Americium

Americium fällt in geringen Mengen in Kernreaktoren an. Es steht heute in Mengen von wenigen Kilogramm zur Verfügung. Durch die aufwändige Gewinnung aus abgebrannten Brennstäben hat es einen sehr hohen Preis. Seit der Markteinführung 1962 soll der Preis für Americium(IV)-oxid mit dem Isotop ²⁴¹Am bei etwa 1500 US-Dollar pro Gramm liegen.[19] Das Americiumisotop ²⁴³Am entsteht in geringeren Mengen im Reaktor aus ²⁴¹Am und ist deshalb mit 160 US-Dollar pro Milligramm ²⁴³Am[20] noch wesentlich teurer.

Americium wird über das Plutoniumisotop ²³⁹Pu in Kernreaktoren mit hohem ²³⁸U-Anteil zwangsläufig erbrütet, da es aus diesem durch Neutroneneinfang und zwei anschließende β-Zerfälle (über ²³⁹U und ²³⁹Np) entsteht.

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23,5\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2,3565\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }$

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Danach wird, wenn es nicht zur Kernspaltung kommt, aus dem ²³⁹Pu, neben anderen Nukliden, durch stufenweisen Neutroneneinfang (n,γ) und anschließenden β-Zerfall ²⁴¹Am oder ²⁴³Am erbrütet.

${\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow {2(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{241}Pu\ {\xrightarrow[{14,35\ a}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{241}Am} }$

Das Plutonium, welches aus abgebrannten Brennstäben von Leistungsreaktoren gewonnen werden kann, besteht zu etwa 12 % aus dem Isotop ²⁴¹Pu.[19] Deshalb erreichen erst 70 Jahre, nachdem der Brutprozess beendet wurde, die abgebrannten Brennstäbe ihren Maximalgehalt von ²⁴¹Am; danach nimmt der Gehalt wieder (langsamer als der Anstieg) ab.[21]

Aus dem so entstandenen ²⁴¹Am kann durch weiteren Neutroneneinfang im Reaktor ²⁴²Am entstehen. Bei Leichtwasserreaktoren soll aus dem ²⁴¹Am zu 79 % ²⁴²Am und zu 10 % ^242mAm entstehen:[22]

zu 79 %: ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{242}Am} }$

zu 10 %: ${\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ \ \ 95}^{242m}Am} }$

Für die Erbrütung von ²⁴³Am ist ein vierfacher Neutroneneinfang des ²³⁹Pu erforderlich:

${\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow {4(n,\gamma )}}\ _{\ 94}^{243}Pu\ {\xrightarrow[{4,956\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 95}^{243}Am} }$

Metallisches Americium kann durch Reduktion aus seinen Verbindungen erhalten werden. Zuerst wurde Americium(III)-fluorid zur Reduktion verwendet. Dieses wird hierzu in wasser- und sauerstofffreier Umgebung in Reaktionsapparaturen aus Tantal und Wolfram mit elementarem Barium zur Reaktion gebracht.[15][23]

${\displaystyle {\ce {2 AmF3 + 3 Ba -> 2 Am + 3 BaF2}}}$

Auch die Reduktion von Americium(IV)-oxid mittels Lanthan oder Thorium ergibt metallisches Americium.[24]

${\displaystyle {\ce {3 AmO2 + 4 La -> 3 Am + 2 La2O3}}}$

Americium ist ein radioaktives Metall. Frisch hergestelltes Americium ist ein silberweißes Metall, welches jedoch bei Raumtemperatur langsam matt wird. Es ist leicht verformbar. Sein Schmelzpunkt beträgt 1176 °C[24], der Siedepunkt liegt bei 2607 °C. Die Dichte beträgt 13,67 g·cm⁻³[24].[25] Es tritt in zwei Modifikationen auf.

Die bei Standardbedingungen stabile Modifikation α-Am kristallisiert im hexagonalen Kristallsystem in der Raumgruppe P6₃/mmc (Raumgruppen-Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194 mit den Gitterparametern a = 346,8 pm und c = 1124 pm sowie vier Formeleinheiten pro Elementarzelle. Die Kristallstruktur besteht aus einer doppelt-hexagonal dichtesten Kugelpackung (d. h.c.p.) mit der Schichtfolge ABAC und ist damit isotyp zur Struktur von α-La.[25][23]

Bei hohem Druck geht α-Am in β-Am über. Die β-Modifikation kristallisiert im kubischen Kristallsystem in der Raumgruppe Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225 mit dem Gitterparameter a = 489 pm[25][23], was einem kubisch flächenzentrierten Gitter (f.c.c.) beziehungsweise einer kubisch dichtesten Kugelpackung mit der Stapelfolge ABC entspricht.

Die Lösungsenthalpie von Americium-Metall in Salzsäure bei Standardbedingungen beträgt −620,6 ± 1,3 kJ·mol⁻¹. Ausgehend von diesem Wert erfolgte die erstmalige Berechnung der Standardbildungsenthalpie (Δ_fH⁰) von Am³⁺_(aq) auf −621,2 ± 2,0 kJ·mol⁻¹ und des Standardpotentials Am³⁺ / Am⁰ auf −2,08 ± 0,01 V.[26]

Americium ist ein sehr reaktionsfähiges Element, das schon mit Luftsauerstoff reagiert und sich gut in Säuren löst. Gegenüber Alkalien ist es stabil.

Die stabilste Oxidationsstufe für Americium ist +3, die Am(III)-Verbindungen sind gegen Oxidation und Reduktion sehr stabil. Mit dem Americium liegt der erste Vertreter der Actinoiden vor, der in seinem Verhalten eher den Lanthanoiden ähnelt als den d-Block-Elementen.

Es ist auch in den Oxidationsstufen +2 sowie +4, +5, +6 und +7 zu finden. Je nach Oxidationszahl variiert die Farbe von Americium in wässriger Lösung ebenso wie in festen Verbindungen:
Am³⁺ (gelbrosa), Am⁴⁺ (gelbrot), Am^VO₂⁺ (gelb), Am^VIO₂²⁺ (zitronengelb), Am^VIIO₆⁵⁻ (dunkelgrün).

Im Gegensatz zum homologen Europium – Americium hat eine zu Europium analoge Elektronenkonfiguration – kann Am³⁺ in wässriger Lösung nicht zu Am²⁺ reduziert werden.

Verbindungen mit Americium ab Oxidationszahl +4 aufwärts sind starke Oxidationsmittel, vergleichbar dem Permanganat-Ion (MnO₄⁻) in saurer Lösung.[27]

Die in wässriger Lösung nicht beständigen Am⁴⁺-Ionen lassen sich nur noch mit starken Oxidationsmitteln aus Am(III) darstellen. In fester Form sind zwei Verbindungen des Americiums in der Oxidationsstufe +4 bekannt: Americium(IV)-oxid (AmO₂) und Americium(IV)-fluorid (AmF₄).

Der fünfwertige Oxidationszustand wurde beim Americium erstmals 1951 beobachtet.[28] In wässriger Lösung liegen primär AmO₂⁺-Ionen (sauer) oder AmO₃⁻-Ionen (alkalisch) vor, die jedoch instabil sind und einer raschen Disproportionierung unterliegen:[29][30]

${\displaystyle {\ce {3 AmO2^+ + 4 H^+ -> 2 AmO2^2+ + Am^3+ + 2 H2O}}}$

Zunächst ist von einer Disproportionierung zur Oxidationsstufe +6 und +4 auszugehen:

${\displaystyle {\ce {2 Am (V) -> Am (VI) + Am (IV)}}}$

Etwas beständiger als Am(IV) und Am(V) sind die Americium(VI)-Verbindungen. Sie lassen sich aus Am(III) durch Oxidation mit Ammoniumperoxodisulfat in verdünnter Salpetersäure herstellen. Der typische rosafarbene Ton verschwindet in Richtung zu einer starken Gelbfärbung.[31] Zudem kann die Oxidation mit Silber(I)-oxid in Perchlorsäure quantitativ erreicht werden.[32] In Natriumcarbonat- oder Natriumhydrogencarbonat-Lösungen ist eine Oxidation mit Ozon oder Natriumperoxodisulfat gleichfalls möglich.[33]

• 
  Americium(III)
  in 2 M Na₂CO₃-Lösung
• 
  Americium(IV)
  in 2 M Na₂CO₃-Lösung
• 
  Americium(IV) und (VI)
  in 2 M Na₂CO₃-Lösung

Eine biologische Funktion des Americiums ist nicht bekannt.[34] Vorgeschlagen wurde der Einsatz immobilisierter Bakterienzellen zur Entfernung von Americium und anderen Schwermetallen aus Fließgewässern. So können Enterobakterien der Gattung Citrobacter durch die Phosphataseaktivität in ihrer Zellwand bestimmte Americiumnuklide aus wässriger Lösung ausfällen und als Metall-Phosphat-Komplex binden.[35] Ferner wurden die Faktoren untersucht, die die Biosorption und Bioakkumulation des Americiums durch Bakterien[36][37] und Pilze[38] beeinflussen.

Das Isotop ^242m1Am hat mit rund 5700 barn den höchsten bisher (10/2008) gemessenen thermischen Spaltquerschnitt.[39] Damit geht eine kleine kritische Masse einher, weswegen ^242m1Am als Spaltmaterial vorgeschlagen wurde, um beispielsweise Raumschiffe mit Kernenergieantrieb anzutreiben.[40]

Dieses Isotop eignet sich prinzipiell auch zum Bau von Kernwaffen. Die kritische Masse einer reinen ^242m1Am-Kugel beträgt etwa 9–14 kg. Die Unsicherheiten der verfügbaren Wirkungsquerschnitte lassen derzeit keine genauere Aussage zu. Mit Reflektor beträgt die kritische Masse noch etwa 3–5 kg.[41] In wässriger Lösung wird sie nochmals stark herabgesetzt. Auf diese Weise ließen sich sehr kompakte Sprengköpfe bauen. Nach öffentlichem Kenntnisstand wurden bisher keine Kernwaffen aus ^242m1Am gebaut, was mit der geringen Verfügbarkeit und dem hohen Preis begründet werden kann.

Aus denselben Gründen wird ^242m1Am auch nicht als Kernbrennstoff in Kernreaktoren eingesetzt, obwohl es dazu prinzipiell sowohl in thermischen als auch in schnellen Reaktoren geeignet wäre.[42] Auch die beiden anderen häufiger verfügbaren Isotope, ²⁴¹Am und ²⁴³Am können in einem schnellen Reaktor eine Kettenreaktion aufrechterhalten. Die kritischen Massen sind hier jedoch sehr hoch. Sie betragen unreflektiert 57,6–75,6 kg bei ²⁴¹Am und 209 kg bei ²⁴³Am[43], so dass sich durch die Verwendung keine Vorteile gegenüber herkömmlichen Spaltstoffen ergeben.

Entsprechend ist Americium rechtlich nach § 2 Abs. 1 des Atomgesetzes nicht den Kernbrennstoffen zugeordnet. Es existieren jedoch Vorschläge, sehr kompakte Reaktoren mit einem Americium-Inventar von lediglich knapp 20 g zu konstruieren, die in Krankenhäusern als Neutronenquelle für die Neutroneneinfangtherapie verwendet werden können.[44]

Die α-Strahlung des ²⁴¹Am wird in Ionisationsrauchmeldern genutzt.[19] Es wird gegenüber ²²⁶Ra bevorzugt, da es vergleichsweise wenig γ-Strahlung emittiert. Dafür muss aber die Aktivität gegenüber Radium ca. das Fünffache betragen. Die Zerfallsreihe von ²⁴¹Am „endet“ für den Verwendungszeitraum quasi direkt nach dessen α-Zerfall bei ²³⁷Np, das eine Halbwertszeit von rund 2,144 Millionen Jahren besitzt.

²⁴¹Am wird wegen besserer Verfügbarkeit von der ESA zur Befüllung von Radionuklidbatterien (RTG) von Raumsonden untersucht. Die ESA-Mitgliedsstaaten verfügen über keinen Brutreaktor, der das bisher häufig eingesetzte ²³⁸Pu in den notwendigen Mengen produzieren könnte, somit ist man bisher für Missionen jenseits der Jupiterumlaufbahn auf eine Zusammenarbeit mit der NASA angewiesen. ²⁴¹Am lässt sich hingegen deutlich preiswerter aus leicht verfügbaren abgebrannten Kernbrennstäben oder dem sogenannten Atommüll in ausreichenden Mengen isolieren. Der Leistungsabfall über eine Missionsdauer von 15 bis 20 Jahren ist mit 3,2 % deutlich geringer als bei Einheiten auf Basis von ²³⁸Pu mit 15 %.[46] Die ESA plant, ab Mitte der 2020er Radionuklidbatterien in Missionsstudien zu berücksichtigen.[47] Die Zerfallsprodukte eines solchen RTG sind in erster Linie die sehr langlebigen Alphastrahler ²³⁷Np und ²³³U. Ein RTG aus ²⁴¹Am benötigt allerdings die vierfache Masse als ein RTG mit vergleichbarer anfänglicher Leistung aus ²³⁸Pu. Besondere Vorteile hätte ein solcher RTG für sehr langlebige Missionen.

²⁴¹Am als Oxid mit Beryllium verpresst stellt eine Neutronenquelle dar, die beispielsweise für radiochemische Untersuchungen eingesetzt wird.[2] Hierzu wird der hohe Wirkungsquerschnitt des Berylliums für (α,n)-Kernreaktionen ausgenutzt, wobei das Americium als Produzent der α-Teilchen dient. Die entsprechenden Reaktionsgleichungen lauten:

${\displaystyle \mathrm {^{241\!\,}_{\ 95}Am\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{237}Np\ +\ _{2}^{4}He\ +\ \gamma } }$

${\displaystyle \mathrm {^{9}_{4}Be\ +\ _{2}^{4}He\ \longrightarrow \ _{\ 6}^{12}C\ +\ _{0}^{1}n\ +\ \gamma } }$

Derartige Neutronenquellen kommen beispielsweise in der Neutronenradiographie und -tomographie zum Einsatz.

Americium 241 im Bürstenkopf

Neben dem häufig verwendeten ²¹⁰Po als Ionisator zur Beseitigung von unerwünschter elektrostatischer Aufladung kam auch ²⁴¹Am zum Einsatz. Dazu wurde z. B. die Quelle am Kopf einer Bürste montiert mit der man langsam über die zu behandelnden Oberflächen strich und dadurch eine Wiederverschmutzung durch elektrostatisch angezogene Staubpartikel vermeiden konnte.

Americium ist Ausgangsmaterial zur Erzeugung höherer Transurane und auch der Transactinoide. Aus ²⁴²Am entsteht zu 82,7 % Curium (²⁴²Cm) und zu 17,3 % Plutonium (²⁴²Pu). Im Kernreaktor wird zwangsläufig in geringen Mengen durch Neutroneneinfang aus ²⁴³Am das ²⁴⁴Am erbrütet, das durch β-Zerfall zum Curiumisotop ²⁴⁴Cm zerfällt.

${\displaystyle \mathrm {^{243}_{\ 95}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{\ 95}^{244}Am\ {\xrightarrow[{10,1\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 96}^{244}Cm} }$

In Teilchenbeschleunigern führt zum Beispiel der Beschuss von ²⁴¹Am mit Kohlenstoffkernen (¹²C) beziehungsweise Neonkernen (²²Ne) zu den Elementen Einsteinium ²⁴⁷Es beziehungsweise Dubnium ²⁶⁰Db.[2]

Mit seiner intensiven Gammastrahlungs-Spektrallinie bei 60 keV eignet sich ²⁴¹Am gut als Strahlenquelle für die Röntgen-Fluoreszenzspektroskopie. Dies wird auch zur Kalibrierung von Gammaspektrometern im niederenergetischen Bereich verwendet, da die benachbarten Linien vergleichsweise schwach sind und so ein einzeln stehender Peak entsteht. Zudem wird der Peak nur vernachlässigbar durch das Compton-Kontinuum höherenergetischer Linien gestört, da diese ebenfalls höchstens mit einer um mindestens drei Größenordnungen geringeren Intensität auftreten.[48]

Von Americium existieren Oxide der Oxidationsstufen +3 (Am₂O₃) und +4 (AmO₂).

Americium(III)-oxid (Am₂O₃) ist ein rotbrauner Feststoff und hat einen Schmelzpunkt von 2205 °C.[53]

Americium(IV)-oxid (AmO₂) ist die wichtigste Verbindung dieses Elements. Nahezu alle Anwendungen dieses Elements basieren auf dieser Verbindung. Sie entsteht unter anderem implizit in Kernreaktoren beim Bestrahlen von Urandioxid (UO₂) bzw. Plutoniumdioxid (PuO₂) mit Neutronen. Es ist ein schwarzer Feststoff und kristallisiert – wie die anderen Actinoiden(IV)-oxide – im kubischen Kristallsystem in der Fluorit-Struktur.

Halogenide sind für die Oxidationsstufen +2, +3 und +4 bekannt.[54] Die stabilste Stufe +3 ist für sämtliche Verbindungen von Fluor bis Iod bekannt und in wässriger Lösung stabil.[55]

Americium(III)-fluorid (AmF₃) ist schwerlöslich und kann durch die Umsetzung einer wässrigen Americiumlösung mit Fluoridsalzen im schwach Sauren durch Fällung hergestellt werden:

${\displaystyle \mathrm {Am^{3+}\ _{(aq)}+\ 3\ F^{-}\ _{(aq)}\longrightarrow \ AmF_{3}\ _{(s)}\downarrow } }$

Das tetravalente Americium(IV)-fluorid (AmF₄) ist durch die Umsetzung von Americium(III)-fluorid mit molekularem Fluor zugänglich:[56]

${\displaystyle \mathrm {2\ AmF_{3}\ +\ F_{2}\ \longrightarrow \ 2\ AmF_{4}} }$

In der wässrigen Phase wurde das vierwertige Americium auch beobachtet.[57]

Americium(III)-chlorid (AmCl₃) bildet rosafarbene hexagonale Kristalle. Seine Kristallstruktur ist isotyp mit Uran(III)-chlorid. Der Schmelzpunkt der Verbindung liegt bei 715 °C.[54] Das Hexahydrat (AmCl₃·6 H₂O) weist eine monokline Kristallstruktur auf.[58]

Durch Reduktion mit Na-Amalgam aus Am(III)-Verbindungen sind Am(II)-Salze zugänglich: die schwarzen Halogenide AmCl₂, AmBr₂ und AmI₂. Sie sind sehr sauerstoffempfindlich, und oxidieren in Wasser unter Freisetzung von Wasserstoff zu Am(III)-Verbindungen.

Von den Chalkogeniden sind bekannt: das Sulfid (AmS₂)[59], zwei Selenide (AmSe₂ und Am₃Se₄)[59][60] und zwei Telluride (Am₂Te₃ und AmTe₂).[61]

Die Pentelide des Americiums (²⁴³Am) des Typs AmX sind für die Elemente Phosphor, Arsen,[62] Antimon und Bismut dargestellt worden. Sie kristallisieren im NaCl-Gitter.[60]

Americiummonosilicid (AmSi) und Americium„disilicid“ (AmSi_x mit: 1,87 < x < 2,0) wurden durch Reduktion von Americium(III)-fluorid mit elementaren Silicium im Vakuum bei 1050 °C (AmSi) und 1150–1200 °C (AmSi_x) dargestellt. AmSi ist eine schwarze Masse, isomorph mit LaSi. AmSi_x ist eine hellsilbrige Verbindung mit einem tetragonalen Kristallgitter.[63]

Boride der Zusammensetzungen AmB₄ und AmB₆ sind gleichfalls bekannt.[64]

Analog zu Uranocen, einer Organometallverbindung in der Uran von zwei Cyclooctatetraen-Liganden komplexiert ist, wurden die entsprechenden Komplexe von Thorium, Protactinium, Neptunium, Plutonium und auch des Americiums, (η⁸-C₈H₈)₂Am, dargestellt.[65]