Berkelium

Curium ← Berkelium → Kalifornium Tb ↑ Bk ↓ -       Koko taulukko
Yleistä
Nimi	Berkelium
Tunnus	Bk
Järjestysluku	97
Luokka	aktinoidi
Lohko	f-lohko
Ryhmä	-
Jakso	7
Tiheys	(alfa) 14,78 (beeta) 13,25 · 103 kg/m3
Kovuus	- (Mohsin asteikko)
Väri	hopeanvalkoinen tai metallinharmaa
Löytövuosi, löytäjä	1949, Glenn T. Seaborg, Stanley G. Thompson ja Albert Ghiorso
Atomiominaisuudet
Atomipaino (Ar)	(247)
Atomisäde, mitattu (laskennallinen)	- pm
Kovalenttisäde	- pm
Van der Waalsin säde	- pm
Orbitaalirakenne	[Rn] 5f97s2
Elektroneja elektronikuorilla	2, 8, 18, 32, 27, 8, 2
Hapetusluvut	(+II), +III, +IV
Kiderakenne	heksagonaalinen tiivispakkaus
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto	kiinteä
Sulamispiste	1 259 K (986 °C)
Kiehumispiste	2 900 K (2 627 °C)
Moolitilavuus	- · 10−3 m3/mol
Höyrystymislämpö	- kJ/mol
Sulamislämpö	7,92 kJ/mol
Höyrynpaine	- Pa - K:ssa
Äänen nopeus	- m/s - K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus	1,3 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti	luotettavaa dataa ei saatavissa kJ/(kg K)
Sähkönjohtavuus	- S/m
Lämmönjohtavuus	- W/(m·K)
CAS-numero	7440-40-6
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa

Berkelium on keinotekoinen alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Bk (lat. berkelium) ja järjestysluku 97. Berkelium on erittäin radioaktiivinen aktinoideihin kuuluva transuraaninen alkuaine. Se on pehmeää, vaaleaa tai harmahtavaa metallia. Sitä ei esiinny luonnossa. Berkelium oli viides löydetty transuraani neptuniumin, plutoniumin, curiumin ja amerikiumin jälkeen.

Berkelium on saanut nimensä kalifornialaisen Berkeleyn kaupungin mukaan. Glenn T. Seaborg, Stanley G. Thompson ja Albert Ghiorso valmistivat berkeliumia ensimmäisen kerran joulukuussa 1949 Kalifornian yliopistossa, Berkeleyssä. Löytö tehtiin pommittamalla amerikiumia alfahiukkasilla. Löytämistä seuranneiden 65 vuoden aikana berkeliumia syntetisoitiin vain alle yhden gramman verran.

Alkuaineen pysyvin isotooppi on ²⁴⁷Bk, jonka puoliintumisaika on 1 380 vuotta. Se on kuitenkin harvinaista. Mitattavia määriä berkeliumia on valmistettu isotooppina ²⁴⁹Bk (puoliintumisaika 330 päivää), joka on tehnyt mahdolliseksi sen joidenkin ominaisuuksien määrittelyn. Toiseksi tärkeintä isotooppia ²⁴⁷Bk valmistetaan säteilyttämällä curiumin isotooppia ²⁴⁴Cm korkea-energisillä alfahiukkasilla.

Fysikaaliset ominaisuudet

Valomikroskooppikuva berkeliummetallin pinnasta

Berkeliumin α-muodon kiderakenne, heksagonaalinen tiivispakkaus.

Berkeliumilla on ainakin kolme allotrooppista muotoa, joista α-Bk ja β-Bk ovat tavallisemmat ja joista α-Bk on vakain huoneenlämpötilassa. Sen alkeiskoppi on heksagonaalinen tiivispakkaus (dhcp, avaruusryhmä P6₃/mmc, hilavakiot a = 341 pm ja c = 1 107 pm), joka on samanlainen kuin α-curiumilla ja α-lantaanilla. Paineen kasvaessa 8 gigapascalin yli, edelleen huoneenlämpötilassa, α-Bk muuttuu β-Bk-muodoksi. Tällä on pintakeskinen kuutiollinen symmetria (fcc, avaruusryhmä Fm3m ja hilavakio a = 499 pm). Jos berkeliumia kompressoidaan yli 22 GPa paineeseen (32 GPa joissain raporteissa), se muuttuu ortorombiseksi γ-berkeliumiksi, joka muistuttaa rakenteeltaan α-uraania. Berkeliumin kimmomoduuli tämän muutospaineen 22 GPa alapuolella on noin 30 GPa, mutta normaalipaineessa α-Bk-muodolle on raportoitu kimmomoduuliksi 52 GPa.

Berkeliumin tiheys 14,78 g/cm³ (α-Bk-muodolle) on curiumin (13,5 g/cm³) ja kaliforniumin (15,1 g/cm³) tiheyksien välissä, kuten myös sen sulamispiste 986 ± 25 °C on alle curiumin sulamispisteen (1 340 °C) mutta korkeampi kuin kaliforniumilla (900 °C). Kiehumispiste on 2 627 ± 50 °C. Berkelium on sangen pehmyttä metallia ja väriltään valkoista tai harmahtavaa.

Berkelium on tavallisissa olosuhteissa paramagneettista, mutta muuttuu antiferromagneettiseksi alle 34 K:n lämpötilassa. Magneettinen momentti on 9,69 mB.

Kemialliset ominaisuudet

Kuten kaikki aktinoidit, berkelium liukenee yleisimpiin epäorgaanisiin happoihin, vapauttaen vetykaasua ja muuttuen Bk³⁺ ioneiksi. Näitä ioneja sisältävät liuokset ovat usein väriltään vihreitä. Berkeliumin yleisin hapetusluku on +III, mutta myös +IV hapetusluvun yhdisteitä tunnetaan. +II hapetusluvun yhdisteiden olemassaolo on epävarmaa. Bk⁴⁺-ionit ovat keltaisia vetykloorihapossa ja oranssinkellertäviä rikkihapossa. Berkeliumin kemialliset ominaisuudet muistuttavat huomattavasti sen lantanoideihin kuuluvan homologin, terbiumin, ominaisuuksia. Berkelium ei juurikaan reagoi ilman hapen kanssa, mahdollisesti sen pinnalle muodostuvasta oksidikerroksesta johtuen. Berkelium muodostaa binäärisiä yhdisteitä vedyn, halogeenien sekä happiryhmän ja typpiryhmän alkuaineiden kanssa.

Isotoopit

Berkeliumin kaikki isotoopit ovat radioaktiivisia. Berkeliumin pitkäikäisin isotooppi on ²⁴⁷Bk (puoliintumisaika 1 380 vuotta). Muita pitkiä puoliintumisaikoja on isotoopeilla ²⁴⁸Bk (yli 9 vuotta) ja ²⁴⁹Bk (330 vuorokautta). Berkeliumin isotoopeista ²⁴⁹Bk on helpointa syntetisoida, ja se on ainoa isotooppi jota on valmistettu makroskooppisia määriä. Sitä on valmistettu Yhdysvalloissa yhteensä yksi gramma koko vuosien 1967–2001 välisenä aikana. Se hajoaa kalifornium-249:ksi. Loppujen isotooppien puoliintumisajat vaihtelevat minuuteista muutamaan päivään.

Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi 238Bk 2,4 min EC 240Bk 4,8 min EC 241Bk 4,6 min EC 242Bk 7,0 min EC 243Bk 4,5 h EC (99,85 %), α (0,15 %) 244Bk 4,35 h EC (>99 %), α (6·10−3 %) 245Bk 4,94 d EC (>99,88 %), α (0,12 %) 246Bk 1,80 d EC 247Bk 1 380 a α 248mBk 23,7 h β− (70 %), EC (30 %) 248m*Bk > 9 a (ehkä > 300 a) α 249Bk 330 d β− (>99 %), α (1,45·10−3 %) 250Bk 3,217 h β− 251Bk 55,6 min β− Lähde:

EC = Elektronisieppaus SF = Spontaani fissio α = Alfahajoaminen β+ = Beeta-plus-hajoaminen β− = Beeta-miinus-hajoaminen IT = Isomeerinen transitio m = Välitila tai virittynyt atomi m* = Ei tiedetä, onko välitila tai virittynyt atomi vai perustila

Fissio-ominaisuudet

Berkeliumin käyttäytyminen fissiossa on erilaista kuin sitä lähellä olevien aktinoidien curiumin ja kaliforniumin. Siitä ei saada käyttökelpoista ydinpolttoainetta. Teoriassa ²⁴⁹Bk voi ylläpitää ketjureaktiota nopeassa hyötöreaktorissa. Berkeliumista ei myöskään saa helposti ydinasetta. Isotoopin ²⁴⁹Bk kriittinen massa on 192 kg, ja vaikka sitä voidaan pienentää erilaisilla neutroniheijastimilla aina 131 kg:aan saakka, niin tämäkin määrä ylittää koko maailman berkeliumin tuotannon moninkertaisesti. Isotooppi ²⁴⁷Bk voi ylläpitää ketjureaktiota sekä termaalisia neutroneja että nopeita neutroneja hyödyntävässä reaktorissa, mutta sen valmistaminen on monimutkaista joten tällä on vain teoreettista merkitystä. Tämän isotoopin kriittinen massa on 75,7 kg puhtaalle pallomaiselle kappaleelle, 41,2 kg 20 cm vettä sisältävän neutroniheijastimen kanssa ja 35,2 kg 30 cm paksun teräsheijastimen kanssa.

Käyttö

Kesti 250 päivää valmistaa tarpeeksi berkeliumia (kuvassa) tennessiinin syntetisointia varten.

Berkeliumilla ei ole mitään käyttökohteita tieteellisen tutkimuksen ulkopuolella.

Tieteessä sitä on käytetty sitä raskaampien aktinoidien ja transaktinoidien tuottamisen. Esimerkiksi alkuainetta Z=117, tennessiiniä, valmistettiin ensi kerran Dubnan ydintutkimuskeskuksessa (JINR) säteilyttämällä ²⁴⁹Bk-kohtiota syklotronissa 150 päivän ajan. Sitä ennen 22 mg painoisen kohtion tuottaminen kesti 250 päivää Lawrence Livermoren laboratoriossa ja vielä 90 päivää kului sen puhdistamiseen Oak Ridgen ydintutkimuslaitoksessa. ²⁴⁹Bk isotooppia on yleisesti käytetty syntetisoitaessa lawrenciumia, rutherfordiumia ja bohriumia.

Lähteet

• Hobart, David E. & Peterson, Joseph R.: ”luku 10”, Berkelium, s. 1444–1498. Teoksessa: Morss, Lester R. et al. (toim.) The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements, 3. painos. Dordrecht: Springer, 2006. ISBN 1402035985. Teoksen verkkoversio (PDF). (englanniksi) (Arkistoitu – Internet Archive)

Aiheesta muualla

• Helsingin Sanomien juttu berkeliumista (Arkistoitu – Internet Archive)
• PubChem: Berkelium (englanniksi)
• Periodictable: Berkelium (englanniksi)
• Mindat: The Mineralogy of Berkelium (englanniksi)
• Luettelo berkeliumin isotoopeista The Isotopes Project Home Page (englanniksi)
• The Royal Society of Chemistry (RSC): Berkelium (englanniksi)