Neptun (łac. neptunium, symbol Np) – pierwiastek chemiczny z grupy aktynowców o liczbie atomowej 93. Jest radioaktywnym pierwiastkiem metalicznym, pierwszym przedstawicielem transuranowców. Jego najtrwalszym izotopem jest ²³⁷Np o czasie połowicznego rozpadu ok. 2 mln lat, powstający w kilogramowych ilościach jako produkt uboczny pracy reaktorów jądrowych^[3], np. podczas produkcji plutonu. Bardzo małe ilości tego pierwiastka można znaleźć w rudach uranowych^[4].

Historia

W układzie okresowym pierwiastków opublikowanym w 1869 przez Dmitrija Mendelejewa brakowało grupy aktynowców. Najcięższym znanym pierwiastkiem był uran, umieszczony błędnie w VI grupie. Wraz z poznawaniem kolejnych pierwiastków wypełniających puste miejsca w układzie okresowym spodziewano się odkrycia pierwiastka cięższego od uranu. Przewidywania jego właściwości chemicznych były oparte na częściowo błędnym układzie okresowym, w którym tor był umieszczony poniżej hafnu, protaktyn poniżej tantalu, a uran poniżej wolframu. Pierwiastek o numerze 93, nazywany wstępnie eka-renem, powinien znajdować się w grupie manganowców i mieć właściwości chemiczne zbliżone do manganu lub renu. Z tego powodu próby wyizolowania pierwiastka 93 z minerałów były skazane na niepowodzenie, chociaż później w 1952 roku neptun został wykryty w śladowych ilościach w rudach uranu^[5].

W roku 1934 Enrico Fermi ogłosił, że w wyniku bombardowania uranu neutronami i późniejszych rozpadów beta udało mu się otrzymać pierwiastek 93^[6]. W tym samym roku ukazała się praca Idy Noddack, w której zakwestionowała ona wyniki Fermiego z powodu nieuwzględnienia możliwości istnienia w próbce pierwiastków lżejszych od uranu, jednocześnie sugerując, że jądra atomowe mogą być rozbijane na kilka części^[7], co historycznie miało większe znaczenie niż sam fakt obalenia odkrycia. Fakt rozpadu ciężkich jąder po przyłączeniu neutronu został potwierdzony w roku 1939 przez Lise Meitner^[8].

Neptun został otrzymany ostatecznie przez Edwina McMillana i Philipa Abelsona w roku 1940^[9] w amerykańskim Lawrence Berkeley National Laboratory na University of California w Berkeley. Zespół wyprodukował izotop neptunu ²³⁹Np o T_1/2 = 2,35 dnia poprzez bombardowanie uranu za pomocą powolnych neutronów:

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2,355\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }$

Jest to pierwszy otrzymany sztucznie transuranowiec, czyli pierwiastek cięższy od uranu. W układzie okresowym znajduje się bezpośrednio za uranem, co zainspirowało odkrywców do nazwania go „neptun”, przez analogię do Układu Słonecznego, gdzie planeta Neptun jest kolejną planetą po Uranie.

W roku 1942 Arthur Wahl i Glenn Seaborg otrzymali wspólnie ²³⁷Np, który jest najtrwalszym izotopem neptunu, o okresie półtrwania T_1/2 = 2,144 mln lat.

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ {\xrightarrow[{}]{(n,\ 2n)}}\ _{\ 92}^{237}U\ {\xrightarrow[{7\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{237}Np\ {\xrightarrow[{2,144\ x\ 10^{6}\ a}]{\alpha }}\ _{\ 91}^{233}Pa} }$

W roku 1950 poprzez bombardowanie deuteronami izotopów ²³³U, ²³⁵U i ²³⁸U otrzymano izotopy neptunu ²³¹Np, ²³²Np i ²³³Np. Kolejne izotopy, ²³⁴Np, ²³⁵Np i ²³⁶Np, uzyskano w roku 1958 w wyniku bombardowania deuteronami wysoko wzbogaconego ²³⁵U.

Izotopy

 Osobny artykuł: Lista izotopów neptunu.

Wszystkie 22 znane izotopy neptunu są promieniotwórcze^[10]. Spośród nich za stosunkowo stabilne uważa się trzy:

• ²³⁵Np, T_1/2 = 396,1 dnia. W 99,99740% przypadków przekształca się w ²³⁵U poprzez wychwyt elektronu, a w 0,00260% przypadków ulega rozpadowi alfa do protaktynu ²³¹Pa.
• ²³⁶Np, T_1/2 = 1,54×10⁵ lat. W 87,3% przypadków przekształca się w uran ²³⁶U przez wychwyt elektronu, w 12,5% przypadków ulega rozpadowi beta do plutonu ²³⁶Pu, a w 0,16% przypadków w wyniku rozpadu alfa powstaje z niego protaktyn ²³²Pa.
• ²³⁷Np, T_1/2 = 2,144×10⁶ lat. W wyniku rozpadu alfa powstaje z niego protaktyn ²³³Pa. Daje początek szeregowi neptunowemu rozpadów promieniotwórczych pierwiastków.

Występowanie w przyrodzie

Najtrwalszym izotopem neptunu jest ²³⁷Np o okresie półtrwania T_1/2 = 2,144 mln lat, co jest czasem bardzo krótkim w stosunku do wieku Ziemi wynoszącego ok. 4,5 mld lat. Z tej przyczyny pierwotny neptun z okresu powstawania Ziemi uległ praktycznie całkowitemu rozpadowi i nie występuje obecnie w skorupie ziemskiej. Śladowe ilości neptunu ²³⁷Np i ²³⁹Np są znajdowane w przyrodzie jako produkty rozpadu pochodzące z reakcji jądrowych zachodzących w rudach uranu, np. w wyniku bombardowania ²³⁸U neutronami powstałymi przy spontanicznym rozszczepieniu ²³⁵U^[11]. Maksymalny stosunek ²³⁷Np do uranu w jego rudach osiąga około 10⁻¹²:1. Podstawowym źródłem neptunu (podobnie jak innych transuranowców) w biosferze są wybuchy jądrowe w atmosferze. ²³⁹Np został wykryty w glebie w pobliżu miejsc testów broni jądrowej oraz w ściekach i osadach z elektrowni atomowych. Na podstawie analizy wyników dotyczących globalnego opadu promieniotwórczego oszacowano, że zostało wytworzone 2500 kg ²³⁷Np, co jest porównywalne do masy wytworzonego tą samą drogą plutonu, tj. 4200 kg ²³⁹Pu i 700 kg ²⁴⁰Pu^[10]. Zawartość ²³⁷Np na Ziemi wzrasta, co jest efektem wytworzenia i rozprzestrzenienia przez człowieka różnych krócej żyjących izotopów promieniotwórczych, ulegających przemianom jądrowym prowadzącym do neptunu, np.:

²⁴¹Pu (T_1/2 = 14,4 lat) → ²⁴¹Am (T_1/2 = 433 lat) → ²³⁷Np (T_1/2 = 2,1 mln lat)

Neptun w glebie

Zawartość neptunu w glebie jest bardzo niska. Stężenie ²³⁷Np w skażonym opadem promieniotwórczym obszarze jest mniejsze niż 1% stężenia ²³⁹Pu, co odpowiada promieniowaniu rzędu 10⁻¹⁶ Ci/g. Neptun najczęściej występuje w środowisku w postaci tlenku neptunu(IV) NpO₂, chociaż mogą być obecne także inne jego związki. Neptun ogólnie jest bardziej mobilny od innych transuranowców, takich jak pluton, ameryk czy kiur, i może przenikać wraz z sączącą się wodą do niższych warstw gleby. Neptun z łatwością przylega do cząstek gleby, co powoduje jego około 5-krotne zatężenie w stosunku do stężenia w wodzie międzywęzłowej gleby. Jeszcze większe stężenia neptunu mogą powstawać w glebach gliniastych. Stężenie neptunu w roślinach, z powodu łatwej przyswajalności, jest takie samo jak w glebie^[12].

Otrzymywanie

Neptun jest najczęściej uzyskiwany ze zużytych prętów paliwa jądrowego jako produkt uboczny produkcji energii w reaktorach jądrowych. Z jednej tony zużytego paliwa otrzymuje się około 500 g neptunu, prawie wyłącznie izotopu ²³⁷Np.

${\displaystyle \mathrm {^{235}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{236}U_{m}\ {\xrightarrow[{120\ ns}]{}}\ _{\ 92}^{236}U\ +\ \gamma } }$

${\displaystyle \mathrm {^{236}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{237}U\ {\xrightarrow[{6,75\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{237}Np} }$

Neptun metaliczny można otrzymać poprzez redukcję fluorku neptunu(III) (NpF₃) parami baru^[13] lub litu w temperaturze 1200 °C:

2NpF₃ + 3Ba → 2 Np + 3BaF₂

W skali wielogramowej neptun został otrzymany przez redukcję NpF₃ nadmiarem wapnia, w obecności jodu jako katalizatora^[14][13].

Właściwości fizyczne

Neptun jest srebrzystym metalem o gęstości około 20 g/cm³. Temperatura krytyczna wynosi 12 000 K^[15]. Poniżej temperatury topnienia przechodzi trzy przemiany alotropowe^[13][10][16].

Alotropia neptunu

Odmiana	Temperatura przejścia	Gęstość (Temperatura)	Układ krystalograficzny	Grupa przestrzenna
α-Np	280 °C	20,48 g/cm³ (20 °C)	rombowy	Pnma
β-Np	577 °C	19,38 g/cm³ (313 °C)	tetragonalny	P4212
γ-Np	637 °C	18,08 g/cm³ (600 °C)	sześcienny	Im3m

Masa krytyczna

Najwięcej badań nad masą krytyczną neptunu dotyczy izotopu ²³⁷Np ze względu na jego powstawanie jako produktu ubocznego pracy reaktorów jądrowych. Znajomość masy krytycznej jest istotna w związku z potencjalnymi zastosowaniami tego izotopu jako materiału rozszczepialnego w broni jądrowej. W zastosowaniach cywilnych znajomość masy krytycznej wykorzystywana jest do planowania bezpiecznego przechowywania odpadów promieniotwórczych zawierających neptun. Ilość neptunu umieszczanego w zbiorniku do przechowywania nie może być zbliżona do masy krytycznej. Istnieją także określone regulacje dotyczące maksymalnej zawartości danego izotopu podczas transportu^[17]. W doświadczeniach z próbkami o masie do 6 kg określono, że masa krytyczna neptunu-237 nieotoczonego reflektorem leży w okolicach 60 kg^[3]. Przeprowadzone analizy wykazały, że masa krytyczna nieosłoniętego reflektorem neptunu-237 mieści się, zależnie od użytego modelu obliczeń, w zakresie 63–81,9 kg, dla otoczonego wodą – 57,5–75,4 kg, a stalą – 38,6–50  kg^[18].

Właściwości chemiczne

Neptun tworzy szereg związków, w których może istnieć na stopniach utlenienia od +3 do +7. Wodne roztwory neptunu przybierają charakterystyczne dla danego stopnia utlenienia barwy:

• Np³⁺ – ciemny fiolet
• Np⁴⁺ – żółty
• Np^VO₂⁺ – zielony
• Np^VIO₂²⁺ – różowy
• Np^VIIO₂³⁺ – ciemna zieleń

Neptun jest pierwiastkiem reaktywnym. Metaliczny neptun w temperaturze 20 °C powoli pokrywa się warstewką tlenku NpO₂, a w podwyższonej temperaturze zachodzi szybkie utlenianie powierzchni metalu, szczególnie w wilgotnej atmosferze. Wodór reaguje z neptunem przy stosunkowo niskiej temperaturze tworząc wodorek. Po podgrzaniu neptun reaguje z fluorowcami, fosforem i siarką. W temperaturze pokojowej łatwo rozpuszcza się w kwasie solnym, a w podwyższonych temperaturach również w H₂SO₄. Neptun tworzy związki międzymetaliczne z uranem, plutonem, glinem, borem, kadmem, irydem, palladem i rodem^[13].

Związki chemiczne neptunu

Wodorki

W wyniku reakcji neptunu z wodorem otrzymuje się wodorki. Otrzymano i opisano dwa wodorki neptunu, niestechiometryczny NpH_2 + x (x = 0–0,7) i NpH₃. Ustalono, że NpH_2 + x ma strukturę regularną, ściennie centrowaną (fcc). Dla NpH₃ potwierdzono strukturę heksagonalną. Zmierzone gęstości wodorków neptunu wynoszą 10,4 g/cm³ dla NpH_2 + x i 9,64 g/cm³ dla NpH₃. Pojemność cieplna wodorków neptunu nie jest znana, jednak dla NpH_2(s) oszacowano, że C_p w temperaturze 25 °C wynosi 47,279 J/(mol·K)^[19].

Właściwości chemiczne wodorków neptunu są słabo opisane. Znany jest fakt rozkładu wodorku neptunu w próżni, powyżej temperatury 300 °C, z utworzeniem bardzo drobnego, pierwiastkowego neptunu wykazującego właściwości piroforyczne^[10].

Tlenki

Pomimo występowania neptunu na pięciu stopniach utlenienia, pierwiastek ten tworzy tylko dwa trwałe bezwodne tlenki: NpO₂ i Np₂O₅; znany jest też nietrwały Np₂O₃.

Tlenek neptunu(III), Np₂O₃

Tworzenie się tlenku neptunu(III) zostało zaobserwowane za pomocą spektroskopii fotoelektronów. Np₂O₃ tworzy się jako produkt pośredni w powolnym utlenianiu świeżych powierzchni metalicznego neptunu^[16].

Tlenek neptunu(IV), NpO₂

NpO₂ jest otrzymywany w wyniku termicznego rozkładu związków neptunu na wszystkich jego stopniach utlenienia. Występuje w postaci drobnego, ciemnobrązowego proszku. Ma strukturę krystaliczną regularną ściennie centrowaną (fcc). Krystalizacji NpO₂ można dokonać na drodze elektrochemicznej, za pomocą reakcji transportu chemicznego z użyciem TeCl₄ lub w wyniku korozji metalicznego neptunu domieszkowanego U₃O₈.

NpO₂ jest trwały w szerokim zakresie temperatur i ciśnień. Związek ulega przejściu fazowemu z układu regularnego ściennie centrowanego w układ rombowy w zakresie ciśnień 33–37 GPa (ok. 325–365 tysięcy atm), a po obniżeniu ciśnienia tlenek wraca do swojej pierwotnej struktury krystalicznej^[10][20]. Związek jest trwały w obecności tlenu do ciśnienia rzędu 2,84 MPa (28 atm) i temperatury 364 °C^[10]. Tlenek neptunu(IV) jest stosowany do wytwarzania ²³⁸Pu, używanego w misjach NASA. NpO₂ jest także strącany z roztworów zawierających jony neptunu w celu dalszego przetwarzania i transportu^[21].

Tlenek neptunu(V), Np₂O₅

Np₂O₅ ma postać brązowego proszku o jednoskośnej strukturze krystalicznej. W stosunku do tlenku neptunu(IV) jest dosyć nietrwały, rozkłada się na O₂ i NpO₂ w zakresie temperatur 420–700 °C.

Istnieje kilka metod otrzymywania Np₂O₅. Do jednej z wcześniejszych należy barbotaż ozonu przez roztwór roztopionego nadchloranu litu (LiClO₄) zawierającego jony NpO+2, w wyniku czego strąca się Np₂O₅. Stosuje się też rozkład termiczny tlenków uwodnionych, NpO₃·H₂O i NpO₂OH^[10].

Wodorotlenki

Wodorotlenek neptunu(III), Np(OH)₃

Np(OH)₃ jest słabo poznany ze względu na łatwość, z jaką utlenia się do Np(IV), np. pod wpływem powietrza. Przypuszcza się, że jego rozpuszczalność znajduje się w zakresie wartości między rozpuszczalnością wodorotlenku uranu(III), a wodorotlenku plutonu(III)^[16]:

U(III) > Np(III) > Pu(III) > Am(III) > Cm(III)

Uwodniony tlenek neptunu(IV) i wodorotlenek neptunu(IV), Np(OH)₄

W środowisku naukowym nie ma zgodności co do istnienia stabilnych uwodnionych tlenków neptunu(IV). Niektórzy badacze uważają, że uwodniony NpO₂ jest produktem fizycznej absorpcji wody, według innych jest to stabilny związek NpO₂·xH₂O^[10]. Wodorotlenek neptunu(IV) może powstawać w wyniku rozpuszczania tlenku neptunu(IV) lub hydrolizy jego rozpuszczalnych związków^[16]:

NpO₂ + 2H₂O → Np(OH)_4(aq),

Np⁴⁺ + 4H₂O ⇌ Np(OH)_4(aq) + 4H⁺

Wodorotlenek neptunu(V), NpO₂OH

Wodorotlenek ten budzi zainteresowanie m.in. z powodu jego obecności w odpadach promieniotwórczych. NpO₂OH otrzymuje się poprzez dodanie wody amoniakalnej i NaOH lub LiOH do lekko kwasowych lub zasadowych roztworów zawierających jony Np(V). Świeżo przygotowany NpO₂OH ma kolor zielony i strukturę amorficzną. W 1 M roztworze NaClO₄ produkt ten stopniowo ulega starzeniu, tworząc słabiej rozpuszczalny szarobiały osad. Wobec niższych (0,1 M) stężeń NaClO₄ proces starzenia nie występuje nawet w ciągu kilku miesięcy, zaś wobec 3 M NaClO₄ osad dojrzały powstaje natychmiast^[10][22].

Wodorotlenek neptunu(VI), NpO₂(OH)₂

Tlenki uwodnione i wodorotlenki neptunu(VI) nie są do końca poznane i konieczne są dalsze badania by potwierdzić, które z syntetyzowanych związków neptunu(VI) są stabilne. Za wzór sumaryczny wodorotlenku neptunu(VI) przyjmuje się na ogół NpO₂(OH)₂.

Wodorotlenek neptunu(VII)

Wodorotlenek neptunu(VII) został otrzymany na drodze strącania z kwaśnego roztworu zawierającego jony Np(VII) poprzez dodawanie NaOH lub LiOH do osiągnięcia pH 10. W wyniku tych doświadczeń ustalono wzór wodorotlenku jako NpO₂(OH)₃. Inne badania oparte na miareczkowaniu wskazują, że związek zawiera tylko jedną grupę wodorotlenkową i ma on wzór NpO₃(OH)^[10]. Wodorotlenek neptunu(VII) ma charakter kwasowy i z zasadami tworzy sole, neptuniany, np. neptunian amonu (NH₄)₂[Np₂O₇]^[28].

Halogenki neptunu

Fluorki

Znane są cztery fluorki neptunu: NpF₃, NpF₄, NpF₅, NpF₆^[10].

Fluorki neptunu(III) i (IV) mogą być otrzymane na drodze reakcji:

NpO₂ + ½H₂ + 3HF → NpF₃ + 2H₂O   (500 °C)

NpF₃ + ¼O₂ + HF → NpF₄ + ½H₂   (500 °C)

Czterowartościowy fluorek może być przygotowany także poprzez bezpośrednią reakcję tlenku neptunu(IV) z fluorowodorem:

NpO₂ + 4HF → NpF₄ + 2H₂O

NpF₅ otrzymuje się w reakcji NONpF₆ z LiF i BF₃. W wyniku reakcji NpF₆ z CO pod wpływem światła powstaje biały proszek będący prawdopodobnie mieszaniną NpF₅ z inną, niezidentyfikowaną substancją.

NpF₆ jest pomarańczowym ciałem stałym o temperaturze topnienia 54,8 °C. Jest związkiem bardzo reaktywnym. Ze względu na swoją lotność może potencjalnie mieć zastosowanie w procesach odzysku neptunu ze zużytego paliwa jądrowego. Jak wszystkie lotne związki promieniotwórcze, stwarza zagrożenie radiologiczne i chemiczne. Spośród znanych metod otrzymywania NpF₆ należy wymienić następujące:

Reakcje O₂F₂ z tlenkiem i fluorkiem neptunu(VI) przebiegają następująco:

NpF_4(s) + xO₂F_2(g) → NpF_6(g) + xO_2(g) + (x-1)F_2(g)

NpO_2(g) + xO₂F_2(g) → NpF_6(g) + (x+1)O_2(g) + (x−3)F_2(g)

Fluorkowe kompleksy neptunu

Neptun(IV) (V) (VI) i (VII) tworzy liczne kompleksy fluorkowe. Dobrze zbadane są tego typu związki neptunu(IV) z Li, Na, K, Rb, NH₃, Ca, Sr, Ba. Do poznanych kompleksów fluorkowych neptunu(V) należą CsNpF₆, Rb₂NpF₇, Na₃NpF₈, K₃NpO₂F₅. Można je otrzymać przez redukcję NpF₆ fluorkami metali alkalicznych lub fluorowanie mieszaniny związków neptunu(IV) i fluorków jednowartościowych.

Neptun tworzy również tlenofluorki: NpO₂F, NpOF₃, NpO₂F₂ i NpOF₄^[10].

Pozostałe halogenki neptunu

Poza fluorkami znane są halogenki neptunu(III) i (IV). NpCl₃ otrzymuje się poprzez:

• redukcję NpO₂ mieszaniną H₂ i CCl₄ w temperaturze ok. 400 °C
• redukcję NpCl₄ nadmiarem cynku
• redukcję roztworów zawierających neptun na wyższych stopniach utlenienia

Tetrachlorek neptunu, NpCl₄, można otrzymać poprzez reakcję szczawianu neptunu lub NpO₂ z CCl₄ w temperaturze około 500 °C lub reakcję NpO₂OH z heksachloropropenem (Cl₂C=CCl−CCl₃). Związek ten oczyszcza się przez sublimację; z fazy gazowej kondensuje on jako ciemnoczerwony lub pomarańczowy osad o temperaturze topnienia 530 °C.
Wyższych chlorków neptunu nie udało się otrzymać.

Metody otrzymywania NpBr₄:

• 3NpO₂ + 4AlBr₃ → 3NpBr₄ + 2Al₂O₃
• bezpośrednia reakcja metalicznego neptunu z bromem

NpBr₃ otrzymuje się poprzez redukcję NpBr₄ nadmiarem cynku.

Metody otrzymywania NpI₃:

• reakcja AlI₃ z NpO₂ w temperaturze 500 °C
• bezpośrednia reakcja metalicznego neptunu z nadmiarem jodu

Znane tlenohalogenki neptunu to NpOCl₂, NpOCl i NpOI. Neptun na stopniach utlenienia (III)–(VI) tworzy halogenkowe kompleksy z litowcami, metalami ziem rzadkich (Ca, Sr, Ba, Ra) i amoniakiem^[10].

Pozostałe proste związki neptunu

Chalkogenki

Znanymi siarczkami i tlenosiarczkami neptunu są NpS, NpS₃, Np₃S₅, Np₂S₃, Np₃S₄, NpOS, Np₄O₄S i Np₂O₂S. Znanymi selenkami i tlenoselenkami neptunu są NpSe, NpSe₃, Np₂Se₅, Np₃Se₅, Np₂Se₃, Np₃Se₄, NpOSe i Np₂O₂Se. Znane tellurki i tlenotellurki neptunu to NpTe, Np₃Te₄, NpTe₃, NpTe_2−x, Np₂Te₃ i Np₂O₂Te^[10].

Związki z azotowcami

Azotek neptunu(III), NpN, otrzymuje się w reakcjach wodorków neptunu z azotem w temperaturach powyżej 300 °C. Fosforek neptunu(III), NpP, otrzymuje się przez przekształcenie metalicznego neptunu w postać proszku poprzez nawodorowanie i późniejsze odwodornienie, a następnie poddanie działaniu fosforowodoru, PH₃, w temperaturze 350 °C. Np₃P₄ otrzymuje się w reakcji czerwonego fosforu z metalicznym neptunem w temperaturze 740 °C. NpAs₂ i NpAs otrzymuje się poprzez reakcje par arsenu z metalicznym neptunem. NpAs₂ i Np₃As₄ otrzymano w wyniku reakcji transportu chemicznego z użyciem jodu. NpSb i Np₃Sb₄ zostały otrzymane poprzez wygrzewanie obu metali w temperaturze topnienia antymonu^[10]. NpBi otrzymano między innymi za pomocą krystalizacji monokryształów ze stanu stałego^[34].

Węgliki

Otrzymane zostały następujące węgliki neptunu: NpC, Np₂C₃, NpC₂^[10].

Zastosowania

Prekursor w produkcji plutonu

²³⁷Np pod wpływem napromieniowywania neutronami przekształca się w ²³⁸Np, który ulega rozpadowi beta do ²³⁸Pu:

${\displaystyle \mathrm {^{237}_{\ 93}Np\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ {\xrightarrow[{2,117\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu} }$

Proces ten jest wykorzystywany do produkcji ²³⁸Pu, który znajduje zastosowanie głównie w generatorach termoelektrycznych. Teoretycznie źródłem ²³⁸Pu mogłoby być zużyte paliwo jądrowe, jednak wymagałoby to żmudnego procesu oddzielenia go od innych izotopów plutonu.

Materiał rozszczepialny

Neptun należy do materiałów rozszczepialnych, stąd też teoretycznie może być używany jako paliwo do reaktorów prędkich lub w broni jądrowej. Z tego powodu od 1999 roku Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej monitoruje produkcję i badania nad czystym neptunem^[35]. Do 2003 r., globalna produkcja neptunu ²³⁷Np w cywilnych reaktorach jądrowych wyniosła 54 000 kg, co wystarczyłoby do uzyskania około 1000 mas krytycznych tego izotopu^[36].

Radiochemia

W radiochemii ²³⁷Np jest wykorzystywany do konstrukcji detektorów neutronów wysokoenergetycznych o energiach rzędu MeV^[37].

Badanie nadprzewodnictwa

Związki zawierające neptun oraz pluton znajdują zastosowanie w badaniach dotyczących nadprzewodnictwa. Mimo że pierwiastki z elektronami podpowłoki f wykazują niższe temperatury nadprzewodnictwa, to w stosunku do związków zawierających pierwiastki d-elektronowe, łatwiej jest takie związki otrzymać i zrozumieć zachodzące w nich zjawisko nadprzewodnictwa^[38].

Zagrożenia dla ludzi

Neptun może dostać się do ciała człowieka poprzez jedzenie, wodę lub, co jest mniej prawdopodobne, poprzez oddychanie, np. jako składnik kurzu. Dawka pochłonięta w wyniku spożycia lub inhalacji jest wydzielana prawie w całości z ciała człowieka w ciągu kilku dni. Do krwiobiegu przedostaje się ok. 0,05% pochłoniętej ilości neptunu. Połowa tej ilości odkłada się w szkielecie, około 10% w wątrobie, około 5% w pozostałych tkankach miękkich, a reszta stopniowo wydalana jest z moczem. Biologiczny okres półtrwania dla szkieletu i wątroby wynosi odpowiednio 50 i 20 lat. Ilość dawki pochłoniętej przez szkielet i wątrobę zależy od wieku organizmu, przy czym ułamek dawki pochłoniętej przez wątrobę zwiększa się wraz z wiekiem. Neptun w szkielecie odkłada się na powierzchni kości i z czasem przenika w głąb tkanki kostnej. Oprócz zagrożenia spowodowanego pochłonięciem dawki, istnieje zagrożenie spowodowane promieniowaniem gamma emitowanym przez neptun-236 i neptun-237 oraz produkt jego rozpadu, protaktyn-233. Głównym zagrożeniem dla zdrowia człowieka jest nowotwór złośliwy, który może być spowodowany przez promieniowanie emitowane przez neptun odłożony na powierzchni kości lub w wątrobie^[12].

Odpady zawierające neptun

Neptun, jak i inne pierwiastki promieniotwórcze wchodzące w skład odpadów powstających ze zużytego paliwa jądrowego, może być powtórnie przetwarzany, m.in. z wykorzystaniem procesu PUREX^[10], lub zabezpieczany i trwale składowany. Przetwarzanie odpadów zawierających neptun może polegać na neutralizacji kwaśnego wodnego roztworu za pomocą NaOH, w wyniku czego powstaje szlam zawierający pewne ilości związków neptunu. Stężenie neptunu w szlamie zależy od pochodzenia odpadów i konkretnej metody przetwarzania. Gdy stężenie neptunu w odpadach jest na tyle wysokie, by jego odzyskanie miało sens praktyczny i ekonomiczny, neptun poddaje się oczyszczeniu, a następnie przetworzeniu w pluton-238^[39] lub uran^[10].

Jednym ze sposobów usuwania odpadów promieniotwórczych jest składowanie ich w głębokich warstwach geologicznych, na głębokości od kilkudziesięciu^[40] do wieluset metrów^[41], w zależności od terenu i rodzaju składowanych odpadów. Jest to najczęściej stosowana metoda w przypadku składowania odpadów o dużej promieniotwórczości. Mimo że odpady takie zawierają zazwyczaj niewielkie ilości neptunu, to jego ilość wzrasta wraz z upływem czasu na skutek rozpadu α ameryku-241 o T_1/2 = 432,7 lat. Ze względu na długi okres półtrwania neptunu-237 wynoszący ok. 2 mln lat, wysoką radiotoksyczność, stosunkowo dobrą rozpuszczalność w wodzie, ruchliwość oraz niską sorpcję na skałach, w planowaniu potencjalnych metod i miejsc składowania należy wziąć pod uwagę możliwość przedostania się neptunu do warstw geologicznych. Lokalizacja miejsca składowania odpadów promieniotwórczych powinna charakteryzować się nikłym zagrożeniem uszkodzenia składowiska przez aktywność sejsmiczną lub wody gruntowe i minimalizacją zagrożenia przedostania się odpadów do wód podziemnych w przypadku uszkodzenia składowiska^[42].

• Karen Nilsson, Lars Carlsen: The migration chemistry of neptunium. Roskilde, Dania: Chemistry Department, Risø Laboratory, 1989. (ang.)
• C.R. Hammond: The Elements. Neptunium. W: CRC Handbook of Chemistry and Physics. Wyd. 84. Boca Raton: CRC Press, 2003, s. 4–20. (ang.)
• Simon Cotton: Lanthanide and actinide chemistry. Chichester, England: Wiley, 2006. ISBN 0470010053. (ang.)
• Joseph Katz, Norman M. Edelstein, Jean Fuger: The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements (Set Vol. 1–6): Volumes 1–6. Springer. ISBN 9789400702103. (ang.)
• Malcolm D. Siegel, Charles R. Bryan: Environmental Geochemistry of Radioactive Contamination. Albuquerque, Nowy Meksyk, USA: Sandia National Laboratories. (ang.)