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

Historia thumb|Układ okresowy pierwiastków w 1871 roku W układzie okresowym pierwiastków opublikowanym w 1869 roku 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.

W 1934 roku Enrico Fermi ogłosił, że w wyniku bombardowania uranu neutronami i późniejszych rozpadów beta udało mu się otrzymać pierwiastek 93. 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, co historycznie miało większe znaczenie niż sam fakt obalenia odkrycia. Fakt rozpadu ciężkich jąder po przyłączeniu neutronu został potwierdzony w 1939 roku przez Lise Meitner.

Neptun został otrzymany ostatecznie przez Edwina McMillana i Philipa Abelsona w 1940 roku w amerykańskim Lawrence Berkeley National Laboratory na University of California w Berkeley. Zespół wyprodukował izotop neptunu o T1/2 = 2,35 dnia poprzez bombardowanie uranu za pomocą powolnych neutronów:

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 , który jest najtrwalszym izotopem neptunu, o okresie półtrwania wynoszącym 2,144 mln lat.

W roku 1950 poprzez bombardowanie deuteronami izotopów , i otrzymano izotopy neptunu , i . Kolejne izotopy, , i , uzyskano w 1958 roku w wyniku bombardowania deuteronami wysoko wzbogaconego .

Izotopy

Wszystkie 22 znane izotopy neptunu są promieniotwórcze. Spośród nich za stosunkowo stabilne uważa się trzy: , T1/2 = 396,1 dnia. W 99,99740% przypadków przekształca się w poprzez wychwyt elektronu, a w 0,00260% przypadków ulega rozpadowi alfa do protaktynu . , T1/2 = 1,54 lat. W 87,3% przypadków przekształca się w uran przez wychwyt elektronu, w 12,5% przypadków ulega rozpadowi beta do plutonu , a w 0,16% przypadków w wyniku rozpadu alfa powstaje z niego protaktyn . , T1/2 = 2,144 lat. W wyniku rozpadu alfa powstaje z niego protaktyn . Daje początek szeregowi neptunowemu rozpadów promieniotwórczych pierwiastków.

Występowanie w przyrodzie Najtrwalszym izotopem neptunu jest o okresie półtrwania T1/2 = 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 i są znajdowane w przyrodzie jako produkty rozpadu pochodzące z reakcji jądrowych zachodzących w rudach uranu, np. w wyniku bombardowania neutronami powstałymi przy spontanicznym rozszczepieniu . Maksymalny stosunek do uranu w jego rudach osiąga około 10−12:1. Podstawowym źródłem neptunu (podobnie jak innych transuranowców) w biosferze są wybuchy jądrowe w atmosferze. 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 , co jest porównywalne do masy wytworzonego tą samą drogą plutonu, tj. 4200 kg i 700 kg . Zawartość na Ziemi wzrasta, co jest efektem wytworzenia i rozprzestrzenienia przez człowieka różnych krócej żyjących izotopów promieniotwórczych, ulegających przemianom jądrowym prowadzącym do neptunu, np.: (T1/2 = 14,4 lat) → (T1/2 = 433 lat) → (T1/2 = 2,1 mln lat)

Neptun w glebie Zawartość neptunu w glebie jest bardzo niska. Stężenie w skażonym opadem promieniotwórczym obszarze jest mniejsze niż 1% stężenia , co odpowiada promieniowaniu rzędu 10−16 Ci/g. Neptun najczęściej występuje w środowisku w postaci tlenku neptunu(IV) , 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.

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 .

Neptun metaliczny można otrzymać poprzez redukcję fluorku neptunu(III) (NpF3) parami baru 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.

Właściwości fizyczne Neptun jest srebrzystym metalem o gęstości około 20 g/cm³. Temperatura krytyczna wynosi 12 000 K. Poniżej temperatury topnienia przechodzi trzy przemiany alotropowe.

{| class="wikitable" width="70%" style="text-align:center" |+ Alotropia neptunu |- style="background:LightBlue" ! 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

Temperatura wrzenia neptunu nie jest znana empirycznie, a zwykle podawana wartość 4174 °C jest wynikiem ekstrapolowania prężności par pierwiastka. Jeśli jest to dokładne, dałoby to neptunowi największy temperaturowy zakres istnienia cieczy ze wszystkich pierwiastków (3535 K przechodzi między jego temperaturą topnienia i wrzenia).

Masa krytyczna Najwięcej badań nad masą krytyczną neptunu dotyczy izotopu 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. W doświadczeniach z próbkami o masie do 6 kg określono, że masa krytyczna neptunu-237 nieotoczonego reflektorem leży w okolicach 60 kg. 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.

Właściwości chemiczne thumb|Barwy roztworów związków neptunu na różnych stopniach utlenienia Neptun tworzy szereg związków, w których może istnieć na stopniach utlenienia od III do VII. Wodne roztwory związków neptunu przybierają charakterystyczne dla danego stopnia utlenienia barwy: – ciemny fiolet – żółty – zielony – różowy – ciemna zieleń

Neptun jest pierwiastkiem reaktywnym. Metaliczny neptun w temperaturze 20 °C powoli pokrywa się warstewką tlenku , 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 . Neptun tworzy związki międzymetaliczne z uranem, plutonem, glinem, borem, kadmem, irydem, palladem i rodem.

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

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.

Tlenki Pomimo występowania neptunu na pięciu stopniach utlenienia, pierwiastek ten tworzy tylko dwa trwałe bezwodne tlenki: i ; znany jest też nietrwały . Tlenek neptunu(III), Tworzenie się tlenku neptunu(III) zostało zaobserwowane za pomocą spektroskopii fotoelektronów. tworzy się jako produkt pośredni w powolnym utlenianiu świeżych powierzchni metalicznego neptunu. Tlenek neptunu(IV), 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 można dokonać na drodze elektrochemicznej, za pomocą reakcji transportu chemicznego z użyciem lub w wyniku korozji metalicznego neptunu domieszkowanego . 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. Związek jest trwały w obecności tlenu do ciśnienia rzędu 2,84 MPa (28 atm) i temperatury 364 °C. Tlenek neptunu(IV) jest stosowany do wytwarzania , używanego w misjach NASA. jest także strącany z roztworów zawierających jony neptunu w celu dalszego przetwarzania i transportu.

Tlenek neptunu(V), ma postać brązowego proszku o jednoskośnej strukturze krystalicznej. W stosunku do tlenku neptunu(IV) jest dosyć nietrwały, rozkłada się na i w zakresie temperatur 420–700 °C. Istnieje kilka metod otrzymywania . Do jednej z wcześniejszych należy barbotaż ozonu przez roztwór roztopionego nadchloranu litu () zawierającego jony , w wyniku czego strąca się . Stosuje się też rozkład termiczny tlenków uwodnionych, i .

Wodorotlenki Wodorotlenek neptunu(III), 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): U(III) > Np(III) > Pu(III) > Am(III) > Cm(III)

Uwodniony tlenek neptunu(IV) i wodorotlenek neptunu(IV),