El actinoide / æ k t ɪ n ɔɪ d / ( nomenclatura de la IUPAC , también llamado actínidos [1] / æ k t ɪ n aɪ d / ) serie abarca los 15 metálicos elementos químicos con números atómicos de 89 a 103, actinio través lawrencio . La serie de actinoides deriva su nombre del primer elemento de la serie, el actinio. El símbolo químico informal An se usa en discusiones generales sobre la química de los actinoides para referirse a cualquier actinoide. [2] [3] [4]
Dado que "actinoide" significa "similar al actinio" (cf. humanoide o androide), se ha argumentado por razones semánticas que el actinio no puede ser lógicamente un actinoide, pero la IUPAC reconoce su inclusión basada en el uso común. [5]
Todos los actínidos son elementos del bloque f , excepto el último (lawrencio) que es un elemento del bloque d . El actinio a veces se ha considerado bloque d en lugar de lawrencio, pero quienes estudian el tema adoptan con mayor frecuencia la clasificación con lawrencio en el bloque d. [6] [7] La serie corresponde principalmente al llenado de la capa de electrones 5f , aunque en el estado fundamental muchos tienen configuraciones anómalas que involucran el llenado de la capa 6d debido a la repulsión interelectrónica. En comparación con los lantánidos , también en su mayoría elementos del bloque f , los actínidos muestran una valencia mucho más variable . Todos tienen radios atómicos e iónicos muy grandes y exhiben una gama inusualmente amplia de propiedades físicas. Mientras que el actinio y los actínidos tardíos (desde el americio en adelante) se comportan de manera similar a los lantánidos, los elementos torio, protactinio y uranio son mucho más similares a los metales de transición en su química, con neptunio y plutonio ocupando una posición intermedia.
Todos los actínidos son radiactivos y liberan energía tras la desintegración radiactiva; El uranio y el torio de origen natural y el plutonio producido sintéticamente son los actínidos más abundantes en la Tierra. Estos se utilizan en reactores nucleares y armas nucleares . El uranio y el torio también tienen diversos usos actuales o históricos, y el americio se utiliza en las cámaras de ionización de la mayoría de los detectores de humo modernos .
De los actínidos, el torio y el uranio primordiales se encuentran naturalmente en cantidades sustanciales. La desintegración radiactiva del uranio produce cantidades transitorias de actinio y protactinio , y ocasionalmente se producen átomos de neptunio y plutonio a partir de reacciones de transmutación en los minerales de uranio . Los otros actínidos son elementos puramente sintéticos . [2] [8] pruebas de armas nucleares han lanzado al menos seis actínidos más pesados que el plutonio en el medio ambiente ; El análisis de los escombros de la explosión de una bomba de hidrógeno en 1952 mostró la presencia de americio , curio , berkelio , californio , einstenio y fermio . [9]
En las presentaciones de la tabla periódica , los elementos del bloque f se muestran habitualmente como dos filas adicionales debajo del cuerpo principal de la tabla. [2] Esta convención es completamente una cuestión de estética y practicidad de formato; una tabla periódica de formato ancho que rara vez se usa inserta las series 4f y 5f en sus lugares correspondientes, como partes de la sexta y séptima filas (puntos) de la tabla.
Actinio89C.A[227] | Torio90Th232.04 | Protactinio91Pensilvania231.04 | Uranio92U238.03 | Neptunio93Notario público[237] | Plutonio94Pu[244] | Americio95Soy[243] | Curio96Cm[247] | Berkelio97Bk[247] | Californio98Cf[251] | Einstenio99Es[252] | Fermio100Fm[257] | Mendelevio101Maryland[258] | Nobelio102No[259] | Lawrencio103Lr[266] |
Primordial De la decadencia Sintético El borde muestra la ocurrencia natural del elemento.
Descubrimiento, aislamiento y síntesis
Elemento | Año | Método |
---|---|---|
Neptunio | 1940 | Bombardeando 238 U por neutrones |
Plutonio | 1941 | Bombardeando 238 U de deuterons |
Americio | 1944 | Bombardeando 239 Pu por neutrones |
Curio | 1944 | Bombardeo de 239 Pu con partículas α |
Berkelio | 1949 | Bombardeo de 241 Am con partículas α |
Californio | 1950 | Bombardeando 242 Cm por partículas α |
Einstenio | 1952 | Como producto de una explosión nuclear. |
Fermio | 1952 | Como producto de una explosión nuclear. |
Mendelevio | 1955 | Bombardeo de 253 Es con partículas α |
Nobelio | 1965 | Bombardeando 243 Am por 15 N o 238 U con 22 Ne |
Lawrencio | 1961 -1971 | Bombardeo de 252 Cf por 10 B o 11 B y de 243 Am con 18 O |
Como los lantánidos , los actínidos forman una familia de elementos con propiedades similares. Dentro de los actínidos, hay dos grupos superpuestos: elementos transuránicos , que siguen al uranio en la tabla periódica ; y elementos de transplutonio , que siguen al plutonio. En comparación con los lantánidos, que (excepto el prometio ) se encuentran en la naturaleza en cantidades apreciables, la mayoría de los actínidos son raros. La mayoría no se encuentran en la naturaleza, y de los que sí lo hacen, solo el torio y el uranio lo hacen en cantidades más que trazas. Los actínidos más abundantes o de fácil síntesis son el uranio y el torio, seguidos del plutonio, americio, actinio, protactinio, neptunio y curio. [12]
La existencia de elementos transuránicos fue sugerida en 1934 por Enrico Fermi , basándose en sus experimentos. [13] [14] Sin embargo, aunque se conocían cuatro actínidos en ese momento, aún no se sabía que formaban una familia similar a los lantánidos. La opinión predominante que dominó las primeras investigaciones sobre transuránicos fue que eran elementos regulares en el séptimo período, con torio, protactinio y uranio correspondientes al hafnio , tantalio y tungsteno del sexto período , respectivamente. La síntesis de transuránicos socavó gradualmente este punto de vista. En 1944, una observación de que el curio no mostraba estados de oxidación por encima de 4 (mientras que su supuesto homólogo del sexto período, el platino , puede alcanzar el estado de oxidación de 6) llevó a Glenn Seaborg a formular una " hipótesis de actínidos ". Los estudios de actínidos conocidos y los descubrimientos de otros elementos transuránicos proporcionaron más datos en apoyo de esta posición, pero la frase "hipótesis de actínidos" (la implicación es que una "hipótesis" es algo que no se ha probado de manera decisiva) siguió siendo un uso activo por parte de los científicos. hasta finales de la década de 1950. [15] [16]
En la actualidad, existen dos métodos principales para producir isótopos de elementos transplutonio: (1) irradiación de los elementos más ligeros con neutrones ; (2) irradiación con partículas cargadas aceleradas. El primer método es más importante para las aplicaciones, ya que solo la irradiación de neutrones utilizando reactores nucleares permite la producción de cantidades considerables de actínidos sintéticos; sin embargo, se limita a elementos relativamente ligeros. La ventaja del segundo método es que se pueden obtener elementos más pesados que el plutonio, así como isótopos deficientes en neutrones, que no se forman durante la irradiación con neutrones. [17]
En 1962-1966, hubo intentos en los Estados Unidos de producir isótopos de transplutonio utilizando una serie de seis explosiones nucleares subterráneas . Se extrajeron pequeñas muestras de roca del área de la explosión inmediatamente después de la prueba para estudiar los productos de la explosión, pero no se pudo detectar ningún isótopo con un número de masa superior a 257, a pesar de las predicciones de que dichos isótopos tendrían vidas medias relativamente largas de desintegración α . Esta no observación se atribuyó a la fisión espontánea debido a la gran velocidad de los productos y a otros canales de desintegración, como la emisión de neutrones y la fisión nuclear . [18]
Del actinio al uranio
El uranio y el torio fueron los primeros actínidos descubiertos . El uranio fue identificado en 1789 por el químico alemán Martin Heinrich Klaproth en el mineral de pitchblenda . Lo nombró por el planeta Urano , [8] que había sido descubierto ocho años antes. Klaproth pudo precipitar un compuesto amarillo (probablemente diuranato de sodio ) disolviendo la pecblenda en ácido nítrico y neutralizando la solución con hidróxido de sodio . Luego redujo el polvo amarillo obtenido con carbón y extrajo una sustancia negra que confundió con metal. [19] Sesenta años después, el científico francés Eugène-Melchior Péligot lo identificó como óxido de uranio. También aisló la primera muestra de uranio metálico calentando tetracloruro de uranio con potasio metálico . [20] La masa atómica del uranio se calculó entonces como 120, pero Dmitri Mendeleev en 1872 la corrigió a 240 usando sus leyes de periodicidad. Este valor fue confirmado experimentalmente en 1882 por K. Zimmerman. [21] [22]
El óxido de torio fue descubierto por Friedrich Wöhler en el mineral Thorianita , que se encontró en Noruega (1827). [23] Jöns Jacob Berzelius caracterizó este material con más detalle en 1828. Mediante la reducción del tetracloruro de torio con potasio, aisló el metal y lo nombró torio en honor al dios nórdico del trueno y el rayo Thor . [24] [25] El mismo método de aislamiento fue utilizado más tarde por Péligot para el uranio. [8]
El actinio fue descubierto en 1899 por André-Louis Debierne , un asistente de Marie Curie , en los residuos de pechblenda que quedan después de la eliminación del radio y el polonio. Describió la sustancia (en 1899) como similar al titanio [26] y (en 1900) como similar al torio. [27] Sin embargo, el descubrimiento del actinio por Debierne fue cuestionado en 1971 [28] y 2000, [29] argumentando que las publicaciones de Debierne en 1904 contradecían su trabajo anterior de 1899-1900. Esta opinión, en cambio, acredita el trabajo de 1902 de Friedrich Oskar Giesel , quien descubrió un elemento radiactivo llamado emanio que se comportaba de manera similar al lantano. El nombre actinio proviene del griego aktis, aktinos (ακτίς, ακτίνος), que significa haz o rayo. Este metal no se descubrió por su propia radiación, sino por la radiación de los productos secundarios. [30] [31] Debido a la estrecha similitud del actinio y el lantano y la baja abundancia, el actinio puro solo se pudo producir en 1950. El término actínido probablemente fue introducido por Victor Goldschmidt en 1937. [32] [33]
Protactinium fue posiblemente aislado en 1900 por William Crookes . [34] Fue identificado por primera vez en 1913, cuando Kasimir Fajans y Oswald Helmuth Göhring encontraron el isótopo de vida corta 234m Pa (vida media 1,17 minutos) durante sus estudios de la desintegración de 238 U. Llamaron al nuevo elemento brevium (del latín brevis que significa breve); [35] [36] el nombre fue cambiado a protoactinium (del griego πρῶτος + ἀκτίς que significa "primer elemento de viga") en 1918 cuando dos grupos de científicos, liderados por la austríaca Lise Meitner y Otto Hahn de Alemania y Frederick Soddy y John Cranston de Gran Bretaña, descubrieron de forma independiente los 231 Pa, mucho más longevos . El nombre se redujo a protactinio en 1949. Este elemento se caracterizó poco hasta 1960, cuando AG Maddock y sus colaboradores en el Reino Unido aislaron 130 gramos de protactinio de 60 toneladas de residuos que quedan después de la extracción de uranio de su mineral. [37]
Neptunio y superior
El neptunio (llamado así por el planeta Neptuno , el próximo planeta que sale de Urano, después del cual se nombró al uranio) fue descubierto por Edwin McMillan y Philip H. Abelson en 1940 en Berkeley, California . [38] Produjeron el isótopo 239 Np (vida media = 2,4 días) bombardeando uranio con neutrones lentos . [37] Fue el primer elemento transuránico producido sintéticamente. [39]
Los elementos transuránicos no se encuentran en cantidades considerables en la naturaleza y normalmente se sintetizan mediante reacciones nucleares realizadas con reactores nucleares. Por ejemplo, bajo irradiación con neutrones del reactor, el uranio-238 se convierte parcialmente en plutonio-239 :
Esta reacción de síntesis fue utilizada por Fermi y sus colaboradores en el diseño de los reactores ubicados en el Sitio Hanford , que produjeron cantidades significativas de plutonio-239 para las armas nucleares del Proyecto Manhattan y el arsenal nuclear de la posguerra de los Estados Unidos. [40]
Los actínidos con mayor número de masas se sintetizan bombardeando uranio, plutonio, curio y californio con iones de nitrógeno, oxígeno, carbono, neón o boro en un acelerador de partículas . Así, el nobelio se produjo bombardeando uranio-238 con neón-22 como
- .
Los primeros isótopos de elementos de transplutonio, americio-241 y curio-242 , fueron sintetizados en 1944 por Glenn T. Seaborg, Ralph A. James y Albert Ghiorso . [41] El curio-242 se obtuvo bombardeando plutonio-239 con partículas α de 32 MeV.
- .
Los isótopos americio-241 y curio-242 también se produjeron irradiando plutonio en un reactor nuclear. Este último elemento lleva el nombre de Marie Curie y su esposo Pierre, que se destacan por descubrir el radio y por su trabajo en radioactividad . [42]
El bombardeo de curio-242 con partículas α resultó en un isótopo de californio 245 Cf (1950), y un procedimiento similar produjo en 1949 berkelio-243 a partir de americio-241. [43] Los nuevos elementos fueron nombrados en honor a Berkeley, California , por analogía con su homólogo de lantánidos terbio , que lleva el nombre de la aldea de Ytterby en Suecia. [44]
En 1945, BB Cunningham obtuvo el primer compuesto químico a granel de un elemento transplutonio, a saber, hidróxido de americio . [45] Durante los pocos años, se acumularon cantidades de miligramos de americio y microgramos de curio que permitieron la producción de isótopos de berkelio (Thomson, 1949) [46] [47] y californio (Thomson, 1950). [48] [49] [50] Cantidades considerables de estos elementos se produjeron en 1958 (Burris B. Cunningham y Stanley G. Thomson), [51] y el primer compuesto de californio (0,3 µg de CfOCl) fue obtenido en 1960 por BB Cunningham y JC Wallmann. [52]
El einstenio y el fermio se identificaron en 1952-1953 como consecuencia de la prueba nuclear " Ivy Mike " (1 de noviembre de 1952), la primera prueba exitosa de una bomba de hidrógeno. La exposición instantánea del uranio-238 a un gran flujo de neutrones resultante de la explosión produjo isótopos pesados de uranio, incluidos uranio-253 y uranio-255, y su desintegración β produjo einstenio-253 y fermio-255 . El descubrimiento de los nuevos elementos y los nuevos datos sobre la captura de neutrones se mantuvieron inicialmente en secreto por orden del ejército estadounidense hasta 1955 debido a las tensiones de la Guerra Fría . [9] [53] Sin embargo, el equipo de Berkeley pudo preparar einstenio y fermio por medios civiles, mediante el bombardeo de neutrones de plutonio-239, y publicó este trabajo en 1954 con la advertencia de que no eran los primeros estudios que se habían realizado. llevado a cabo sobre esos elementos. [54] [55] Los estudios "Ivy Mike" fueron desclasificados y publicados en 1955. [53] Las primeras cantidades significativas (submicrogramos) de einstenio fueron producidas en 1961 por Cunningham y sus colegas, pero esto aún no se ha hecho para el fermio. [56]
El primer isótopo de mendelevio, 256 Md (vida media 87 min), fue sintetizado por Albert Ghiorso, Glenn T. Seaborg, Gregory R. Choppin, Bernard G. Harvey y Stanley G. Thompson cuando bombardearon un objetivo de 253 Es con alfa partículas en el ciclotrón de 60 pulgadas del Laboratorio de Radiación de Berkeley ; este fue el primer isótopo de cualquier elemento que se sintetizó un átomo a la vez. [57]
Hubo varios intentos de obtener isótopos de nobelio por parte de los grupos sueco (1957) y estadounidense (1958), pero el primer resultado confiable fue la síntesis de 256 No por parte del grupo ruso ( Georgy Flyorov et al. ) En 1965, como reconoció el IUPAC en 1992. En sus experimentos, Flyorov et al. uranio-238 bombardeado con neón-22. [10]
En 1961, Ghiorso et al. obtuvo el primer isótopo de lawrencio irradiando californio (principalmente californio-252 ) con iones boro-10 y boro-11 . [10] El número de masa de este isótopo no estaba claramente establecido (posiblemente 258 o 259) en ese momento. En 1965, Flyorov et al. Sintetizaron 256 Lr . de 243 Am y 18 O . Así, la IUPAC reconoció a los equipos de física nuclear de Dubna y Berkeley como los co-descubridores del lawrencium.
Isótopos
Propiedades nucleares de los isótopos de los isótopos de transplutonio más importantes [58] [59] [60] | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Isótopo | Media vida | Probabilidad de fisión espontánea en% | Energía de emisión (MeV) (rendimiento en%) | Actividad específica (Bq / kg) [61] de | ||
α | γ | partículas α, β | fisión | |||
241 am | 432,2 (7) años | 4,3 (18) × 10 −10 | 5.485 (84.8) 5.442 (13.1) 5.388 (1.66) | 0,059 (35,9) 0,026 (2,27) | 1,27 × 10 14 | 546,1 |
243 am | 7,37 (4) × 10 3 y | 3,7 (2) × 10 −9 | 5.275 (87.1) 5.233 (11.2) 5.181 (1.36) | 0,074 (67,2) 0,043 (5,9) | 7,39 × 10 12 | 273,3 |
242 Cm | 162,8 (2) d | 6,2 (3) × 10 −6 | 6.069 (25.92) 6.112 (74.08) | 0,044 (0,04) 0,102 (4 × 10 −3 ) | 1,23 × 10 17 | 7,6 × 10 9 |
244 cm | 18,10 (2) años | 1,37 (3) × 10 −4 | 5.762 (23.6) 5.804 (76.4) | 0,043 (0,02) 0,100 (1,5 × 10 −3 ) | 2,96 × 10 15 | 4,1 × 10 9 |
245 cm | 8,5 (1) × 10 3 y | 6,1 (9) × 10 −7 | 5,529 (0,58) 5,488 (0,83) 5,361 (93,2) | 0,175 (9,88) 0,133 (2,83) | 6,35 × 10 12 | 3.9 × 10 4 |
246 cm | 4,76 (4) × 10 3 y | 0.02615 (7) | 5.343 (17.8) 5.386 (82.2) | 0,045 (19) | 1,13 × 10 13 | 2,95 × 10 9 |
247 cm | 1,56 (5) × 10 7 y | - | 5.267 (13.8) 5.212 (5.7) 5.147 (1.2) | 0,402 (72) 0,278 (3,4) | 3,43 × 10 9 | - |
248 cm | 3,48 (6) × 10 5 y | 8,39 (16) | 5,034 (16,52) 5,078 (75) | - | 1,40 × 10 11 | 1,29 × 10 10 |
249 Bk | 330 (4) d | 4,7 (2) × 10 −8 | 5.406 (1 × 10 −3 ) 5.378 (2.6 × 10 −4 ) | 0,32 (5,8 × 10 −5 ) | 5,88 × 10 16 | 2,76 × 10 7 |
249 Cf | 351 (2) años | 5,0 (4) × 10 −7 | 6,193 (2,46) 6,139 (1,33) 5,946 (3,33) | 0,388 (66) 0,333 (14,6) | 1,51 × 10 14 | 7.57 × 10 5 |
250 Cf | 13.08 (9) años | 0.077 (3) | 5,988 (14,99) 6,030 (84,6) | 0,043 | 4.04 × 10 15 | 3,11 × 10 12 |
251 Cf | 900 (40) años | ? | 6,078 (2,6) 5,567 (0,9) 5,569 (0,9) | 0,177 (17,3) 0,227 (6,8) | 5,86 × 10 13 | - |
252 Cf | 2.645 (8) años | 3.092 (8) | 6.075 (15.2) 6.118 (81.6) | 0,042 (1,4 × 10 -2 ) 0,100 (1,3 × 10 -2 ) | 1,92 × 10 16 | 6,14 × 10 14 |
254 Cf | 60,5 (2) d | ≈100 | 5,834 (0,26) 5,792 (5,3 × 10 −2 ) | - | 9,75 × 10 14 | 3,13 × 10 17 |
253 Es | 20,47 (3) d | 8,7 (3) × 10 −6 | 6.540 (0.85) 6.552 (0.71) 6.590 (6.6) | 0,387 (0,05) 0,429 (8 × 10 −3 ) | 9,33 × 10 17 | 8.12 × 10 10 |
254 Es | 275,7 (5) d | <3 × 10 −6 | 6,347 (0,75) 6,358 (2,6) 6,415 (1,8) | 0,042 (100) 0,034 (30) | 6,9 × 10 16 | - |
255 Es | 39,8 (12) días | 0,0041 (2) | 6,267 (0,78) 6,401 (7) | - | 4,38 × 10 17 (β) 3,81 × 10 16 (α) | 1,95 × 10 13 |
255 Fm | 20.07 (7) h | 2,4 (10) × 10 −5 | 7.022 (93.4) 6.963 (5.04) 6.892 (0.62) | 0,00057 (19,1) 0,081 (1) | 2,27 × 10 19 | 5,44 × 10 12 |
256 Fm | 157,6 (13) min | 91,9 (3) | 6,872 (1,2) 6,917 (6,9) | - | 1,58 × 10 20 | 1,4 × 10 19 |
257 Fm | 100,5 (2) d | 0,210 (4) | 6,752 (0,58) 6,695 (3,39) 6,622 (0,6) | 0,241 (11) 0,179 (8,7) | 1,87 × 10 17 | 3,93 × 10 14 |
256 Md | 77 (2) min | - | 7,142 (1,84) 7,206 (5,9) | - | 3,53 × 10 20 | - |
257 Md | 5,52 (5) horas | - | 7.074 (14) | 0,371 (11,7) 0,325 (2,5) | 8,17 × 10 19 | - |
258 Md | 51,5 (3) d | - | 6,73 | - | 3,64 × 10 17 | - |
255 No | 3,1 (2) min | - | 8,312 (1,16) 8,266 (2,6) 8,121 (27,8) | 0,187 (3,4) | 8,78 × 10 21 | - |
259 No | 58 (5) min | - | 7,455 (9,8) 7,500 (29,3) 7,533 (17,3) | - | 4,63 × 10 20 | - |
256 Lr | 27 (3) s | <0.03 | 8,319 (5,4) 8,390 (16) 8,430 (33) | - | 5,96 × 10 22 | - |
257 Lr | 646 (25) ms | - | 8,796 (18) 8,861 (82) | - | 1,54 × 10 24 | - |
En 2016 se identificaron 32 isótopos de actinio y ocho estados isoméricos excitados de algunos de sus nucleidos. [58] Se encontraron tres isótopos, 225 Ac , 227 Ac y 228 Ac , en la naturaleza y los otros se produjeron en el laboratorio; en las aplicaciones solo se utilizan los tres isótopos naturales. El actinio-225 es un miembro de la serie del neptunio radiactivo ; [62] Fue descubierto por primera vez en 1947 como un producto de desintegración del uranio-233 , es un emisor α con una vida media de 10 días. El actinio-225 está menos disponible que el actinio-228, pero es más prometedor en aplicaciones de radiotrazadores. [31] El actinio-227 (vida media 21,77 años) se encuentra en todos los minerales de uranio, pero en pequeñas cantidades. Un gramo de uranio (en equilibrio radiactivo) contiene solo 2 × 10 - 10 gramos de 227 Ac. [31] [58] El actinio-228 es un miembro de la serie del torio radiactivo formada por la desintegración de 228 Ra ; [62] que es un β - emisor con una vida media de 6,15 horas. En una tonelada de torio hay 5 × 10 - 8 gramos de 228 Ac. Fue descubierto por Otto Hahn en 1906. [31]
Hay 31 isótopos conocidos de torio que varían en número de masa de 208 a 238. [58] De estos, el más longevo es 232 Th, cuya vida media de1,4 × 10 10 años significa que todavía existe en la naturaleza como un nucleido primordial . El siguiente más longevo es 230 Th, un producto de desintegración intermedio de 238 U con una vida media de 75.400 años. Varios otros isótopos de torio tienen vidas medias de un día; todos estos también son transitorios en las cadenas de desintegración de 232 Th, 235 U y 238 U.
Se conocen 28 isótopos de protactinio con números de masa 212-239 [58] , así como tres estados isoméricos excitados . Solo se han encontrado 231 Pa y 234 Pa en la naturaleza. Todos los isótopos tienen una vida útil corta, excepto el protactinio-231 (vida media 32.760 años). Los isótopos más importantes son 231 Pa y 233 Pa , que es un producto intermedio en la obtención de uranio-233 y es el más asequible entre los isótopos artificiales de protactinio. El 233 Pa tiene una vida media conveniente y la energía de la radiación γ y , por lo tanto, se utilizó en la mayoría de los estudios de química del protactinio. El protactinio-233 es un emisor β con una vida media de 26,97 días. [58] [63]
Hay 26 isótopos conocidos de uranio , con números de masa 215–242 (excepto 220 y 241). [59] Tres de ellos, 234 U , 235 U y 238 U, están presentes en cantidades apreciables en la naturaleza. Entre otros, el más importante es el 233 U, que es un producto final de la transformación del 232 Th irradiado por neutrones lentos. 233 U tiene una eficiencia de fisión mucho más alta por neutrones de baja energía (térmicos), en comparación, por ejemplo, con 235 U. La mayoría de los estudios de química del uranio se llevaron a cabo con uranio-238 debido a su larga vida media de 4,4 × 10 9 años. [64]
Hay 24 isótopos de neptunio con números de masa de 219, 220 y 223–244; [59] todos son altamente radiactivos. Los más populares entre los científicos son los 237 Np de larga duración (t 1/2 = 2,20 × 10 6 años) y los de corta duración 239 Np, 238 Np (t 1/2 ~ 2 días). [39]
Se conocen dieciocho isótopos de americio con números de masa de 229 a 247 (con la excepción de 231). [59] Los más importantes son 241 Am y 243 Am, que son emisores alfa y también emiten rayos γ suaves pero intensos; ambos pueden obtenerse en forma isotópicamente pura. Las propiedades químicas del americio se estudiaron primero con 241 Am, pero luego se cambiaron a 243 Am, que es casi 20 veces menos radiactivo. La desventaja de 243 Am es la producción del isótopo hijo de vida corta 239 Np, que debe tenerse en cuenta en el análisis de datos. [sesenta y cinco]
Entre los 19 isótopos de curio , que varían en número de masa de 233 a 251, [59] los más accesibles son 242 Cm y 244 Cm; son emisores α, pero con una vida útil mucho más corta que los isótopos de americio. Estos isótopos casi no emiten radiación γ, pero sufren una fisión espontánea con la emisión asociada de neutrones. Los isótopos de curio de vida más larga ( 245–248 Cm, todos emisores α) se forman como una mezcla durante la irradiación neutrónica de plutonio o americio. Tras una irradiación corta, esta mezcla está dominada por 246 cm, y luego comienzan a acumularse 248 cm. Ambos isótopos, especialmente 248 Cm, tienen una vida media más larga (3,48 × 10 5 años) y son mucho más convenientes para realizar investigaciones químicas que 242 Cm y 244 Cm, pero también tienen una tasa bastante alta de fisión espontánea. . 247 Cm tiene la vida útil más larga entre los isótopos de curio (1,56 × 10 7 años), pero no se forma en grandes cantidades debido a la fuerte fisión inducida por neutrones térmicos.
Se identificaron diecisiete isótopos de berkelio con números de masa 233-234, 236, 238 y 240-252. [59] Solo 249 Bk está disponible en grandes cantidades; tiene una vida media relativamente corta de 330 días y emite principalmente partículas β blandas , que son inconvenientes para la detección. Su radiación alfa es bastante débil (1,45 × 10 - 3 % con respecto a la radiación β), pero a veces se utiliza para detectar este isótopo. 247 Bk es un emisor alfa con una vida media larga de 1.380 años, pero es difícil de obtener en cantidades apreciables; no se forma tras la irradiación neutrónica de plutonio debido a la estabilidad β de los isótopos de los isótopos de curio con un número de masa inferior a 248. [65]
Los 20 isótopos de californio con números de masa 237-256 se forman en reactores nucleares; [59] el californio-253 es un emisor β y el resto son emisores α. Los isótopos con números de masa pares ( 250 Cf, 252 Cf y 254 Cf) tienen una alta tasa de fisión espontánea, especialmente 254 Cf de los cuales el 99,7% se desintegra por fisión espontánea. El californio-249 tiene una vida media relativamente larga (352 años), una fisión espontánea débil y una fuerte emisión de γ que facilita su identificación. 249 Cf no se forma en grandes cantidades en un reactor nuclear debido a la lenta desintegración β del isótopo principal 249 Bk y una gran sección transversal de interacción con neutrones, pero puede acumularse en la forma isotópicamente pura como desintegración β producto de (preseleccionado) 249 Bk. El californio producido por la irradiación de plutonio en el reactor consiste principalmente en 250 Cf y 252 Cf, siendo este último predominante para las grandes fluencias de neutrones, y su estudio se ve obstaculizado por la fuerte radiación de neutrones. [66]
Isótopo padre | t 1/2 | Isótopo hija | t 1/2 | Es hora de establecer el equilibrio radiactivo |
---|---|---|---|---|
243 am | 7370 años | 239 Np | 2,35 días | 47,3 días |
245 cm | 8265 años | 241 Pu | 14 años | 129 años |
247 cm | 1,64 × 10 7 años | 243 Pu | 4,95 horas | 7,2 días |
254 Es | 270 días | 250 Bk | 3,2 horas | 35,2 horas |
255 Es | 39,8 días | 255 Fm | 22 horas | 5 dias |
257 Fm | 79 días | 253 Cf | 17,6 días | 49 días |
Entre los 18 isótopos conocidos de einstenio con números de masa de 240 a 257, [59] el más asequible es 253 Es. Es un emisor α con una vida media de 20,47 días, una emisión γ relativamente débil y una tasa de fisión espontánea pequeña en comparación con los isótopos del californio. La irradiación prolongada de neutrones también produce un isótopo de larga vida 254 Es (t 1/2 = 275,5 días). [66]
Se conocen veinte isótopos de fermio con números de masa de 241-260. 254 Fm, 255 Fm y 256 Fm son emisores α con una vida media corta (horas), que pueden aislarse en cantidades significativas. Se pueden acumular 257 Fm (t 1/2 = 100 días) tras una irradiación intensa y prolongada. Todos estos isótopos se caracterizan por altas tasas de fisión espontánea. [66] [68]
Entre los 17 isótopos conocidos de mendelevio (números de masa de 244 a 260), [59] el más estudiado es 256 Md, que se desintegra principalmente a través de la captura de electrones (la radiación α es ≈10%) con una vida media de 77 minutos. . Otro emisor alfa, 258 Md, tiene una vida media de 53 días. Ambos isótopos se producen a partir de einstenio poco común ( 253 Es y 255 Es respectivamente), lo que limita su disponibilidad. [58]
Los isótopos de vida larga del nobelio y los isótopos de lawrencio (y de los elementos más pesados) tienen vidas medias relativamente cortas. Para el nobelio, se conocen 11 isótopos con números de masa 250-260 y 262. Las propiedades químicas del nobelio y el lawrencio se estudiaron con 255 No (t 1/2 = 3 min) y 256 Lr (t 1/2 = 35 s). El isótopo de nobelio de vida más larga, 259 No, tiene una vida media de aproximadamente 1 hora. [58] Lawrencium tiene 13 isótopos conocidos con números de masa 251-262 y 266. El más estable de todos ellos es 266 Lr con una vida media de 11 horas.
Entre todos estos, los únicos isótopos que ocurren en cantidades suficientes en la naturaleza para ser detectados en algo más que trazas y tienen una contribución medible a los pesos atómicos de los actínidos son los primordiales 232 Th, 235 U y 238 U, y tres productos de desintegración de larga duración del uranio natural, 230 Th, 231 Pa y 234 U. El torio natural consta de 0,02 (2)% 230 Th y 99,98 (2)% 232 Th; el protactinio natural consiste en un 100% de 231 Pa; y el uranio natural se compone de 0,0054 (5)% 234 U, 0,7204 (6)% 235 U y 99,2742 (10)% 238 U. [69]
Formación en reactores nucleares
La figura de acumulación de actínidos es una tabla de nucleidos con el número de neutrones en el eje horizontal (isótopos) y el número de protones en el eje vertical (elementos). El punto rojo divide los nucleidos en dos grupos, por lo que la figura es más compacta. Cada nucleido está representado por un cuadrado con el número de masa del elemento y su tiempo medio. [70] Los isótopos de actínidos existentes de forma natural (Th, U) están marcados con un borde en negrita, los emisores alfa tienen un color amarillo y los emisores beta tienen un color azul. El rosa indica captura de electrones ( 236 Np), mientras que el blanco representa un estado metaestable de larga duración ( 242 Am).
La formación de nucleidos de actínidos se caracteriza principalmente por: [71]
- Reacciones de captura de neutrones (n, γ), que se representan en la figura con una flecha derecha corta.
- También se tienen en cuenta las reacciones (n, 2n) y las reacciones (γ, n) que ocurren con menor frecuencia, ambas marcadas con una flecha izquierda corta.
- Incluso más raramente y solo desencadenada por neutrones rápidos, se produce la reacción (n, 3n), que se representa en la figura con un ejemplo, marcado por una flecha izquierda larga.
Además de estas reacciones nucleares inducidas por neutrones o rayos gamma, la conversión radiactiva de nucleidos de actínidos también afecta el inventario de nucleidos en un reactor. Estos tipos de deterioro están marcados en la figura con flechas diagonales. La desintegración beta menos , marcada con una flecha que apunta hacia arriba a la izquierda, juega un papel importante en el equilibrio de las densidades de partículas de los nucleidos. Los nucleidos que se desintegran por emisión de positrones (desintegración beta-plus) o captura de electrones (ϵ) no ocurren en un reactor nuclear excepto como productos de reacciones de knockout; sus desintegraciones están marcadas con flechas que apuntan hacia abajo a la derecha. Debido a la larga vida media de los nucleidos dados, la desintegración alfa casi no juega ningún papel en la formación y desintegración de los actínidos en un reactor de potencia, ya que el tiempo de residencia del combustible nuclear en el núcleo del reactor es bastante corto (unos pocos años ). Las excepciones son los dos nucleidos de vida relativamente corta 242 Cm (T 1/2 = 163 d) y 236 Pu (T 1/2 = 2,9 y). Solo para estos dos casos, la desintegración α está marcada en el mapa de nucleidos con una flecha larga que apunta hacia abajo a la izquierda.
Distribución en la naturaleza
El torio y el uranio son los actínidos más abundantes en la naturaleza con las respectivas concentraciones de masa de 16 ppm y 4 ppm. [72] El uranio se encuentra principalmente en la corteza terrestre como una mezcla de sus óxidos en el mineral uraninita , que también se llama pechblenda debido a su color negro. Hay varias docenas de otros minerales de uranio como la carnotita (KUO 2 VO 4 · 3H 2 O) y la autunita (Ca (UO 2 ) 2 (PO 4 ) 2 · nH 2 O). La composición isotópica del uranio natural es 238 U (abundancia relativa 99,2742%), 235 U (0,7204%) y 234 U (0,0054%); de estos, 238 U tiene la vida media más grande de 4,51 × 10 9 años. [73] [74] La producción mundial de uranio en 2009 ascendió a 50 572 toneladas , de las cuales el 27,3% se extrajo en Kazajstán . Otros importantes países mineros de uranio son Canadá (20,1%), Australia (15,7%), Namibia (9,1%), Rusia (7,0%) y Níger (6,4%). [75]
Mineral | Localización | Contenido de uranio ,% | Relación de masa 239 Pu / mineral | Relación 239 Pu / U ( × 10 12 ) |
---|---|---|---|---|
Uraninita | Canadá | 13,5 | 9,1 × 10 - 12 | 7.1 |
Uraninita | Congo | 38 | 4.8 × 10 - 12 | 12 |
Uraninita | Colorado , Estados Unidos | 50 | 3.8 × 10 - 12 | 7.7 |
Monacita | Brasil | 0,24 | 2,1 × 10 - 14 | 8.3 |
Monacita | Carolina del Norte , EE. UU. | 1,64 | 5,9 × 10 - 14 | 3.6 |
Fergusonita | - | 0,25 | <1 × 10 - 14 | <4 |
Carnotita | - | 10 | <4 × 10 - 14 | <0,4 |
Los minerales de torio más abundantes son la torianita (ThO 2 ), la torita (ThSiO 4 ) y la monacita , ((Th, Ca, Ce) PO 4 ). La mayoría de los minerales de torio contienen uranio y viceversa; y todos tienen una fracción significativa de lantánidos. Los ricos depósitos de minerales de torio se encuentran en los Estados Unidos (440.000 toneladas), Australia e India (~ 300.000 toneladas cada uno) y Canadá (~ 100.000 toneladas). [77]
La abundancia de actinio en la corteza terrestre es solo de 5 × 10 - 15 %. [63] El actinio está presente principalmente en los minerales que contienen uranio, pero también en otros minerales, aunque en cantidades mucho más pequeñas. El contenido de actinio en la mayoría de los objetos naturales corresponde al equilibrio isotópico del isótopo principal 235 U, y no se ve afectado por la débil migración de Ac. [31] El protactinio es más abundante ( 10-12 %) en la corteza terrestre que el actinio. Fue descubierto en el mineral de uranio en 1913 por Fajans y Göhring. [35] Como actinio, la distribución de protactinio sigue a la de 235 U. [63]
La vida media del isótopo más longevo del neptunio, 237 Np , es insignificante en comparación con la edad de la Tierra. Por tanto, el neptunio está presente en la naturaleza en cantidades insignificantes producidas como productos de desintegración intermedios de otros isótopos. [39] Las trazas de plutonio en minerales de uranio se encontraron por primera vez en 1942, y los resultados más sistemáticos sobre 239 Pu se resumen en la tabla (no se pudieron detectar otros isótopos de plutonio en esas muestras). El límite superior de abundancia del isótopo más longevo del plutonio, 244 Pu, es 3 × 10 - 20 %. No se pudo detectar plutonio en muestras de suelo lunar. Debido a su escasez en la naturaleza, la mayor parte del plutonio se produce sintéticamente. [76]
Extracción
Debido a la escasa abundancia de actínidos, su extracción es un proceso complejo de varios pasos. Normalmente se utilizan fluoruros de actínidos porque son insolubles en agua y pueden separarse fácilmente con reacciones redox . Los fluoruros se reducen con calcio , magnesio o bario : [78]
Entre los actínidos, el torio y el uranio son los más fáciles de aislar. El torio se extrae principalmente de la monacita : el pirofosfato de torio (ThP 2 O 7 ) se hace reaccionar con ácido nítrico y el nitrato de torio producido se trata con tributilfosfato . Las impurezas de tierras raras se separan aumentando el pH en la solución de sulfato. [78]
En otro método de extracción, la monacita se descompone con una solución acuosa al 45% de hidróxido de sodio a 140 ° C. Los hidróxidos metálicos mixtos se extraen primero, se filtran a 80 ° C, se lavan con agua y se disuelven con ácido clorhídrico concentrado . A continuación, la solución ácida se neutraliza con hidróxidos a pH = 5,8 que da como resultado la precipitación de hidróxido de torio (Th (OH) 4 ) contaminado con ~ 3% de hidróxidos de tierras raras; el resto de hidróxidos de tierras raras permanece en solución. El hidróxido de torio se disuelve en un ácido inorgánico y luego se purifica de los elementos de tierras raras . Un método eficaz es la disolución de hidróxido de torio en ácido nítrico, porque la solución resultante puede purificarse mediante extracción con disolventes orgánicos: [78]
- Th (OH) 4 + 4 HNO 3 → Th (NO 3 ) 4 + 4 H 2 O
El torio metálico se separa del óxido, cloruro o fluoruro anhidro haciéndolo reaccionar con calcio en una atmósfera inerte: [80]
- ThO 2 + 2 Ca → 2 CaO + Th
A veces, el torio se extrae por electrólisis de un fluoruro en una mezcla de cloruro de sodio y potasio a 700–800 ° C en un crisol de grafito . El torio de alta pureza se puede extraer de su yoduro con el proceso de barra de cristal . [81]
El uranio se extrae de sus minerales de diversas formas. En un método, el mineral se quema y luego se hace reaccionar con ácido nítrico para convertir el uranio en un estado disuelto. El tratamiento de la solución con una solución de tributilfosfato (TBP) en queroseno transforma el uranio en una forma orgánica UO 2 (NO 3 ) 2 (TBP) 2 . Las impurezas insolubles se filtran y el uranio se extrae por reacción con hidróxidos como (NH 4 ) 2 U 2 O 7 o con peróxido de hidrógeno como UO 4 · 2H 2 O. [78]
Cuando el mineral de uranio es rico en minerales como dolomita , magnesita , etc., esos minerales consumen mucho ácido. En este caso, el método de carbonato se utiliza para la extracción de uranio. Su componente principal es una solución acuosa de carbonato de sodio , que convierte el uranio en un complejo [UO 2 (CO 3 ) 3 ] 4− , estable en soluciones acuosas a bajas concentraciones de iones hidróxido. Las ventajas del método del carbonato de sodio son que los productos químicos tienen baja corrosividad (en comparación con los nitratos) y que la mayoría de los metales distintos del uranio se precipitan de la solución. La desventaja es que los compuestos de uranio tetravalente también precipitan. Por lo tanto, el mineral de uranio se trata con carbonato de sodio a temperatura elevada y bajo presión de oxígeno:
- 2 UO 2 + O 2 + 6 CO2−
3→ 2 [UO 2 (CO 3 ) 3 ] 4−
Esta ecuación sugiere que el mejor disolvente para el procesamiento del carbonato de uranio es una mezcla de carbonato con bicarbonato. A pH alto, esto da como resultado la precipitación de diuranato, que se trata con hidrógeno en presencia de níquel produciendo un tetracarbonato de uranio insoluble. [78]
Otro método de separación utiliza resinas poliméricas como polielectrolito . Los procesos de intercambio de iones en las resinas dan como resultado la separación del uranio. El uranio de las resinas se lava con una solución de nitrato de amonio o ácido nítrico que produce nitrato de uranilo , UO 2 (NO 3 ) 2 · 6H 2 O.Cuando se calienta, se convierte en UO 3 , que se convierte en UO 2 con hidrógeno:
- UO 3 + H 2 → UO 2 + H 2 O
La reacción del dióxido de uranio con ácido fluorhídrico lo convierte en tetrafluoruro de uranio , que produce uranio metálico al reaccionar con magnesio metálico: [80]
- 4 HF + UO 2 → UF 4 + 2 H 2 O
Para extraer plutonio, se disuelve uranio irradiado con neutrones en ácido nítrico y se agrega un agente reductor ( FeSO 4 o H 2 O 2 ) a la solución resultante. Esta adición cambia el estado de oxidación del plutonio de +6 a +4, mientras que el uranio permanece en forma de nitrato de uranilo (UO 2 (NO 3 ) 2 ). La solución se trata con un agente reductor y se neutraliza con carbonato de amonio a pH = 8, lo que da como resultado la precipitación de compuestos de Pu 4+ . [78]
En otro método, Pu 4+ y UO2+
2primero se extraen con tributilfosfato, luego se hacen reaccionar con hidrazina lavando el plutonio recuperado. [78]
La principal dificultad en la separación del actinio es la similitud de sus propiedades con las del lantano. Por tanto, el actinio se sintetiza en reacciones nucleares a partir de isótopos de radio o se separa mediante procedimientos de intercambio iónico. [31]
Propiedades
Los actínidos tienen propiedades similares a los lantánidos. Las capas electrónicas de 6 d y 7 s están llenas de actinio y torio, y la capa de 5 f se está llenando con un aumento adicional del número atómico; la cáscara de 4 f está llena de lantánidos. McMillan y Abelson obtuvieron la primera evidencia experimental del llenado de la capa 5 f en actínidos en 1940. [82] Como en los lantánidos (ver contracción de los lantánidos ), el radio iónico de los actínidos disminuye monótonamente con el número atómico (ver también el principio de Aufbau ). [83]
Elemento | C.A | Th | Pensilvania | U | Notario público | Pu | Soy | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Maryland | No | Lr |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Carga de núcleo ( Z ) | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 | 99 | 100 | 101 | 102 | 103 |
masa atomica | [227] | 232.0377 (4) | 231.03588 (2) | 238.02891 (3) | [237] | [244] | [243] | [247] | [247] | [251] | [252] | [257] | [258] | [259] | [266] |
Número de isótopos naturales [85] | 3 | 7 | 3 | 8 | 3 | 4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Isótopos naturales [85] [86] | 225, 227–228 | 227–232, 234 | 231, 233–234 | 233–240 | 237, 239–240 | 238–240, 244 | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
Isótopos de cantidad natural | - | 230, 232 | 231 | 234, 235, 238 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
Isótopo de vida más larga | 227 | 232 | 231 | 238 | 237 | 244 | 243 | 247 | 247 | 251 | 252 | 257 | 258 | 259 | 266 |
Vida media del isótopo de vida más larga | 21,8 años | 14 mil millones de años | 32.500 años | 4.47 mil millones de años | 2,14 millones de años | 80,8 millones de años | 7.370 años | 15,6 millones de años | 1.380 años | 900 años | 1,29 años | 100,5 días | 52 días | 58 min | 11 horas |
Isótopo más común | 227 | 232 | 231 | 238 | 237 | 239 | 241 | 244 | 249 | 252 | 253 | 255 | 256 | 255 | 260 |
Vida media del isótopo más común | 21,8 años | 14 mil millones de años | 32.500 años | 4.47 mil millones de años | 2,14 millones de años | 24.100 años | 433 años | 18,1 años | 320 días | 2,64 años | 20,47 días | 20.07 horas | 78 min | 3,1 min | 2,7 min |
Configuración electrónica en estado fundamental (fase gaseosa) | 6d 1 7s 2 | 6d 2 7s 2 | 5f 2 6d 1 7s 2 | 5f 3 6d 1 7s 2 | 5f 4 6d 1 7s 2 | 5f 6 7s 2 | 5f 7 7s 2 | 5f 7 6d 1 7s 2 | 5f 9 7s 2 | 5f 10 7s 2 | 5f 11 7s 2 | 5f 12 7s 2 | 5f 13 7s 2 | 5f 14 7s 2 | 5f 14 7s 2 7p 1 |
Estados de oxidación | 2, 3 | 2, 3, 4 | 2, 3, 4, 5 | 2, 3, 4, 5, 6 | 3, 4, 5 , 6, 7 | 3, 4 , 5, 6, 7 | 2, 3 , 4, 5, 6, 7 | 2, 3 , 4, 6 | 2, 3 , 4 | 2, 3 , 4 | 2, 3 , 4 | 2, 3 | 2, 3 | 2 , 3 | 3 |
Radio metálico (nm) | 0,203 | 0,180 | 0,162 | 0,153 | 0,150 | 0,162 | 0,173 | 0,174 | 0,170 | 0,186 | 0,186 | ? 0,198 | ? 0,194 | ? 0,197 | ? 0,171 |
Radio iónico (nm): An 4+ An 3+ | - 0,126 | 0,114 - | 0.104 0.118 | 0.103 0.118 | 0.101 0.116 | 0,100 0,115 | 0,099 0,114 | 0,099 0,112 | 0,097 0,110 | 0,096 0,109 | 0,085 0,098 | 0,084 0,091 | 0,084 0,090 | 0,084 0,095 | 0,083 0,088 |
Temperatura (° C): fusión ebullición | 1050 3198 | 1842 4788 | 1568 ? 4027 | 1132.2 4131 | 639 ? 4174 | 639,4 3228 | 1176 ? 2607 | 1340 3110 | 986 2627 | 900 ? 1470 | 860 ? 996 | 1530 - | 830 - | 830 - | 1630 - |
Densidad, g / cm 3 | 10.07 | 11,78 | 15.37 | 19.06 | 20.45 | 19,84 | 11,7 | 13.51 | 14,78 | 15,1 | 8,84 | ? 9,7 | ? 10,3 | ? 9,9 | ? 14,4 |
Potencial de electrodo estándar (V): E ° (An 4+ / An 0 ) E ° (An 3+ / An 0 ) | - −2,13 | −1,83 - | −1,47 - | -1.38 -1.66 | -1.30 -1.79 | -1.25 -2.00 | −0,90 −2,07 | −0,75 −2,06 | −0,55 −1,96 | −0,59 −1,97 | −0,36 −1,98 | −0,29 −1,96 | - −1,74 | - −1,20 | - −2,10 |
Color: [M (H 2 O) n ] 4+ [M (H 2 O) n ] 3+ | - incoloro | Azul incoloro | Amarillo Azul oscuro | Verde Morado | Púrpura amarillo-verde | Violeta marrón | Rosa roja | Amarillo incoloro | Beige amarillo verdoso | Verde verde | - rosa | - - | - - | - - | - - |
Colores aproximados de los iones actínidos en solución acuosa Se desconocen los colores de los actínidos 100–103 ya que aún no se han sintetizado cantidades suficientes [87] | |||||||||||||||
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Actínido ( Z ) | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 | 99 | 100 | 101 | 102 | 103 |
Estado de oxidación | |||||||||||||||
+2 | FM 2+ | MD 2+ | No 2+ | ||||||||||||
+3 | Ac 3+ | Jue 3+ | Pa 3+ | U 3+ | Np 3+ | Pu 3+ | Soy 3+ | Cm 3+ | Bk 3+ | Cf 3+ | Es 3+ | FM 3+ | Md 3+ | No 3+ | Lr 3+ |
+4 | Ju 4+ | Pa 4+ | U 4+ | Np 4+ | Pu 4+ | Soy 4+ | Cm 4+ | Bk 4+ | Cf 4+ | ||||||
+5 | PaO+ 2 | UO+ 2 | NpO+ 2 | PuO+ 2 | AmO+ 2 | ||||||||||
+6 | UO2+ 2 | NpO2+ 2 | PuO2+ 2 | AmO2+ 2 | |||||||||||
+7 | NpO3+ 2 | PuO3+ 2 | AmO3− 5 |
Propiedades físicas
Principales estructuras cristalinas de algunos actínidos frente a temperatura | Radios metálicos e iónicos de actínidos [84] |
Los actínidos son metales típicos. Todos ellos son suaves y tienen un color plateado (pero se empañan con el aire), [88] densidad y plasticidad relativamente altas . Algunos de ellos se pueden cortar con un cuchillo. Su resistividad eléctrica varía entre 15 y 150 µOhm · cm. [84] La dureza del torio es similar a la del acero blando, por lo que el torio puro calentado se puede enrollar en láminas y enrollar en alambre. El torio es casi la mitad de denso que el uranio y el plutonio, pero es más duro que cualquiera de ellos. Todos los actínidos son radiactivos, paramagnéticos y, con la excepción del actinio, tienen varias fases cristalinas: el plutonio tiene siete y el uranio, neptunio y californio tres. Las estructuras cristalinas de protactinio, uranio, neptunio y de plutonio no tienen análogos claras entre los lantánidos y son más similares a los de las 3 d - metales de transición . [74]
Todos los actínidos son pirofóricos , especialmente cuando están finamente divididos, es decir, se encienden espontáneamente al reaccionar con el aire a temperatura ambiente. [88] [89] El punto de fusión de los actínidos no depende claramente del número de electrones f . El punto de fusión inusualmente bajo del neptunio y el plutonio (~ 640 ° C) se explica por la hibridación de los orbitales 5 f y 6 d y la formación de enlaces direccionales en estos metales. [74]
Lantánidos | Ln 3+ , Å | Actínidos | Un 3+ , Å | Un 4+ , Å |
---|---|---|---|---|
Lantano | 1.061 | Actinio | 1,11 | - |
Cerio | 1.034 | Torio | 1.08 | 0,99 |
Praseodimio | 1.013 | Protactinio | 1.05 | 0,93 |
Neodimio | 0,995 | Uranio | 1.03 | 0,93 |
Prometeo | 0,979 | Neptunio | 1.01 | 0,92 |
Samario | 0,964 | Plutonio | 1,00 | 0,90 |
Europio | 0,950 | Americio | 0,99 | 0,89 |
Gadolinio | 0,938 | Curio | 0,98 | 0,88 |
Terbio | 0,923 | Berkelio | - | - |
Disprosio | 0,908 | Californio | - | - |
Holmio | 0,894 | Einstenio | - | - |
Erbio | 0,881 | Fermio | - | - |
Tulio | 0,869 | Mendelevio | - | - |
Iterbio | 0,858 | Nobelio | - | - |
Lutecio | 0,848 | Lawrencio | - | - |
Propiedades químicas
Como los lantánidos, todos los actínidos son altamente reactivos con halógenos y calcógenos ; sin embargo, los actínidos reaccionan más fácilmente. Los actínidos, especialmente aquellos con una pequeña cantidad de 5 electrones f , son propensos a la hibridación . Esto se explica por la similitud de las energías de los electrones en las capas 5 f , 7 sy 6 d . La mayoría de los actínidos exhiben una mayor variedad de estados de valencia y los más estables son +6 para uranio, +5 para protactinio y neptunio, +4 para torio y plutonio y +3 para actinio y otros actínidos. [91]
El actinio es químicamente similar al lantano, lo que se explica por sus radios iónicos y estructuras electrónicas similares. Como el lantano, el actinio casi siempre tiene un estado de oxidación de +3 en los compuestos, pero es menos reactivo y tiene propiedades básicas más pronunciadas . Entre otros actínidos trivalentes, Ac 3+ es menos ácido, es decir, tiene la tendencia más débil a hidrolizarse en soluciones acuosas. [31] [74]
El torio es bastante activo químicamente. Debido a la falta de electrones en los orbitales 6 d y 5 f , los compuestos de torio tetravalente son incoloros. A pH <3, las soluciones de sales de torio están dominadas por los cationes [Th (H 2 O) 8 ] 4+ . El ion Th 4+ es relativamente grande y, dependiendo del número de coordinación, puede tener un radio entre 0,95 y 1,14 Å. Como resultado, las sales de torio tienen una tendencia débil a hidrolizarse. La capacidad distintiva de las sales de torio es su alta solubilidad tanto en agua como en disolventes orgánicos polares. [74]
El protactinio exhibe dos estados de valencia; el +5 es estable y el estado +4 se oxida fácilmente a protactinio (V). Así, el protactinio tetravalente en solución se obtiene mediante la acción de agentes reductores fuertes en una atmósfera de hidrógeno. El protactinio tetravalente es químicamente similar al uranio (IV) y al torio (IV). Los fluoruros, fosfatos, hipofosfato, yodato y fenilarsonatos de protactinio (IV) son insolubles en agua y ácidos diluidos. El protactinio forma carbonatos solubles. Las propiedades hidrolíticas del protactinio pentavalente son cercanas a las del tantalio (V) y el niobio (V). El complejo comportamiento químico del protactinio es consecuencia del inicio del llenado de la capa de 5 f en este elemento. [63]
El uranio tiene una valencia de 3 a 6, siendo la última la más estable. En estado hexavalente, el uranio es muy similar a los elementos del grupo 6 . Muchos compuestos de uranio (IV) y uranio (VI) no son estequiométricos , es decir, tienen una composición variable. Por ejemplo, la fórmula química real del dióxido de uranio es UO 2 + x , donde x varía entre −0,4 y 0,32. Los compuestos de uranio (VI) son oxidantes débiles . La mayoría de ellos contienen el grupo " uranilo " lineal , UO2+
2. Se pueden acomodar entre 4 y 6 ligandos en un plano ecuatorial perpendicular al grupo uranilo. El grupo uranilo actúa como un ácido duro y forma complejos más fuertes con ligandos donantes de oxígeno que con ligandos donantes de nitrógeno. NpO2+
2y PuO2+
2también son la forma común de Np y Pu en el estado de oxidación +6. Los compuestos de uranio (IV) exhiben propiedades reductoras, por ejemplo, se oxidan fácilmente con el oxígeno atmosférico. El uranio (III) es un agente reductor muy fuerte. Debido a la presencia de capa-d, el uranio (así como muchos otros actínidos) forma compuestos organometálicos , como U III (C 5 H 5 ) 3 y U IV (C 5 H 5 ) 4 . [74] [92]
El neptunio tiene estados de valencia de 3 a 7, que se pueden observar simultáneamente en soluciones. El estado más estable en solución es +5, pero se prefiere la valencia +4 en compuestos sólidos de neptunio. El metal neptunio es muy reactivo. Los iones de neptunio son propensos a la hidrólisis y a la formación de compuestos de coordinación . [39]
El plutonio también exhibe estados de valencia entre 3 y 7 inclusive, y por lo tanto es químicamente similar al neptunio y al uranio. Es muy reactivo y forma rápidamente una película de óxido en el aire. El plutonio reacciona con el hidrógeno incluso a temperaturas tan bajas como 25–50 ° C; también forma fácilmente haluros y compuestos intermetálicos . Las reacciones de hidrólisis de iones de plutonio de diferentes estados de oxidación son bastante diversas. El plutonio (V) puede entrar en reacciones de polimerización . [93] [94]
La mayor diversidad química entre los actínidos se observa en el americio, que puede tener valencia entre 2 y 6. El americio divalente se obtiene solo en compuestos secos y soluciones no acuosas ( acetonitrilo ). Los estados de oxidación +3, +5 y +6 son típicos de las soluciones acuosas, pero también en el estado sólido. El americio tetravalente forma compuestos sólidos estables (dióxido, fluoruro e hidróxido) así como complejos en soluciones acuosas. Se informó que en solución alcalina el americio se puede oxidar al estado heptavalente, pero estos datos resultaron erróneos. La valencia más estable de americio es 3 en las soluciones acuosas y 3 o 4 en compuestos sólidos. [95]
La valencia 3 es dominante en todos los elementos posteriores hasta el lawrencio (con la excepción del nobelio). El curio puede ser tetravalente en sólidos (fluoruro, dióxido). El berkelio, junto con una valencia de +3, también muestra la valencia de +4, más estable que la del curio; la valencia 4 se observa en fluoruro y dióxido sólidos. La estabilidad de Bk 4+ en solución acuosa es cercana a la de Ce 4+ . [96] Solo se observó valencia 3 para californio, einstenio y fermio. El estado divalente está probado para el mendelevio y el nobelio, y en el nobelio es más estable que el estado trivalente. Lawrencium muestra valencia 3 tanto en soluciones como en sólidos. [95]
El potencial redox aumenta de −0,32 V en uranio, pasando por 0,34 V (Np) y 1,04 V (Pu) a 1,34 V en americio, revelando la creciente capacidad de reducción del ion An 4+ del americio al uranio. Todos los actínidos forman hidruros de AnH 3 de color negro con propiedades salinas. Los actínidos también producen carburos con la fórmula general de AnC o AnC 2 (U 2 C 3 para uranio) así como sulfuros An 2 S 3 y AnS 2 . [91]
Nitrato de uranilo (UO 2 (NO 3 ) 2 )
Soluciones acuosas de sales de uranio III, IV, V, VI
Soluciones acuosas de sales de neptunio III, IV, V, VI, VII
Soluciones acuosas de sales de plutonio III, IV, V, VI, VII
Tetracloruro de uranio
Hexafluoruro de uranio
U 3 O 8 (torta amarilla)
Compuestos
Óxidos e hidróxidos
Compuesto | Color | Simetría cristalina, tipo | Constantes de celosía, Å | Densidad, g / cm 3 | Temperatura, ° C | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
a | B | C | |||||
Ac 2 O 3 | blanco | Hexagonal, La 2 O 3 | 4.07 | - | 6.29 | 9.19 | - |
PaO 2 | - | Cúbico, CaF 2 | 5.505 | - | - | - | - |
Pa 2 O 5 | blanco | cúbico, CaF 2 cúbico tetragonal hexagonal romboédrico ortorrómbico | 5.446 10.891 5.429 3.817 5.425 6.92 | - - - - - 4.02 | - 10.992 5.503 13,22 - 4. 18 | - | 700 700–1100 1000 1000–1200 1240–1400 - |
ThO 2 | Incoloro | Cúbico | 5,59 | - | - | 9,87 | - |
UO 2 | Marrón oscuro | Cúbico | 5.47 | - | - | 10,9 | - |
NpO 2 | Cafe verdoso | Cúbico, CaF 2 | 5.424 | - | - | 11,1 | - |
PuO | Negro | Cúbico, NaCl | 4,96 | - | - | 13,9 | - |
PuO 2 | Verde oliva | Cúbico | 5.39 | - | - | 11.44 | - |
Soy 2 O 3 | Marrón rojizo Marrón rojizo | Cúbico, Mn 2 O 3 Hexagonal, La 2 O 3 | 11.03 3.817 | - | - 5.971 | 10,57 11,7 | - |
AmO 2 | Negro | Cúbico, CaF 2 | 5.376 | - | - | - | - |
Cm 2 O 3 | Blanco [99] - - | Cúbico, Mn 2 O 2 Hexagonal, LaCl 3 Monoclínico , Sm 2 O 3 | 11.01 3.80 14.28 | - - 3,65 | - 6 8,9 | 11,7 | - |
CmO 2 | Negro | Cúbico, CaF 2 | 5.37 | - | - | - | - |
Bk 2 O 3 | Marrón claro | Cúbico, Mn 2 O 3 | 10.886 | - | - | - | - |
BkO 2 | Rojo marrón | Cúbico, CaF 2 | 5.33 | - | - | - | - |
Cf 2 O 3 [100] | Amarillento incoloro - | Cúbico, Mn 2 O 3 Monoclínico, Sm 2 O 3 Hexagonal, La 2 O 3 | 10,79 14,12 3,72 | - 3,59 - | - 8,80 5,96 | - | - |
CfO 2 | Negro | Cúbico | 5.31 | - | - | - | - |
Es 2 O 3 | - | Cúbico, Mn 2 O 3 Monoclínico Hexagonal, La 2 O 3 | 10,07 14,1 3,7 | - 3,59 - | - 8,80 6 | - | - |
Estado de oxidación | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 | 99 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
+3 | Pu 2 O 3 | Soy 2 O 3 | Cm 2 O 3 | Bk 2 O 3 | Cf 2 O 3 | Es 2 O 3 | |||||
+4 | ThO 2 | PaO 2 | UO 2 | NpO 2 | PuO 2 | AmO 2 | CmO 2 | BkO 2 | CfO 2 | ||
+5 | Pa 2 O 5 | U 2 O 5 | Np 2 O 5 | ||||||||
+ 5, + 6 | U 3 O 8 | ||||||||||
+6 | UO 3 |
Fórmula química | ThO 2 | PaO 2 | UO 2 | NpO 2 | PuO 2 | AmO 2 | CmO 2 | BkO 2 | CfO 2 |
Número CAS | 1314-20-1 | 12036-03-2 | 1344-57-6 | 12035-79-9 | 12059-95-9 | 12005-67-3 | 12016-67-0 | 12010-84-3 | 12015-10-0 |
Masa molar | 264.04 | 263.035 | 270.03 | 269.047 | 276.063 | 275.06 | 270–284 ** | 279.069 | 283.078 |
Punto de fusión [102] | 3390 ° C | 2865 ° C | 2547 ° C | 2400 ° C | 2175 ° C | ||||
Estructura cristalina | Un 4+ : __ / O 2− : __ | ||||||||
Grupo espacial | Fm 3 m | ||||||||
Número de coordinación | An [8], O [4] |
- An - actínido
** Dependiendo de los isótopos
Algunos actínidos pueden existir en varias formas de óxido, como An 2 O 3 , AnO 2 , An 2 O 5 y AnO 3 . Para todos los actínidos, los óxidos AnO 3 son anfóteros y An 2 O 3 , AnO 2 y An 2 O 5 son básicos, reaccionan fácilmente con el agua, formando bases: [91]
- An 2 O 3 + 3 H 2 O → 2 An (OH) 3 .
Estas bases son poco solubles en agua y por su actividad están próximas a los hidróxidos de metales de tierras raras. [91] Np (OH) 3 aún no se ha sintetizado, Pu (OH) 3 tiene un color azul, mientras que Am (OH) 3 es rosa y el hidróxido de curio Cm (OH) 3 es incoloro. [103] También se conocen Bk (OH) 3 y Cf (OH) 3 , así como hidróxidos tetravalentes para Np, Pu y Am y pentavalentes para Np y Am. [103]
La base más fuerte es de actinio. Todos los compuestos de actinio son incoloros, excepto el sulfuro de actinio negro (Ac 2 S 3 ). [91] Los dióxidos de actínidos tetravalentes cristalizan en el sistema cúbico , al igual que en el fluoruro de calcio .
El torio que reacciona con el oxígeno forma exclusivamente el dióxido:
El dióxido de torio es un material refractario con el punto de fusión más alto entre todos los óxidos conocidos (3390 ° C). [101] Agregar 0.8–1% ThO 2 al tungsteno estabiliza su estructura, por lo que los filamentos dopados tienen una mejor estabilidad mecánica a las vibraciones. Para disolver ThO 2 en ácidos, se calienta a 500–600 ° C; el calentamiento por encima de 600 ° C produce una forma de ThO 2 muy resistente a los ácidos y otros reactivos . La pequeña adición de iones de fluoruro cataliza la disolución del dióxido de torio en ácidos.
Se han obtenido dos óxidos de protactinio: PaO 2 (negro) y Pa 2 O 5 (blanco); el primero es isomorfo con ThO 2 y el segundo es más fácil de obtener. Ambos óxidos son básicos y el Pa (OH) 5 es una base débil y poco soluble. [91]
La descomposición de ciertas sales de uranio, por ejemplo UO 2 (NO 3 ) · 6H 2 O en el aire a 400 ° C, produce UO 3 naranja o amarillo . [101] Este óxido es anfótero y forma varios hidróxidos, siendo el más estable el hidróxido de uranilo UO 2 (OH) 2 . La reacción del óxido de uranio (VI) con hidrógeno da como resultado dióxido de uranio, que es similar en sus propiedades al ThO 2 . Este óxido también es básico y corresponde al hidróxido de uranio (U (OH) 4 ). [91]
El plutonio, neptunio y americio forman dos óxidos básicos: An 2 O 3 y AnO 2 . El trióxido de neptunio es inestable; por tanto, hasta ahora sólo se pudo obtener Np 3 O 8 . Sin embargo, los óxidos de plutonio y neptunio con la fórmula química AnO 2 y An 2 O 3 están bien caracterizados. [91]
Sales
Fórmula química | AcCl 3 | UCl 3 | NpCl 3 | PuCl 3 | AmCl 3 | CmCl 3 | BkCl 3 | CfCl 3 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Número CAS | 22986-54-5 | 10025-93-1 | 20737-06-8 | 13569-62-5 | 13464-46-5 | 13537-20-7 | 13536-46-4 | 13536-90-8 |
Masa molar | 333.386 | 344.387 | 343.406 | 350,32 | 349,42 | 344–358 ** | 353.428 | 357.438 |
Punto de fusion | 837 ° C | 800 ° C | 767 ° C | 715 ° C | 695 ° C | 603 ° C | 545 ° C | |
Punto de ebullición | 1657 ° C | 1767 ° C | 850 ° C | |||||
Estructura cristalina | Un 3+ : __ / Cl - : __ | |||||||
Grupo espacial | P6 3 / m | |||||||
Número de coordinación | An * [9], Cl [3] | |||||||
Constantes de celosía | a = 762 pm c = 455 pm | a = 745,2 pm c = 432,8 pm | a = 739,4 pm c = 424,3 pm | a = 738,2 pm c = 421,4 pm | a = 726 pm c = 414 pm | a = 738,2 pm c = 412,7 pm | a = 738 pm c = 409 pm |
- * An - actínido
** Dependiendo de los isótopos
Compuesto | Color | Simetría cristalina, tipo | Constantes de celosía, Å | Densidad, g / cm 3 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
a | B | C | ||||
AcF 3 | blanco | Hexagonal, LaF 3 | 4.27 | - | 7.53 | 7.88 |
PaF 4 | Marron oscuro | Monoclínico | 12,7 | 10,7 | 8.42 | - |
PaF 5 | Negro | Tetragonal , β-UF 5 | 11.53 | - | 5.19 | - |
ThF 4 | Incoloro | Monoclínico | 13 | 10,99 | 8.58 | 5.71 |
UF 3 | Púrpura rojizo | Hexagonal | 7.18 | - | 7.34 | 8.54 |
UF 4 | Verde | Monoclínico | 11.27 | 10,75 | 8.40 | 6,72 |
α-UF 5 | Azulado | Tetragonal | 6.52 | - | 4.47 | 5,81 |
β-UF 5 | Azulado | Tetragonal | 11.47 | - | 5,20 | 6,45 |
UF 6 | Amarillento | Ortorrómbico | 9,92 | 8,95 | 5.19 | 5,06 |
NpF 3 | Negro o morado | Hexagonal | 7.129 | - | 7.288 | 9.12 |
NpF 4 | Verde claro | Monoclínico | 12,67 | 10,62 | 8.41 | 6,8 |
NpF 6 | naranja | Ortorrómbico | 9,91 | 8,97 | 5.21 | 5 |
PuF 3 | Azul violeta | Trigonal | 7.09 | - | 7.25 | 9.32 |
PuF 4 | Marrón pálido | Monoclínico | 12.59 | 10.57 | 8.28 | 6,96 |
PuF 6 | Rojo marrón | Ortorrómbico | 9,95 | 9.02 | 3,26 | 4.86 |
AmF 3 | Rosa o beige claro | hexagonal , LaF 3 | 7.04 [76] [106] | - | 7.255 | 9.53 |
AmF 4 | Rojo naranja | Monoclínico | 12.53 | 10.51 | 8,20 | - |
CmF 3 | De marrón a blanco | Hexagonal | 4.041 | - | 7.179 | 9,7 |
CmF 4 | Amarillo | Monoclínico, UF 4 | 12.51 | 10.51 | 8,20 | - |
BkF 3 | Amarillo verde | Trigonal , LaF 3 Ortorrómbico , YF 3 | 6,97 6,7 | - 7.09 | 7.14 4.41 | 10,15 9,7 |
BkF 4 | - | Monoclínico, UF 4 | 12.47 | 10,58 | 8.17 | - |
CfF 3 | - - | Trigonal, LaF 3 Ortorrómbico, YF 3 | 6. 94 6.65 | - 7.04 | 7,10 4,39 | - |
CfF 4 | - - | Monoclínico, UF 4 Monoclínico, UF 4 | 1,242 1,233 | 1.047 1.040 | 8.126 8.113 | - |
Los actínidos reaccionan fácilmente con los halógenos formando sales con las fórmulas MX 3 y MX 4 (X = halógeno ). Entonces, el primer compuesto de berkelio, BkCl 3 , se sintetizó en 1962 con una cantidad de 3 nanogramos. Al igual que los halógenos de los elementos de tierras raras, los cloruros , bromuros y yoduros de actínidos son solubles en agua y los fluoruros son insolubles. El uranio produce fácilmente un hexafluoruro incoloro, que se sublima a una temperatura de 56,5 ° C; por su volatilidad, se utiliza en la separación de isótopos de uranio con centrifugación de gas o difusión gaseosa . Los hexafluoruros de actínidos tienen propiedades cercanas a los anhídridos . Son muy sensibles a la humedad y se hidrolizan formando AnO 2 F 2 . [107] Se sintetizaron el pentacloruro y el hexacloruro negro de uranio, pero ambos son inestables. [91]
La acción de los ácidos sobre los actínidos produce sales, y si los ácidos no son oxidantes, entonces el actínido en la sal está en un estado de baja valencia:
- U + 2H 2 SO 4 → U (SO 4 ) 2 + 2H 2
- 2Pu + 6HCl → 2PuCl 3 + 3H 2
Sin embargo, en estas reacciones, el hidrógeno en regeneración puede reaccionar con el metal, formando el correspondiente hidruro. El uranio reacciona con los ácidos y el agua mucho más fácilmente que el torio. [91]
Las sales de actínidos también se pueden obtener disolviendo los correspondientes hidróxidos en ácidos. Los nitratos, cloruros, sulfatos y percloratos de actínidos son solubles en agua. Al cristalizar a partir de soluciones acuosas, estas sales forman hidratos, como Th (NO 3 ) 4 · 6H 2 O, Th (SO 4 ) 2 · 9H 2 O y Pu 2 (SO 4 ) 3 · 7H 2 O. Sales de los actínidos de alta valencia se hidrolizan fácilmente. Entonces, el sulfato, el cloruro, el perclorato y el nitrato de torio incoloros se transforman en sales básicas con fórmulas Th (OH) 2 SO 4 y Th (OH) 3 NO 3 . La solubilidad e insolubilidad de los actínidos trivalentes y tetravalentes es similar a la de las sales de lantánidos. Por tanto , los fosfatos , fluoruros , oxalatos , yodatos y carbonatos de actínidos son débilmente solubles en agua; precipitan como hidratos, como ThF 4 · 3H 2 O y Th (CrO 4 ) 2 · 3H 2 O. [91]
Los actínidos con estado de oxidación +6, excepto los cationes de tipo AnO 2 2+ , forman [AnO 4 ] 2− , [An 2 O 7 ] 2− y otros aniones complejos. Por ejemplo, el uranio, el neptunio y el plutonio forman sales de los tipos Na 2 UO 4 (uranato) y (NH 4 ) 2 U 2 O 7 (diuranato). En comparación con los lantánidos, los actínidos forman compuestos de coordinación más fácilmente , y esta capacidad aumenta con la valencia de los actínidos. Los actínidos trivalentes no forman compuestos de coordinación de fluoruro, mientras que el torio tetravalente forma complejos K 2 ThF 6 , KThF 5 e incluso K 5 ThF 9 . El torio también forma los correspondientes sulfatos (por ejemplo, Na 2 SO 4 · Th (SO 4 ) 2 · 5H 2 O), nitratos y tiocianatos. Las sales con la fórmula general An 2 Th (NO 3 ) 6 · n H 2 O son de naturaleza coordinada, con el número de coordinación del torio igual a 12. Aún más fácil es producir sales complejas de actínidos pentavalentes y hexavalentes. Los compuestos de coordinación de actínidos más estables (torio y uranio tetravalentes) se obtienen en reacciones con dicetonas, por ejemplo, acetilacetona . [91]
Aplicaciones
Si bien los actínidos tienen algunas aplicaciones de la vida diaria establecidas, como en detectores de humo (americio) [108] [109] y mantos de gas (torio), [80] se utilizan principalmente en armas nucleares y como combustible en reactores nucleares. [80] Las dos últimas áreas explotan la propiedad de los actínidos para liberar una enorme energía en reacciones nucleares, que bajo ciertas condiciones pueden convertirse en reacciones en cadena autosostenidas .
El isótopo más importante para las aplicaciones de la energía nuclear es el uranio-235 . Se utiliza en el reactor térmico y su concentración en uranio natural no supera el 0,72%. Este isótopo absorbe fuertemente los neutrones térmicos liberando mucha energía. Un acto de fisión de 1 gramo de 235 U se convierte en aproximadamente 1 MW · día. De importancia, es que235
92U
emite más neutrones de los que absorbe; [110] al alcanzar la masa crítica ,235
92U
entra en una reacción en cadena autosuficiente. [74] Normalmente, el núcleo de uranio se divide en dos fragmentos con la liberación de 2-3 neutrones, por ejemplo:
- 235 92U + 1 0norte ⟶ 115
45Rh
+ 118
47Ag
+ 3 1 0norte
Otros isótopos de actínidos prometedores para la energía nuclear son el torio-232 y su producto del ciclo del combustible del torio , el uranio-233 .
Reactor nuclear [74] [111] [112] |
El núcleo de la mayoría de los reactores nucleares de Generación II contiene un conjunto de varillas metálicas huecas, generalmente hechas de aleaciones de circonio , llenas de gránulos de combustible nuclear sólido , principalmente óxido, carburo, nitruro o monosulfuro de uranio, plutonio o torio, o su mezcla (el tan -llamado combustible MOX ). El combustible más común es el óxido de uranio-235. Los neutrones rápidos se ralentizan por moderadores , que contienen agua, carbono , deuterio , o berilio , como neutrones térmicos para aumentar la eficacia de su interacción con uranio-235. La velocidad de la reacción nuclear se controla mediante la introducción de varillas adicionales hechas de boro o cadmio o un líquido absorbente, generalmente ácido bórico . Los reactores para la producción de plutonio se denominan reactores reproductores o reproductores; tienen un diseño diferente y utilizan neutrones rápidos. |
La emisión de neutrones durante la fisión del uranio es importante no solo para mantener la reacción en cadena nuclear, sino también para la síntesis de los actínidos más pesados. El uranio-239 se convierte a través de la desintegración β en plutonio-239, que, como el uranio-235, es capaz de realizar una fisión espontánea. Los primeros reactores nucleares del mundo no se construyeron para obtener energía, sino para producir plutonio-239 para armas nucleares.
Aproximadamente la mitad del torio producido se utiliza como material emisor de luz de los mantos de gas. [80] El torio también se agrega a las aleaciones multicomponente de magnesio y zinc . Por lo tanto, las aleaciones de Mg-Th son ligeras y fuertes, pero también tienen un alto punto de fusión y ductilidad y, por lo tanto, se utilizan ampliamente en la industria de la aviación y en la producción de misiles . El torio también tiene buenas propiedades de emisión de electrones , con una larga vida útil y una barrera de bajo potencial para la emisión. [110] El contenido relativo de isótopos de torio y uranio se usa ampliamente para estimar la edad de varios objetos, incluidas las estrellas (ver datación radiométrica ). [113]
La principal aplicación del plutonio ha sido en las armas nucleares , donde el isótopo plutonio-239 fue un componente clave debido a su facilidad de fisión y disponibilidad. Los diseños basados en plutonio permiten reducir la masa crítica a aproximadamente un tercio de la del uranio 235. [114] Las bombas de plutonio tipo "Fat Man" producidas durante el Proyecto Manhattan utilizaron compresión explosiva de plutonio para obtener densidades significativamente más altas de lo normal, combinado con una fuente de neutrones central para comenzar la reacción y aumentar la eficiencia. Por tanto, sólo se necesitaron 6,2 kg de plutonio para un rendimiento explosivo equivalente a 20 kilotones de TNT . [115] (Ver también Diseño de armas nucleares ). Hipotéticamente, tan solo 4 kg de plutonio, y tal vez incluso menos, podrían usarse para fabricar una sola bomba atómica usando diseños de ensamblaje muy sofisticados. [116]
El plutonio-238 es un isótopo potencialmente más eficiente para los reactores nucleares, ya que tiene una masa crítica menor que el uranio-235, pero sigue liberando mucha energía térmica (0,56 W / g) [109] [117] por desintegración incluso cuando la cadena de fisión la reacción se detiene mediante barras de control. Su aplicación está limitada por su elevado precio (alrededor de US $ 1000 / g). Este isótopo se ha utilizado en termopilas y sistemas de destilación de agua de algunos satélites y estaciones espaciales. Así que las naves espaciales Galileo y Apollo (por ejemplo, Apollo 14 [118] ) tenían calentadores alimentados por kilogramos de óxido de plutonio-238; este calor también se transforma en electricidad con termopilas. La desintegración del plutonio-238 produce partículas alfa relativamente inofensivas y no va acompañada de irradiación gamma. Por lo tanto, este isótopo (~ 160 mg) se utiliza como fuente de energía en los marcapasos cardíacos, donde dura aproximadamente 5 veces más que las baterías convencionales. [109]
El actinio-227 se utiliza como fuente de neutrones. Su alta energía específica (14,5 W / g) y la posibilidad de obtener cantidades importantes de compuestos térmicamente estables son atractivos para su uso en generadores termoeléctricos de larga duración para uso remoto. 228 Ac se utiliza como indicador de radiactividad en la investigación química, ya que emite electrones de alta energía (2,18 MeV) que pueden detectarse fácilmente. Las mezclas de 228 Ac - 228 Ra se utilizan ampliamente como fuente gamma intensa en la industria y la medicina. [31]
El desarrollo de materiales autobrillantes dopados con actínidos con matrices cristalinas duraderas es una nueva área de utilización de actínidos, ya que la adición de radionúclidos emisores de alfa a algunos vidrios y cristales puede conferir luminiscencia. [119]
Toxicidad
Las sustancias radiactivas pueden dañar la salud humana a través de (i) la contaminación local de la piel, (ii) la exposición interna debido a la ingestión de isótopos radiactivos, y (iii) la sobreexposición externa por β-actividad y γ-radiación . Junto con los elementos de radio y transuranio, el actinio es uno de los venenos radiactivos más peligrosos con una alta actividad α específica . La característica más importante del actinio es su capacidad para acumularse y permanecer en la capa superficial de los esqueletos . En la etapa inicial de la intoxicación, el actinio se acumula en el hígado . Otro peligro del actinio es que sufre una desintegración radiactiva más rápido de lo que se excreta. La adsorción del tracto digestivo es mucho menor (~ 0.05%) para el actinio que para el radio. [31]
El protactinio en el cuerpo tiende a acumularse en los riñones y los huesos. La dosis máxima segura de protactinio en el cuerpo humano es de 0,03 µCi, que corresponde a 0,5 microgramos de 231 Pa. Este isótopo, que puede estar presente en el aire en forma de aerosol , es 2,5 × 10 8 veces más tóxico que el ácido cianhídrico . [63] [ contradictorio ]
El plutonio, cuando ingresa al cuerpo a través del aire, los alimentos o la sangre (por ejemplo, una herida), se deposita principalmente en los pulmones, el hígado y los huesos, y solo alrededor del 10% va a otros órganos, y permanece allí durante décadas. El largo tiempo de residencia del plutonio en el cuerpo se explica en parte por su escasa solubilidad en agua. Algunos isótopos de plutonio emiten radiación α ionizante, que daña las células circundantes. La dosis letal mediana (DL 50 ) durante 30 días en perros después de la inyección intravenosa de plutonio es de 0,32 miligramos por kg de masa corporal y, por tanto, la dosis letal para los seres humanos es de aproximadamente 22 mg para una persona que pesa 70 kg; la cantidad de exposición respiratoria debe ser aproximadamente cuatro veces mayor. Otra estimación supone que el plutonio es 50 veces menos tóxico que el radio y, por lo tanto, el contenido permisible de plutonio en el cuerpo debe ser de 5 µg o 0,3 µCi. Esa cantidad es casi invisible al microscopio. Después de los ensayos en animales, esta dosis máxima permitida se redujo a 0,65 µg o 0,04 µCi. Los estudios en animales también revelaron que la vía de exposición más peligrosa al plutonio es la inhalación, después de la cual el cuerpo retiene del 5 al 25% de las sustancias inhaladas. Dependiendo del tamaño de partícula y la solubilidad de los compuestos de plutonio, el plutonio se localiza en los pulmones o en el sistema linfático , o se absorbe en la sangre y luego se transporta al hígado y los huesos. La contaminación a través de los alimentos es la forma menos probable. En este caso, solo alrededor del 0,05% de los compuestos solubles de plutonio al 0,01% insolubles se absorben en la sangre y el resto se excreta. La exposición de la piel dañada al plutonio retendría casi el 100%. [93]
El uso de actínidos en combustible nuclear, fuentes radiactivas selladas o materiales avanzados como cristales autobrillantes tiene muchos beneficios potenciales. Sin embargo, una gran preocupación es la radiotoxicidad extremadamente alta de los actínidos y su migración en el medio ambiente. [120] El uso de formas químicamente inestables de actínidos en MOX y fuentes radiactivas selladas no es apropiado según las normas de seguridad modernas. Existe un desafío para desarrollar materiales que contengan actínidos estables y duraderos, que brinden un almacenamiento, uso y disposición final seguros. Una necesidad clave es la aplicación de soluciones sólidas de actínidos en fases hospedantes cristalinas duraderas. [119]
Propiedades nucleares
Nucleido | Media vida | Modo de decaimiento | Fracción de ramificación | Fuente |
---|---|---|---|---|
206 81Tl | 4.202 ± 0.011 m | β - | 1.0 | LNHB |
208 81Tl | 3,060 ± 0,008 m | β - | 1.0 | BIPM-5 |
210 82Pb | 22,20 ± 0,22 años | β - | 1.0 | ENSDF |
α | (1,9 ± 0,4) x 10 −8 | |||
211 82Pb | 36,1 ± 0,2 m | β - | 1.0 | ENSDF |
212 82Pb | 10,64 ± 0,01 horas | β - | 1.0 | BIPM-5 |
214 82Pb | 26,8 ± 0,9 m | β - | 1.0 | ENSDF |
211 83Bi | 2,14 ± 0,02 m | β - | 0,00276 ± 0,00004 | ENSDF |
α | 0,99724 ± 0,00004 | |||
212 83Bi | 60,54 ± 0,06 m | α | 0,3593 ± 0,0007 | BIPM-5 |
β - | 0,6407 ± 0,0007 | |||
214 83Bi | 19,9 ± 0,4 m | α | 0,00021 ± 0,00001 | ENSDF |
β - | 0,99979 ± 0,00001 | |||
210 84Correos | 138,376 ± 0,002 días | α | 1.0 | ENSDF |
219 86Rn | 3,96 ± 0,01 s | α | 1.0 | ENSDF |
220 86Rn | 55,8 ± 0,3 s | α | 1.0 | BIPM-5 |
221 87P. | 4,9 ± 0,2 m | β - | 0,00005 ± 0,00003 | ENSDF |
α | 0,99995 ± 0,00003 | |||
223 88Real academia de bellas artes | 11,43 ± 0,05 días | α | 1.0 | ENSDF |
14 C | (8,9 ± 0,4) x 10 −10 | |||
224 88Real academia de bellas artes | 3.627 ± 0.007 días | α | 1.0 | BIPM-5 |
225 88Real academia de bellas artes | 14,9 ± 0,2 días | β - | 1.0 | ENSDF |
226 88Real academia de bellas artes | (1,600 ± 0,007) x 10 3 y | α | 1.0 | BIPM-5 |
228 88Real academia de bellas artes | 5,75 ± 0,03 años | β - | 1.0 | ENSDF |
224 89C.A | 2,78 ± 0,17 horas | α | 0.091 +0.020 -0.014 | ENSDF |
CE | 0,909 +0,014 -0,020 | |||
225 89C.A | 10,0 ± 0,1 días | α | 1.0 | ENSDF |
227 89C.A | 21,772 ± 0,003 años | α | 0,01380 ± 0,00004 | ENSDF |
β - | 0,98620 ± 0,00004 | |||
228 89C.A | 6,15 ± 0,02 h | β - | 1.0 | ENSDF |
227 90Th | 18,718 ± 0,005 días | α | 1.0 | BIPM-5 |
228 90Th | 698,60 ± 0,23 días | α | 1.0 | BIPM-5 |
229 90Th | (7,34 ± 0,16) x 10 3 y | α | 1.0 | ENSDF |
230 90Th | (7,538 ± 0,030) x 10 4 y | α | 1.0 | ENSDF |
SF | ≤ 4 x 10 −13 | |||
231 90Th | 25,52 ± 0,01 horas | β - | 1.0 | ENSDF |
α | ~ 4 x 10 −13 | |||
232 90Th | (1,405 ± 0,006) x 10 10 y | α | 1.0 | ENSDF |
SF | (1,1 ± 0,4) x 10 −11 | |||
233 90Th | 22,15 ± 0,15 m | β - | 1.0 | LNHB |
234 90Th | 24,10 ± 0,03 días | β - | 1.0 | ENSDF |
231 91Pensilvania | (3,276 ± 0,011) x 10 4 y | α | 1.0 | ENSDF |
SF | ≤ 3 x 10 −12 | |||
232 91Pensilvania | 1,32 ± 0,02 días | CE | 0,00003 ± 0,00001 | ENSDF |
β - | 0,99997 ± 0,00001 | |||
233 91Pensilvania | 26,98 ± 0,02 días | β - | 1.0 | LNHB |
234 91Pensilvania | 6,70 ± 0,05 horas | β - | 1.0 | ENSDF |
234m 91Pensilvania | 1,159 ± 0,016 m | ESO | 0,0016 ± 0,0002 | IAEA-CRP-XG |
β - | 0,9984 ± 0,0002 | |||
232 92U | 68,9 ± 0,4 años | α | 1.0 | ENSDF |
SF | ||||
233 92U | (1,592 ± 0,002) x 10 5 y | α | 1.0 | ENSDF |
SF | ||||
234 92U | (2,455 ± 0,006) x 10 5 y | α | 1.0 | LNHB |
SF | (1,6 ± 0,2) x 10 −11 | |||
235m 92U | 26 ± 1 m | ESO | 1.0 | ENSDF |
235 92U | (7,038 ± 0,005) x 10 8 y | α | 1.0 | ENSDF |
SF | (7 ± 2) x 10 −11 | |||
236 92U | (2,342 ± 0,004) x 10 7 y | α | 1.0 | ENSDF |
SF | (9,4 ± 0,4) x 10 −10 | |||
237 92U | 6,749 ± 0,016 días | β - | 1.0 | LNHB |
238 92U | (4,468 ± 0,005) x 10 9 y | α | 1.0 | LNHB |
SF | (5,45 ± 0,04) x 10 −7 | |||
239 92U | 23,45 ± 0,02 m | β - | 1.0 | ENSDF |
236 93Notario público | (1,55 ± 0,08) x 10 5 y | α | 0,0016 ± 0,0006 | LNHB |
β - | 0,120 ± 0,006 | |||
CE | 0,878 ± 0,006 | |||
236m 93Notario público | 22,5 ± 0,4 horas | β - | 0,47 ± 0,01 | LNHB |
CE | 0,53 ± 0,01 | |||
237 93Notario público | (2,144 ± 0,007) x 10 6 y | α | 1.0 | ENSDF |
SF | ||||
238 93Notario público | 2,117 ± 0,002 días | β - | 1.0 | ENSDF |
239 93Notario público | 2,356 ± 0,003 días | β - | 1.0 | ENSDF |
236 94Pu | 2.858 ± 0.008 años | α | 1.0 | ENSDF |
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Ver también
- Actínidos en el medio ambiente
- Actínidos principales
- Actínidos menores
- Transuránicos
Referencias y notas
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enlaces externos
- Imagen del Laboratorio Lawrence Berkeley de la tabla periódica histórica de Seaborg que muestra la serie de actínidos por primera vez
- Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, Descubriendo los secretos de los actínidos
- Laboratorio Nacional de Los Alamos, Actinide Research Quarterly