Toryum Elementi Nedir? Toryum Hakkında Tüm Bilmeniz Gerekenler

Bu içeriğimizde özellikle de son yıllarda daha çok ön plana çıkan Toryum elementi hakkında bilmeniz gereken tüm detayları sizler için derledik.

Toryum Elementi Nedir?

Toryum elementi, 1828 yılında İsviçreli kimyager Berzelius tarafından Norveç’te bulunan ve daha sonra İskandinav mitolojisinde savaş tanrısı Thor’un onuruna toryum olarak adlandırılan bir mineralin analizinde keşfedildi.

Berzelius toryum metalini izole edebilmiştir. Berzelius’a göre bunu yapabilmek için en etkili method, toryum klorürü potasyum mineraliyle reaksiyona sokarak potasyum klorür ve toryum mineralini elde etmek olduğunu buldu. Ayrıca Jöns Jakob Berzelius toryum elementini keşfetmeden önce 1803 yılında Seryum (Ce) ve 1817 yılında atom numarası 34 olan Selenyum (Se) olmak üzere iki başka element daha keşfetmişti.

Buna ek olarak toryumun 1898’li yıllarda radyo aktif bir element olduğu Alman kimyacı Gerard Schmidt tarafından keşfedildi. Birbirinden habersiz olarak aynı zamanlarda Marie Curie de toryumun radyoaktif bir element olduğunu ispat etmiştir.

1900’lü yılların başında Yeni Zelandalı Ernest Rutherford ve 1921 yılında Nobel kimya ödülünün sahibi olan İngiliz kimyacı Frederick Soddy, radyoaktif elementleri anlamamızda önemli bir keşif olan toryumun diğer elementlere sabit bir oranda bozunduğunu keşfetti.

Yüksek saflıkta toryum metali üretmek için 1925 yılında bir yöntem, Hollandalı kimyager Anton Eduard van Arkel ve Hollandalı fizikçi ve kimyager olan Jan Hendrik de Boer tarafından uzun araştırmalar neticesinde keşif edildi.

Toryumun Periyodik Tablodaki Yeri

1860’lardan 1870’lere kadar D. I. Mendeleyev, toryum elementinin özelliklerinin araştırılmasıyla ilgilenmeye başladı. D. I. Mendeleyev onu “serit metaller” grubuna, yani toryumun pek çok ortak noktası olan ve doğada onlara eşlik eden nadir toprak elementleriyle aynı gruba yerleştirdi.

Atom numarası 90 olan toryum elementi, 2. Grup 7. Periyod f bloğunda yer almaktadır. Atom numarası 89 olan Aktinitle başlayan ve atom numarası 101 olan Mendelevyum elementi ile sonlanan periyodik cetveldeki Aktinitler serisinde yer almaktadır.

Ancak 1920’lerde fizikçi Moseley’in bir atomun nükleer yükünün atom numarasına bağlanmasına izin veren makalelerinin ve Niels Bohr’un atomun yapısının incelenmesine ilişkin teorik makalelerinin yayınlanmasından sonra, nadir toprak elementleri birbiriyle ilişkiliydi. Toryum elementinin periyodik sistemdeki kesin konumu, daha sonra, lantana benzer şekilde aktinyum (Z = 89) ile başlayan elementler tablosunun sonunda ikinci bir “nadir toprak elementleri” grubu keşfedildiğinde belirlendi.

Periyodik sistemin sonunda böyle bir element grubunun varlığı, atomların yapısı teorisi temelinde 1922 gibi erken bir tarihte Niels Bohr tarafından tahmin edildi.

Toryum Elementinin Fiziksel Özellikleri

Toryum yumuşak gümüşi bir metaldir. Dış formda çeliğe benzerdir ancak sertliği düşüktür ve yaklaşık olarak gümüşün sertliğine eşittir. Fiziksel özelliklerine göre toryum elementi, metalik nükleer yakıt olarak uranyuma tercih edilir. Daha yüksek bir termal iletkenliğe ve daha düşük bir termal genleşme katsayısına sahiptir. Bu faktörlerin her ikisi de toryum yakıt elemanlarında ortaya çıkan termal stresleri azaltır.

Toryum elementi, radyasyon etkisi altında yüksek bir sürünme direncine sahiptir. Bu da toryumun önemli bir avantajıdır. Yüksek sünekliği nedeniyle toryum, malzeme seçiminde teknolojik değere sahiptir ve her türlü mekanik işleme tabi tutulabilir. Toryumun bir dezavantajı ise, metalin eritilmesini ve dökümünü zorlaştıran daha yüksek erime noktasıdır (1695°C). Dökme toryum kaba kristal bir yapıya sahiptir ve soğuk işlemede kolayca çatlar. Sıcak haddelenmiş toryum elementi, ara tavlama olmadan oda sıcaklığında 0-025 mm’ye kadar haddelenebilir.

Toryumun Mekanik Özellikleri

Az miktarda katkı bile toryumun mekanik özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Örnek olarak, iyodür katkılı toryumun sertliği 45 HB’dir, toryum metalin sertliği 70 ila 150 HB arasında değişir. Diğer metallerde olduğu gibi, toryumun sertliği sıcaklıkta artış gösterebilir. Toryum elementi üzerindeki sürünme-kopma mukavemeti testleri yapılmıştır. Sıcaklık artışıyla gerilme mukavemetinin kademeli olarak düştüğü de belirlenmiştir.

Karbon, toryumun mekanik özellikleri üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Metali sertleştirir ve ani gevrekleşmesine neden olur. Karbonlu toryum alaşımları su verme ile önemli ölçüde sertleştirilebilir. Bu alaşımların soğuk işlenmesi de çekme mukavemetinde artışa neden olur.

Toryumdaki oksijen ve nitrojen karışımlarının mekanik özellikleri üzerinde gözle görülür bir etkisi yoktur. Toryum tozundaki oksijen ve nitrojen içeriği, iyodür metalindekinden daha yüksektir. Toryum dioksitin kalsiyum indirgenmesiyle elde edilen tozlardan oluşturulan toryum elementi, elektrolitik tozdan daha fazla oksijen ve azot içerir. Toryumun nispeten yüksek bir sürünme direncine sahiptir. Toryumun darbe dayanımı özellikle karbon içeriğinin artmasıyla azalır.

Toryumun Kimyasal Özellikleri

Toryumun havadaki korozyon direnci oldukça yüksektir. Toryumun yüzeyi çok uzun süre parlak kalır. Nemli bir atmosferde ve normal sıcaklıktaki suda toryum, korozyona dayanıklı bir metal gibi davranır. Bununla birlikte, toryumun korozyon direnci, alüminyum, krom, kurşun, molibden, niyobyum, silikon ve vanadyum gibi metallerle alaşımlandığında azalır.

200°C’de toryumun sudaki korozyon direnci düşer, ancak zirkonyum veya titanyum ile alaşımlandırılarak korozyon direnci bir şekilde iyileştirilebilir. 350°C’nin altında toryumun oksidasyonu son derece önemsizdir ve koruyucu bir film oluşur. Bahsedilen sıcaklığın üzerinde film parçalanır ve oksidasyon bir oranda gerçekleşmeye başlar. 450°C’nin üzerindeki bir sıcaklıkta ve özellikle 1100°C civarındaki bir sıcaklıkta, oldukça kalın bir koruyucu film oluşur. Hidrojen, düşük sıcaklıkta bile toryumun korozyonunda büyük artışa neden olur.

Nükleer Yakıt Olarak Kullanılması

ABD’de toryum kullanan çeşitli nükleer reaktör türleri test edilmiştir; CETR, SGR, HRT, LMFR, SRE. Burada toryum çevrimli bir reaktörde elde edilen elektrik enerjisinin maliyetinin düşük olacağı düşünülmektedir.

CETR atomik güç istasyonu, 500.000 kV’luk bir termal güç için inşa edilmiştir. Bu nedenle toryum oksit tabletleri, bu güç istasyonunun üreme bölgesinde kullanılmaktadır.

SRE reaktörü için bir uranyum-toryum alaşımından yakıt elemanları üretme teknolojisi geliştirilmiştir.

LMFR deneysel reaktöründe, benzer şekilde 500.000 kV gücünde, aktif bölgede erimiş bizmut içinde süspanse edilmiş toryum Th3Bi5’in intermetalik bileşiği kullanılır.

Boraks-IV deneysel reaktöründe toryum dioksit (Th02) seramik tabletleri nükleer yakıt olarak işlev görür. Bu tür tabletler, yüksek radyasyon sıcaklığına ve korozyona karşı dayanıklıdır.

Britanya’da seramik tablet yakıt elemanlı reaktörler kullanılmaktadır. Yüksek ısı giderimi ve düşük nükleer yakıt maliyeti sağladıklarından, gelecekte umut veren malzemeler olduğu düşünülmektedir.

Toryumun Kullanım Alanları

Toryum metali yüksek emisyon özelliklerine sahiptir, bu nedenle artık gaz deşarjlı lambalarda ve diğer bazı lamba türlerinde elektrot malzemesi olarak kullanılmaktadır. Toryum elektrotlu lambalar iyi elektriksel özelliklere ve daha uzun bir ömre sahiptir. Sarf malzemesi olmayan tungsten elektrotlarla ark eritme için, gerilimi azaltan ve arkın yanma stabilitesini artıran toryum dioksit çekirdekleri kullanılır.

Toryum dioksit, nadir metalleri eritmek için yüksek derecede refrakter potaların üretiminde de kullanılır. Toryum metalinin özellikle ısıya dayanıklı bir element olması sebebiyle endüstrinin talep ettiği yüksek sıcaklık dayanımı gerektiren alaşımlarda katkı maddesi olarak değerlendirilebilecek bir element olduğu belirtilmektedir. Küçük toryum ilavelerinin kullanılması demir, nikel, alüminyum-magnezyum ve diğer alaşımların özelliklerini iyileştirir. Büyük miktarda toryum ilavesi ile kırılgan intermetalik bileşikler oluşmaya ve alaşımların özellikleri bozulmaya eğilimlidir.

Son yıllarda İngiltere ve ABD’de magnezyum üretiminde toryum ve nikel alaşımlarının kullanımı, özellikle roket parçalarında ve jet motoru bileşenlerinin dökümü için önemli ölçüde rağbet görmüştür.

%1.5-2.5 toryum ve %0.35-0.8 manganez içeren bir magnezyum alaşımı 370°C’ye kadar yüksek mekanik özellikleri korur ve normal magnezyum alaşımlarına göre korozyona karşı daha dayanıklıdır. Toryum, molibden bazlı alaşımların üretiminde ve demir, nikel ve krom bazlı alaşımlarının üretiminde indirgeyici olarak kullanılır.

Kobalt, nikel ve platin içeren bileşiklerdeki toryum metali, kimya endüstrisinde katalizör olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Toryum dioksit ve diğer bileşikler de bu amaçlar için kullanılır.

Toryum katalizörleri, kömürden sıvı yakıt üretiminde, amonyağın nitrik aside oksidasyonu sürecinde ve organik sentezde (hidrojenasyon ve hidrokarbonların dehidrojenasyonu, izobütil alkol elde edilmesi, alkolden bütadien vb.) kullanılmaktadır.

Toryum ve diğer endüstriyel hammaddelerden toryumun elde edilmesinde yan ürün olarak elde edilen nadir toprak elementleri ve bileşikleri birçok kullanım alanına sahiptir.

Toryum ve nadir toprak elementlerine yönelik artan talep, onları cevherlerden çıkarma teknolojisinin geliştirilmesinde ve bu metallerin üretim ölçeklerinin artırılmasında büyük sorunlar yaratmaktadır.

İkinci Dünya Savaşı’ndan önce toryum metali üretiminin 320 ton/yıl olduğu tahmin edilmiştir. İngiliz verilerine göre, (SSCB hariç) dünyada toryum metali üretimi 1958 yılında 700 ton/yıl, 1960 yılında 1200-14001 ton/yıl olarak tahmin edilmiştir. 1963 yılında toryum metali Amerikan Atom Enerjisi Komisyonu tarafından kg başına 43 dolardan satılmıştır.

Toryumun İzotropik Kompozisyonu ve Radyoaktivitesi

Toryum elementi, toryum serisi olarak adlandırılan üç doğal radyoaktif element ailesinden birinin öncüsüdür. Bu serinin elemanlarının kütle numaraları dört ile kalansız bölünebilir, böylece toryum serisinin herhangi bir elemanının kütle numarası formülü 4n ile ifade edilebilir. Toryum serisinin en önemli üyesi, yarı ömrü T = 6-7 yıl olan radyumun bir izotopu olan mezotoryumdur (MsThl). Endüstride parlak maddelerin aktivasyonu için kullanılır.

Toryum ailesinin bir diğer önemli üyesi, toryumun radyoaktif bozunmasının gaz halindeki bir ürünü olan toron Tn(²²⁰Rn), bir radon izotopudur. Pratikte doğal toryum elementi, yarılanma ömrü T = 1.3 x 10¹⁰ yıl olan bir izotoptan oluşur. Toryumun doğal izotopu olan radyotoryum RaTh(Th288)‘in yarılanma ömrü T = 1-9 yıl olan konsantrasyonu çok küçük ve toplamda sadece %1.37 tutarındadır.