El fermio es un elemento sintético con el símbolo Fm y número atómico 100. Es un actínido y el elemento más pesado que se puede formar por bombardeo de neutrones de elementos más ligeros, y por tanto el último elemento que se puede preparar en cantidades macroscópicas, aunque fermio metálico puro aún no ha sido preparado. [3] Se conocen un total de 19 isótopos, siendo 257 Fm el más longevo con una vida media de 100,5 días.
Fue descubierto entre los escombros de la primera explosión de una bomba de hidrógeno en 1952 y recibió su nombre de Enrico Fermi , uno de los pioneros de la física nuclear . Su química es típica de los actínidos tardíos, con preponderancia del estado de oxidación +3 pero también un estado de oxidación +2 accesible. Debido a las pequeñas cantidades de fermio producido y a todos sus isótopos que tienen vidas medias relativamente cortas, actualmente no tiene usos fuera de la investigación científica básica.
Descubrimiento
El fermio se descubrió por primera vez a raíz de la prueba nuclear ' Ivy Mike ' (1 de noviembre de 1952), la primera prueba exitosa de una bomba de hidrógeno. [4] [5] [6] El examen inicial de los escombros de la explosión mostró la producción de un nuevo isótopo de plutonio ,244 94Pu: Esto sólo podría haberse formado por la absorción de seis neutrones por un uranio-238 núcleo seguido por dos beta - desintegraciones . En ese momento, se pensaba que la absorción de neutrones por un núcleo pesado era un proceso raro, pero la identificación de244
94Pu
planteó la posibilidad de que aún más neutrones pudieran haber sido absorbidos por los núcleos de uranio, dando lugar a nuevos elementos. [6]
El elemento 99 ( einstenio ) se descubrió rápidamente en papeles de filtro que habían volado a través de la nube desde la explosión (la misma técnica de muestreo que se había utilizado para descubrir244
94Pu
). [6] Luego fue identificado en diciembre de 1952 por Albert Ghiorso y compañeros de trabajo en la Universidad de California en Berkeley . [4] [5] [6] Descubrieron el isótopo 253 Es ( vida media de 20,5 días) que se obtuvo mediante la captura de 15 neutrones por núcleos de uranio-238 , que luego se sometieron a siete desintegraciones beta sucesivas :
( 1 )
Sin embargo, unos 238 átomos de U podrían capturar otra cantidad de neutrones (lo más probable es que 16 o 17).
El descubrimiento de fermio ( Z = 100) requirió más material, ya que se esperaba que el rendimiento fuera al menos un orden de magnitud menor que el del elemento 99, por lo que el coral contaminado del atolón de Enewetak (donde se había realizado la prueba) fue enviado al Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley, California , para su procesamiento y análisis. Aproximadamente dos meses después de la prueba, se aisló un nuevo componente que emitía partículas α de alta energía (7,1 MeV) con una vida media de aproximadamente un día. Con una vida media corta tal, que sólo podría surgir de la β - decaimiento de un isótopo de einsteinium, y así tenía que ser un isótopo del nuevo elemento 100: se identificó rápidamente como 255 Fm ( t = 20,07 (7) horas ). [6]
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 . [6] [7] [8] Sin embargo, el equipo de Berkeley pudo preparar los elementos 99 y 100 por medios civiles, mediante el bombardeo de neutrones de plutonio-239 , y publicó este trabajo en 1954 con la advertencia de que no era el primero estudios que se habían realizado sobre los elementos. [9] [10] Los estudios de "Ivy Mike" fueron desclasificados y publicados en 1955. [7]
Al equipo de Berkeley le preocupaba que otro grupo pudiera descubrir isótopos más ligeros del elemento 100 mediante técnicas de bombardeo iónico antes de que pudieran publicar su investigación clasificada, [6] y este resultó ser el caso. Un grupo del Instituto Nobel de Física de Estocolmo descubrió de forma independiente el elemento, produciendo un isótopo que luego se confirmó en 250 Fm ( t 1/2 = 30 minutos) al bombardear un238
92U
objetivo con iones oxígeno-16 , y publicaron su trabajo en mayo de 1954. [11] Sin embargo, la prioridad del equipo de Berkeley fue generalmente reconocida, y con ella la prerrogativa de nombrar el nuevo elemento en honor al recientemente fallecido Enrico Fermi , el desarrollador del primer reactor nuclear artificial autónomo.
Isótopos
Hay 20 isótopos de fermio enumerados en N UBASE 2016, [12] con pesos atómicos de 241 a 260, [Nota 1] de los cuales 257 Fm es el más longevo con una vida media de 100,5 días. 253 Fm tiene una vida media de 3 días, mientras que 251 Fm de 5.3 h, 252 Fm de 25.4 h, 254 Fm de 3.2 h, 255 Fm de 20.1 hy 256 Fm de 2.6 horas. Todos los restantes tienen vidas medias que van desde 30 minutos hasta menos de un milisegundo. [13] El producto de captura de neutrones del fermio-257, 258 Fm, sufre una fisión espontánea con una vida media de solo 370 (14) microsegundos; 259 Fm y 260 Fm también son inestables con respecto a la fisión espontánea ( t 1/2 = 1,5 (3) sy 4 ms respectivamente). [13] Esto significa que la captura de neutrones no se puede utilizar para crear nucleidos con un número de masa superior a 257, a menos que se lleve a cabo en una explosión nuclear. Como 257 Fm es un emisor α , que se descompone a 253 Cf, y ningún isótopo de fermio conocido sufre una desintegración beta menos en el siguiente elemento, el mendelevio , el fermio es también el último elemento que puede prepararse mediante un proceso de captura de neutrones. [3] [14] [15] Debido a este impedimento en la formación de isótopos más pesados, estos isótopos de vida corta 258-260 Fm constituyen la llamada "brecha de fermio". [dieciséis]
Producción
El fermio se produce mediante el bombardeo de actínidos más ligeros con neutrones en un reactor nuclear. El fermio-257 es el isótopo más pesado que se obtiene mediante la captura de neutrones y solo se puede producir en cantidades de picogramos. [Nota 2] [17] La fuente principal es el Reactor de Isótopos de Alto Flujo (HFIR) de 85 MW en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee , EE. UU., Que se dedica a la producción de elementos transcurium ( Z > 96). [18] Los isótopos de fermio de menor masa están disponibles en mayores cantidades, aunque estos isótopos ( 254 Fm y 255 Fm) son comparativamente de corta duración. En una "campaña de procesamiento típica" en Oak Ridge, se irradian decenas de gramos de curio para producir cantidades de decigramos de californio , cantidades de miligramos de berkelio y einstenio y cantidades de picogramos de fermio. [19] Sin embargo, se pueden preparar cantidades de nanogramos [20] de fermio para experimentos específicos. Se cree que las cantidades de fermio producidas en explosiones termonucleares de 20 a 200 kilotones son del orden de miligramos, aunque está mezclado con una gran cantidad de escombros; Se recuperaron 4,0 picogramos de 257 Fm de 10 kilogramos de desechos de la prueba " Hutch " (16 de julio de 1969). [21] El experimento de Hutch produjo un total estimado de 250 microgramos de 257 Fm.
Después de la producción, el fermio debe separarse de otros actínidos y de los productos de fisión de lantánidos . Esto generalmente se logra mediante cromatografía de intercambio iónico , con el proceso estándar usando un intercambiador de cationes como Dowex 50 o T EVA eluido con una solución de α-hidroxiisobutirato de amonio. [3] [22] Los cationes más pequeños forman complejos más estables con el anión α-hidroxiisobutirato, por lo que se eluyen preferentemente de la columna. [3] También se ha descrito un método de cristalización fraccionada rápida . [3] [23]
Aunque el isótopo más estable de fermio es 257 Fm, con una vida media de 100,5 días, la mayoría de los estudios se realizan en 255 Fm ( t 1/2 = 20,07 (7) horas), ya que este isótopo se puede aislar fácilmente según se requiera como el producto de desintegración de 255 Es ( t 1/2 = 39,8 (12) días). [3]
Síntesis en explosiones nucleares
El análisis de los escombros en la prueba nuclear de 10 megatones de Ivy Mike fue parte de un proyecto a largo plazo, uno de cuyos objetivos era estudiar la eficiencia de la producción de elementos transuránicos en explosiones nucleares de alta potencia. La motivación de estos experimentos fue la siguiente: la síntesis de tales elementos a partir de uranio requiere la captura de múltiples neutrones. La probabilidad de tales eventos aumenta con el flujo de neutrones, y las explosiones nucleares son las fuentes de neutrones más poderosas, proporcionando densidades del orden de 10 23 neutrones / cm 2 en un microsegundo, es decir, alrededor de 10 29 neutrones / (cm 2 · s). En comparación, el flujo del reactor HFIR es de 5 × 10 15 neutrones / (cm 2 · s). Se instaló un laboratorio exclusivo en el atolón de Enewetak para el análisis preliminar de los desechos, ya que algunos isótopos podrían haberse descompuesto cuando las muestras de desechos llegaron a los EE. UU. El laboratorio estaba recibiendo muestras para análisis, lo antes posible, de aviones equipados con filtros de papel que voló sobre el atolón después de las pruebas. Si bien se esperaba descubrir nuevos elementos químicos más pesados que el fermio, no se encontraron después de una serie de explosiones de megatones realizadas entre 1954 y 1956 en el atolón. [24]
Los resultados atmosféricos se complementaron con los datos de pruebas subterráneas acumulados en la década de 1960 en el sitio de pruebas de Nevada , ya que se esperaba que poderosas explosiones llevadas a cabo en espacios confinados pudieran dar como resultado rendimientos mejorados e isótopos más pesados. Aparte de las cargas de uranio tradicionales, se han probado combinaciones de uranio con americio y torio, así como una carga mixta de plutonio-neptunio. Tuvieron menos éxito en términos de rendimiento que se atribuyó a mayores pérdidas de isótopos pesados debido a tasas de fisión mejoradas en cargas de elementos pesados. Se descubrió que el aislamiento de los productos era bastante problemático, ya que las explosiones esparcían los escombros a través del derretimiento y la vaporización de rocas a una gran profundidad de 300 a 600 metros, y la perforación a esa profundidad para extraer los productos era lenta e ineficaz en términos de volúmenes recolectados. [24] [25]
Entre las nueve pruebas subterráneas, que se llevaron a cabo entre 1962 y 1969 y con nombre en código Anacostia (5,2 kilotones , 1962), Kennebec (<5 kilotones, 1963), Par (38 kilotones, 1964), Barbel (<20 kilotones, 1964), Tweed (<20 kilotones, 1965), Cyclamen (13 kilotones, 1966), Kankakee (20-200 kilotones, 1966), Vulcan (25 kilotones, 1966) y Hutch (20-200 kilotones, 1969), [26] el último era el más poderoso y tenía el mayor rendimiento de elementos transuránicos. En la dependencia del número de masa atómica, el rendimiento mostró un comportamiento de diente de sierra con los valores más bajos para los isótopos impares, debido a sus tasas de fisión más altas. [25] Sin embargo, el principal problema práctico de toda la propuesta fue recoger los desechos radiactivos dispersados por la poderosa explosión. Los filtros de las aeronaves adsorbieron solo alrededor de 4 × 10 - 14 de la cantidad total y la recolección de toneladas de corales en el atolón Enewetak aumentó esta fracción en solo dos órdenes de magnitud. La extracción de aproximadamente 500 kilogramos de rocas subterráneas 60 días después de la explosión de Hutch recuperó solo alrededor de 10-7 de la carga total. La cantidad de elementos transuránicos en este lote de 500 kg fue solo 30 veces mayor que en una roca de 0,4 kg recogida 7 días después de la prueba. Esta observación demostró la dependencia altamente no lineal del rendimiento de los elementos transuránicos de la cantidad de roca radiactiva recuperada. [27] Para acelerar la recolección de muestras después de la explosión, se perforaron pozos en el sitio no después sino antes de la prueba, de modo que la explosión expulsara material radiactivo del epicentro, a través de los pozos, a los volúmenes de recolección cerca de la superficie. Este método fue probado en las pruebas Anacostia y Kennebec y proporcionó instantáneamente cientos de kilogramos de material, pero con una concentración de actínidos 3 veces menor que en las muestras obtenidas después de la perforación; si bien dicho método podría haber sido eficaz en estudios científicos de isótopos de vida corta, no pudo mejorar la eficacia global de recogida de los actínidos producidos. [28]
Aunque no se pudieron detectar elementos nuevos (aparte del einstenio y el fermio) en los restos de la prueba nuclear, y los rendimientos totales de elementos transuránicos fueron decepcionantemente bajos, estas pruebas proporcionaron cantidades significativamente más altas de isótopos pesados raros que las disponibles anteriormente en los laboratorios. Por ejemplo, se podrían recuperar 6 × 10 9 átomos de 257 Fm después de la detonación de Hutch. Luego se utilizaron en los estudios de fisión inducida por neutrones térmicos de 257 Fm y en el descubrimiento de un nuevo isótopo de fermio de 258 Fm. Además, el raro isótopo de 250 Cm se sintetizó en grandes cantidades, que es muy difícil de producir en reactores nucleares a partir de su progenitor 249 Cm; la vida media de 249 Cm (64 minutos) es demasiado corta para irradiaciones de reactores de meses de duración. pero es muy "largo" en la escala de tiempo de explosión. [29]
Ocurrencia natural
Debido a la corta vida media de todos los isótopos de fermio, cualquier fermio primordial , es decir, fermio que podría estar presente en la Tierra durante su formación, ya se ha descompuesto. La síntesis de fermio a partir de actínidos naturales, uranio y torio en la corteza terrestre requiere la captura de múltiples neutrones, lo cual es un evento extremadamente improbable. Por lo tanto, la mayor parte del fermio se produce en la Tierra en laboratorios científicos, reactores nucleares de alta potencia o en pruebas de armas nucleares , y está presente solo unos pocos meses después del momento de la síntesis. Los elementos transuránicos de americio a fermium se produjeron de forma natural en el reactor de fisión nuclear naturales en Oklo , pero ya no lo hacen. [30]
Química
La química del fermio solo se ha estudiado en solución utilizando técnicas de trazadores y no se han preparado compuestos sólidos. En condiciones normales, el fermio existe en solución como el ion Fm 3+ , que tiene un número de hidratación de 16,9 y una constante de disociación ácida de 1,6 × 10 −4 (p K a = 3,8). [31] [32] Fm 3+ forma complejos con una amplia variedad de ligandos orgánicos con átomos donantes duros como el oxígeno, y estos complejos suelen ser más estables que los de los actínidos precedentes. [3] También forma complejos aniónicos con ligandos como cloruro o nitrato y, nuevamente, estos complejos parecen ser más estables que los formados por einstenio o californio . [33] Se cree que la unión en los complejos de los últimos actínidos es principalmente de carácter iónico : se espera que el ión Fm 3+ sea más pequeño que los iones An 3+ anteriores debido a la mayor carga nuclear efectiva del fermio, y por tanto, se esperaría que el fermio forme enlaces metal-ligando más cortos y más fuertes. [3]
El fermio (III) se puede reducir con bastante facilidad a fermio (II), [34] por ejemplo con cloruro de samario (II) , con el que coprecipita el fermio (II). [35] [36] En el precipitado, se produjo el compuesto cloruro de fermio (II) (FmCl 2 ), aunque no se purificó ni se estudió de forma aislada. [37] Se ha estimado que el potencial del electrodo es similar al del par de iterbio (III) / (II), o aproximadamente -1,15 V con respecto al electrodo de hidrógeno estándar , [38] un valor que concuerda con los cálculos teóricos. [39] El par Fm 2+ / Fm 0 tiene un potencial de electrodo de −2,37 (10) V basado en medidas polarográficas . [40]
Toxicidad
Aunque pocas personas entran en contacto con el fermio, la Comisión Internacional de Protección Radiológica ha establecido límites de exposición anual para los dos isótopos más estables. Para el fermio-253, el límite de ingestión se fijó en 10 7 becquerels (1 Bq equivale a una desintegración por segundo) y el límite de inhalación en 10 5 Bq; para fermio-257, a 10 5 Bq y 4000 Bq respectivamente. [41]
notas y referencias
Notas
- ^ El descubrimiento de 260 Fm se considera "no probado" en N UBASE 2003. [13]
- ^ Todos los isótopos de los elementos Z> 100 solo se pueden producir mediante reacciones nucleares basadas en aceleradores con partículas cargadas y solo se pueden obtener en cantidades trazadoras (p. Ej., 1 millón de átomos para Md ( Z = 101) por hora de irradiación (ver referencia 1 debajo)).
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Otras lecturas
- Robert J. Silva: Fermium, Mendelevium, Nobelium y Lawrencium , en: Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Hrsg.): La química de los elementos actínidos y transactínidos , Springer, Dordrecht 2006; ISBN 1-4020-3555-1 , pág. 1621-1651; doi : 10.1007 / 1-4020-3598-5_13 .
- Seaborg, Glenn T. (ed.) (1978) Actas del Simposio Conmemorativo del 25 Aniversario de los Elementos 99 y 100 , 23 de enero de 1978, Informe LBL-7701
- Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie , System Nr. 71, Transurano: Teil A 1 II, pág. 19-20; Teil A 2, pág. 47; Teil B 1, pág. 84.
enlaces externos
- Fermio en la tabla periódica de videos (Universidad de Nottingham)