钍(thorium)

元素周期表第7周期ⅢB族元素。一种天然放射性元素，为锕系元素的第二个成员。元素符号Th，原子序数90，相对原子质量232.0381。块状金属呈银白色，但长期暴露于大气中会丧失光泽。

1828年瑞典化学家贝采利乌斯(J．J．Berzelius)从挪威产钍石(ThO₂•SiO₂)中发现钍，用钾还原钍盐获得不纯的金属钍，并以斯堪地纳维亚传说中的战神Thor命名为Thorium。1884年德国韦尔斯巴赫(A．V．Welsbach)在煤气白炽灯罩中使用钍盐，而促进钍工业的发展。1898年居里夫人(M．Curie)和施密特(G．C．Schmidt)发现钍的放射性，但到此时对钍的需要量仍一直不大。1940年后发现钍在中子轰击下能生成可裂变的²³³U，导致加强对钍的研究。中国于1957年用熔盐电解法制得金属钍，1973年用钙热法还原ThF₄制得公斤级核纯金属钍。

性质     钍原子的外电子层构型为[Rn]6d²7s²，钍的原子半径为179.8pm，泡令(Pauling)测定的电负性为1.3。

核性质      天然钍的同位素组成几乎全部是；²³²₉₀Th。²³²₉₀Th为钍(4n)衰变系的始祖元素(表1)，天然钍中所含衰变产物只占钍的1.37×10^-8％。

由于铀(²³⁸₉₂U)和铀-锕系(²³⁵₉₂U)的衰变，钍有6个天然放射性同位素：²³²TH、²³⁸H(RaTh)、²³⁴Th(UX₁)、²³¹TH(UY)、²³⁷TH(RaAc)、²³⁰TH(IO)。通过核反应可获得17个钍的人工放射性同位素，其质量数分别为236，235，233，229，226，225，224，223，222，221，220，218，217，216，215，214，213。

²³²₉₀Th的中子吸收截面为7.46。²³²₉₀Th在中子作用下会俘获中子，生成²³²₉₀Th。²³²₉₀Th经两次β衰变生成²³²₉₀Th，其核反应为：

²³²₉₀Th为可裂变元素，可用作核燃料。

物理性质    α钍为面心立方体结构(a=508.42pm)，β钍为体心立方结构(a=411pm)。钍是一种柔软的金属，其重要的物理性质列于表2。

化学性质      银白色的块状金属钍在大气中会逐渐变黑，为一层黑色保护膜所覆盖。钍有Th²⁺(如ThO、ThH₂)、Th³⁺(如Thl₃)及Th⁴⁺(如ThO₂、ThF₄、ThCl₄等以及ThF₇^-3、Th⁴⁺盐、配合物)3种价态。在酸性溶液中，Th⁴⁺被还原成金属钍的标准还原电位(E^θ)为-1.83V。钍会和氢作用生成固溶体及氢化物。钍中的氢在973～1073K温度的真空下能全部除去。钍和氮在1073K温度下会生成氮化物。钍和碳能生成Thc和ThC2。钍和硫作用生成ThS、Th₂S₃、Th₇S₁₂和ThS₂。钍和卤素能生成ThX₄型卤化物。

致密钍和室温的水作用很慢；在沸腾水中表面会生成一层保护膜；在643K水蒸气中腐蚀得很快，生成ThO₂，放出氢。

钍于冷态的硝酸、硫酸及氢氟酸中被腐蚀得很慢。钍易溶于盐酸及王水中。钍和碱溶液反应缓慢。

化合物     钍离子Th⁴⁺的化学性质与锆，特别是与铈(Ⅳ)离子相似。Th⁴⁺在水溶液中的配位数为6或8。Th⁴⁺能和氢氟酸、硝酸、盐酸、硫酸、亚硫酸、碳酸、草酸和柠檬酸等阴离子形成配位化合物。Th⁴⁺和一些有机化合物，如乙酰、丙酮型的二元酮形成螯形配位化合物。钍的单盐，如氯化钍、亚硝酸钍等能和相应的碱金属盐生成复盐。一些重要钍化合物的性质和用途列于表3。

用途     1884年首先在煤气灯中使用含氧化钍及1％氧化铈的白炽灯罩，这种白炽灯罩使煤气灯的亮度增加，所以在1925年发明电灯前，氧化钍的产量持续上升。

在镁中加入百分之几的钍，可得到高温性质优良的低比重合金。钍还可和多种金属形成具有各种用途的合金。金属钍用于制造高压水银弧光灯的放电管、X光管的对阴极及紫外线光谱测定用的光电管。钍的一些化合物是化学工业重要的催化剂。

钍与中子反应生成可裂变的²³³₉₂U。用²³³₉₂U作核燃料可节约天然铀和省去铀同位素分离所需的能耗，可在重水堆、高温气冷转换堆及快中子增殖堆中用作增殖材料。

矿物原料      钍的地壳丰度为8.1×10^-4％，含钍矿物有一百多种。钍常和铀、稀土元素共生。根据钍的赋存形式，可将含钍矿物分成三种主要类型。(1)氧化物型：主要有方钍石，其化学组成为ThO₂•UO₂，含ThO₂58.4％～93％。(2)硅酸盐型：主要有钍石，其化学组成为ThSiO₄，含ThO₂25％～63％。(3)磷酸盐型：主要有独居石，其化学组成为(Ce，La，Th，U)PO₄，含ThO₂4％～12％。方钍石、钍石在地壳中的储量都较少，独居石是钍的主要原料。在处理一些含钍稀土矿及含钍铀矿提取其中的主金属时，也可同时回收钍。根据国际原子能机构1986年的统计，按开采lkg钍成本在75美元以下的钍资源的钍储量为67．5万t。钍的主要生产国有巴西、印度和美国等。

提取冶金      主要涉及钍提取、金属钍生产、钍熔铸和钍粉末冶金环节。工业上用于生产钍的原料为独居石。由独居石精矿提取钍一般要经过酸法或碱法分解、转化，再经分离、富集获得钍浓缩物，然后用溶剂草取或选择性沉淀(见沉淀)等提纯方法制得纯钍化合物等过程。金属钍生产是用金属热还原法将纯氧化钍还原成金属钍、或将氟化钍进行熔盐电解制取金属钍。用金属热还原法或熔盐电解法制得的金属钍还含一定数量的杂质，可经碘化物热离解法提纯成高纯金属钍。钍熔铸和钍粉末冶金是将金属热还原法或熔盐电解法制得粉状、粒状或海绵状的金属钍制成致密状金属钍。钍锭可通过轧制、拉拔、模锻、切削等加工成材。

钍的同位素及其子体是些具有放射性和化学毒性的物质，因此在钍的生产过程中必须高度重视钍生产中的安全防护。