Americio

elemento químico con número atómico 95

Elemento químico con número atómico 95

Americio,  ₉₅ am

Americio
Pronunciación	/ ˌ æ m ɪ r ɪ s i ə m / ( AM -ə- RISS -ee-əm )
Apariencia	blanco plateado
Número de masa	[243]
Americio en la tabla periódica
Hidrógeno Helio Litio Berilio Boro Carbón Nitrógeno Oxígeno Flúor Neón Sodio Magnesio Aluminio Silicio Fósforo Azufre Cloro Argón Potasio Calcio Escandio Titanio Vanadio Cromo Manganeso Hierro Cobalto Níquel Cobre Zinc Galio Germanio Arsénico Selenio Bromo Criptón Rubidio Estroncio Itrio Circonio Niobio Molibdeno Tecnecio Rutenio Rodio Paladio Plata Cadmio Indio Estaño Antimonio Telurio Yodo Xenón Cesio Bario Lantano Cerio Praseodimio Neodimio Prometeo Samario Europio Gadolinio Terbio Disprosio Holmio Erbio Tulio Iterbio Lutecio Hafnio Tantalio Tungsteno Renio Osmio Iridio Platino Oro Mercurio (elemento) Talio Dirigir Bismuto Polonio Astatine Radón Francio Radio Actinio Torio Protactinio Uranio Neptunio Plutonio Americio Curio Berkelio Californio Einstenio Fermio Mendelevio Nobelio Lawrencio Rutherfordio Dubnium Seaborgio Bohrium Hassium Meitnerio Darmstadtium Roentgenio Copérnico Nihonium Flerovio Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson Eu ↑ Am ↓ (Uqe) plutonio ← americio → curio
Número atómico ( Z )	95
Grupo	grupo 3
Período	período 7
Cuadra	bloque f
Configuración electronica	[ Rn ] 5f 7 7s 2
Electrones por capa	2, 8, 18, 32, 25, 8, 2
Propiedades físicas
Fase en  STP	sólido
Punto de fusion	1449  K (1176 ° C, 2149 ° F)
Punto de ebullición	2880 K (2607 ° C, 4725 ° F) (calculado)
Densidad (cerca de  rt )	12 g / cm 3
Calor de fusión	14,39  kJ / mol
Capacidad calorífica molar	28 [1]  J / (mol · K)
Presión de vapor P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k en  T  (K) 1239 1356
Propiedades atómicas
Estados de oxidación	+2, +3 , +4, +5, +6, +7 (un  óxido anfótero )
Electronegatividad	Escala de Pauling: 1.3
Energías de ionización	1 °: 578 kJ / mol
Radio atómico	empírico: 173  pm
Radio covalente	180 ± 6 pm
Líneas espectrales de americio
Otras propiedades
Ocurrencia natural	sintético
Estructura cristalina	doble hexagonal compacta (DHCP)
Conductividad térmica	10 W / (m⋅K)
Resistividad electrica	0,69 µΩ⋅m [1]
Orden magnético	paramagnético
Susceptibilidad magnética molar	+1 000 .0 × 10 −6  cm 3 / mol [2]
Número CAS	7440-35-9
Historia
Nombrar	después de las américas
Descubrimiento	Glenn T. Seaborg , Ralph A. James , Leon O. Morgan , Albert Ghiorso (1944)
Isótopos principales del americio
Isótopo Abundancia Vida media ( t 1/2 ) Modo de decaimiento Producto 241 am syn 432,2 años SF - α 237 Np 242 m1 Am syn 141 años ESO 242 am α 238 Np SF - 243 am syn 7370 años SF - α 239 Np
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El americio es un elemento químico radiactivo sintético con el símbolo Am y número atómico 95. Es un miembro transuránico de la serie de actínidos , en la tabla periódica ubicada debajo del elemento lantánido europio , y por lo tanto, por analogía, recibió el nombre de América . ^{[3] [4] [5]}

Americium fue producido por primera vez en 1944 por el grupo de Glenn T. Seaborg de Berkeley, California , en el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago , como parte del Proyecto Manhattan . Aunque es el tercer elemento de la serie transuránica , fue descubierto en cuarto lugar, después del curio más pesado . El descubrimiento se mantuvo en secreto y solo se dio a conocer al público en noviembre de 1945. La mayor parte del americio se produce mediante el bombardeo de uranio o plutonio con neutrones en reactores nucleares : una tonelada de combustible nuclear gastado.contiene aproximadamente 100 gramos de americio. Se utiliza ampliamente en detectores de humo de cámara de ionización comerciales , así como en fuentes de neutrones y medidores industriales. Se han propuesto varias aplicaciones inusuales, como baterías nucleares o combustible para naves espaciales con propulsión nuclear, para el isótopo ^242m Am, pero aún se ven obstaculizadas por la escasez y el alto precio de este isómero nuclear .

El americio es un metal radiactivo relativamente blando con apariencia plateada. Sus isótopos comunes son 241 Am y ²⁴³ Am. En compuestos químicos, el americio suele asumir el estado de oxidación +3, especialmente en soluciones. Se conocen varios otros estados de oxidación, que van de +2 a +7, y pueden identificarse por sus espectros de absorción óptica característicos . La red cristalina del americio sólido y sus compuestos contienen pequeños defectos radiogénicos intrínsecos, debido a la metamictización inducida por la autoirradiación con partículas alfa, que se acumula con el tiempo; esto puede provocar una variación de algunas propiedades del material con el tiempo, más notoria en muestras más antiguas.

Historia

El ciclotrón de 60 pulgadas en el Laboratorio de Radiación Lawrence, Universidad de California, Berkeley , en agosto de 1939.

El triángulo del tubo de vidrio contiene la primera muestra de americio (como hidróxido (Am (OH) ₃ )), producido en 1944. ^[6]

Aunque el americio probablemente se produjo en experimentos nucleares anteriores, fue sintetizado , aislado e identificado intencionalmente por primera vez a fines del otoño de 1944, en la Universidad de California, Berkeley , por Glenn T. Seaborg , Leon O. Morgan, Ralph A. James y Albert. Ghiorso . Utilizaron un ciclotrón de 60 pulgadas en la Universidad de California, Berkeley. ^[7] El elemento fue identificado químicamente en el Laboratorio Metalúrgico (ahora Laboratorio Nacional Argonne ) de la Universidad de Chicago . Siguiendo el neptunio más ligero , el plutonio y el curio más pesado, el americio fue el cuarto elemento transuránico que se descubrió. En ese momento, Seaborg había reestructurado la tabla periódica a su diseño actual, que contenía la fila de actínidos debajo de la de lantánidos . Esto llevó a que el americio se ubicara justo debajo de su elemento gemelo lantánido, el europio; así fue nombrado por analogía después de las Américas : "El nombre americio (después de las Américas) y el símbolo Am se sugieren para el elemento sobre la base de su posición como el sexto miembro de la serie de actínidos de tierras raras, análogo al europio, Eu, de la serie de los lantánidos ". ^{[8] [9] [10]}

El nuevo elemento se aisló de sus óxidos en un proceso complejo de varios pasos. Primero plutonio -239 nitrato ( ²³⁹ puno ₃ ) solución se revistió sobre un platino lámina de aproximadamente 0,5 cm ² de área, la solución se evaporó y el residuo se convirtió en dióxido de plutonio (PuO ₂ ) por calcinación. Después de la irradiación con ciclotrón, el revestimiento se disolvió con ácido nítrico y luego se precipitó como hidróxido usando una solución acuosa concentrada de amoniaco . El residuo se disolvió en ácido perclórico . La separación adicional se llevó a cabo mediante intercambio iónico., produciendo un cierto isótopo de curio. La separación de curio y americio fue tan minuciosa que el grupo de Berkeley llamó inicialmente a esos elementos como pandemonium (del griego para todos los demonios o infierno ) y delirium (del latín para locura ). ^{[11] [12]}

Los experimentos iniciales produjeron cuatro isótopos de americio: ²⁴¹ Am, ²⁴² Am, ²³⁹ Am y ²³⁸ Am. El americio-241 se obtuvo directamente del plutonio tras la absorción de dos neutrones. Se descompone por emisión de una partícula α a ²³⁷ Np; La vida media de esta desintegración se determinó primero como510 ± 20 años pero luego corregido a 432,2 años. ^[13]

${\displaystyle {\ce {^{239}_{94}Pu ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{240}_{94}Pu ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{241}_{94}Pu ->[\beta^-][14.35\ {\ce {yr}}] ^{241}_{95}Am}}\ \left({\ce {->[\alpha][432.2\ {\ce {yr}}] ^{237}_{93}Np}}\right)}$

Los tiempos son vidas medias

El segundo isótopo ²⁴² Am se produjo tras el bombardeo de neutrones del ²⁴¹ Am ya creado . Tras una rápida desintegración β , ²⁴² Am se convierte en el isótopo de curio ²⁴² Cm (que se había descubierto anteriormente). La vida media de esta descomposición se determinó inicialmente a las 17 horas, que estaba cerca del valor actualmente aceptado de 16,02 h. ^[13]

${\displaystyle {\ce {^{241}_{95}Am ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{242}_{95}Am}}\ \left({\ce {->[\beta^-][16.02\ {\ce {h}}] ^{242}_{96}Cm}}\right)}$

El descubrimiento de americio y curio en 1944 estuvo estrechamente relacionado con el Proyecto Manhattan ; los resultados fueron confidenciales y desclasificados solo en 1945. Seaborg filtró la síntesis de los elementos 95 y 96 en el programa de radio estadounidense para niños Quiz Kids cinco días antes de la presentación oficial en una reunión de la American Chemical Society el 11 de noviembre de 1945, cuando uno de los los oyentes preguntaron si durante la guerra se había descubierto algún nuevo elemento transuránico además del plutonio y el neptunio. ^[11] Después del descubrimiento de los isótopos de americio ²⁴¹ Am y ²⁴² Am, su producción y sus compuestos fueron patentados y solo se incluyó a Seaborg como inventor. ^[14]Las muestras iniciales de americio pesaron unos microgramos; eran apenas visibles y se identificaban por su radiactividad. Las primeras cantidades sustanciales de americio metálico que pesaban entre 40 y 200 microgramos no se prepararon hasta 1951 mediante la reducción de fluoruro de americio (III) con bario metálico en alto vacío a 1100 ° C. ^[15]

Ocurrencia

Ver también: reprocesamiento nuclear

Se detectó americio en las secuelas de la prueba nuclear de Ivy Mike .

Los isótopos más comunes y más longevos del americio, el ²⁴¹ Am y el ²⁴³ Am, tienen vidas medias de 432,2 y 7.370 años, respectivamente. Por lo tanto, cualquier americio primordial (americio que estuvo presente en la Tierra durante su formación) ya debería haberse descompuesto. Es probable que haya trazas de americio de forma natural en los minerales de uranio como resultado de reacciones nucleares, aunque esto no se ha confirmado. ^{[16] [17]}

El americio existente se concentra en las áreas utilizadas para las pruebas de armas nucleares atmosféricas realizadas entre 1945 y 1980, así como en los sitios de incidentes nucleares, como el desastre de Chernobyl . Por ejemplo, el análisis de los escombros en el sitio de prueba de la primera bomba de hidrógeno estadounidense , Ivy Mike , (1 de noviembre de 1952, Enewetak Atoll ), reveló altas concentraciones de varios actínidos, incluido el americio; pero debido al secreto militar, este resultado no se publicó hasta más tarde, en 1956. ^[18] Trinitita , el residuo vítreo que queda en el suelo del desierto cerca de Alamogordo , Nuevo México , después del plutonio-basada en la prueba de la bomba nuclear Trinity el 16 de julio de 1945, contiene rastros de americio-241. También se detectaron niveles elevados de americio en el lugar del accidente de un avión bombardero estadounidense Boeing B-52 , que llevaba cuatro bombas de hidrógeno, en 1968 en Groenlandia . ^[19]

En otras regiones, la radiactividad media de la superficie del suelo debido al americio residual es de sólo 0,01  picocuries / g (0,37  mBq / g). Los compuestos de americio atmosférico son poco solubles en disolventes comunes y, en su mayoría, se adhieren a las partículas del suelo. El análisis del suelo reveló una concentración de americio aproximadamente 1.900 veces mayor dentro de las partículas del suelo arenoso que en el agua presente en los poros del suelo; una proporción incluso más alta se midió en la marga suelos. ^[20]

El americio se produce principalmente de forma artificial en pequeñas cantidades, con fines de investigación. Una tonelada de combustible nuclear gastado contiene alrededor de 100 gramos de varios isótopos de americio, principalmente ²⁴¹ Am y ²⁴³ Am. ^[21] Su radiactividad prolongada no es deseable para la eliminación y, por lo tanto, el americio, junto con otros actínidos de larga duración, debe neutralizarse. El procedimiento asociado puede implicar varios pasos, en los que el americio se separa primero y luego se convierte mediante bombardeo de neutrones en reactores especiales en nucleidos de corta duración. Este procedimiento es bien conocido como transmutación nuclear , pero aún se está desarrollando para el americio. ^{[22] [23]} Los elementos transuránicos desde el americio hastafermium produjo de forma natural en el reactor de fisión nuclear naturales en Oklo , pero ya no lo hacen. ^[24]

Síntesis y extracción

Nucleosíntesis de isótopos

Curvas de elución cromatográfica que revelan la similitud entre los lantánidos Tb, Gd y Eu y los correspondientes actínidos Bk, Cm y Am.

El americio se ha producido en pequeñas cantidades en reactores nucleares durante décadas, y ya se han acumulado kilogramos de sus isótopos ²⁴¹ Am y ²⁴³ Am. ^[25] Sin embargo, desde que se puso a la venta por primera vez en 1962, su precio, alrededor de 1.500 dólares EE.UU. por gramo de ²⁴¹ am, se mantiene casi sin cambios debido al complejo procedimiento de separación. ^[26] El isótopo más pesado ²⁴³ Am se produce en cantidades mucho más pequeñas; por lo tanto, es más difícil de separar, lo que resulta en un costo más alto del orden de 100.000–160.000 USD / g. ^{[27] [28]}

El americio no se sintetiza directamente a partir del uranio, el material de reactor más común, sino del isótopo de plutonio ²³⁹ Pu. Este último debe producirse primero, de acuerdo con el siguiente proceso nuclear:

${\displaystyle {\ce {^{238}_{92}U ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{239}_{92}U ->[\beta^-][23.5 \ {\ce {min}}] ^{239}_{93}Np ->[\beta^-][2.3565 \ {\ce {d}}] ^{239}_{94}Pu}}}$

La captura de dos neutrones por ²³⁹ Pu (la llamada reacción (n, γ)), seguida de una desintegración β, da como resultado ²⁴¹ Am:

${\displaystyle {\ce {^{239}_{94}Pu ->[{\ce {2(n,\gamma)}}] ^{241}_{94}Pu ->[\beta^-][14.35 \ {\ce {yr}}] ^{241}_{95}Am}}}$

El plutonio presente en el combustible nuclear gastado contiene aproximadamente el 12% de ²⁴¹ Pu. Debido a que se convierte espontáneamente en ²⁴¹ Am, se puede extraer ²⁴¹ Pu y se puede utilizar para generar más ²⁴¹ Am. ^[26] Sin embargo, este proceso es bastante lento: la mitad de la cantidad original de ²⁴¹ Pu decae a ²⁴¹ Am después de unos 15 años, y la cantidad de ²⁴¹ Am alcanza un máximo después de 70 años. ^[29]

El ²⁴¹ Am obtenido se puede utilizar para generar isótopos de americio más pesados ​​mediante una mayor captura de neutrones dentro de un reactor nuclear. En un reactor de agua ligera (LWR), el 79% de ²⁴¹ Am se convierte en ²⁴² Am y el 10% en su isómero nuclear ^242m Am: ^{[nota 1] [30]}

${\displaystyle {\begin{cases}79\%:&{\ce {^{241}_{95}Am ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{242}_{95}Am}}\\10\%:&{\ce {^{241}_{95}Am ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{242 m}_{95}Am}}\end{cases}}}$

El americio-242 tiene una vida media de sólo 16 horas, lo que hace que su posterior conversión a ²⁴³ Am sea extremadamente ineficaz. El último isótopo se produce en cambio en un proceso en el que ²³⁹ Pu captura cuatro neutrones bajo un alto flujo de neutrones :

${\displaystyle {\ce {^{239}_{94}Pu ->[{\ce {4(n,\gamma)}}] \ ^{243}_{94}Pu ->[\beta^-][4.956 \ {\ce {h}}] ^{243}_{95}Am}}}$

Generación de metales

La mayoría de las rutinas de síntesis producen una mezcla de diferentes isótopos de actínidos en formas de óxido, a partir de los cuales se pueden separar los isótopos de americio. En un procedimiento típico, el combustible del reactor gastado (p. Ej., Combustible MOX ) se disuelve en ácido nítrico y la mayor parte del uranio y el plutonio se elimina mediante una extracción de tipo PUREX ( tracción P lutonio - UR anio EX ) con tributilfosfato en un hidrocarburo. . A continuación, los lantánidos y los actínidos restantes se separan del residuo acuoso ( refinado ) mediante una diamida.-extracción basada en la extracción, para dar, después de la separación, una mezcla de actínidos trivalentes y lantánidos. A continuación, los compuestos de americio se extraen selectivamente mediante técnicas de cromatografía y centrifugación de varios pasos ^[31] con un reactivo apropiado. Se ha trabajado mucho en la extracción de americio con disolventes . Por ejemplo, un proyecto financiado por la UE en 2003 con el nombre en código "EUROPART" estudió las triazinas y otros compuestos como posibles agentes de extracción. ^{[32] [33] [34] [35] [36]} En 2009 se propuso un complejo de bis -triazinil bipiridina , ya que dicho reactivo es altamente selectivo para el americio (y el curio).^{[37] La} separación del americio del curio muy similar se puede lograr tratando una suspensión de sus hidróxidos en bicarbonato de sodio acuosocon ozono , a temperaturas elevadas. Tanto Am como Cm están presentes principalmente en soluciones en el estado de valencia +3; mientras que el curio permanece inalterado, el americio se oxida a complejos solubles de Am (IV) que pueden eliminarse por lavado. ^[38]

El americio metálico se obtiene por reducción de sus compuestos. El fluoruro de americio (III) se utilizó por primera vez para este propósito. La reacción se llevó a cabo utilizando bario elemental como agente reductor en un entorno libre de agua y oxígeno dentro de un aparato hecho de tántalo y tungsteno . ^{[15] [39] [40]}

${\displaystyle \mathrm {2\ AmF_{3}\ +\ 3\ Ba\ \longrightarrow \ 2\ Am\ +\ 3\ BaF_{2}} }$

Una alternativa es la reducción del dióxido de americio por lantano metálico o torio : ^{[40] [41]}

${\displaystyle \mathrm {3\ AmO_{2}\ +\ 4\ La\ \longrightarrow \ 3\ Am\ +\ 2\ La_{2}O_{3}} }$

Propiedades físicas

Empaquetamiento cerrado doble-hexagonal con la secuencia de capas ABAC en la estructura cristalina de α-americio (A: verde, B: azul, C: rojo).

En la tabla periódica , el americio se encuentra a la derecha del plutonio, a la izquierda del curio y debajo del lantánido europio , con el que comparte muchas propiedades físicas y químicas. El americio es un elemento altamente radiactivo. Cuando está recién preparado, tiene un brillo metálico de color blanco plateado, pero luego se empaña lentamente en el aire. Con una densidad de 12 g / cm ³ , el americio es menos denso que el curio (13,52 g / cm ³ ) y el plutonio (19,8 g / cm ³ ); pero tiene una densidad más alta que el europio (5.264 g / cm ³ ), principalmente debido a su mayor masa atómica. El americio es relativamente blando y fácilmente deformable y tiene un módulo de volumen significativamente menor.que los actínidos anteriores a él: Th, Pa, U, Np y Pu. ^[42] Su punto de fusión de 1173 ° C es significativamente más alto que el del plutonio (639 ° C) y el europio (826 ° C), pero más bajo que el del curio (1340 ° C). ^{[41] [43]}

En condiciones ambientales, americio está presente en su forma α más estable que tiene una simetría cristalina hexagonal , y un grupo espacial P6 ₃ / MMC con parámetros de celda un  = 346,8  pm y c  = 1,124 pm, y cuatro átomos por celda unidad . El cristal consta de un empaquetamiento cerrado doble hexagonal con la secuencia de capas ABAC y, por lo tanto, es isotípico con α-lantano y varios actínidos como α-curio. ^{[39] [43]} La estructura cristalina del americio cambia con la presión y la temperatura. Cuando se comprime a temperatura ambiente a 5 GPa, α-Am se transforma en la modificación β, que tiene una cara cúbica centrada( fcc ) simetría, grupo espacial Fm 3 my constante de celosía a  = 489 pm. Esta estructura fcc es equivalente al empaquetamiento más cercano con la secuencia ABC. ^{[39] [43]} Tras una compresión adicional a 23 GPa, el americio se transforma en una estructura γ-Am ortorrómbica similar a la del α-uranio. No se observan más transiciones hasta 52 GPa, excepto por la aparición de una fase monoclínica a presiones entre 10 y 15 GPa. ^[42]No hay coherencia sobre el estado de esta fase en la literatura, que a veces también enumera las fases α, β y γ como I, II y III. La transición β-γ se acompaña de una disminución del 6% en el volumen del cristal; aunque la teoría también predice un cambio de volumen significativo para la transición α-β, no se observa experimentalmente. La presión de la transición α-β disminuye al aumentar la temperatura, y cuando el α-americio se calienta a presión ambiente, a 770 ° C cambia a una fase fcc que es diferente de β-Am, y a 1075 ° C se convierte en una estructura cúbica centrada en el cuerpo . El diagrama de fase de presión-temperatura del americio es, por tanto, bastante similar a los del lantano, praseodimio y neodimio . ^[44]

Como ocurre con muchos otros actínidos, el daño propio de la estructura cristalina debido a la irradiación de partículas alfa es intrínseco al americio. Es especialmente notable a bajas temperaturas, donde la movilidad de los defectos de estructura producidos es relativamente baja, al ensancharse los picos de difracción de rayos X. Este efecto hace algo incierto la temperatura del americio y algunas de sus propiedades, como la resistividad eléctrica . ^[45]Entonces, para el americio-241, la resistividad a 4.2 K aumenta con el tiempo desde aproximadamente 2 µOhm · cm a 10 µOhm · cm después de 40 horas, y se satura a aproximadamente 16 µOhm · cm después de 140 horas. Este efecto es menos pronunciado a temperatura ambiente, debido a la aniquilación de los defectos de radiación; además, calentar a temperatura ambiente la muestra que se mantuvo durante horas a bajas temperaturas restaura su resistividad. En muestras frescas, la resistividad aumenta gradualmente con la temperatura desde aproximadamente 2 µOhm · cm en helio líquido hasta 69 µOhm · cm a temperatura ambiente; este comportamiento es similar al del neptunio, uranio, torio y protactinio, pero es diferente del plutonio y el curio, que muestran un rápido aumento hasta 60 K seguido de saturación. El valor de temperatura ambiente del americio es inferior al del neptunio, el plutonio y el curio, pero superior al del uranio, el torio y el protactinio. ^[1]

El americio es paramagnético en una amplia gama de temperaturas, desde la del helio líquido hasta la temperatura ambiente y más. Este comportamiento es marcadamente diferente al de su vecino curio, que exhibe una transición antiferromagnética a 52 K. ^[46] El coeficiente de expansión térmica del americio es ligeramente anisotrópico y asciende a(7,5 ± 0,2) x 10 ^-6  / ° C a lo largo del más corto de un eje y(6.2 ± 0.4) × 10 ⁻⁶  / ° C para el eje hexagonal c más largo. ^[43] La entalpía de disolución del metal americio en ácido clorhídrico en condiciones estándar es−620,6 ± 1,3 kJ / mol , a partir del cual el cambio de entalpía estándar de formación (Δ _f H °) del ion acuoso Am ³⁺ es-621,2 ± 2,0 kJ / mol . El potencial estándar Am ³⁺ / Am ⁰ es-2,08 ± 0,01 V . ^[47]

Propiedades químicas

El metal americio reacciona fácilmente con el oxígeno y se disuelve en ácidos acuosos . El estado de oxidación más estable para el americio es +3. ^[48] La química del americio (III) tiene muchas similitudes con la química de los compuestos de lantánidos (III). Por ejemplo, el americio trivalente forma fluoruro , oxalato , yodato , hidróxido , fosfato y otras sales insolubles . ^[48] También se han estudiado compuestos de americio en los estados de oxidación 2, 4, 5 y 6. Esta es la gama más amplia que se ha observado con elementos actínidos. El color de los compuestos de americio en solución acuosa es el siguiente: Am³⁺ (amarillo-rojizo), Am ⁴⁺ (amarillo-rojizo), Am ^V O⁺
₂; (amarillo), Am ^VI O²⁺
₂(marrón) y Am ^VII O⁵⁻
₆(verde oscuro). ^{[49] [50]} Los espectros de absorción tienen picos agudos, debido a las transiciones f - f 'en las regiones visible e infrarroja cercana. Normalmente, Am (III) tiene máximos de absorción en ca. 504 y 811 nm, Am (V) a aprox. 514 y 715 nm, y Am (VI) a ca. 666 y 992 nm. ^{[51] [52] [53] [54]}

Los compuestos de americio con un estado de oxidación de +4 y superior son agentes oxidantes fuertes, comparables en fuerza al ion permanganato ( MnO^-
₄) en soluciones ácidas. ^[55] Mientras que los iones Am ⁴⁺ son inestables en soluciones y se convierten fácilmente en Am ³⁺ , compuestos como el dióxido de americio (AmO ₂ ) y el fluoruro de americio (IV) (AmF ₄ ) son estables en estado sólido.

El estado de oxidación pentavalente del americio se observó por primera vez en 1951. ^[56] En solución acuosa ácida, el AmO⁺
₂ion es inestable con respecto a la desproporción . ^{[57] [58] [59]} La reacción

${\displaystyle {\ce {3AmO2+ + 4H+ -> 2AmO2^2+ + Am^3+ + 2H2O}}}$

es típico. La química de Am (V) y Am (VI) es comparable a la química del uranio en esos estados de oxidación. En particular, compuestos como Li ₃ AmO ₄ y Li ₆ AmO ₆ son comparables a los uranatos y el ion AmO ₂ ²⁺ es comparable al ion uranilo , UO ₂ ²⁺ . Dichos compuestos se pueden preparar por oxidación de Am (III) en ácido nítrico diluido con persulfato de amonio . ^[60] Otros agentes oxidantes que se han utilizado incluyen óxido de plata (I) , ^[54] ozono y persulfato de sodio.. ^[53]

Compuestos químicos

Compuestos de oxígeno

Se conocen tres óxidos de americio, con los estados de oxidación +2 (AmO), +3 (Am ₂ O ₃ ) y +4 (AmO ₂ ). El óxido de americio (II) se preparó en cantidades minúsculas y no se ha caracterizado en detalle. ^[61] El óxido de americio (III) es un sólido de color marrón rojizo con un punto de fusión de 2205 ° C. ^[62] El óxido de americio (IV) es la forma principal de americio sólido que se utiliza en casi todas sus aplicaciones. Como la mayoría de los demás dióxidos de actínidos, es un sólido negro con una estructura cristalina cúbica ( fluorita ). ^[63]

El oxalato de americio (III), secado al vacío a temperatura ambiente, tiene la fórmula química Am ₂ (C ₂ O ₄ ) ₃ · 7H ₂ O. Al calentarse al vacío, pierde agua a 240 ° C y comienza a descomponerse en AmO ₂ a 300 ° C, la descomposición se completa a aproximadamente 470 ° C. ^[48] El oxalato inicial se disuelve en ácido nítrico con una solubilidad máxima de 0,25 g / L. ^[64]

Haluros

Los haluros de americio son conocidos por los estados de oxidación +2, +3 y +4, ^[65] donde +3 es más estable, especialmente en soluciones. ^[66]

Estado de oxidación	F	Cl	Br	I
+4	Fluoruro de americio (IV) AmF 4 rosa pálido
+3	Fluoruro de americio (III) AmF 3 rosa	Cloruro de americio (III) AmCl 3 rosa	Bromuro de americio (III) AmBr 3 amarillo claro	Yoduro de americio (III) AmI 3 amarillo claro
+2		Cloruro de americio (II) AmCl 2 negro	Bromuro de americio (II) AmBr 2 negro	Yoduro de americio (II) AmI 2 negro

La reducción de compuestos de Am (III) con amalgama de sodio produce sales de Am (II): los haluros negros AmCl ₂ , AmBr ₂ y AmI ₂ . Son muy sensibles al oxígeno y se oxidan en el agua, liberando hidrógeno y volviendo al estado Am (III). Las constantes de celosía específicas son:

• AmCl ₂ ortorrómbico : a =896,3 ± 0,8 pm , b =757,3 ± 24:08 y c =453,2 ± 0,6 pm
• Tetragonal AMBR ₂ : un =1 159 0,2 ± 24:04 y c =712,1 ± 0,3 pm . ^[67] También pueden prepararse haciendo reaccionar americio metálico con un haluro de mercurio apropiado HgX ₂ , donde X = Cl, Br o I: ^[68]

${\displaystyle {\ce {{Am}+{\underset {mercury\ halide}{HgX2}}->[{} \atop 400-500^{\circ }{\ce {C}}]{AmX2}+{Hg}}}}$

El fluoruro de americio (III) (AmF ₃ ) es poco soluble y se precipita con la reacción de Am ³⁺ y iones de fluoruro en soluciones ácidas débiles:

${\displaystyle {\ce {Am^3+ + 3F^- -> AmF3(v)}}}$

El fluoruro de americio (IV) tetravalente (AmF ₄ ) se obtiene haciendo reaccionar el fluoruro de americio (III) sólido con flúor molecular : ^{[69] [70]}

${\displaystyle {\ce {2AmF3 + F2 -> 2AmF4}}}$

Otra forma conocida de cloruro de americio tetravalente sólido es KAmF ₅ . ^{[69] [71]} También se ha observado americio tetravalente en la fase acuosa. Para este propósito, se disolvió Am (OH) ₄ negro en NH ₄ F 15- M con una concentración de americio de 0.01 M. La solución rojiza resultante tenía un espectro de absorción óptica característico que es similar al de AmF ₄ pero difería de otras oxidaciones. estados de americio. Calentar la solución de Am (IV) a 90 ° C no dio como resultado su desproporción o reducción, sin embargo, se observó una reducción lenta a Am (III) y se asignó a la autoirradiación de americio por partículas alfa. ^[52]

La mayoría de los haluros de americio (III) forman cristales hexagonales con una ligera variación de color y estructura exacta entre los halógenos. Entonces, el cloruro (AmCl ₃ ) es rojizo y tiene una estructura isotípica al cloruro de uranio (III) (grupo espacial P6 ₃ / m) y el punto de fusión de 715 ° C. ^[65] El fluoruro es isotípico para LaF ₃ (grupo espacial P6 ₃ / mmc) y el yoduro para BiI ₃ (grupo espacial R 3 ). El bromuro es una excepción con la estructura ortorrómbica _de tipo PuBr ₃ y el grupo espacial Cmcm. ^[66] Cristales de americio hexahidrato (AmCl ₃ · 6H ₂O) se puede preparar disolviendo dióxido de americio en ácido clorhídrico y evaporando el líquido. Estos cristales son higroscópicos y tienen un color amarillo rojizo y una estructura cristalina monoclínica . ^[72]

Los oxihaluros de americio en la forma Am ^VI O ₂ X ₂ , Am ^V O ₂ X, Am ^IV OX ₂ y Am ^III OX pueden obtenerse haciendo reaccionar el correspondiente haluro de americio con oxígeno o Sb ₂ O ₃ , y también se puede producir AmOCl por hidrólisis en fase de vapor : ^[68]

${\displaystyle {\ce {AmCl3 + H2O -> AmOCl + 2HCl}}}$

Calcogenuros y pnictides

Los calcogenuros conocidos de americio incluyen el sulfuro AmS ₂ , ^[73] seleniuros AmSe ₂ y Am ₃ Se ₄ , ^{[73] [74]} y telururos Am ₂ Te ₃ y AmTe ₂ . ^[75] Los pnictides de americio ( ²⁴³ Am) del tipo AmX son conocidos por los elementos fósforo , arsénico , ^[76] antimonio y bismuto . Cristalizan en la sal gemaenrejado. ^[74]

Siliciuros y boruros

El monosilicida de americio (AmSi) y el "disilicida" (nominalmente AmSi _x con: 1,87 <x <2,0) se obtuvieron por reducción de fluoruro de americio (III) con silicio elemental en vacío a 1050 ° C (AmSi) y 1150-1200 ° C ( AmSi _x ). AmSi es un sólido negro isomorfo con LaSi, tiene una simetría cristalina ortorrómbica. AmSi _x tiene un brillo plateado brillante y una red cristalina tetragonal (grupo espacial I 4 ₁ / amd), es isomorfo con PuSi ₂ y ThSi ₂ . ^{[77] Los} boruros de americio incluyen AmB ₄ y AmB ₆. El tetraboruro se puede obtener calentando un óxido o haluro de americio con diboruro de magnesio al vacío o en atmósfera inerte. ^{[78] [79]}

Compuestos de organoamericio

Estructura prevista del ameroceno [(η ⁸ -C ₈ H ₈ ) ₂ Am]

De manera análoga al uranoceno , el americio forma el compuesto organometálico ameroceno con dos ligandos ciclooctatetraeno , con la fórmula química (η ⁸ -C ₈ H ₈ ) ₂ Am. ^[80] También se conoce un complejo de ciclopentadienilo que probablemente sea estequiométricamente AmCp ₃ . ^{[81] [82]}

Formación de los complejos del tipo Am (nC ₃ H ₇ -BTP) ₃ , donde BTP significa 2,6-di (1,2,4-triazin-3-il) piridina, en soluciones que contienen nC ₃ H ₇ - Los iones BTP y Am ³⁺ han sido confirmados por EXAFS . Algunos de estos complejos de tipo BTP interactúan selectivamente con el americio y, por tanto, son útiles en su separación selectiva de los lantánidos y otros actínidos. ^[83]

Aspectos biológicos

El americio es un elemento artificial de origen reciente y, por lo tanto, no tiene un requisito biológico . ^{[84] [85]} Es perjudicial para la vida . Se ha propuesto utilizar bacterias para la eliminación de americio y otros metales pesados de ríos y arroyos. Así, las enterobacterias del género Citrobacter precipitan iones americio de soluciones acuosas, uniéndolos en un complejo de metal-fosfato en sus paredes celulares. ^[86] Se han informado varios estudios sobre la biosorción y bioacumulación del americio por bacterias ^{[87] [88]} y hongos. ^[89]

Fisión

El isótopo ^242m Am (vida media 141 años) tiene las secciones transversales más grandes para la absorción de neutrones térmicos (5.700 graneros ), ^[90] que resulta en una pequeña masa crítica para una reacción nuclear en cadena sostenida . La masa crítica para una esfera desnuda de ^{242 m} Am es de unos 9-14 kg (la incertidumbre se debe al conocimiento insuficiente de sus propiedades materiales). Se puede bajar a 3-5 kg ​​con un reflector de metal y debería reducirse aún más con un reflector de agua. ^[91] Una masa crítica tan pequeña es favorable para las armas nucleares portátiles , pero aquellas basadas en ^{242 m}Todavía no se conocen, probablemente debido a su escasez y alto precio. Las masas críticas de otros dos isótopos fácilmente disponibles, ²⁴¹ Am y ²⁴³ Am, son relativamente altas: 57,6 a 75,6 kg para ²⁴¹ Am y 209 kg para ²⁴³ Am. ^{[92] La} escasez y el alto precio dificultan aún la aplicación del americio como combustible nuclear en los reactores nucleares . ^[93]

Hay propuestas de reactores de alto flujo muy compactos de 10 kW que utilizan tan solo 20 gramos de ^{242 m} Am. Dichos reactores de baja potencia serían relativamente seguros de usar como fuentes de neutrones para radioterapia en hospitales. ^[94]

Isótopos

Ver también: isótopos de americio

Se conocen alrededor de 19 isótopos y 8 isómeros nucleares para el americio. Hay dos emisores alfa de larga duración; ²⁴³ Am tiene una vida media de 7.370 años y es el isótopo más estable, y ²⁴¹ Am tiene una vida media de 432,2 años. El isómero nuclear más estable es ^242m1 Am; tiene una vida media larga de 141 años. Las vidas medias de otros isótopos e isómeros oscilan entre 0,64 microsegundos para ^245m1 Am y 50,8 horas para ²⁴⁰ Am. Como ocurre con la mayoría de los demás actínidos, los isótopos del americio con un número impar de neutrones tienen una tasa de fisión nuclear relativamente alta y una masa crítica baja. ^[13]

El americio-241 se desintegra a ²³⁷ Np emitiendo partículas alfa de 5 energías diferentes, principalmente a 5,486 MeV (85,2%) y 5,443 MeV (12,8%). Debido a que muchos de los estados resultantes son metaestables, también emiten rayos gamma con energías discretas entre 26,3 y 158,5 keV. ^[95]

El americio-242 es un isótopo de vida corta con una vida media de 16.02 h. ^[13] En su mayoría (82,7%) se convierte por desintegración β en ²⁴² Cm, pero también por captura de electrones en ²⁴² Pu (17,3%). Tanto ²⁴² Cm como ²⁴² Pu se transforman a través de casi la misma cadena de desintegración a través de ²³⁸ Pu hasta ²³⁴ U.

Casi la totalidad (99,541%) de ^242m1 Am se desintegra por conversión interna a ²⁴² Am y el 0,459% restante por desintegración α a ²³⁸ Np. Este último posteriormente decae a ²³⁸ Pu y luego a ²³⁴ U. ^[13]

El americio-243 se transforma por emisión α en ²³⁹ Np, que se convierte por desintegración β en ²³⁹ Pu, y el ²³⁹ Pu se transforma en ²³⁵ U emitiendo una partícula α.

Aplicaciones

Vista exterior e interior de un detector de humo a base de americio

Detector de humo de tipo ionización

Artículo principal: Detector de humo § Ionización

El americio se utiliza en el tipo más común de detector de humo doméstico , que utiliza ²⁴¹ Am en forma de dióxido de americio como fuente de radiación ionizante . ^[96] Este isótopo se prefiere sobre ²²⁶ Ra porque emite 5 veces más partículas alfa y relativamente poca radiación gamma dañina.

La cantidad de americio en un detector de humo nuevo típico es de 1  microcurio (37  kBq ) o 0,29 microgramos . Esta cantidad disminuye lentamente a medida que el americio se desintegra en neptunio -237, un elemento transuránico diferente con una vida media mucho más larga (aproximadamente 2,14 millones de años). Con su vida media de 432,2 años, el americio de un detector de humo incluye aproximadamente un 3% de neptunio después de 19 años y aproximadamente un 5% después de 32 años. La radiación pasa a través de una cámara de ionización , un espacio lleno de aire entre dos electrodos y permite una pequeña corriente constante.entre los electrodos. Cualquier humo que ingrese a la cámara absorbe las partículas alfa, lo que reduce la ionización y afecta esta corriente, disparando la alarma. En comparación con el detector de humo óptico alternativo, el detector de humo por ionización es más económico y puede detectar partículas que son demasiado pequeñas para producir una dispersión de luz significativa; sin embargo, es más propenso a falsas alarmas . ^{[97] [98] [99] [100]}

Radionúclido

Como el ²⁴¹ Am tiene una vida media aproximadamente similar a la del ²³⁸ Pu (432,2 años frente a 87 años), se ha propuesto como un elemento activo de los generadores termoeléctricos de radioisótopos , por ejemplo, en naves espaciales. ^[101] Aunque el americio produce menos calor y electricidad - el rendimiento de energía es de 114,7 mW / g para ²⁴¹ Am y 6,31 mW / g para ²⁴³ Am ^[1] (cf. 390 mW / g para ²³⁸ Pu) ^[101] - y su La radiación representa una mayor amenaza para los humanos debido a la emisión de neutrones, la Agencia Espacial Europea está considerando usar americio para sus sondas espaciales. ^[102]

Otra aplicación espacial propuesta del americio es un combustible para naves espaciales con propulsión nuclear. Se basa en la muy alta tasa de fisión nuclear de ^{242 m} Am, que se puede mantener incluso en una lámina de un micrómetro de espesor. El pequeño espesor evita el problema de la autoabsorción de la radiación emitida. Este problema es pertinente a las varillas de uranio o plutonio, en las que solo las capas superficiales proporcionan partículas alfa. ^{[103] [104]} Los productos de fisión de ^{242 m} Am pueden impulsar directamente la nave espacial o pueden calentar un gas de empuje. También pueden transferir su energía a un fluido y generar electricidad a través de un generador magnetohidrodinámico . ^[105]

Una propuesta más que utiliza la alta tasa de fisión nuclear de ^{242 m} Am es una batería nuclear. Su diseño no depende de la energía emitida por las partículas alfa de americio, sino de su carga, es decir, el americio actúa como el "cátodo" autosostenido. Una sola carga de 3,2 kg ^{242 m} Am de dicha batería podría proporcionar unos 140 kW de potencia durante un período de 80 días. ^[106] Incluso con todos los beneficios potenciales, las aplicaciones actuales de ^242m Am todavía se ven obstaculizadas por la escasez y el alto precio de este isómero nuclear en particular . ^[105]

En 2019, investigadores del Laboratorio Nuclear Nacional del Reino Unido y la Universidad de Leicester demostraron el uso del calor generado por el americio para iluminar una pequeña bombilla. Esta tecnología podría conducir a sistemas para impulsar misiones con una duración de hasta 400 años en el espacio interestelar , donde los paneles solares no funcionan. ^{[107] [108]}

Fuente de neutrones

El óxido de ²⁴¹ Am prensado con berilio es una fuente de neutrones eficiente . Aquí el americio actúa como la fuente alfa, y el berilio produce neutrones debido a su gran sección transversal para la reacción nuclear (α, n):

${\displaystyle {\ce {^{241}_{95}Am -> ^{237}_{93}Np + ^{4}_{2}He + \gamma}}}$

${\displaystyle {\ce {^{9}_{4}Be + ^{4}_{2}He -> ^{12}_{6}C + ^{1}_{0}n + \gamma}}}$

El uso más extendido de las fuentes de neutrones ²⁴¹ AmBe es una sonda de neutrones , un dispositivo que se utiliza para medir la cantidad de agua presente en el suelo, así como la humedad / densidad para el control de calidad en la construcción de carreteras. ^Las fuentes de neutrones ²⁴¹ Am también se utilizan en aplicaciones de registro de pozos, así como en radiografía de neutrones , tomografía y otras investigaciones radioquímicas. ^[109]

Producción de otros elementos

El americio es un material de partida para la producción de otros elementos transuránicos y transactínidos ; por ejemplo, el 82,7% de ²⁴² Am se desintegra a ²⁴² Cm y el 17,3% a ²⁴² Pu. En el reactor nuclear, ²⁴² Am también se convierte por captura de neutrones en ²⁴³ Am y ²⁴⁴ Am, que se transforma por desintegración β en ²⁴⁴ Cm:

${\displaystyle {\ce {^{243}_{95}Am ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{244}_{95}Am ->[\beta^-][10.1 \ {\ce {h}}] ^{244}_{96}Cm}}}$

La irradiación de ²⁴¹ Am por iones de ¹² C o ²² Ne produce los isótopos ²⁴⁷ Es ( einstenio ) o ²⁶⁰ Db ( dubnio ), respectivamente. ^[109] Además, el elemento berkelio ( isótopo ²⁴³ Bk) había sido producido e identificado por primera vez intencionalmente bombardeando ²⁴¹ Am con partículas alfa, en 1949, por el mismo grupo de Berkeley, utilizando el mismo ciclotrón de 60 pulgadas. Del mismo modo, el nobelio se produjo en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear , Dubna., Rusia, en 1965 en varias reacciones, una de las cuales incluyó la irradiación de ²⁴³ Am con ¹⁵ iones N. Además, una de las reacciones de síntesis del lawrencio , descubierta por científicos en Berkeley y Dubna, incluyó el bombardeo de ²⁴³ Am con ¹⁸ O. ^[10]

Espectrómetro

El americio-241 se ha utilizado como fuente portátil de rayos gamma y partículas alfa para varios usos médicos e industriales. Las emisiones de rayos gamma de 59,5409 keV de ²⁴¹ Am en tales fuentes se pueden utilizar para el análisis indirecto de materiales en radiografía y espectroscopia de fluorescencia de rayos X, así como para el control de calidad en medidores de densidad nuclear fijos y densómetros nucleares . Por ejemplo, el elemento se ha empleado para medir el grosor del vidrio para ayudar a crear vidrio plano. ^[25]El americio-241 también es adecuado para la calibración de espectrómetros de rayos gamma en el rango de baja energía, ya que su espectro consta de casi un solo pico y un continuo de Compton insignificante (al menos tres órdenes de magnitud de intensidad menor). ^[110] Los rayos gamma de americio-241 también se utilizaron para proporcionar un diagnóstico pasivo de la función tiroidea. Sin embargo, esta aplicación médica está obsoleta.

Problemas de salud

Como elemento altamente radiactivo, el americio y sus compuestos deben manipularse únicamente en un laboratorio apropiado bajo arreglos especiales. Aunque la mayoría de los isótopos de americio emiten predominantemente partículas alfa que pueden ser bloqueadas por capas delgadas de materiales comunes, muchos de los productos secundarios emiten rayos gamma y neutrones que tienen una gran profundidad de penetración. ^[111]

Si se consume, la mayor parte del americio se excreta en unos pocos días, y solo el 0,05% se absorbe en la sangre, del cual aproximadamente el 45% va al hígado y el 45% a los huesos, y el 10% restante se excreta. La captación por el hígado depende del individuo y aumenta con la edad. En los huesos, el americio se deposita primero sobre las superficies corticales y trabeculares y se redistribuye lentamente sobre el hueso con el tiempo. La vida media biológica del ²⁴¹ Am es de 50 años en los huesos y de 20 años en el hígado, mientras que en las gónadas (testículos y ovarios) permanece de forma permanente; en todos estos órganos, el americio promueve la formación de células cancerosas como resultado de su radiactividad. ^{[20] [112] [113]}

El americio a menudo ingresa a los vertederos desde los detectores de humo desechados . Las reglas asociadas con la eliminación de detectores de humo se relajan en la mayoría de las jurisdicciones. En 1994, David Hahn , de 17 años, extrajo el americio de unos 100 detectores de humo en un intento de construir un reactor nuclear reproductor. ^{[114] [115] [116] [117]} Ha habido algunos casos de exposición al americio, el peor de los casos fue el del técnico de operaciones químicas Harold McCluskey , quien a la edad de 64 años estuvo expuesto a 500 veces el estándar ocupacional para americio-241 como resultado de una explosión en su laboratorio. McCluskey murió a la edad de 75 años de una enfermedad preexistente no relacionada. ^{[118] [119]}

Ver también

• Actínidos en el medio ambiente
• Categoría: Compuestos de americio

Notas

1. El estado "metaestable" está marcado por la letra m.

Referencias

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Bibliografía

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Lectura adicional

• Núclidos e isótopos - 14a edición , GE Nuclear Energy, 1989.
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Enlaces externos

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• Americio en la tabla periódica de videos (Universidad de Nottingham)
• ATSDR - Declaración de salud pública: Americium
• Asociación Nuclear Mundial - Detectores de humo y americio