El prometio es un elemento químico con el símbolo Pm y número atómico 61. Todos sus isótopos son radiactivos ; es extremadamente raro, con solo alrededor de 500 a 600 gramos que ocurren naturalmente en la corteza terrestre en un momento dado. El prometio es uno de los dos únicos elementos radiactivos que son seguidos en la tabla periódica por elementos con formas estables, el otro es el tecnecio . Químicamente, el prometio es un lantánido . El prometio muestra solo un estado de oxidación estable de +3.
En 1902, Bohuslav Brauner sugirió que había un elemento entonces desconocido con propiedades intermedias entre las de los elementos conocidos neodimio (60) y samario (62); esto fue confirmado en 1914 por Henry Moseley , quien, habiendo medido los números atómicos de todos los elementos conocidos entonces, encontró que faltaba el número atómico 61. En 1926, dos grupos (uno italiano y otro estadounidense) afirmaron haber aislado una muestra del elemento 61; Pronto se demostró que ambos "descubrimientos" eran falsos. En 1938, durante un experimento nuclear realizado en la Universidad Estatal de Ohio , se produjeron algunos núclidos radiactivos que ciertamente no eran radioisótopos de neodimio o samario, pero faltaban pruebas químicas de que se produjo el elemento 61, y el descubrimiento no se realizó en general. Reconocido. El prometio se produjo y caracterizó por primera vez en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en 1945 mediante la separación y el análisis de los productos de fisión del combustible de uranio irradiado en un reactor de grafito. Los descubridores propusieron el nombre "prometheum" (la ortografía se cambió posteriormente), derivado de Prometheus , el titán de la mitología griega que robó el fuego del Monte Olimpo y lo trajo a los humanos, para simbolizar "tanto el atrevimiento como el posible mal uso de la humanidad. intelecto". Sin embargo, solo se hizo una muestra del metal en 1963.
Hay dos fuentes posibles de prometio natural: desintegraciones raras de europio -151 natural (que produce prometio-147) y uranio (varios isótopos). Existen aplicaciones prácticas solo para los compuestos químicos de prometio-147, que se utilizan en pintura luminosa , baterías atómicas y dispositivos de medición de espesores, aunque el prometio-145 es el isótopo de prometio más estable. Debido a que el prometio natural es extremadamente escaso, generalmente se sintetiza bombardeando uranio-235 ( uranio enriquecido ) con neutrones térmicos para producir prometio-147 como producto de fisión .
Propiedades
Propiedades físicas
Un átomo de prometio tiene 61 electrones, dispuestos en la configuración [ Xe ] 4f 5 6s 2 . [3] Al formar compuestos, el átomo pierde sus dos electrones más externos y uno de los electrones 4f, que pertenece a una subcapa abierta. El radio atómico del elemento es el segundo más grande entre todos los lantánidos, pero es solo un poco mayor que el de los elementos vecinos. [3] Es la excepción más notable a la tendencia general de contracción de los átomos de lantánidos con el aumento de sus números atómicos (ver contracción de los lantánidos [4] ). Muchas propiedades del prometio dependen de su posición entre los lantánidos y son intermedias entre las del neodimio y el samario. Por ejemplo, el punto de fusión, las tres primeras energías de ionización y la energía de hidratación son mayores que las del neodimio y menores que las del samario; [3] de manera similar, la estimación del punto de ebullición, el radio iónico (Pm 3+ ) y el calor estándar de formación del gas monoatómico son mayores que los del samario y menores que los del neodimio. [3]
El prometio tiene una estructura doble hexagonal compacta (dhcp) y una dureza de 63 kg / mm 2 . [5] Esta forma alfa de baja temperatura se convierte en una fase beta, cúbica centrada en el cuerpo (bcc) al calentarse a 890 ° C. [6]
Propiedades y compuestos químicos
El prometio pertenece al grupo de los lantánidos del cerio y es químicamente muy similar a los elementos vecinos. [7] Debido a su inestabilidad, los estudios químicos del prometio son incompletos. Aunque se han sintetizado algunos compuestos, no se han estudiado completamente; en general, tienden a ser de color rosa o rojo. [8] [9] El tratamiento de soluciones ácidas que contienen iones Pm 3+ con amoníaco da como resultado un sedimento gelatinoso de color marrón claro de hidróxido, Pm (OH) 3 , que es insoluble en agua. [10] Cuando se disuelve en ácido clorhídrico , se produce una sal amarilla soluble en agua, PmCl 3 ; [10] de manera similar, cuando se disuelve en ácido nítrico, se obtiene un nitrato, Pm (NO 3 ) 3 . Este último también es muy soluble; cuando se seca, forma cristales rosados, similares al Nd (NO 3 ) 3 . [10] La configuración electrónica para Pm 3+ es [Xe] 4f 4 , y el color del ion es rosa. El símbolo del término del estado fundamental es 5 I 4 . [11] El sulfato es ligeramente soluble, como los otros sulfatos del grupo del cerio. Se han calculado los parámetros celulares para su octahidrato; Llevan a la conclusión de que la densidad de Pm 2 (SO 4 ) 3 · 8 H 2 O es 2,86 g / cm 3 . [12] El oxalato, Pm 2 (C 2 O 4 ) 3 · 10 H 2 O, tiene la solubilidad más baja de todos los oxalatos de lantánidos. [13]
A diferencia del nitrato, el óxido es similar a la sal de samario correspondiente y no a la sal de neodimio. Tal como se sintetiza, por ejemplo, calentando el oxalato, es un polvo de color blanco o lavanda con estructura desordenada. [10] Este polvo cristaliza en una red cúbica al calentarlo a 600 ° C. El recocido adicional a 800 ° C y luego a 1750 ° C lo transforma irreversiblemente en fases monoclínica y hexagonal , respectivamente, y las dos últimas fases se pueden interconvertir ajustando el tiempo y la temperatura de recocido. [14]
Fórmula | simetría | grupo espacial | No | Símbolo de Pearson | a (pm) | b (pm) | c (pm) | Z | densidad, g / cm 3 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
α-Pm | dhcp [5] [6] | P6 3 / mmc | 194 | HP4 | 365 | 365 | 1165 | 4 | 7.26 |
β-Pm | Cco [6] | Fm 3 m | 225 | cF4 | 410 | 410 | 410 | 4 | 6,99 |
Pm 2 O 3 | cúbico [14] | Ia 3 | 206 | cI80 | 1099 | 1099 | 1099 | dieciséis | 6,77 |
Pm 2 O 3 | monoclínico [14] | C2 / m | 12 | mS30 | 1422 | 365 | 891 | 6 | 7,40 |
Pm 2 O 3 | hexagonal [14] | P 3 m1 | 164 | hP5 | 380,2 | 380,2 | 595,4 | 1 | 7.53 |
El prometio forma solo un estado de oxidación estable, +3, en forma de iones; esto está en consonancia con otros lantánidos. Según su posición en la tabla periódica , no se puede esperar que el elemento forme estados de oxidación +4 o +2 estables; el tratamiento de compuestos químicos que contienen iones Pm 3+ con agentes oxidantes o reductores fuertes mostró que el ion no se oxida o reduce fácilmente. [7]
Fórmula | color | número de coordinación | simetría | grupo espacial | No | Símbolo de Pearson | pf (° C) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
PMF 3 | Púrpura-rosa | 11 | hexagonal | P 3 c1 | 165 | HP24 | 1338 |
PmCl 3 | Lavanda | 9 | hexagonal | P6 3 / mc | 176 | HP8 | 655 |
PMBr 3 | rojo | 8 | ortorrómbico | Cmcm | 63 | OS16 | 624 |
α-PmI 3 | rojo | 8 | ortorrómbico | Cmcm | 63 | OS16 | α → β |
β-PmI 3 | rojo | 6 | romboédrico | R 3 | 148 | HR24 | 695 |
Isótopos
El prometio es el único lantánido y uno de los dos únicos elementos entre los primeros 83 que no tiene isótopos estables o de larga duración ( primordiales ). Esto es el resultado de un efecto poco frecuente del modelo de gota de líquido y la estabilidad de los isótopos de elementos vecinos; también es el elemento menos estable de los primeros 84. [16] Los productos de desintegración primarios son los isótopos de neodimio y samario (el prometio-146 se desintegra a ambos, los isótopos más ligeros generalmente a neodimio a través de la desintegración de positrones y la captura de electrones , y los isótopos más pesados a samario a través de la desintegración beta). Los isómeros nucleares de prometio pueden desintegrarse a otros isótopos de prometio y un isótopo ( 145 µm) tiene un modo de desintegración alfa muy raro a praseodimio -141 estable . [dieciséis]
El isótopo más estable del elemento es el prometio-145, que tiene una actividad específica de 940 Ci / g (35 TBq / g) y una vida media de 17,7 años a través de la captura de electrones . [16] [17] Debido a que tiene 84 neutrones (dos más que 82, que es un número mágico que corresponde a una configuración estable de neutrones), puede emitir una partícula alfa (que tiene 2 neutrones) para formar praseodimio-141 con 82 neutrones. Por lo tanto, es el único isótopo de prometio con una desintegración alfa observada experimentalmente . [18] Su vida media parcial para la desintegración alfa es de aproximadamente 6,3 × 10 9 años, y la probabilidad relativa de que un núcleo de 145 µm se desintegra de esta forma es de 2,8 × 10 - 7 %. Varios otros isótopos de prometio, como 144 µm, 146 µm y 147 µm, también tienen una liberación de energía positiva para la desintegración alfa; se prevé que se produzcan desintegraciones alfa, pero no se han observado.
El elemento también tiene 18 isómeros nucleares, con números de masa de 133 a 142, 144, 148, 149, 152 y 154 (algunos números de masa tienen más de un isómero). El más estable de ellos es el prometio-148m, con una vida media de 43,1 días; esto es más largo que las vidas medias de los estados fundamentales de todos los isótopos de prometio, excepto del prometio-143 a 147. De hecho, el prometio-148m tiene una vida media más larga que su estado fundamental, el prometio-148. [dieciséis]
Ocurrencia
En 1934, Willard Libby informó que había encontrado una actividad beta débil en el neodimio puro, que se atribuyó a una vida media de más de 10 12 años. [19] Casi 20 años después, se afirmó que el elemento se encuentra en el neodimio natural en equilibrio en cantidades inferiores a 10-20 gramos de prometio por gramo de neodimio. [19] Sin embargo, estas observaciones fueron refutadas por investigaciones más recientes, porque para los siete isótopos de neodimio naturales, cualquier desintegración beta (que puede producir isótopos de prometio) está prohibida por la conservación de energía. [20] En particular, mediciones cuidadosas de masas atómicas muestran que la diferencia de masa 150 Nd- 150 Pm es negativa (-87 keV), lo que evita absolutamente la desintegración beta única de 150 Nd a 150 Pm. [21]
En 1965, Olavi Erämetsä separó trazas de 145 µm de un concentrado de tierras raras purificado de apatita , lo que resultó en un límite superior de 10-21 para la abundancia de prometio en la naturaleza; esto puede haber sido producido por la fisión nuclear natural del uranio, o por la espalación de rayos cósmicos de 146 Nd. [22]
Ambos isótopos del europio natural tienen mayores excesos de masa que las sumas de los de sus potenciales hijas alfa más el de una partícula alfa; por lo tanto, (estables en la práctica) pueden desintegrarse alfa a prometio. [23] La investigación en Laboratori Nazionali del Gran Sasso mostró que el europio-151 se desintegra a prometio-147 con una vida media de 5 × 10 18 años. [23] Se ha demostrado que el europio es "responsable" de unos 12 gramos de prometio en la corteza terrestre. [23] Aún no se han encontrado desintegraciones alfa para el europio-153, y su vida media calculada teóricamente es tan alta (debido a la baja energía de desintegración) que este proceso probablemente no se observará en un futuro próximo.
El prometio también se puede formar en la naturaleza como producto de la fisión espontánea del uranio-238 . [19] Solo se pueden encontrar trazas en los minerales naturales: se ha descubierto que una muestra de pecblenda contiene prometio en una concentración de cuatro partes por quintillón (4 × 10 - 18 ) en masa. [24] El uranio es entonces "responsable" de 560 g de prometio en la corteza terrestre . [23]
El prometio también se ha identificado en el espectro de la estrella HR 465 en Andrómeda ; también se ha encontrado en HD 101065 ( estrella de Przybylski ) y HD 965. [25] Debido a la corta vida media de los isótopos de prometio, deberían formarse cerca de la superficie de esas estrellas. [17]
Historia
Búsquedas del elemento 61
En 1902, el químico checo Bohuslav Brauner descubrió que las diferencias en las propiedades entre el neodimio y el samario eran las más grandes entre dos lantánidos consecutivos en la secuencia entonces conocida; como conclusión, sugirió que había un elemento con propiedades intermedias entre ellos. [26] Esta predicción fue apoyada en 1914 por Henry Moseley quien, habiendo descubierto que el número atómico era una propiedad medible experimentalmente de los elementos, encontró que algunos números atómicos no tenían elementos correspondientes conocidos: las brechas eran 43, 61, 72, 75, 85 y 87. [27] Con el conocimiento de un espacio en la tabla periódica, varios grupos comenzaron a buscar el elemento predicho entre otras tierras raras en el entorno natural. [28] [29] [30]
La primera afirmación de un descubrimiento fue publicada por Luigi Rolla y Lorenzo Fernandes de Florencia , Italia. Después de separar una mezcla de unos pocos elementos de tierras raras concentrado de nitrato del mineral brasileño monacita mediante cristalización fraccionada, se obtuvo una solución que contenía principalmente samario. Esta solución dio espectros de rayos X atribuidos al samario y al elemento 61. En honor a su ciudad, llamaron al elemento 61 "florentium". Los resultados se publicaron en 1926, pero los científicos afirmaron que los experimentos se realizaron en 1924. [31] [32] [33] [34] [35] [36] También en 1926, un grupo de científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign , Smith Hopkins y Len Yntema publicaron el descubrimiento del elemento 61. Lo llamaron "illinium", en honor a la universidad. [37] [38] [39] Se demostró que ambos descubrimientos reportados eran erróneos porque la línea del espectro que "correspondía" al elemento 61 era idéntica a la del didimio ; las líneas que se pensaba que pertenecían al elemento 61 resultaron pertenecer a unas pocas impurezas (bario, cromo y platino). [28]
En 1934, Josef Mattauch finalmente formuló la regla isobárica . Una de las consecuencias indirectas de esta regla fue que el elemento 61 no pudo formar isótopos estables. [28] [40] A partir de 1938, HB Law et al. en la Universidad Estatal de Ohio . En 1941 se produjeron nucleidos que no eran radioisótopos de neodimio o samario, y se propuso el nombre "ciclonio", pero faltaron pruebas químicas de que se produjo el elemento 61 y el descubrimiento no fue ampliamente reconocido. [41] [42]
Descubrimiento y síntesis de prometio metálico
El prometio fue producido y caracterizado por primera vez en el Laboratorio Nacional Oak Ridge ( Laboratorios Clinton en ese momento) en 1945 por Jacob A. Marinsky , Lawrence E. Glendenin y Charles D. Coryell mediante la separación y análisis de los productos de fisión del combustible de uranio irradiado en el grafito. reactor ; sin embargo, al estar demasiado ocupados con la investigación relacionada con el ejército durante la Segunda Guerra Mundial , no anunciaron su descubrimiento hasta 1947. [43] [44] El nombre original propuesto era "clintonium", en honor al laboratorio donde se realizó el trabajo; sin embargo, el nombre "prometheum" fue sugerido por Grace Mary Coryell, la esposa de uno de los descubridores. [41] Se deriva de Prometeo , el Titán de la mitología griega que robó el fuego del Monte Olimpo y lo llevó a los humanos [41] y simboliza "tanto el atrevimiento como el posible mal uso del intelecto de la humanidad". [45] La ortografía se cambió a "prometio", ya que estaba de acuerdo con la mayoría de los otros metales. [41]
Jacob A. Marinsky
Lawrence E. Glendenin
Charles D. Coryell
En 1963, se utilizó fluoruro de prometio (III) para fabricar el metal de prometio. Purificado provisionalmente de impurezas de samario, neodimio y americio, se colocó en un crisol de tantalio que se colocó en otro crisol de tantalio; el crisol exterior contenía litio metálico (10 veces más en comparación con el prometio). [8] [13] Después de crear un vacío, los productos químicos se mezclaron para producir metal prometio:
- PmF 3 + 3 Li → Pm + 3 LiF
La muestra de prometio producida se utilizó para medir algunas de las propiedades del metal, como su punto de fusión . [13]
En 1963, se utilizaron métodos de intercambio iónico en ORNL para preparar alrededor de diez gramos de prometio a partir de desechos de procesamiento de combustible de reactores nucleares. [17] [46] [47]
Hoy en día, el prometio todavía se recupera de los subproductos de la fisión del uranio; también se puede producir bombardeando 146 Nd con neutrones , convirtiéndolo en 147 Nd que se desintegra en 147 Pm por desintegración beta con una vida media de 11 días. [48]
Producción
Los métodos de producción para diferentes isótopos varían, y solo se dan los del prometio-147 porque es el único isótopo con aplicaciones industriales. El prometio-147 se produce en grandes cantidades (en comparación con otros isótopos) al bombardear el uranio-235 con neutrones térmicos. La producción es relativamente alta, al 2,6% del producto total. [49] Otra forma de producir prometio-147 es a través del neodimio-147, que se descompone en prometio-147 con una vida media corta. El neodimio-147 puede obtenerse bombardeando neodimio-146 enriquecido con neutrones térmicos [50] o bombardeando un objetivo de carburo de uranio con protones energéticos en un acelerador de partículas. [51] Otro método consiste en bombardear el uranio-238 con neutrones rápidos para provocar una fisión rápida que, entre los múltiples productos de reacción, crea prometio-147. [52]
Ya en la década de 1960, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge podía producir 650 gramos de prometio por año [53] y era la única instalación de síntesis de gran volumen del mundo. [54] La producción de prometio a escala de gramos se interrumpió en los EE. UU. A principios de la década de 1980, pero posiblemente se reanude después de 2010 en el reactor de isótopos de alto flujo . [ necesita actualización ] Actualmente [ ¿cuándo? ] , Rusia es el único país que produce prometio-147 a una escala relativamente grande. [50]
Aplicaciones
La mayor parte del prometio se usa solo con fines de investigación, excepto el prometio-147, que se puede encontrar fuera de los laboratorios. [41] Se obtiene como óxido o cloruro, [55] en cantidades de miligramos. [41] Este isótopo no emite rayos gamma , y su radiación tiene una profundidad de penetración relativamente pequeña en la materia y una vida media relativamente larga. [55]
Algunas señales luminosas utilizan una pintura luminosa , que contiene un fósforo que absorbe la radiación beta emitida por el prometio-147 y emite luz. [17] [41] Este isótopo no provoca el envejecimiento del fósforo, como lo hacen los emisores alfa, [55] y, por lo tanto, la emisión de luz es estable durante algunos años. [55] Originalmente, el radio -226 se usó para este propósito, pero luego fue reemplazado por prometio-147 y tritio (hidrógeno-3). [56] Puede preferirse el prometio al tritio por motivos de seguridad nuclear . [57]
En las baterías atómicas , las partículas beta emitidas por el prometio-147 se convierten en corriente eléctrica intercalando una pequeña fuente de prometio entre dos placas semiconductoras. Estas baterías tienen una vida útil de unos cinco años. [9] [17] [41] La primera batería a base de prometio se ensambló en 1964 y generó "unos pocos milivatios de potencia a partir de un volumen de aproximadamente 2 pulgadas cúbicas, incluido el blindaje". [58]
El prometio también se usa para medir el grosor de materiales mediante la evaluación de la cantidad de radiación de una fuente de prometio que atraviesa la muestra. [17] [8] [59] Tiene posibles usos futuros en fuentes portátiles de rayos X y como fuentes auxiliares de calor o energía para sondas espaciales y satélites [60] (aunque el emisor alfa plutonio-238 se ha convertido en estándar para la mayoría del espacio -usamientos relacionados con la exploración). [61]
Precauciones
El elemento no tiene ningún papel biológico. El prometio-147 puede emitir rayos gamma durante su desintegración beta , [62] que son peligrosos para todas las formas de vida. Las interacciones con pequeñas cantidades de prometio-147 no son peligrosas si se observan ciertas precauciones. [63] En general, se deben utilizar guantes, cubiertas de calzado, gafas de seguridad y una capa exterior de ropa protectora que se pueda quitar fácilmente. [64]
No se sabe qué órganos humanos se ven afectados por la interacción con el prometio; un posible candidato son los tejidos óseos . [64] El prometio-147 sellado no es peligroso. Sin embargo, si el embalaje está dañado, el prometio se vuelve peligroso para el medio ambiente y los seres humanos. Si se encuentra contaminación radiactiva , el área contaminada debe lavarse con agua y jabón, pero, aunque el prometio afecta principalmente a la piel, la piel no debe rasparse. Si se encuentra una fuga de prometio, el área debe identificarse como peligrosa y evacuarse, y debe comunicarse con los servicios de emergencia. No se conocen peligros del prometio aparte de la radiactividad. [64]
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enlaces externos
- Es elemental - Promethium