Torio

Torio
90 Th                                                                                                                                                                                                                                               attinio ← torio → protoattinio
Linea spettrale Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	torio, Th, 90
Serie	attinidi
Gruppo, periodo, blocco	—, 7, f
Densità	11724 kg/m³
Durezza	3,0
Configurazione elettronica	Configurazione elettronica
Termine spettroscopico	3F2
Proprietà atomiche
Peso atomico	232,0381 u
Raggio atomico (calc.)	179 pm
Raggio covalente	206 ± 6 pm
Configurazione elettronica	[Rn]6d27s2
e− per livello energetico	2, 8, 18, 32, 18, 10, 2
Stati di ossidazione	4 (debolmente basico)
Struttura cristallina	cubica a facce centrate
Proprietà fisiche
Stato della materia	solido
Punto di fusione	2 115 K (1 842 °C)
Punto di ebollizione	5 061 K (4 788 °C)
Volume molare	1,98×10−5 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	514 kJ/mol
Calore di fusione	13,81 kJ/mol
Velocità del suono	2490 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS	7440-29-1
Elettronegatività	1,3 (scala di Pauling)
Calore specifico	120 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica	6,53×106/m·Ω
Conducibilità termica	54 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	587 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione	1 110 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione	1 930 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione	2 780 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP 226Th sintetico 30,6 mesi α 222Ra 227Th sintetico 18,72 giorni α 223Ra 228Th sintetico 1,9116 anni α 5,520 224Ra 229Th sintetico 7340 anni α 5,168 225Ra 230Th sintetico 75380 anni α 4,770 226Ra 231Th sintetico 25,5 ore β− 0,39 231Pa 232Th 100% 1,405×1010 anni α 4,083 228Ra 233Th sintetico 21,83 minuti β− 233Pa 234Th sintetico 24,1 giorni β− 0,27 234Pa
iso: isotopo NA: abbondanza in natura TD: tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento

Il torio è l'elemento chimico di numero atomico 90 e il suo simbolo è Th. È un metallo attinoide radioattivo ed è uno degli unici due significativi elementi che si trovano ancora radioattivi naturalmente in grandi quantità come elemento primordiale (l'altro è l'uranio). Il torio è stato scoperto nel 1829 dal sacerdote e mineralogista amatoriale norvegese Morten Thrane Esmark e in seguito identificato dal chimico svedese Jöns Jacob Berzelius, che gli diede il nome di Thor, il dio norvegese del tuono.

Un atomo di torio possiede 90 protoni e quindi 90 elettroni, di cui quattro elettroni di valenza. È di colore argenteo e diventa nero se esposto all'aria, formando il diossido di torio. Il torio è debolmente radioattivo: tutti i suoi isotopi noti sono instabili. Il torio-232 (²³²Th), possiede 142 neutroni ed è l'isotopo più stabile di torio rappresentando quasi tutto il torio naturale. Il torio ha la più lunga emivita rispetto a tutti gli elementi significativamente radioattivi: 14.05 miliardi di anni; decade molto lentamente attraverso un decadimento alfa diventando radio-228 (²²⁸Ra) e terminando con il piombo-208 (²⁰⁸Pb) stabile. Si stima che il torio sia di circa tre o quattro volte più abbondante dell'uranio nella crosta terrestre ed è principalmente raffinato dalle sabbie di monazite come un sottoprodotto di estrazione di metalli delle terre rare.

In passato, il torio veniva comunemente utilizzato come fonte di luce nelle reticelle Auer e come materiale per le leghe metalliche, tuttavia queste applicazioni diminuirono a causa delle preoccupazioni circa la sua radioattività. È comunque ancora ampiamente usato come elemento di lega per la realizzazione di elettrodi per la saldatura TIG (ad un tasso del 1-2% con il tungsteno). Rimane popolare anche come materiale per l'ottica di fascia alta e per la strumentazione scientifica; il torio e l'uranio sono gli unici elementi significativamente radioattivi, le cui principali applicazioni commerciali non si basano sulla loro radioattività. Si prevede che il torio possa essere in grado di sostituire l'uranio come combustibile nucleare nei reattori, ma solo pochi reattori al torio sono stati realizzati.

Caratteristiche

Il torio è un metallo reperibile in natura, debolmente radioattivo. In natura si trova solo come torio-232, il suo isotopo più stabile, che decade con emissione α. Se puro e in forma metallica, è di colore bianco argenteo che si mantiene lucido per molti mesi; però se viene contaminato con il suo ossido si annerisce lentamente all'aria diventando prima grigio e poi nero. L'ossido di torio (ThO₂), detto anche toria, ha uno dei più alti punti di fusione di tutti gli ossidi (3300 °C). Quando vengono scaldati all'aria, i trucioli metallici di torio prendono fuoco e bruciano con una brillante luce bianca.

Applicazioni

Applicazioni del torio:

• Reticelle per lanterne a gas portatili. Queste reticelle rilucono di una luce bianca abbagliante quando vengono scaldate nella fiamma del gas.
• In leghe di magnesio, cui conferiscono grande durezza e resistenza alla fatica ad alte temperature.
• Il torio è usato per rivestire i fili di tungsteno nel catodo a riscaldamento diretto delle valvole grazie alla sua grande emissione elettronica, è usato ancor oggi nei tubi a riscaldamento diretto quali quelli dei trasmettitori TV di potenza.
• Il torio è stato usato in elettrodi per saldatura e ceramiche resistenti al calore.
• Il suo ossido è usato per controllare la dimensione della grana del tungsteno usato nei filamenti delle lampade a incandescenza.
• Il suo ossido è usato per crogioli da laboratorio per alte temperature.
• L'ossido di torio aggiunto al vetro permette di creare vetri con alto indice di rifrazione e dispersione molto bassa. Perciò trova applicazione in lenti di alta qualità per macchine fotografiche e strumenti scientifici.
• L'ossido di torio è stato usato come catalizzatore per:
  • la conversione di ammoniaca in acido nitrico.
  • Nel cracking del petrolio.
  • Nella produzione di acido solforico.
• Il rapporto uranio-torio è stato usato per datare fossili di ominidi.
• Come materiale fertile per produrre combustibile nucleare. In particolare il progetto proposto di reattore ad amplificazione di energia dovrebbe impiegare torio. Poiché il torio è più abbondante dell'uranio, i progetti delle cupole dei reattori nucleari incorporano il torio nel loro ciclo del combustibile nucleare.
• Il diossido di torio (ThO₂) era l'ingrediente attivo del torotrasto, che era usato nella diagnostica medica a raggi X: questo uso è però stato abbandonato per via della carcinogenicità di tale composto.
• Centrali nucleari di nuova generazione: produce scorie che durano solo poche decine di anni.

Storia

Il torio fu identificato nel 1815 dal chimico svedese Jöns Jakob Berzelius, che durante le sue successive indagini (1828) lo battezzò così in onore di Thor, il dio norreno del tuono. Il torio metallico non aveva praticamente nessun uso pratico prima dell'invenzione della reticella per lanterne nel 1885. Il nome Ionio fu usato per un isotopo del torio nei primi studi sulla radioattività.

Disponibilità

Il torio si trova in piccole quantità nella maggior parte delle rocce e dei suoli, dove è circa dieci volte più abbondante dell'uranio ed è circa comune quanto il piombo. Il terreno contiene di solito una media di sei ppm di torio; tale elemento si rinviene anche in molti minerali di cui il più comune è la monazite, formata da fosfato di torio e terre rare, che contiene fino al 12% di ossido di torio e di cui esistono depositi consistenti in vari paesi. L'isotopo torio-232 decade molto lentamente (la sua emivita è circa tre volte l'età attuale della Terra), ma la maggior parte degli altri isotopi di torio fanno parte della catena di decadimento del torio e dell'uranio e sono molto più radioattivi: tuttavia la loro frazione rispetto all'isotopo "stabile" è trascurabile.

Le riserve mondiali accertate al 2007 ad un costo estrattivo inferiore ai 80 $/kg ammontano a circa 2,6 milioni di tonnellate. Le principali riserve sono situate in Australia, Stati Uniti d'America, Turchia, India, Venezuela e Brasile; questi paesi hanno ognuno fra il 12 ed il 19% delle riserve mondiali.

Giacimenti in Italia

In Italia il torio è presente in discrete quantità, soprattutto nel Lazio settentrionale, Mont Mort (che si trova sopra al tunnel del Gran San Bernardo al confine tra Svizzera e Valle d'Aosta, a 2867 metri), Etna. Non è conosciuta l'entità di tali riserve. Carlo Rubbia parla di giacimenti anche in Umbria ed Abruzzo.

Il torio come combustibile nucleare

Radiotossicità (in sievert per gigawatt termico all'anno) del combustibile esausto scaricato dai reattori per diversi cicli del combustibile, in funzione del tempo. Il torio determina scorie radioattive a vita più breve e meno radiotossiche.

Il torio, come l'uranio, può essere usato come combustibile in un reattore nucleare: anche se di per sé non è fissile, il torio-232 (²³²Th) assorbe neutroni termici trasmutandosi in uranio-233 (²³³U), che invece lo è. Perciò il torio viene considerato fertile, come l'uranio-238 (²³⁸U).

L'uranio-233 è migliore dell'uranio-235 e del plutonio-239 per via della sua maggiore resa in termini di assorbimento dei neutroni, che consente di realizzare un ciclo di alimentazione a partire da altri materiali fissili (uranio-235 e plutonio-239) simile ma più efficiente di quello basato sull'uranio-238 e sul plutonio nei reattori termici. ²³²Th assorbe un neutrone trasformandosi in ²³³Th che successivamente decade in ²³³Pa e quindi in ²³³U. Il combustibile così irraggiato viene quindi scaricato dal reattore, ²³³U separato dal torio e usato per alimentare un altro reattore come parte di un ciclo chiuso.

Tra i problemi connessi a questo utilizzo rientrano gli elevati costi di produzione del combustibile, legati all'alta radioattività dell'uranio-233, che è sempre contaminato da tracce di uranio-232; anche il riciclo del torio presenta problemi simili dovuti all'altamente radioattivo ²²⁸Th; ²³³U può inoltre essere impiegato per la produzione di ordigni nucleari e pone alcuni problemi tecnici per il suo riciclo. Tali difficoltà rendono per ora l'uso del torio come combustibile nucleare ancora improbabile, data l'abbondante disponibilità di uranio.

Nondimeno, il ciclo combustibile del torio può essere potenzialmente utile sul lungo periodo, data la sua possibilità di produrre combustibile senza dover ricorrere a reattori a neutroni veloci. Il torio è significativamente più abbondante dell'uranio, risultando quindi un fattore chiave per la sostenibilità dell'energia nucleare. L'India possiede ingenti riserve di torio ed ha quindi pianificato un ambizioso programma nucleare che ambisce ad escludere l'uranio come materia prima.

Il vantaggio più evidente è tuttavia quello riguardante le scorie: il "combustibile" esausto scaricato da un reattore autofertilizzante al torio ha una radiotossicità estremamente più bassa (di svariati ordini di grandezza) rispetto a qualunque reattore all'uranio-plutonio: dopo meno di un secolo è infatti inferiore a quella dell'uranio naturale ed addirittura, nei reattori termici al torio è fin dall'inizio inferiore. Si ritiene pertanto che le scorie andrebbero confinate solamente per circa 300 anni (meno di quanto non serva per molti prodotti dell'industria chimica). A titolo di confronto il "combustibile" esausto di un reattore all'uranio di 3ª generazione, per ridurre la propria radiotossicità a livelli inferiori a quelli dell'uranio naturale di partenza, impiega circa un milione di anni, mentre il combustibile di un reattore autofertilizzante all'uranio-plutonio impiega decine di migliaia di anni.

Isotopi

In natura il torio si presenta con un unico isotopo, ²³²Th, che è il più stabile dei 25 isotopi conosciuti, la cui massa atomica è compresa tra 212 e 236 u.

²³²Th ha un'emivita di oltre 14 miliardi di anni, seguono in ordine di stabilità decrescente ²³⁰Th (75 380 anni), ²²⁹Th (7 340 anni) e ²²⁸Th (1,92 anni). Tutti gli altri rimanenti isotopi hanno emivite comprese tra i 30 mesi e 25 ore. Del torio è noto anche un metastato.

Precauzioni

Il torio metallico polverizzato si incendia molto facilmente e deve essere maneggiato con cautela. La disintegrazione di isotopi instabili del torio produce un isotopo del radon (²²⁰Rn): il gas Radon è radioattivo e pericoloso per la salute. Perciò è fondamentale che i locali in cui è immagazzinato del torio siano ben ventilati.

L'esposizione al torio in aria può portare ad un aumento del rischio di cancro ai polmoni, al pancreas, ai reni e al sangue. L'ingestione di torio provoca danni al fegato. Il torio non ha ruoli biologici noti. Vedi anche torotrasto.

Bibliografia

• Francesco Borgese, Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico, Roma, CISU, 1993, ISBN 88-7975-077-1.
• R. Barbucci, A. Sabatini e P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998 (archiviato dall'url originale il 22 ottobre 2010).

Voci correlate

• CANDU
• Reattore nucleare ad acqua pesante
• Thor

Altri progetti

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• Wikizionario
• Wikimedia Commons

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Collegamenti esterni

• torio, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
• (EN) Lester Morss, thorium, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN) Nuclear Power Reactors in the World, 2012 edition (PDF), su www-pub.iaea.org, IAEA.
• Le Guide Sostenibili: ‘Le Centrali Nucleari al Torio: un'alternativa possibile?', su ilsostenibile.it (archiviato dall'url originale il 2 aprile 2011).
• (EN) Thorium, su periodic.lanl.gov, Los Alamos National Laboratory.
• (EN) Thorium, su WebElements.com.
• (EN) Thorium, su EnvironmentalChemistry.com.
• (EN) ATSDR ToxFAQs: Thorium, su atsdr.cdc.gov. URL consultato il 12 maggio 2005 (archiviato dall'url originale il 5 settembre 2014).
• (EN) The Uranium Information Centre, su uic.com.au. URL consultato il 12 maggio 2005 (archiviato dall'url originale il 13 agosto 2002).
• (EN) Potential of thorium-based fuel cycles to constrain plutonium and to reduce the long-lived waste toxicity (PDF), su iaea.org, IAEA-TECDOC—1349), 2003.
• Giovanni Valentini, Rubbia: "Né petrolio né carbone soltanto il sole può darci energia", in La Repubblica, 30 marzo 2008. URL consultato il 31 marzo 2011.
• Carlo Rubbia Centrale nucleare al torio, su YouTube.