Торий (лат. Thorium), Th, радиоактивный химический элемент, первый член семейства актиноидов , входящих в III группу периодической системы Менделеева; атомный номер 90, атомная масса 232,038; серебристо-белый пластичный металл. Природный Торий (хим. элемент) практически состоит из одного долгоживущего изотопа 232Th — родоначальника одного из радиоактивных рядов — с периодом полураспада T1/2 = 1,39×1010 лет (содержание изотопа 228Th, находящегося с ним в равновесии, ничтожно — 1,37×10—8%) и четырёх короткоживущих изотопов, два из которых относятся к радиоактивному ряду урана — радия: 234Th (T1/2 = 24,1 сут) и 230Th (T1/2 = 8,0×104 лет), остальные — к ряду актиния: 231Th (T1/2 = 25,6 ч) и 227Th (T1/2 = 18,17 сут). Из искусственно полученных изотопов наиболее устойчив 229Th (T1/2 = 7340 лет).
Торий (хим. элемент) открыт в 1828 И. Я. Берцелиусом в одном из сиенитов в Норвегии. Элемент назван по имени бога грома в скандинавской мифологии — Тора, а минерал — силикат тория — торитом .
Распространение в природе. Торий (хим. элемент)— характерный элемент верхней части земной коры — гранитного слоя и осадочной оболочки, где его в среднем содержится соответственно 1,8 ·10—3% и 1,3·10—3% по массе. Торий (хим. элемент) сравнительно слабомигрирующий элемент; в основном он участвует в магматических процессах, накапливаясь в гранитах, щелочных породах и пегматитах. Способность к концентрации слабая. Известно 12 собственных минералов Торий (хим. элемент) (см. Ториевые руды ). Торий (хим. элемент) содержится в монаците , уранините, цирконе, апатите, ортите и др. (см. Радиоактивные минералы ). Основной промышленный источник Торий (хим. элемент) — монацитовые россыпи (морские и континентальные). В природных водах содержится особенно мало Торий (хим. элемент): в пресной воде 2×10—9%, в морской воде 1×10—9%. Он очень слабо мигрирует в биосфере и гидротермальных растворах.
Физические и химические свойства. Торий (хим. элемент) существует в виде двух модификаций: a-формы с гранецентрированной кубической решёткой при температуре до 1400 °С (а = 5,086 Å) и b-формы с объёмноцентрированной кубической решёткой при температуре выше 1400 °С (a = 4,11 Å). Плотность Торий (хим. элемент) (рентгено-графическая) 11,72 г/см3 (25 °С); атомный диаметр в a-форме 3,59 Å, в b-форме 3,56 Å; ионные радиусы Th 3+ 1,08 Å, Th 4+ 0,99 Å; tпл 1750 °С; tkип 3500— 4200 °C.
Мольная теплоёмкость Торий (хим. элемент) 27,32 кдж/(кмоль×К) [6,53 кал/(г-атом×°С)] при 25 °С; теплопроводность при 20 °С 40,19 вт/м×К) [0,096 кал/(см×сек×°С)]; температурный коэффициент линейного расширения 12,5×10—6 (25—100 °С); удельное электросопротивление 13×10—6—18×10—6 ом×см (25 °С); температурный коэффициент электросопротивления 3,6×10—3—4×10—3. Торий (хим. элемент) парамагнитен; удельная магнитная восприимчивость 0,54×10—6 (20 °С). При 1,4К переходит в состояние сверхпроводимости.
Торий (хим. элемент) легко деформируется на холоду; механические свойства Торий (хим. элемент) сильно зависят от его чистоты, поэтому предел прочности при растяжении Торий (хим. элемент) варьирует от 150 до 290 Мн/м 2 (15—29 кгс/мм 2), твёрдость по Бринеллю от 450 до 700 Мн/м 2 (45—70 кгс/мм 2). Конфигурация внешних электронов атома Th 6d 27s 2.
Хотя Торий (хим. элемент) относится к семейству актиноидов, однако по некоторым свойствам он близок также к элементам второй подгруппы IV группы периодической системы Менделеева — Ti, Zr, Hf. В большинстве соединений Торий (хим. элемент) имеет степень окисления +4.
На воздухе при комнатной температуре Торий (хим. элемент) окисляется незначительно, покрываясь защитной плёнкой чёрного цвета; выше 400 °С быстро окисляется с образованием Th O 2 — единственного окисла, который плавится при 3200 °С и обладает высокой химической устойчивостью. Получают Th O 2 термическим разложением нитрата, оксалата или гидроокиси Торий (хим. элемент) С водородом при температурах выше 200 °С Торий (хим. элемент) реагирует с образованием порошкообразных гидридов Th H 2, Th H 3 и др. состава. В вакууме при температуре 700—800 °С из Торий (хим. элемент) можно удалить весь водород. При нагревании в азоте выше 800 °С образуются нитриды Th N и Th 2N 3, которые разлагаются водой с выделением аммиака. С углеродом образует два карбида — Th C и Th C 2; они разлагаются водой с выделением метана и ацетилена. Сульфиды Th S, Th 2S 3, Th 7S 12, Th S 2 могут быть получены при нагревании металла с парами серы (600—800 °С). Торий (хим. элемент) реагирует с фтором при комнатной температуре, с остальными галогенами — при нагревании, с образованием галогенидов типа ThX4 (где Х — галоген). Наиболее важное промышленное значение из галогенидов имеют фторид Th F 4 и хлорид Th Cl 4. Фторид получают действием H F на Th O 2 при повышенных температурах; хлорид — хлорированием смеси Th O 2 с углём при повышенных температурах. Фторид мало растворим в воде и минеральных кислотах; хлорид, бромид и йодид — гигроскопичны и хорошо растворимы в воде. Для всех галогенидов известны кристаллогидраты, выделяемые кристаллизацией из водных растворов.
Компактный Торий (хим. элемент) при температурах до 100 °С медленно корродирует в воде, покрываясь защитной окисной плёнкой. Выше 200 °С активно реагирует с водой с образованием Th O 2 и выделением водорода. Металл на холоду медленно реагирует с азотной, серной и плавиковой кислотами, легко растворяется в соляной кислоте и царской водке. Соли Торий (хим. элемент) образуются в виде кристаллогидратов. Растворимость солей в воде различна: хорошо растворимы нитраты Th (N O 3)4×nH 2O; труднорастворимы сульфаты Th (S O 4)2×nH 2O, основной карбонат Th O C O 3×8H 2O, фосфаты Th 3(P O 4)4×4H 2O и Th P 2O 7×2H 2O; практически нерастворим в воде оксалат Th (C 2O 4)2×6H 2O. Растворы щелочей слабо действуют на Торий (хим. элемент) Гидроокись Th (O H)4 осаждается из солей Торий (хим. элемент) в интервале pH = 3,5—3,6 в виде аморфного осадка. Для ионов Th 4+ в водных растворах характерна ярко выраженная способность к образованию комплексных соединений и двойных солей.
Получение. Торий (хим. элемент) извлекается главным образом из монацитовых концентратов, в которых он содержится в виде фосфата. Промышленное значение имеют два способа вскрытия (разложения) таких концентратов:
1) обработка концентрированной серной кислотой при 200 °С (сульфатизация);
2) обработка растворами щёлочи при 140 °С. В сернокислые растворы продуктов сульфатизации переходят все редкоземельные элементы, Торий (хим. элемент) и фосфорная кислота. При доведении pH такого раствора до 1 осаждается фосфат Торий (хим. элемент); осадок отделяют и растворяют в азотной кислоте, а затем нитрат Торий (хим. элемент) экстрагируют органическим растворителем, из которого Торий (хим. элемент) легко вымывается в виде комплексных соединений. При щелочном вскрытии концентратов в осадке остаются гидроокиси всех металлов, а в раствор переходит тринатрий фосфат. Осадок отделяют и растворяют в соляной кислоте; понижая pH этого раствора до 3,6—5, осаждают Торий (хим. элемент) в виде гидроокиси. Из выделенных и очищенных соединений Торий (хим. элемент) получают Th O 2, Th Cl 4 и Th F 4 — основные исходные вещества для производства металлического Торий (хим. элемент) металлотермическими методами или электролизом расплавленных солей. К металлотермическим методам относятся: восстановление Th O 2 кальцием в присутствии Ca Cl 2 в атмосфере аргона при 1100—1200 °С, восстановление Th Cl 4 магнием при 825—925 °С и восстановление Th F 4 кальцием в присутствии Zn Cl 2 с получением сплава Торий (хим. элемент) и последующим отделением цинка нагреванием сплава в вакуумной печи при 1100 °С. Во всех случаях получают Торий (хим. элемент) в форме порошка или губки. Электролиз расплавленных солей ведётся из электролитов, содержащих Th Cl 4 и Na C I, или ванн, состоящих из смеси Th F 4, Na C I, K Cl. Торий (хим. элемент) выделяется на катоде в виде порошка, отделяемого затем от электролита обработкой водой или разбавленными щелочами. Для получения компактного Торий (хим. элемент) применяют метод порошковой металлургии (спекание заготовок ведут в вакууме при 1100—1350 °С) или плавку в индукционных вакуумных печах в тиглях из Zr O 2 или Be O. Для получения Торий (хим. элемент) особо высокой чистоты используют метод термической диссоциации лодида Торий (хим. элемент)
Применение. Торированные катоды применяются в электронных лампах, а оксидно-ториевые — в магнетронах и мощных генераторных лампах. Добавка 0,8—1% Th O 2 к вольфраму стабилизирует структуру нитей ламп накаливания. Th O 2 используют как огнеупорный материал, а также как элемент сопротивления в высокотемпературных печах. Торий (хим. элемент) и его соединения широко применяют в составе катализаторов в органическом синтезе, для легирования магниевых и др. сплавов, которые приобрели большое значение в реактивной авиации и ракетной технике. Металлический Торий (хим. элемент) используется в ториевых реакторах .
При работе с Торий (хим. элемент) необходимо соблюдать правила радиационной безопасности .
А. Н. Зеликман.
Торий (хим. элемент) в организме. Торий (хим. элемент) постоянно присутствует в тканях растений и животных. Коэффициент накопления Торий (хим. элемент) (то есть отношение его концентрации в организме к концентрации в окружающей среде) в морском планктоне — 1250, в донных водорослях — 10, в мягких тканях беспозвоночных — 50—300, рыб — 100. В пресноводных моллюсках (Unio mancus) его концентрация колеблется от 3×10—7 до 1×10—5%, в морских животных от 3×10—7 до 3×10—6%. Торий (хим. элемент) поглощается главным образом печенью и селезёнкой, а также костным мозгом, лимфатическими железами и надпочечниками; плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта. У человека суточное поступление Торий (хим. элемент) с продуктами питания и водой составляет 3 мкг; выводится из организма с мочой и калом (0,1 и 2,9 мкг соответственно). Торий (хим. элемент) — малотоксичен, однако как природный радиоактивный элемент вносит свой вклад в естественный фон облучения организмов (см. Фон радиоактивный ).
Г. Г. Поликарпов.
Лит.: Торий, его сырьевые ресурсы, химия и технология, М., 1960; Зеликман А. Н., Металлургия редкоземельных металлов, тория и урана, М., 1961; Емельянов В. С., Евстюх и н А. И., Металлургия ядерного горючего, 2 изд., М., 1968; Сиборг Г. Торий (хим. элемент), Кац Дж., Химия актинидных элементов, пер. с англ., М., 1960; Bowen Н. J. М., Trace elements in biochemistry, L.—N. Y., 1966.