslerden daha yüksek konsantrasyonlarda meydana gelir. ⓘ

(η⁸-C₈H₈)ThCl₂(THF)₂'nin piyano tabure molekül yapısı ⓘ

Ocak 2021'de, aromatiklik, bir merkez toryum katyonu tarafından stabilize edilen 12 bizmut atomundan oluşan büyük bir metal küme anyonunda gözlemlendi. Bu bileşiğin, daha önce bilinen birçok aromatik metal kümesinin aksine şaşırtıcı derecede kararlı olduğu gösterildi. ⓘ

Organotoryum bileşikleri

Organotoryum bileşikleri üzerine yapılan çalışmaların çoğu siklopentadienil kompleksleri ve siklooktatetraenillere odaklanmıştır. Erken ve orta aktinitlerin çoğu gibi (amerikiyuma kadar ve küriyum için de beklenen), toryum da bir siklooktatetraenit kompleksi oluşturur: sarı Th(C₈H₈)₂, torosen. Daha iyi bilinen benzer uranyum bileşiği uranocene ile izotipiktir. K₂C₈H₈'in tetrahidrofuran (THF) içinde toryum tetraklorür ile kuru buz sıcaklığında reaksiyona sokulmasıyla veya toryum tetraflorürün MgC₈H₈ ile reaksiyona sokulmasıyla hazırlanabilir. Havada kararsızdır ve suda veya 190 °C'de ayrışır. (η⁸-C₈H₈)ThCl₂(THF)₂ gibi yarı sandviç bileşikler de bilinmektedir; bu bileşik piyano tabure yapısına sahiptir ve tetrahidrofuran içinde toryum tetraklorür ile toryosenin reaksiyona sokulmasıyla elde edilir. ⓘ

Siklopentadienillerin en basitleri Th(C₅H₅)₃ ve Th(C₅H₅)₄'tür: birçok türevi bilinmektedir. İlki (biri mor diğeri yeşil olmak üzere iki formu vardır) toryumun formal +3 oksidasyon durumundaki nadir bir örneğidir; bir türevinde formal +2 oksidasyon durumu görülür. Klorür türevi [Th(C₅H₅)₃Cl], toryum tetraklorürün sınırlayıcı K(C₅H₅) kullanılarak ısıtılmasıyla hazırlanır (diğer tek değerlikli metal siklopentadieniller de kullanılabilir). Alkil ve aril türevleri klorür türevinden hazırlanır ve Th-C sigma bağının doğasını incelemek için kullanılmıştır. ⓘ

Diğer organotoryum bileşikleri iyi çalışılmamıştır. Tetrabenziltoryum, Th(CH₂C₆H₅) ve tetraalliltoryum, Th(C₃H₅)₄, bilinmektedir, ancak yapıları belirlenmemiştir. Oda sıcaklığında yavaşça ayrışırlar. Toryum, [Li(tmeda)]₃[ThMe₇] (tmeda=Me₂NCH₂CH₂NMe₂) tuzunu oluşturan tek kapaklı trigonal prizmatik anyon [Th(CH3)₇]₃-, heptametilthorat oluşturur. Her ne kadar bir metil grubu sadece toryum atomuna bağlı olsa da (Th-C mesafesi 257,1 pm) ve diğer altısı lityum ve toryum atomlarını birbirine bağlasa da (Th-C mesafeleri 265,5-276,5 pm), çözeltide eşdeğer davranırlar. Tetrametiltoryum, Th(CH₃)₄, bilinmemektedir, ancak eklentileri fosfin ligandları tarafından stabilize edilir. ⓘ

Oluşumu

Oluşum

²³²Th ilkel bir nüklittir ve şu anki haliyle on milyar yıldan fazla bir süredir mevcuttur; muhtemelen süpernova ve nötron yıldızı birleşmelerinde meydana gelen r-süreci sırasında oluşmuştur. Bu şiddetli olaylar onu galaksinin dört bir yanına saçmıştır. "r" harfi "hızlı nötron yakalama" anlamına gelir ve ⁵⁶Fe gibi ağır tohum çekirdeklerinin nötronları hızla yakalayarak nötron damlama çizgisine karşı koştuğu çekirdek çökmesi süpernovalarında meydana gelir, çünkü nötronlar, ortaya çıkan nüklitlerin kararlılığa doğru beta bozunmasından çok daha hızlı yakalanır. Nötron yakalama, yüksek atom numaralarında yüklü parçacıklar arasındaki etkileşimleri zorlaştıran Coulomb bariyerlerinin artması ve ⁵⁶Fe ötesindeki füzyonun endotermik olması nedeniyle yıldızların demir ötesi elementleri sentezlemesinin tek yoludur. ²⁰⁹Bi'den sonraki ani kararlılık kaybı nedeniyle, r-süreci toryum ve uranyum yaratabilen tek yıldız nükleosentezi sürecidir; diğer tüm süreçler çok yavaştır ve ara çekirdekler bu elementlere ulaşmak için yeterli nötron yakalayamadan alfa bozunmasına uğrarlar. ⓘ

Güneş sistemindeki 83 ilkel elementin tahmini bollukları, logaritmik bir ölçekte çizilmiştir. Atom numarası 90 olan toryum en nadir elementlerden biridir. ⓘ

Evrende toryum ilkel elementler arasında en nadir bulunanlardan biridir, çünkü yalnızca r-sürecinde üretilebilen iki elementten biridir (diğeri uranyumdur) ve ayrıca oluştuğu andan itibaren yavaş yavaş bozunmaya başlamıştır. Toryumdan daha nadir bulunan tek ilkel elementler tulyum, lutesyum, tantal ve renyumdur; bunlar ağır platin grubu metaller ve uranyum etrafındaki r-süreci bolluklarının üçüncü zirvesinden hemen önceki tek sayılı elementlerdir. Uzak geçmişte toryum ve uranyum bollukları plütonyum ve küriyum izotoplarının bozunmasıyla zenginleşmiştir ve toryum ²³⁶U'nun ²³²Th'ye bozunması ve ²³⁵U'nun doğal olarak tükenmesiyle uranyuma göre zenginleşmiştir, ancak bu kaynaklar uzun zamandan beri bozunmuştur ve artık katkıda bulunmamaktadır. ⓘ

Yerkabuğunda toryum çok daha bol miktarda bulunur: milyonda 8,1 parça (ppm) bolluğuyla ağır elementler arasında en bol bulunanlardan biridir, neredeyse kurşun kadar (13 ppm) ve kalaydan (2,1 ppm) daha fazladır. Bunun nedeni, toryumun çekirdeğe batmayan oksit mineralleri oluşturmasının muhtemel olmasıdır; Goldschmidt sınıflandırması altında litofil olarak sınıflandırılır, yani genellikle oksijenle birlikte bulunur. Yaygın toryum bileşikleri de suda az çözünür. Bu nedenle, refrakter elementler Dünya'da bir bütün olarak Güneş Sistemi'nde olduğu gibi aynı göreceli bolluğa sahip olsa da, kabukta ağır platin grubu metallerden daha fazla erişilebilir toryum vardır. ⓘ

²³²Th'nin (mor) bozunmasından kaynaklanan radyojenik ısı, dünyanın iç ısı bütçesine önemli bir katkıda bulunur. Bu ısıyı sağlayan dört ana nüklitten ²³²Th, diğerleri toryumdan daha hızlı bozunduğu için en fazla ısıyı sağlayacak şekilde büyümüştür. ⓘ

Dünya üzerinde

Toryum, yerkabuğunda en bol bulunan 41. elementtir. Doğal toryum genellikle neredeyse saf ²³²Th olup, toryumun en uzun ömürlü ve en kararlı izotopudur ve evrenin yaşı ile karşılaştırılabilir bir yarı ömre sahiptir. Radyoaktif bozunumu, Dünya'nın iç ısısına katkıda bulunan en büyük tek unsurdur; diğer büyük katkı sağlayıcılar, katkılarının azalan sırasına göre ²³⁸U, ⁴⁰K ve ²³⁵U olan daha kısa ömürlü ilkel radyonüklidlerdir. (Dünya'nın oluşumu sırasında, ⁴⁰K ve ²³⁵U kısa yarı ömürleri nedeniyle çok daha fazla katkıda bulunmuştur, ancak daha hızlı bozunarak ²³²Th ve ²³⁸U'nun katkısını baskın hale getirmişlerdir). Bozunması, Dünya'nın toryum içeriğinin kademeli olarak azalmasına neden olmaktadır: gezegen şu anda Dünya'nın oluşumunda mevcut olan miktarın yaklaşık %85'ine sahiptir. Diğer doğal toryum izotopları çok daha kısa ömürlüdür; bunlardan sadece ²³⁰Th genellikle tespit edilebilir, ana ²³⁸U ile seküler dengede meydana gelir ve doğal toryumun en fazla %0,04'ünü oluşturur. ⓘ

Toryum çoğu mineralin yalnızca küçük bir bileşeni olarak ortaya çıkar ve bu nedenle daha önce nadir olduğu düşünülüyordu. Toprak normalde yaklaşık 6 ppm toryum içerir. ⓘ

Doğada toryum, uranyum(IV), zirkonyum(IV), hafniyum(IV) ve seryum(IV) ile ve ayrıca skandiyum, itriyum ve benzer iyonik yarıçaplara sahip üç değerlikli lantanitlerle birlikte +4 oksidasyon durumunda bulunur. Toryumun radyoaktivitesi nedeniyle, onu içeren mineraller genellikle metamiktir (amorf), kristal yapıları toryum tarafından üretilen alfa radyasyonu tarafından zarar görmüştür. Ekstrem bir örnek ekanittir, (Ca,Fe,Pb)₂(Th,U)Si₈O₂₀, içerdiği toryum nedeniyle neredeyse hiçbir zaman amorf olmayan formda oluşmaz. ⓘ

Monazit (esas olarak çeşitli nadir toprak elementlerinin fosfatları) en önemli ticari toryum kaynağıdır çünkü başta Hindistan, Güney Afrika, Brezilya, Avustralya ve Malezya olmak üzere dünya çapında büyük yataklarda bulunur. Ortalama olarak %2,5 civarında toryum içerir, ancak bazı yataklar %20'ye kadar toryum içerebilir. Monazit, sarı veya kahverengi kum olarak bulunan kimyasal olarak reaktif olmayan bir mineraldir; düşük reaktivitesi toryumun ondan çıkarılmasını zorlaştırır. Allanit (esas olarak çeşitli metallerin silikat-hidroksitleri) %0,1-2 toryum ve zirkon (esas olarak zirkonyum silikat, ZrSiO₄) %0,4'e kadar toryum içerebilir. ⓘ

Toryum dioksit, nadir mineral toryanit olarak ortaya çıkar. Uranyum dioksit ile izotipik olması nedeniyle, bu iki yaygın aktinit dioksit katı hal çözeltileri oluşturabilir ve mineralin adı ThO₂ içeriğine göre değişir. Torit (esas olarak toryum silikat, ThSiO₄) de yüksek toryum içeriğine sahiptir ve toryumun ilk keşfedildiği mineraldir. Toryum silikat minerallerinde, Th⁴⁺ ve SiO4-
₄ iyonları genellikle M³⁺ (burada M= Sc, Y veya Ln) ve fosfat (PO3-
₄) iyonları sırasıyla. Toryum dioksitin büyük oranda çözünmez olması nedeniyle, toryum salındığında genellikle çevreye hızlı bir şekilde yayılmaz. Th⁴⁺ iyonu özellikle asidik topraklarda çözünür ve bu tür koşullarda toryum konsantrasyonu 40 ppm'e ulaşabilir. ⓘ

Tarih

Mårten Eskil Winge'nin Thor's Fight with the Giants (1872) adlı eseri; İskandinav gök gürültüsü tanrısı Thor, devlere karşı savaşırken çekici Mjölnir'i kaldırıyor. ⓘ

Hatalı rapor

1815 yılında İsveçli kimyager Jöns Jacob Berzelius, İsveç'in orta kesimlerindeki Falun'da bulunan bir bakır madeninden aldığı alışılmadık bir gadolinit örneğini analiz etti. Dikkatli bir şekilde bilinmeyen bir elementin toprağı (modern kimyasal terminolojide oksit) olduğunu varsaydığı beyaz bir mineralin emdirilmiş izlerini fark etti. Berzelius daha önce seryum ve selenyum olmak üzere iki element keşfetmişti, ancak bir keresinde çinko oksit olduğu ortaya çıkan yeni bir element olan gahniyumu duyurarak kamuoyunda bir hata yapmıştı. Berzelius 1817'de sözde elemente özel olarak "toryum", sözde oksitine de İskandinav gök gürültüsü tanrısı Thor'un adını vererek "thorina" adını verdi. 1824 yılında, Norveç'in Vest-Agder bölgesinde aynı mineralden daha fazla yatak keşfedildikten sonra, mineralin (daha sonra xenotime olarak adlandırıldı) çoğunlukla itriyum ortofosfat olduğu kanıtlandığı için bulgularını geri çekti. ⓘ

Keşif

1828'de Morten Thrane Esmark, Norveç'in Telemark bölgesindeki Løvøya adasında siyah bir mineral buldu. Norveçli bir rahip ve papaz olarak görev yaptığı Telemark'taki mineralleri inceleyen amatör bir mineralojistti. Genellikle bunun gibi en ilginç örnekleri, Christiania'daki (bugünkü adı Oslo) Kraliyet Frederick Üniversitesi'nde mineraloji ve jeoloji profesörü ve ünlü bir mineralog olan babası Jens Esmark'a gönderirdi. Yaşlı Esmark bunun bilinen bir mineral olmadığını tespit etti ve incelenmesi için Berzelius'a bir örnek gönderdi. Berzelius bunun yeni bir element içerdiğini belirledi. KThF₅'i potasyum metali ile indirgeyerek saf olmayan bir örnek izole ettikten sonra bulgularını 1829'da yayınladı. Berzelius, önceki sözde element keşfinin adını yeniden kullandı ve kaynak minerali torit olarak adlandırdı. ⓘ

Toryumu yeni bir element olarak ilk kez tanımlayan Jöns Jacob Berzelius ⓘ

Berzelius yeni metalin ve kimyasal bileşiklerinin bazı ilk karakterizasyonlarını yaptı: toryum oksitin toryum-oksijen kütle oranının 7,5 olduğunu doğru bir şekilde belirledi (gerçek değeri buna yakın, ~7,3), ancak yeni elementin dört değerlikli yerine iki değerlikli olduğunu varsaydı ve bu nedenle atom kütlesinin oksijenin 7,5 katı (120 amu) olduğunu hesapladı; aslında 15 kat daha büyüktür. Toryumun çok elektropozitif bir metal olduğunu, elektropozitiflikte seryumun önünde ve zirkonyumun arkasında olduğunu belirledi. Metalik toryum ilk kez 1914 yılında Hollandalı girişimciler Dirk Lely Jr. ve Lodewijk Hamburger tarafından izole edildi. ⓘ

İlk kimyasal sınıflandırma

Dmitri Mendeleev tarafından 1869 yılında yayınlanan periyodik tabloda, toryum ve nadir toprak elementleri tablonun ana gövdesinin dışına, toprak alkali metallerden sonra her dikey periyodun sonuna yerleştirilmiştir. Bu, o dönemde toryum ve nadir toprak metallerinin iki değerlikli olduğuna dair inancı yansıtıyordu. Daha sonra nadir toprak metallerinin çoğunlukla üç değerlikli, toryumun ise dört değerlikli olduğunun anlaşılmasıyla Mendeleev 1871 yılında seryum ve toryumu, maksimum oksidasyon durumları +4 olduğu için modern karbon grubu (grup 14) ve titanyum grubunu (grup 4) da içeren grup IV'e taşıdı. Seryum kısa süre sonra tablonun ana gövdesinden çıkarıldı ve ayrı bir lantanit serisine yerleştirildi; toryum, bu gruptaki titanyum ve zirkonyum gibi daha hafif olduğu varsayılan türdeşleriyle benzer özelliklere sahip olduğu için 4. grupta bırakıldı. ⓘ

İlk kullanımları

İkinci Dünya Savaşı toryum dioksit gazı mantosu ⓘ

Toryum 1828 yılında keşfedilmiş olsa da ilk uygulaması ancak 1885 yılında Avusturyalı kimyager Carl Auer von Welsbach'ın gaz yakıtların yakılmasıyla ısıtıldığında toryum oksidin akkor hale gelmesinden ışık üreten taşınabilir bir ışık kaynağı olan gaz mantosunu icat etmesiyle başlamıştır. Daha sonra toryum ve bileşikleri için seramikler, karbon ark lambaları, ısıya dayanıklı potalar ve amonyağın nitrik aside oksidasyonu gibi endüstriyel kimyasal reaksiyonlar için katalizörler de dahil olmak üzere birçok uygulama alanı bulunmuştur. ⓘ

Radyoaktivite

Toryumun radyoaktif olduğu ilk kez 1898 yılında Alman kimyager Gerhard Carl Schmidt ve aynı yıl içinde bağımsız olarak Polonyalı-Fransız fizikçi Marie Curie tarafından gözlemlenmiştir. Fransız fizikçi Henri Becquerel'in 1896'da uranyumdaki radyoaktiviteyi keşfinden sonra radyoaktif olduğu tespit edilen ikinci elementti. 1899'dan başlayarak Yeni Zelandalı fizikçi Ernest Rutherford ve Amerikalı elektrik mühendisi Robert Bowie Owens toryumdan gelen radyasyon üzerinde çalıştılar; ilk gözlemler radyasyonun önemli ölçüde değiştiğini gösterdi. Bu değişimlerin toryumun kısa ömürlü gaz halindeki bir kızından kaynaklandığı tespit edildi ve bunun yeni bir element olduğu anlaşıldı. Şimdi radon olarak adlandırılan bu element, doğada uranyum yerine toryumun bir kızı olarak keşfedilen nadir radyoelementlerden sadece biridir. ⓘ

Radonun katkısını hesaba kattıktan sonra, artık İngiliz fizikçi Frederick Soddy ile birlikte çalışan Rutherford, 1900'den 1903'e kadar süren çalışmalarında toryumun zaman içinde sabit bir oranda bozunarak bir dizi başka elemente dönüştüğünü gösterdi. Bu gözlem, radyoaktivitenin parçalanma teorisine yol açan alfa parçacığı deneylerinin sonuçlarından biri olarak yarı ömrün tanımlanmasına yol açtı. Radyasyonun biyolojik etkisi 1903 yılında keşfedilmiştir. Yeni keşfedilen radyoaktivite olgusu hem bilim insanlarını hem de halkı heyecanlandırdı. 1920'lerde toryumun radyoaktivitesi romatizma, diyabet ve cinsel iktidarsızlık için bir tedavi olarak tanıtıldı. 1932 yılında, radyoaktivitenin sağlık üzerindeki etkilerine ilişkin federal bir soruşturmanın ardından bu kullanımların çoğu Amerika Birleşik Devletleri'nde yasaklandı. Amerika Birleşik Devletleri'nde 10.000 kişiye röntgen teşhisi sırasında toryum enjekte edilmişti; bu kişilerin daha sonra lösemi ve anormal kromozomlar gibi sağlık sorunları yaşadığı tespit edildi. 1930'ların sonunda halkın radyoaktiviteye olan ilgisi azalmıştı. ⓘ

Glenn T. Seaborg, toryumun f bloğundaki yerini tespit etti ⓘ

Daha ileri sınıflandırma

19. yüzyılın sonlarına kadar kimyacılar toryum ve uranyumun sırasıyla grup 4 ve grup 6'nın en ağır üyeleri olduğu konusunda hemfikirdi; lantanitlerin altıncı sıradaki varlığının bir kereye mahsus bir tesadüf olduğu düşünülüyordu. 1892'de İngiliz kimyager Henry Bassett, toryum ve uranyumun lantanitlere benzer olduğunu düşünerek, bilinen ve keşfedilmemiş elementleri barındırmak için ikinci bir ekstra uzun periyodik tablo sırası önerdi. 1913 yılında Danimarkalı fizikçi Niels Bohr atomun ve elektron orbitallerinin teorik bir modelini yayınladı ve bu model kısa sürede geniş kabul gördü. Model, periyodik tablonun yedinci sırasının da, 5d geçiş metallerinden önce gelen lantanitlerin bulunduğu altıncı sıra gibi, geçiş elementlerinde doldurulan d-kabuklarından önce doldurulan f-kabuklarına sahip olması gerektiğini gösterdi. Aktinitler şeklinde ikinci bir iç geçiş serisinin varlığı, lantanitlerin elektron yapılarıyla benzerlikler kurulana kadar kabul edilmedi; Bohr 5f orbitallerinin dolmasının uranyum sonrasına ertelenebileceğini öne sürdü. ⓘ

Ancak plütonyumdan itibaren lantanitler gibi baskın +3 ve +4 oksidasyon durumlarına sahip olan ilk transuranik elementlerin keşfiyle birlikte, aktinitlerin gerçekten de d-orbitallerinden ziyade f-orbitallerini doldurdukları ve ilk aktinitlerin geçiş metali benzeri kimyasının kural değil istisna olduğu anlaşıldı. 1945 yılında Amerikalı fizikçi Glenn T. Seaborg ve ekibi transuranik elementler olan amerikyum ve küriyumu keşfettiğinde, toryumun dördüncü bir d-blok sırasındaki hafniyumun daha ağır konjenerasyonu olmak yerine, lantanitlere benzer bir f-blok aktinit serisinin ikinci üyesi olduğunu fark ederek aktinit kavramını önerdi. ⓘ

Aşamalı olarak

1990'larda, toryumun radyoaktivitesine bağlı olmayan çoğu uygulama, uygun daha güvenli ikameler bulundukça güvenlik ve çevresel kaygılar nedeniyle hızla azaldı. Radyoaktivitesine rağmen element, uygun alternatiflerin bulunamadığı uygulamalar için kullanılmaya devam etmiştir. Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı tarafından 1981 yılında yapılan bir çalışmada, her hafta sonu toryum gazı manto kullanmanın bir kişi için güvenli olacağı tahmin edilmiştir, ancak bu durum mantoları üreten kişilerin aldığı doz veya bazı fabrika alanlarının etrafındaki topraklar için geçerli değildir. Bazı üreticiler itriyum gibi diğer malzemelere geçmiştir. 2007 gibi yakın bir tarihte, bazı şirketler radyoaktiviteleri hakkında yeterli bilgi vermeden toryum mantoları üretmeye ve satmaya devam etmiş, hatta bazıları bunların radyoaktif olmadığını iddia etmiştir. ⓘ

Nükleer güç

Dünyanın ilk toryum reaktörüne ev sahipliği yapan Indian Point Enerji Merkezi (Buchanan, New York, Amerika Birleşik Devletleri) ⓘ

Toryum prototip ölçekte bir güç kaynağı olarak kullanılmıştır. En eski toryum bazlı reaktör 1962 yılında Buchanan, New York, Amerika Birleşik Devletleri'nde bulunan Indian Point Enerji Merkezi'nde inşa edilmiştir. Çin bu teknolojiyi ticarileştirme şansını yakalayan ilk ülke olabilir. Dünyada en büyük toryum rezervine sahip olduğu tahmin edilen ülke, seyrek uranyum rezervlerine sahip olan Hindistan'dır. Hindistan 1950'lerde üç aşamalı nükleer enerji programıyla enerji bağımsızlığına ulaşmayı hedeflemişti. Çoğu ülkede uranyum nispeten boldu ve toryum bazlı reaktörlerin ilerlemesi yavaş oldu; 20. yüzyılda Hindistan'da üç, başka yerlerde on iki reaktör inşa edildi. Toryum reaktörlerinin kullanımını incelemek üzere Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı tarafından 1996 yılında büyük ölçekli araştırmalar başlatıldı; bir yıl sonra da Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı araştırmalarına başladı. İsrail'deki Tel Aviv Üniversitesi'nden Alvin Radkowsky, toryum üreten ilk Amerikan sivil reaktörü olan Pennsylvania'daki Shippingport Atomik Güç İstasyonu'nun baş tasarımcısıydı. Toryum reaktörleri geliştirmek için başka laboratuvarların da dahil olduğu bir konsorsiyum kurdu: Amerika Birleşik Devletleri'nde Raytheon Nuclear Inc. ve Brookhaven Ulusal Laboratuarı ve Rusya'da Kurchatov Enstitüsü. ⓘ

21. yüzyılda toryumun nükleer yayılmayı azaltma potansiyeli ve atık özellikleri, toryum yakıt döngüsüne olan ilginin yeniden artmasına yol açmıştır. Hindistan 2050 yılına kadar elektrik ihtiyacının %30'unu toryum bazlı nükleer enerji ile karşılamayı öngörmektedir. Şubat 2014'te Hindistan'ın Mumbai kentindeki Bhabha Atomik Araştırma Merkezi (BARC), yakıt cevheri olarak toryum yakan ve İleri Ağır Su Reaktörü (AHWR) olarak adlandırılan "yeni nesil nükleer reaktör" için en son tasarımlarını sundu. 2009 yılında Hindistan Atom Enerjisi Komisyonu Başkanı Hindistan'ın "geniş toryum kaynaklarına dayanarak enerjide bağımsız olmak gibi uzun vadeli bir hedefi" olduğunu söylemiştir. ⓘ

Toryumlu yakıt denemeleri 1960 yıllarının ortalarında başlamış olmasına rağmen güç reaktörlerinde kullanılmasına 1976 yılında başlanmıştır. Almanya, Hindistan, Japonya, Rusya, Birleşik Krallık ve ABD’de araştırma/geliştirme çalışmaları sürdürülmektedir. Almanya’da geliştirilen 300 MWe gücündeki toryum yüksek sıcaklık reaktörü, yarısından fazlası Th/U olan yakıtla 1983 – 1989 yılları arasında başarıyla işletilmiştir. 60 MWe Lingen kaynar sulu reaktöründe ise Th/Pu tabanlı yakıt test elemanı kullanılmıştır. ⓘ

ABD'de Shippingport reaktöründe, toryum tabanlı yakıtların basınçlı su reaktörlerindeki kullanımı incelenmiş ve toryum kullanımının işletme stratejisi veya reaktör kalbi güvenlik sınırlarını etkilemediği sonucuna varılmıştır. 1977 – 1982 yılları arasında hafif sulu üretken reaktör anlayışı da bu reaktörde başarıyla denenmiştir. ⓘ

Nükleer silahlar

Manhattan Projesi'nde gram miktarlarda plütonyum ilk kez üretildiğinde, küçük bir izotopun (²⁴⁰Pu) önemli ölçüde kendiliğinden fisyona uğradığı keşfedildi ve bu da plütonyum yakıtlı silah tipi bir nükleer silahın uygulanabilirliğini sorgulanır hale getirdi. Los Alamos ekibi bu sorunu aşmak için patlama tipi silah üzerinde çalışmaya başlarken, Chicago ekibi reaktör tasarımı çözümlerini tartıştı. Eugene Wigner ²⁴⁰Pu ile kirlenmiş plütonyumun özel bir dönüştürücü reaktörde toryumun ²³³U'ya dönüşümünü sağlamak için kullanılmasını önerdi. Daha sonra ²³³U'nun silah tipi bir silahta kullanılabileceği varsayıldı, ancak ²³²U'dan kaynaklanan kontaminasyonla ilgili endişeler dile getirildi. Patlama silahındaki ilerleme yeterliydi ve bu dönüştürücü daha fazla geliştirilmedi, ancak tasarımın nükleer enerjinin gelişimi üzerinde çok büyük etkisi oldu. Bu, gelecekteki donanma ve ticari güç reaktörlerine benzer, yüksek oranda zenginleştirilmiş su soğutmalı, su moderatörlü bir reaktörün ilk ayrıntılı tanımıydı. ⓘ

Soğuk Savaş sırasında Amerika Birleşik Devletleri ²³²Th'yi bir nükleer bombada kullanılmak üzere ²³³U kaynağı olarak kullanma olasılığını araştırdı; 1955'te bir test bombası ateşlediler. ²³³U ile ateşlenen bir bombanın çok güçlü bir silah olacağı sonucuna vardılar, ancak özellikle ²³³U'nun izotopik olarak saf biçimde üretilmesi zor olduğundan, çağdaş uranyum-plutonyum bombalarına göre çok az sürdürülebilir "teknik avantaj" taşıyordu. ⓘ

Toryum metali Amerika Birleşik Devletleri tarafından kullanılan en az bir nükleer silah tasarımının (W71) radyasyon kutusunda kullanılmıştır. ⓘ

Üretim

Bin ton cinsinden toryum rezervlerinin alt sınır tahminleri, 2014
Ülke	Rezervler ⓘ
Hindistan	1070
Brezilya	632
Avustralya	595
Birleşik Devletler	595
Mısır	380
Türkiye	374
Venezuela	300
Kanada	172
Rusya	155
Güney Afrika	148
Çin	100
Norveç	87
Grönland	86
Finlandiya	60.5
İsveç	50
Kazakistan	50
Diğer ülkeler	1,725
Dünya toplamı	6579.5

Talebin düşük olması, toryumun tek başına çıkarılması için madenlerin işletilmesini karlı kılmamaktadır ve toryum neredeyse her zaman nadir toprak elementleriyle birlikte çıkarılmaktadır ki bu elementlerin kendileri de diğer minerallerin üretiminin yan ürünleri olabilmektedir. Üretim için monazite olan mevcut bağımlılık, toryumun büyük ölçüde bir yan ürün olarak üretilmesinden kaynaklanmaktadır; torit gibi diğer kaynaklar daha fazla toryum içerir ve talep artarsa üretim için kolayca kullanılabilir. Toryum kaynaklarının dağılımına ilişkin mevcut bilgiler zayıftır, çünkü düşük talep arama çalışmalarının nispeten az olmasına yol açmıştır. 2014 yılında, toryumun çıkarılacağı monazit konsantresinin dünya üretimi 2.700 tondu. ⓘ

Toryumun yaygın üretim yolu, toryum minerallerinin konsantrasyonu; konsantreden toryumun çıkarılması; toryumun saflaştırılması ve (isteğe bağlı olarak) toryum dioksit gibi bileşiklere dönüştürülmesinden oluşur. ⓘ

Konsantrasyon

Toryum ekstraksiyonu için iki kategori toryum minerali vardır: birincil ve ikincil. Birincil yataklar asidik granitik magmalarda ve pegmatitlerde meydana gelir. Konsantredirler ancak küçük boyutludurlar. İkincil yataklar granitik dağ bölgelerindeki nehirlerin ağızlarında meydana gelir. Bu yataklarda toryum diğer ağır minerallerle birlikte zenginleşir. İlk konsantrasyon yatağın türüne göre değişir. ⓘ

Birincil yataklar için, genellikle madencilikle elde edilen kaynak pegmatitler küçük parçalara ayrılır ve daha sonra flotasyona tabi tutulur. Alkali toprak metal karbonatlar hidrojen klorür ile reaksiyona sokulduktan sonra uzaklaştırılabilir; daha sonra yoğunlaştırma, filtreleme ve kalsinasyon işlemlerini takip eder. Sonuç, %90'a varan nadir toprak içeriğine sahip bir konsantredir. İkincil malzemeler (kıyı kumları gibi) yerçekimi ayrıştırmasına tabi tutulur. Manyetik ayırma, artan güçte bir dizi mıknatıs ile takip eder. Bu yöntemle elde edilen monazit %98'e kadar saf olabilir. ⓘ

Yirminci yüzyıldaki endüstriyel üretim, dökme demir kaplarda sıcak, konsantre sülfürik asitle işleme ve ardından sonraki adımlarda olduğu gibi su ile seyreltme yoluyla seçici çökeltmeye dayanıyordu. Bu yöntem tekniğin özelliklerine ve konsantre tane boyutuna bağlıydı; birçok alternatif önerildi, ancak yalnızca bir tanesinin ekonomik olarak etkili olduğu kanıtlandı: sıcak sodyum hidroksit çözeltisi ile alkali sindirim. Bu yöntem orijinal yöntemden daha pahalıdır ancak daha yüksek saflıkta toryum elde edilmesini sağlar; özellikle de fosfatları konsantreden uzaklaştırır. ⓘ

Asit sindirimi

Asitle çürütme, 210-230 °C'de %93'e kadar sülfürik asit kullanımını içeren iki aşamalı bir işlemdir. İlk olarak, kum kütlesinin %60'ından fazla sülfürik asit eklenir ve ürünler oluştukça reaksiyon karışımı kalınlaşır. Daha sonra dumanlı sülfürik asit eklenir ve seyreltmeden sonra kalan çözelti hacmini azaltmak için karışım beş saat daha aynı sıcaklıkta tutulur. Sülfürik asit konsantrasyonu, reaksiyon hızı ve viskoziteye göre seçilir; her ikisi de konsantrasyonla birlikte artar, ancak viskozite reaksiyonu geciktirir. Sıcaklığın artırılması da reaksiyonu hızlandırır, ancak 300 °C ve üzerindeki sıcaklıklardan kaçınılmalıdır, çünkü bunlar çözünmeyen toryum pirofosfatın oluşmasına neden olur. Çözünme çok ekzotermik olduğundan, monazit kumu aside çok hızlı eklenemez. Tersine, 200 °C'nin altındaki sıcaklıklarda reaksiyon, işlemin pratik olması için yeterince hızlı ilerlemez. Reaktif monazit yüzeyini bloke edecek çökeltilerin oluşmamasını sağlamak için, kullanılan asit kütlesi stokiyometriden beklenen %60 yerine kumun iki katı olmalıdır. Karışım daha sonra 70 °C'ye soğutulur ve hacminin on katı soğuk suyla seyreltilir, böylece kalan monazit dibe çökerken nadir toprak elementleri ve toryum çözeltide kalır. Toryum daha sonra pH 1,3'te fosfat olarak çöktürülerek ayrıştırılabilir, çünkü nadir toprak elementleri pH 2'ye kadar çökelmez. ⓘ

Alkali sindirim

Alkali sindirim %30-45 sodyum hidroksit çözeltisinde yaklaşık 140 °C'de yaklaşık üç saat boyunca gerçekleştirilir. Çok yüksek bir sıcaklık az çözünen toryum oksit oluşumuna ve süzüntüde uranyum fazlalığına yol açar ve çok düşük bir alkali konsantrasyonu çok yavaş bir reaksiyona neden olur. Bu reaksiyon koşulları oldukça hafiftir ve 45 μm'nin altında partikül boyutuna sahip monazit kum gerektirir. Filtrelemenin ardından, filtre keki toryum ve nadir toprak elementlerini hidroksitleri olarak, uranyumu sodyum diuranat olarak ve fosfatı trisodyum fosfat olarak içerir. Bu, 60 °C'nin altına soğutulduğunda trisodyum fosfat dekahidratı kristalleştirir; bu üründeki uranyum safsızlıkları reaksiyon karışımındaki silikon dioksit miktarıyla artar ve ticari kullanımdan önce yeniden kristalleştirmeyi gerektirir. Hidroksitler 80 °C'de %37 hidroklorik asit içinde çözülür. Kalan çökeltilerin süzülmesi ve ardından %47 sodyum hidroksit eklenmesi, toryum ve uranyumun yaklaşık pH 5.8'de çökelmesiyle sonuçlanır. Hava seryumu +3'ten +4 oksidasyon durumuna yükseltebileceğinden ve oluşan seryum(IV) hidroklorik asitten serbest klor açığa çıkarabileceğinden çökeltinin tamamen kurutulmasından kaçınılmalıdır. Nadir toprak elementleri daha yüksek pH değerlerinde tekrar çökelir. Çökeltiler orijinal sodyum hidroksit çözeltisi ile nötralize edilir, ancak nadir toprak fosfatlarının çökelmesini önlemek için önce fosfatın çoğunun uzaklaştırılması gerekir. Solvent ekstraksiyonu da toryum ve uranyumu ayırmak için, elde edilen filtre kekini nitrik asit içinde çözerek kullanılabilir. Titanyum hidroksitin varlığı toryumu bağladığı ve tamamen çözünmesini engellediği için zararlıdır. ⓘ

Saflaştırma

Nükleer uygulamalarda yüksek toryum konsantrasyonlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Özellikle, yüksek nötron yakalama kesitlerine sahip atomların konsantrasyonları çok düşük olmalıdır (örneğin, gadolinyum konsantrasyonları ağırlıkça milyonda bir parçadan daha düşük olmalıdır). Önceleri, yüksek saflık elde etmek için tekrarlanan çözündürme ve yeniden kristalleştirme işlemleri kullanılıyordu. Günümüzde Th⁴⁺'ın seçici kompleksleşmesini içeren sıvı çözücü ekstraksiyon prosedürleri kullanılmaktadır. Örneğin, alkali sindirimi ve fosfatın uzaklaştırılmasını takiben, ortaya çıkan toryum, uranyum ve nadir toprak elementlerinin nitrato kompleksleri, kerosen içinde tributil fosfat ile ekstraksiyon yoluyla ayrıştırılabilir. ⓘ

Modern uygulamalar

Toryumun radyoaktivite ile ilgili olmayan kullanımları, büyük ölçüde toryum ve bozunma ürünlerinin radyoaktivitesinden kaynaklanan çevresel kaygılar nedeniyle 1950'lerden bu yana azalmaktadır. ⓘ

Çoğu toryum uygulamasında metal yerine dioksit (endüstride bazen "thoria" olarak adlandırılır) kullanılır. Bu bileşiğin erime noktası 3300 °C (6000 °F) olup bilinen tüm oksitlerin en yükseğidir; sadece birkaç maddenin erime noktası daha yüksektir. Bu, bileşiğin alevde katı kalmasına yardımcı olur ve alevin parlaklığını önemli ölçüde artırır; toryumun gaz lambası mantolarında kullanılmasının ana nedeni budur. Tüm maddeler yüksek sıcaklıklarda enerji (parıltı) yayar, ancak toryum tarafından yayılan ışığın neredeyse tamamı görünür spektrumdadır, dolayısıyla toryum mantoların parlaklığı da buradan gelir. ⓘ

Toryum katot ışını, ısı veya ultraviyole ışık gibi bir enerji kaynağına maruz kaldığında, bir kısmı görünür ışık şeklinde olmak üzere enerji yayılır. Bu etki, ultraviyole ışığı daha verimli bir şekilde görünür ışığa dönüştüren seryum dioksit tarafından paylaşılır, ancak toryum dioksit daha yüksek bir alev sıcaklığı verir ve daha az kızılötesi ışık yayar. Mantolarda toryum hala yaygın olmakla birlikte, 1990'ların sonlarından bu yana giderek itriyum ile değiştirilmektedir. Birleşik Krallık Ulusal Radyolojik Koruma Kurulu'nun 2005 yılında yaptığı incelemeye göre, "[toryumlu gaz mantoları] birkaç yıl önce yaygın olarak bulunmasına rağmen, artık bulunmuyor." Toryum ayrıca sözde bilimsel sağlık bilekliklerinde olduğu gibi ucuz kalıcı negatif iyon jeneratörleri yapımında da kullanılmaktadır. ⓘ

Akkor filamentlerin üretimi sırasında, filamentler çekilmeden önce tungsten sinterleme tozuna az miktarda toryum dioksit eklenerek tungstenin yeniden kristalleşmesi önemli ölçüde azaltılır. Tungsten termokatotlara küçük bir toryum ilavesi elektronların iş fonksiyonunu önemli ölçüde azaltır; sonuç olarak elektronlar oldukça düşük sıcaklıklarda yayılır. Toryum, tungsten yüzeyinde bir atom kalınlığında bir tabaka oluşturur. Toryum yüzeyindeki iş fonksiyonu, muhtemelen toryumun daha yüksek elektropozitifliği nedeniyle toryum ve tungsten arasındaki ara yüzeyde oluşan elektrik alanı nedeniyle azalır. 1920'lerden beri toryumlu tungsten teller elektronik tüplerde ve X-ışını tüpleri ile redresörlerin katot ve antikatotlarında kullanılmaktadır. Toryumun atmosferik oksijen ve nitrojen ile reaktivitesi sayesinde, toryum aynı zamanda boşaltılmış tüplerdeki safsızlıklar için bir alıcı görevi görür. 1950'lerde transistörlerin kullanılmaya başlanması bu kullanımı önemli ölçüde azaltmıştır, ancak tamamen azaltmamıştır. Toryum dioksit, gaz tungsten ark kaynağında (GTAW) tungsten elektrotların yüksek sıcaklık dayanımını artırmak ve ark stabilitesini iyileştirmek için kullanılır. Toryum oksit bu kullanımda zirkonyum, seryum ve lantan gibi diğer oksitlerle değiştirilmektedir. ⓘ

Toryum dioksit, yüksek sıcaklık laboratuvar potaları gibi ısıya dayanıklı seramiklerde ya birincil bileşen olarak ya da zirkonyum dioksite ilave olarak bulunur. 90 platin ve %10 toryumdan oluşan bir alaşım, amonyağı nitrojen oksitlere oksitlemek için etkili bir katalizördür, ancak daha iyi mekanik özellikleri ve daha fazla dayanıklılığı nedeniyle bunun yerini %95 platin ve %5 rodyumdan oluşan bir alaşım almıştır. ⓘ

Sararmış toryum dioksit lens (solda), ultraviyole radyasyonla kısmen sararmış benzer bir lens (ortada) ve sararmayan lens (sağda) ⓘ

Cama eklendiğinde, toryum dioksit kırılma indeksinin artmasına ve dağılımın azalmasına yardımcı olur. Bu tür camlar, kameralar ve bilimsel aletler için yüksek kaliteli lenslerde uygulama alanı bulmaktadır. Bu lenslerden gelen radyasyon lensleri karartabilir ve yıllar içinde sarartabilir ve filmi bozabilir, ancak sağlık riskleri minimumdur. Sararmış lensler, yoğun ultraviyole radyasyona uzun süre maruz bırakılarak orijinal renksiz hallerine geri döndürülebilir. Toryum dioksit, benzer etkiler sağladığı ve radyoaktif olmadığı için bu uygulamada yerini lantan gibi nadir toprak oksitlerine bırakmıştır. ⓘ

Toryum tetraflorür, çok katmanlı optik kaplamalarda yansıma önleyici bir malzeme olarak kullanılır. Yakın ultraviyole, görünür ve orta kızılötesi ışığı içeren bir aralık olan 0.350-12 µm aralığında dalga boylarına sahip elektromanyetik dalgalara karşı şeffaftır. Radyasyonu esas olarak alfa parçacıklarından kaynaklanır ve bu parçacıklar başka bir malzemeden ince bir örtü tabakası ile kolayca durdurulabilir. Toryum tetraflorürün yerine 2010'lu yıllardan itibaren Lantan triflorür geliştirilmektedir. ⓘ

Mag-Thor alaşımları (toryumlu magnezyum olarak da adlandırılır) bazı havacılık uygulamalarında kullanım alanı bulmuştur, ancak radyoaktivite konusundaki endişeler nedeniyle bu tür kullanımlar aşamalı olarak kaldırılmıştır. ⓘ

Nükleer enerji için potansiyel kullanım

Bir reaktördeki ana nükleer güç kaynağı, bir nüklidin nötron kaynaklı fisyonudur; sentetik bölünebilir çekirdekler ²³³U ve ²³⁹Pu, doğal olarak oluşan ²³²Th ve ²³⁸U nüklitlerinin nötron yakalamasıyla üretilebilir. ²³⁵U doğal olarak oluşur ve aynı zamanda bölünebilirdir. Toryum yakıt döngüsünde, verimli ²³²Th izotopu yavaş nötronlar tarafından bombardımana tutulur, nötron yakalama işleminden geçerek ²³³Th haline gelir, bu da iki ardışık beta bozunumundan geçerek önce ²³³Pa ve ardından bölünebilir ²³³U haline gelir:

²³²
₉₀Th
+ 3n → ²³³
₉₀Th
+

γ

+ 2n ²³³
₉₁Pa
+ n ²³³
₉₂U ⓘ


Toryum yakıt döngüsündeki dönüşümler v t e ⓘ
														²³⁷Np
														↑
		²³¹U	←	²³²U	↔	²³³U	↔	²³⁴U	↔	²³⁵U	↔	²³⁶U	→	²³⁷U
		↓		↑		↑		↑
		²³¹Pa	→	²³²Pa	←	²³³Pa	→	²³⁴Pa
		↑				↑
²³⁰.	→	²³¹.	←	²³².	→	²³³.
İtalik olarak sarı arka plana sahip nüklidlerin yarı ömürleri 30 günün altındadır Kalın harflerle yazılan nüklidlerin yarı ömürleri 1.000.000 yıldan fazladır Kırmızı çerçevelerdeki nüklitler bölünebilirdir

²³³U bölünebilirdir ve ²³⁵U veya ²³⁹Pu ile aynı şekilde nükleer yakıt olarak kullanılabilir. ²³³U nükleer fisyona uğradığında, yayılan nötronlar başka ²³²Th çekirdeklerine çarparak döngüyü devam ettirebilir. Bu, ²³⁸U'nun ²³⁹U olmak için nötron yakalamaya maruz kaldığı, beta bozunarak önce ²³⁹Np'ye ve ardından bölünebilir ²³⁹Pu'ya dönüştüğü hızlı üreme reaktörlerindeki uranyum yakıt döngüsüne paraleldir. ⓘ

Avantajlar

Toryum uranyumdan daha bol bulunur ve dünyanın enerji ihtiyacını daha uzun süre karşılayabilir. Erimiş tuz reaktörlerinde verimli malzeme olarak kullanılmak için özellikle uygundur. ⓘ

²³²Th, ²³⁸U'ya göre nötronları daha kolay emer ve ²³³U, ²³⁵U (%85,5) veya ²³⁹Pu'ya (%73,5) göre nötron yakalama üzerine daha yüksek bir fisyon olasılığına (%92,0) sahiptir. Ayrıca fisyon sırasında ortalama olarak daha fazla nötron açığa çıkarır. ²³⁸U tarafından tek bir nötron yakalaması, bölünebilir ²³⁹Pu ile birlikte transuranik atık üretir, ancak ²³²Th sadece beş yakalamadan sonra bu atığı üretir ve ²³⁷Np oluşturur. Bu yakalama sayısı ²³²Th çekirdeklerinin %98-99'u için gerçekleşmez çünkü ²³³U veya ²³⁵U ara ürünleri fisyona uğrar ve daha az sayıda uzun ömürlü transuranik üretilir. Bu nedenle toryum, transuraniklerin oluşumunu en aza indirmek ve plütonyumun imhasını en üst düzeye çıkarmak için karışık oksit yakıtlarda uranyuma potansiyel olarak cazip bir alternatiftir. ⓘ

Toryum yakıtları daha güvenli ve daha iyi performans gösteren bir reaktör çekirdeği sağlar çünkü toryum dioksit daha yüksek bir erime noktasına, daha yüksek bir termal iletkenliğe ve daha düşük bir termal genleşme katsayısına sahiptir. Kimyasal olarak şu anda yaygın olan uranyum dioksit yakıtından daha kararlıdır, çünkü uranyum dioksit oksitlenerek triuranyum oktokside (U₃O₈) dönüşür ve yoğunluğu önemli ölçüde azalır. ⓘ

Dezavantajları

Kullanılmış yakıtın yeniden işlenmesi zor ve tehlikelidir çünkü ²³²Th ve ²³³U kızlarının çoğu güçlü gama yayıcılardır. Tüm ²³³U üretim yöntemleri, ²³²Th, ²³³Pa veya ²³³U üzerinde bir nötron kaybıyla sonuçlanan parazitik knock-out (n,2n) reaksiyonlarından veya doğal ²³²Th'de bir safsızlık olan ²³⁰Th'nin çift nötron yakalamasından kaynaklanan ²³²U safsızlıklarına neden olur:

²³⁰
₉₀Th
+ n → ²³¹
₉₀Th
+

γ

²³¹
₉₁Pa
²³¹
₉₁Pa
+ n → ²³²
₉₁Pa
+

γ

²³²
₉₂U ⓘ

²³²U tek başına özellikle zararlı değildir, ancak güçlü gama yayıcısı ²⁰⁸Tl'yi üretmek için hızla bozunur. (²³²Th aynı bozunma zincirini izler, ancak çok daha uzun yarı ömrü, üretilen ²⁰⁸Tl miktarlarının ihmal edilebilir olduğu anlamına gelir). ²³²U'nun bu safsızlıkları ²³³U'nun tespit edilmesini kolaylaştırır ve üzerinde çalışmayı tehlikeli hale getirir ve bunların ayrılmasının pratik olmaması, bölünebilir malzeme olarak ²³³U kullanılarak nükleer yayılma olasılıklarını sınırlar. ²³³Pa 27 gün gibi nispeten uzun bir yarı ömre ve nötron yakalama için yüksek bir çapraz kesite sahiptir. Bu nedenle bir nötron zehiridir: hızla yararlı ²³³U'ya bozunmak yerine, ²³³Pa'nın önemli bir miktarı ²³⁴U'ya dönüşür ve nötronları tüketerek reaktör verimliliğini düşürür. Bunu önlemek için, ²³³Pa toryum erimiş tuz reaktörlerinin çalışması sırasında aktif bölgeden çıkarılır, böylece bir nötron yakalama şansı olmaz ve sadece ²³³U'ya bozunur. ⓘ

Bu avantajların hayata geçirilebilmesi için ²³²Th'nin nötronlarla ışınlanması ve ardından işlenmesinde uzmanlaşılması gerekmektedir ve bu da uranyum ve plütonyum yakıt döngüsünden daha ileri bir teknoloji gerektirmektedir; bu alandaki araştırmalar devam etmektedir. Diğerleri ise toryum yakıt döngüsünün ticari uygulanabilirliğinin düşük olduğunu belirtmektedir: Uluslararası Nükleer Enerji Ajansı, uranyum bol miktarda mevcutken toryum döngüsünün hiçbir zaman ticari olarak uygulanabilir olmayacağını öngörmektedir ki bu durum "önümüzdeki on yıllarda" da devam edebilir. Toryum yakıt döngüsünde üretilen izotoplar çoğunlukla transuranik değildir, ancak 32.760 yıllık bir yarı ömre sahip olan ve kullanılmış nükleer yakıtın uzun vadeli radyotoksisitesine önemli bir katkıda bulunan ²³¹Pa gibi bazıları hala çok tehlikelidir. ⓘ

Tehlikeler

Radyasyonun (yanmamış toryum gazı örtüsünden) timothy-grass tohumunun çimlenmesi ve büyümesi üzerindeki etkisi üzerine deney ⓘ

Radyolojik

Doğal toryum diğer birçok radyoaktif maddeye kıyasla çok yavaş bozunur ve yayılan alfa radyasyonu insan derisine nüfuz edemez. Sonuç olarak, gaz mantolarında olduğu gibi küçük miktarlarda toryum kullanımı güvenli kabul edilir, ancak bu tür maddelerin kullanımı bazı riskler oluşturabilir. Kirlenmiş toz gibi bir toryum aerosolüne maruz kalmak, akciğerler ve diğer iç organlara alfa radyasyonu nüfuz edebileceğinden, akciğer, pankreas ve kan kanseri riskinin artmasına neden olabilir. Toryuma dahili olarak maruz kalmak karaciğer hastalıkları riskinin artmasına neden olur. ⓘ

²³²Th'nin bozunma ürünleri radyum ve radon gibi daha tehlikeli radyonüklidleri içerir. Toryumun yavaş bozunması sonucunda bu ürünlerin nispeten azı oluşsa da, ²³²Th'nin radyolojik toksisitesinin doğru bir değerlendirmesi, bazıları tehlikeli gama yayıcıları olan ve bozunma zinciri boyunca uzun ömürlü nüklidlerin bulunmaması nedeniyle ²³²Th'nin ilk bozunmasını takiben hızla oluşan kızlarının katkısını içermelidir. Toryumun tehlikeli kızları toryum dioksitten çok daha düşük erime noktalarına sahip olduğundan, manto kullanım için her ısıtıldığında uçucu hale gelirler. Kullanımın ilk saatinde toryum kızları ²²⁴Ra, ²²⁸Ra, ²¹²Pb ve ²¹²Bi'nin büyük bir kısmı açığa çıkar. Normal bir kullanıcı tarafından alınan radyasyon dozunun çoğu radyumun solunmasından kaynaklanır ve kullanım başına 0,2 milisieverte kadar radyasyon dozu ile sonuçlanır, bu da bir mamografi sırasında alınan dozun yaklaşık üçte biri kadardır. ⓘ

Bazı nükleer güvenlik kurumları toryum mantoların kullanımı hakkında tavsiyelerde bulunmakta ve bunların üretimi ve bertarafı ile ilgili güvenlik endişelerini dile getirmektedir; tek bir mantodan kaynaklanan radyasyon dozu ciddi bir sorun değildir, ancak fabrikalarda veya çöplüklerde bir araya toplanan çok sayıda mantodan kaynaklanan radyasyon dozu ciddi bir sorundur. ⓘ

Biyolojik

Toryum kokusuz ve tatsızdır. Toryumun kimyasal toksisitesi düşüktür çünkü toryum ve en yaygın bileşikleri (çoğunlukla dioksit) suda az çözünür, vücuda hidroksit olarak girmeden önce çökelir. Bazı toryum bileşikleri, özellikle toryumu çözünebilir formda vücuda taşıyan sitrat gibi güçlü kompleks oluşturucu iyonların varlığında kimyasal olarak orta derecede toksiktir. Toryum içeren bir nesne çiğnenmiş veya emilmişse, toryumun %0,4'ünü ve tehlikeli kızlarının %90'ını vücuda kaybeder. Vücuda nüfuz eden toryumun dörtte üçü iskelette birikir. Deri yoluyla emilim mümkündür, ancak olası bir maruz kalma yolu değildir. Toryumun sudaki çözünürlüğünün düşük olması, toryumun böbrekler ve dışkı yoluyla atılımının da oldukça yavaş olduğu anlamına gelmektedir. ⓘ

Monazit işlemeye katılan işçilerin toryum alımı üzerine yapılan testler, vücutlarında tavsiye edilen sınırların üzerinde toryum seviyeleri göstermiştir, ancak bu orta derecede düşük konsantrasyonlarda sağlık üzerinde herhangi bir olumsuz etki bulunmamıştır. Trakeobronşiyal kanalda ve akciğerlerde toryuma maruz kalmaktan kaynaklanan herhangi bir kimyasal toksisite henüz gözlenmemiştir. Toryum bileşikleri ile çalışan kişiler dermatit riski altındadır. Toryum alımından sonra belirtilerin ortaya çıkması otuz yıl kadar sürebilir. Toryumun bilinen bir biyolojik rolü yoktur. ⓘ

Kimyasal

Toz halindeki toryum metali piroforiktir: havada kendiliğinden tutuşur. 1964 yılında Amerika Birleşik Devletleri İçişleri Bakanlığı, "Metal tozlarının tutuşması ve patlayabilirliği" başlıklı bir tabloda toryumu "şiddetli" olarak listelemiştir. Tutuşma sıcaklığı toz bulutları için 270 °C (520 °F) ve katmanlar için 280 °C (535 °F) olarak verilmiştir. Minimum patlayıcı konsantrasyonu 0,075 oz/cu ft (0,075 kg/m³); (mikron altı olmayan) toz için minimum ateşleme enerjisi 5 mJ olarak listelenmiştir. ⓘ

1956 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nin New York şehrinde toryum çamurunun yeniden işlenmesi ve yakılması sırasında Sylvania Electric Products patlaması meydana gelmiştir. Dokuz kişi yaralandı; bir kişi üçüncü derece yanıkların neden olduğu komplikasyonlar nedeniyle öldü. ⓘ

Maruz kalma yolları

Toryum Dünya'nın her yerinde çok küçük miktarlarda bulunur, ancak belirli bölgelerde daha büyük miktarlarda bulunur: ortalama bir insan yaklaşık 40 mikrogram toryum içerir ve tipik olarak günde üç mikrogram tüketir. Toryuma maruz kalmanın çoğu toz soluma yoluyla gerçekleşir; bir miktar toryum yiyecek ve suyla birlikte gelir, ancak düşük çözünürlüğü nedeniyle bu maruz kalma ihmal edilebilir düzeydedir. ⓘ

Toryum yataklarının veya radyoaktif atık bertaraf sahalarının yakınında yaşayanlar, uranyum, fosfat veya kalay işleme fabrikalarının yakınında yaşayanlar veya buralarda çalışanlar ve gaz manto üretiminde çalışanlar için maruziyet artmaktadır. Toryum özellikle Hindistan'ın Tamil Nadu kıyı bölgelerinde yaygındır ve burada yaşayanlar dünya ortalamasından on kat daha fazla doğal olarak oluşan radyasyon dozuna maruz kalabilirler. Ayrıca Brezilya'nın kuzey kıyı bölgelerinde, güney Bahia'dan Guarapari'ye kadar, radyoaktif monazit kum plajları olan bir şehirde de yaygındır ve radyasyon seviyeleri dünya ortalama arka plan radyasyonundan 50 kat daha yüksektir. ⓘ

Bir başka olası maruziyet kaynağı da, bazı füzelerin güdüm sistemlerinde toryum kullanıldığından, silah test sahalarında üretilen toryum tozudur. Bu durum İtalya'nın Sardinya adasındaki Salto di Quirra'da yüksek oranda doğum kusurları ve kanser görülmesinden sorumlu tutulmuştur. ⓘ

Ayrıca bakınız

Toryum Enerji Birliği ⓘ

Genel bibliyografya

Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. (1997). Elementlerin Kimyası (2. baskı). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.
Stoll, W. (2005). "Toryum ve Toryum Bileşikleri". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH. doi:10.1002/14356007.a27_001. ISBN 978-3-527-31097-5.
Wickleder, Mathias S.; Fourest, Blandine; Dorhout, Peter K. (2006). "Toryum". The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements. pp. 52-160. doi:10.1007/1-4020-3598-5_3. ISBN 978-1-4020-3555-5. ⓘ

Dünya toryum kaynakları

Toryum tabiatta uranyumdan yaklaşık üç kat daha fazla bulunur. 2006 verilerine göre Dünya'da bilinen toplam toryum rezervinin 2,5 milyon ton olduğu ve ortalama % 6–7 civarında toryum oksit içerdiği söylenebilir. ⓘ