Rad (Ra) – właściwości, działanie i występowanie radu

Rad (Ra) to pierwiastek ze wszech miar wyjątkowy. Wkrótce po swym odkryciu wzbudził szerokie i entuzjastyczne zainteresowanie, aby później okazać się wyjątkowo podstępnym mordercą. Zdaniem wielu, niezwykła historia radu powinna być przestrogą dla wszystkich współczesnych i przyszłych naukowców.

1. Historia radu
2. Właściwości radu – jakie związki tworzy?
3. Pozyskiwanie radu
4. Zastosowania radu
5. Wpływ radu na zdrowie
6. Rad a ekologia

W tablicy Mendelejewa rad figuruje na samym końcu drugiej kolumny, będącej grupą metali ziem alkalicznych, zwanych też berylowcami. Jest też wśród nich najcięższy i najrzadszy, ale z magnezem i wapniem łączą go takie właściwości jak miękkość i topliwość.

Historia radu

Dzieje radu zaczęły się tak naprawdę od przełomowych odkryć z końca XIX w. Najpierw w 1895 r. pojawiły się doniesienia o istnieniu promieniowania X, a następnie francuski fizyk, Henri Becquerel wykazał, że ruda uranu emituje jeszcze innym typ promieniowania. Jego teorią zafascynowała się polska badaczka Maria Curie-Skłodowska. Wraz z mężem Pierre’em i jego bratem Jacques’em zaczęła ona zgłębiać zagadkowy fakt, że ruda uranu emituje więcej promieniowania niż czysty uran.

W lipcu 1898 r. dociekliwe małżeństwo wyizolowało z pochodzącej z czeskiego Jachymova rudy uranu nowy pierwiastek nazwany polonem (Po), a następnie jeszcze mieszankę dwóch innych substancji. Jedną z nich okazały się związki baru (Ba) nadające płomieniowi atrakcyjnie zielonej barwy, drugą zaś kolejny nieznany pierwiastek wykazujący ciekawe karminowe spektrum. W 1899 r. nowo odkryty metal został ochrzczony radem, w nawiązaniu do łacińskiego słowa „radus”, czyli promień. Wysoka radioaktywność radu była bowiem znana, choć nie do końca rozumiana, od samego początku.

Trzeba było jednak kolejnej dekady, aby Maria Curie-Skłodowska wraz z chemikiem André-Louisem Debierne wyizolowali czysty rad. Dokonali tego w 1910 r. poprzez elektrolizę chlorku radu z wykorzystaniem rtęciowej katody. Niedługo później belgijskie przedsiębiorstwo kopalniane Biraco zaczęło jako pierwsza na świecie produkować rad do celów przemysłowych.

Właściwości radu – jakie związki tworzy?

Pod względem chemicznym i fizycznym rad jest najbardziej podobny barowi, za wyjątkiem radioaktywności. Oba są miękkimi, lekkimi metalami o wysokim poziomie reaktywności. Bar ma jednak odcień lekko żółtawy, podczas gdy rad jest srebrzysto-białym, lśniącym metalem, który wyjątkowo ochoczo reaguje z powietrzem, pokrywając się szybko czarną warstwą azotanu radu. Temperatura topnienia wynosi 700 stopni C, zaś temperatura wrzenia 1737 stopni C. W warunkach normalnego ciśnienia atmosferycznego i pokojowej temperatury rad tworzy sześcienne kryształy.

Chemicy opisali jak dotąd 34 izotopy radu – wszystkie niestabilne. Wyjątkiem spośród nich jest Ra-226 odznaczający się czasem połowicznego rozpadu na poziomie „aż” 1600 lat. Dla Ra-228 wskaźnik ten wynosi niecałe 6 lat, a dla pozostałych izotopów nie przekracza kilku tygodni. Ra-226 rozpada się na Ra-222, a w dalszej kolejności na polon, ołów, bizmut i tal. Córką radu jest również promieniotwórczy gaz radon.

Rad powoli reaguje z tlenem tworząc Ra0, za to w gwałtownym procesie łączy się z wodą, dając wodorotlenek Ra(OH)2, najłatwiej rozpuszczalny ze wszystkich zasad tworzonych przez berylowce. Wszystkie związki oryginalnie są białe, ale z czasem nabierają tonów żółtawych i ciemnych wskutek rozpadu atomów. Sole radu barwią płomień na karmazynowy, natomiast wszystkie związki w ciemności emitują słabą niebieskawą poświatę. Odpowiadają za nią cząsteczki promieniowania alfa, które mogą być wykorzystywane do inicjowania reakcji nuklearnych.

W ogromnej większości związków rad przyjmuje postać kationu Ra²⁺ - przykładem jest siarczan radu (RaSO₄), będący najsłabiej rozpuszczalnym spośród znanych nam siarczanów. Inne znane związki radu to bezbarwne i rozpuszczalne w wodzie: chlorek (RaCl₂) oraz bromek (RaBr₂), a także nierozpuszczalne sole z anionami: azotowym, węglanowym czy jodowym.

Pozyskiwanie radu

Rad jako taki nie występuje w stanie wolnym w przyrodzie. Jego najtrwalszy izotop, Ra-226, obecny jest jednak w rudzie uranowej. Ze względu na dobrą rozpuszczalność w wodzie rozdystrybuowany został również na powierzchni Ziemi w minimalnej ilości 1.8 × 1013 gramów. Całe te zasoby są wyłącznie wynikiem naturalnego rozpadu innych promieniotwórczych pierwiastków – toru, uranu i aktynu.
W warunkach laboratoryjnych rad może być izolowany w ramach elektrolitycznej redukcji jego soli. Nowoczesne technologie umożliwiają jednak pozyskiwanie rzadkiego metalu ze zużytego paliwa nuklearnego. W tym celu obecny w odpadach z elektrowni tlenek radu podgrzewa się w warunkach próżniowych wraz z aluminium do temperatury 1200 stopni C.

Ze względu na ograniczony zakres zastosowań roczna globalna produkcja nie przekracza zwykle 2 kg radu rocznie. Największymi producentami na świecie są Belgia, Kanada, Czechy, Słowacja, Wielka Brytania oraz Rosja.

Zastosowania radu

Wyizolowanie pierwiastka, który sam świeci w ciemności, uznane zostało w pierwszej połowie XX w. jako prawdziwe błogosławieństwo. Z radu stworzono też dość szybko farbę, którą pokrywano tarcze zegarków, włączniki w samolotach, panele nuklearne, zegary, itd. Niestety, w latach 20-tych wybuchł skandal związany nazwany przez prasę „radowymi dziewczętami”. Otóż pracownicom zakładów aplikujących fluorescencyjną farbę na tarcze zegarów przykazano oblizywać pędzelki dla nadania im lepszego kształty. Nieświadome kobiety wkładały rad do ust nawet 250 razy dziennie, połykając ok. 40 mikrogramów radioaktywnego pierwiastka. Z czasem wszystkie doznały poważnych skutków napromieniowania, łącznie z nowotworami i śmiercią. Przypadek ten stał się bazą dla głośnego procesu sądowego i stosownych zmian w standardach bezpieczeństwa na stanowiskach pracy.

Niestety, nim ludzkość zorientowała się w ryzyku związanym z radioaktywnością, rad stał się bohaterem klinik i ośrodków spa, gdzie sprzedawano lecznicze wody, tabletki, pasty do zębów, a nawet czekolady mające odmładzać i uzdrawiać. Rad wykorzystywano również szeroko w terapii onkologicznej, która mimo pewnej skuteczności powodowała śmierć z powodu napromieniowania. Niestety, jeszcze w latach 70-tych dzieciom aplikowano rad jako lek na zapalenia ucha czy migdałków. Obecnie ze względu na ogromne zagrożenie dla zdrowia te zastosowania radu są już na szczęście nieaktualne.

Rad w małych ilościach wykorzystuje się dziś jednak w fizyce atomowej, cząsteczkowej i optycznej. Przykładowe zastosowania obejmują konstrukcję optycznego zegara atomowego, przemysłową radiografię czy źródło neutronów. W 2013 r. w USA zatwierdzono również program leczenia nowotworu prostaty z metastazą do kości za pomocą odkrytego przez polskiego badacza, T. Godlewskiego, izotopu Ra-223, znanego w medycynie jako Xofigo. Mimo niebagatelnych skutków ubocznych lek wykazuje się wysoką skutecznością, jest ogólnie dobrze tolerowany.

Wpływ radu na zdrowie

Rad uważany jest obecnie za najbardziej radioaktywny pierwiastek na Ziemi i z tego względu w wielu zastosowaniach bywa wypierany przez bezpieczniejsze substancje. Protokoły manipulacji z radem obejmują bardzo specyficzne środki bezpieczeństwa, w tym wysoki poziom cyrkulacji powietrza.

Pierwszą znaną ofiarą radu była sama Maria Curie-Skłodowska, która po latach eksperymentów zmarła na niedokrwistość aplastyczną, będącą formą niewydolności szpiku kostnego. Znane objawy ekspozycji na rad obejmują również nekrozę szczęki i utratę zębów, niegojące się wrzody, złamania kości oraz nowotwory, które z kolei powodować mogą śmierć. Niestety, nie jest znana bezpieczna dla człowieka ilość radu, a ponieważ pierwiastek ma zdolność do łatwego przemieszczania się na wielkie odległości, negatywny skutek oddziaływania promieniowania alfa i gamma, może pojawić się nawet mimo braku bezpośredniej ekspozycji na rad. Co więcej, inhalacja radu jest nawet 10 razy bardziej rakotwórcza niż jego spożycie!

Rad a ekologia

Niewielkie ilości radu powstają na świecie nieustannie w wyniku rozpadu uranu i toru. Kontrowersyjny metal w bardzo małych ilościach znajduje się więc w skałach i glebach na całej planecie. Ponadto odnotowywany jest również w powietrzu oraz wodach – sporadycznie w wyraźnie wyższych stężeniach. Pod tym względem największe ryzyko stwarzają zakłady produkujące uran na potrzeby elektrowni atomowych, z których odpady łatwo przenikają do wód powierzchniowych. Zdaniem ekologów, pierwiastek koncentruje się wówczas w tkankach roślinnych i zwierzęcych, mogąc oczywiście w ramach łańcucha pokarmowego dodatkowo podtruwać także człowieka.Niestety, rad i będący produktem jego rozpadu radon, nie są obecnie pod kontrolą człowieka. Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (IAEA) gromadzi jednak aktywnie informacje dotyczące wpływu i ryzyka związanego z oboma pierwiastkami celem przygotowania strategii działanie na obszarach skażonych radem. Pozostaje mieć nadzieję, że tym razem ludzkość zareaguje na czas!

Bibliografia