El americio es un elemento químico sintético ; tiene símbolo Am y número atómico 95. Es radiactivo y un miembro transuránico de la serie de actínidos en la tabla periódica , ubicado debajo del elemento lantánido europio y, por lo tanto, recibió su nombre de América por analogía. [4] [5] [6]
El americio 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 no se hizo público hasta 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 alrededor de 100 gramos de americio. Es ampliamente utilizado en detectores de humo de cámaras de ionización comerciales , así como en fuentes de neutrones y medidores industriales. Se han propuesto varias aplicaciones inusuales para el isótopo 242m Am , como baterías nucleares o combustible para naves espaciales con propulsión nuclear , pero hasta ahora 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 más comunes son 241 Am y 243 Am. En los compuestos químicos, el americio suele adoptar 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 . Las redes cristalinas 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 causar una variación de algunas propiedades del material con el tiempo, más notable en muestras más antiguas.
Aunque el americio probablemente se produjo en experimentos nucleares anteriores, fue sintetizado , aislado e identificado intencionalmente por primera vez a finales 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 . Después del neptunio , el plutonio , más ligero , y el curio , más pesado , el americio fue el cuarto elemento transuránico descubierto. 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 europio; así, por analogía, recibió el nombre 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 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 fue aislado de sus óxidos mediante un proceso complejo de varios pasos. La primera solución de nitrato de plutonio - 239 ( 239 PuNO3 ) se recubrió sobre una lámina de platino de aproximadamente 0,5 cm2 de área, la solución se evaporó y el residuo se convirtió en dióxido de plutonio (PuO2 ) mediante calcinación . Después de la irradiación con ciclotrón, el recubrimiento se disolvió con ácido nítrico y luego se precipitó como hidróxido usando una solución acuosa concentrada de amoníaco . El residuo se disolvió en ácido perclórico . Se llevó a cabo una mayor separación mediante intercambio iónico , dando lugar a un determinado isótopo de curio. La separación de curio y americio fue tan minuciosa que estos elementos fueron inicialmente llamados por el grupo de Berkeley como pandemonium (del griego para todos los demonios o infierno ) y delirium (del latín para locura ). [11] [12]
Los experimentos iniciales arrojaron cuatro isótopos de americio: 241 Am, 242 Am, 239 Am y 238 Am. El americio-241 se obtuvo directamente del plutonio mediante la absorción de dos neutrones. Se desintegra por emisión de una partícula α a 237 Np; La vida media de esta descomposición se determinó por primera vez como510 ± 20 años pero luego corregido a 432,2 años. [13]
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 había sido descubierto anteriormente). La vida media de esta desintegración se determinó inicialmente en 17 horas, lo que se acercaba al valor actualmente aceptado de 16,02 h. [13]
El descubrimiento del americio y el curio en 1944 estuvo estrechamente relacionado con el Proyecto Manhattan ; los resultados fueron confidenciales y no se desclasificaron hasta 1945. Seaborg filtró la síntesis de los elementos 95 y 96 en el programa de radio infantil estadounidense Quiz Kids cinco días antes de la presentación oficial en una reunión de la Sociedad Química Estadounidense 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 compuestos fueron patentados y solo se menciona a Seaborg como inventor. [14] Las muestras iniciales de americio pesaban unos pocos microgramos; apenas eran visibles y fueron identificados 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]
Los isótopos de americio más comunes y de vida más larga, 241 Am y 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 se produzcan trazas de americio de forma natural en los minerales de uranio como resultado de la captura de neutrones y la desintegración beta ( 238 U → 239 Pu → 240 Pu → 241 Am), aunque las cantidades serían pequeñas y esto no ha sido confirmado. [16] [17] [18] El 247 Cm extraterrestre de larga vida probablemente también esté depositado en la Tierra y tenga 243 Am como uno de sus productos de desintegración intermedia, pero esto nuevamente no ha sido confirmado. [18]
El americio existente se concentra en las zonas utilizadas para las pruebas de armas nucleares atmosféricas realizadas entre 1945 y 1980, así como en los lugares de incidentes nucleares, como el desastre de Chernóbil . Por ejemplo, el análisis de los restos en el lugar de pruebas de la primera bomba de hidrógeno estadounidense , Ivy Mike , (1 de noviembre de 1952, atolón de Enewetak ), reveló altas concentraciones de diversos actínidos, incluido el americio; pero debido al secreto militar, este resultado no se publicó hasta más tarde, en 1956. [19] Trinitita , el residuo vítreo dejado en el suelo del desierto cerca de Alamogordo, Nuevo México , después de la prueba de la bomba nuclear Trinity basada en plutonio el 16 de julio de 1945. contiene trazas de americio-241. También se detectaron niveles elevados de americio en el lugar del accidente de un bombardero estadounidense Boeing B-52 , que llevaba cuatro bombas de hidrógeno, en 1968 en Groenlandia . [20]
En otras regiones, la radiactividad promedio de la superficie del suelo debido al americio residual es sólo de aproximadamente 0,01 picocurios por gramo (0,37 mBq /g). Los compuestos de americio atmosférico son poco solubles en solventes comunes y en su mayoría se adhieren a las partículas del suelo. El análisis del suelo reveló una concentración aproximadamente 1.900 veces mayor de americio dentro de las partículas arenosas del suelo que en el agua presente en los poros del suelo; se midió una proporción aún mayor en suelos francos . [21]
El americio se produce principalmente de forma artificial en pequeñas cantidades, con fines de investigación. Una tonelada de combustible nuclear gastado contiene unos 100 gramos de diversos isótopos de americio, principalmente 241 Am y 243 Am. [22] Su radiactividad prolongada no es deseable para su 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 primero se separa el americio y luego se convierte mediante bombardeo de neutrones en reactores especiales en nucleidos de vida corta. Este procedimiento es muy conocido como transmutación nuclear , pero aún se está desarrollando para el americio. [23] [24] Los elementos transuránicos , desde el americio hasta el fermio , se produjeron de forma natural en el reactor de fisión nuclear natural de Oklo , pero ya no lo hacen. [25]
El americio es también uno de los elementos que teóricamente se han detectado en la estrella de Przybylski . [26]
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. [27] 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 (43.000 dólares EE.UU./oz) de 241 Am, permanece casi sin cambios debido al muy complejo procedimiento de separación. [28] 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 a 160.000 dólares por gramo (2.800.000 a 4.500.000 dólares por onza). [29] [30]
El americio no se sintetiza directamente a partir de uranio (el material más común en los reactores), sino a partir del isótopo de plutonio 239 Pu. Este último debe producirse primero, según el siguiente proceso nuclear:
La captura de dos neutrones por 239 Pu (la llamada reacción (n,γ)), seguida de una desintegración β, da como resultado 241 Am:
El plutonio presente en el combustible nuclear gastado contiene aproximadamente el 12% de 241 Pu. Debido a que decae beta a 241 Am, se puede extraer 241 Pu y utilizarlo para generar más 241 Am. [28] 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. [31]
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% del 241 Am se convierte en 242 Am y el 10% en su isómero nuclear 242m Am: [nota 1] [32]
El americio-242 tiene una vida media de sólo 16 horas, lo que hace que su conversión posterior a 243 Am sea extremadamente ineficiente. En cambio, este último isótopo se produce en un proceso en el que 239 Pu captura cuatro neutrones bajo un alto flujo de neutrones :
La mayoría de las rutinas de síntesis producen una mezcla de diferentes isótopos de actínidos en forma de óxido, de los cuales se pueden separar los isótopos de americio. En un procedimiento típico, el combustible gastado del reactor (por ejemplo, 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 EX de plutonio-uranio ) con fosfato de tributilo en un hidrocarburo. . Los lantánidos y los actínidos restantes se separan luego del residuo acuoso ( refinado ) mediante una extracción a base de diamida , para dar, después de la extracción, una mezcla de actínidos y lantánidos trivalentes. Luego, los compuestos de americio se extraen selectivamente mediante técnicas de cromatografía y centrifugación de múltiples pasos [33] con un reactivo adecuado. Se ha realizado una gran cantidad de trabajo sobre la extracción con disolventes de americio. 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. [34] [35] [36] [37] [38] En 2009 se propuso un complejo de bis -triazinil bipiridina , ya que dicho reactivo es altamente selectivo para el americio (y el curio). [39] La separación del americio del curio, muy similar, se puede lograr tratando una suspensión de sus hidróxidos en bicarbonato de sodio acuoso con ozono , a temperaturas elevadas. Tanto Am como Cm están presentes principalmente en soluciones en el estado de valencia +3; mientras que el curio permanece sin cambios, el americio se oxida formando complejos solubles de Am(IV) que pueden eliminarse por lavado. [40]
El americio metálico se obtiene por reducción de sus compuestos. El fluoruro de americio (III) se utilizó por primera vez con este fin. La reacción se llevó a cabo utilizando bario elemental como agente reductor en un ambiente libre de agua y oxígeno dentro de un aparato hecho de tantalio y tungsteno . [15] [41] [42]
Una alternativa es la reducción del dióxido de americio mediante lantano metálico o torio : [42] [43]
En la tabla periódica , el americio se sitúa 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 con 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 mayor 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 más bajo que los actínidos anteriores: Th, Pa, U, Np y Pu. [44] Su punto de fusión de 1173 °C es significativamente mayor que el del plutonio (639 °C) y el europio (826 °C), pero menor que el del curio (1340 °C). [43] [45]
En condiciones ambientales, el americio está presente en su forma α más estable , que tiene una simetría de cristal hexagonal y un grupo espacial P6 3 /mmc con parámetros de celda a = 346,8 pm y c = 1124 pm, y cuatro átomos por unidad de celda . El cristal consta de un empaquetamiento cerrado de doble hexágono con la secuencia de capas ABAC y, por lo tanto, es isotípico con el α-lantano y varios actínidos como el α-curio. [41] [45] 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 simetría cúbica centrada en las caras ( fcc ), grupo espacial Fm 3 m y constante de red a = 489 pm. Esta estructura fcc es equivalente al empaque más cercano con la secuencia ABC. [41] [45] Tras una mayor compresión a 23 GPa, el americio se transforma en una estructura ortorrómbica γ-Am similar a la del α-uranio. No se observan más transiciones hasta 52 GPa, excepto la aparición de una fase monoclínica a presiones entre 10 y 15 GPa. [44] 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 va acompañada 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 . Por tanto, el diagrama de fases presión-temperatura del americio es bastante similar al del lantano, el praseodimio y el neodimio . [46]
Como ocurre con muchos otros actínidos, el autodaño de la estructura cristalina debido a la irradiación de partículas alfa es intrínseco al americio. Esto se nota especialmente a bajas temperaturas, donde la movilidad de los defectos estructurales producidos es relativamente baja, debido al ensanchamiento de los picos de difracción de rayos X. Este efecto vuelve algo incierta la temperatura del americio y algunas de sus propiedades, como la resistividad eléctrica . [47] Así, para el americio-241, la resistividad a 4,2 K aumenta con el tiempo de 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; también calentando a temperatura ambiente la muestra que se mantuvo durante horas a bajas temperaturas restablece su resistividad. En muestras frescas, la resistividad aumenta gradualmente con la temperatura desde aproximadamente 2 µOhm·cm con 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 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 un amplio rango de temperaturas, desde la del helio líquido hasta la temperatura ambiente y superiores. Este comportamiento es marcadamente diferente del de su vecino curio, que exhibe una transición antiferromagnética a 52 K. [48] El coeficiente de expansión térmica del americio es ligeramente anisotrópico y asciende a(7,5 ± 0,2) × 10 −6 /°C a lo largo del eje a más corto y(6,2 ± 0,4) × 10 −6 /°C para el eje hexagonal c más largo. [45] La entalpía de disolución del americio metálico 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 Am 3+ acuoso es−621,2 ± 2,0 kJ/mol . El potencial estándar Am 3+ /Am 0 es−2,08 ± 0,01 V. [49]
El americio metálico reacciona fácilmente con el oxígeno y se disuelve en ácidos acuosos . El estado de oxidación más estable del americio es +3. [50] 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. [50] También se han estudiado compuestos de americio en los estados de oxidación 2, 4, 5, 6 y 7. Este es el rango más amplio que se ha observado con elementos actínidos. El color de los compuestos de americio en solución acuosa es el siguiente: Am 3+ (amarillo-rojizo), Am 4+ (amarillo - rojizo), Am VO+2; (amarillo), Am VI O2+2(marrón) y Am VII O5-6(verde oscuro). [51] [52] 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 a ca. 504 y 811 nm, Am(V) a ca. 514 y 715 nm, y Am(VI) a ca. 666 y 992 nm. [53] [54] [55] [56]
Los compuestos de americio con estado de oxidación +4 y superior son agentes oxidantes fuertes, comparables en fuerza al ion permanganato ( MnO−4) en soluciones ácidas. [57] 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. [58] En solución acuosa ácida, la AmO+2El ion es inestable con respecto a la desproporción . [59] [60] [61] La reacción
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 al ion AmO.2+2es comparable al ion uranilo , UO2+2. Estos compuestos se pueden preparar mediante oxidación de Am(III) en ácido nítrico diluido con persulfato de amonio . [62] Otros agentes oxidantes que se han utilizado incluyen óxido de plata (I) , [56] ozono y persulfato de sodio . [55]
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 mínimas y no se ha caracterizado en detalle. [63] El óxido de americio (III) es un sólido de color marrón rojizo con un punto de fusión de 2205 °C. [64] 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 actínidos, es un sólido negro con una estructura cristalina cúbica ( fluorita ). [sesenta y cinco]
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. [50] El oxalato inicial se disuelve en ácido nítrico con una solubilidad máxima de 0,25 g/l. [66]
Los haluros de americio son conocidos por los estados de oxidación +2, +3 y +4, [67] donde el +3 es más estable, especialmente en soluciones. [68]
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 agua, liberando hidrógeno y volviendo al estado Am(III). Las constantes de red específicas son:
El fluoruro de americio (III) (AmF 3 ) es poco soluble y precipita tras la reacción de Am 3+ y iones fluoruro en soluciones ácidas débiles:
El fluoruro de americio (IV) tetravalente (AmF 4 ) se obtiene haciendo reaccionar fluoruro de americio (III) sólido con flúor molecular : [71] [72]
Otra forma conocida de fluoruro de americio tetravalente sólido es el KAMF 5 . [71] [73] 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 del americio. Calentar la solución de Am(IV) a 90 °C no resultó en su desproporción o reducción, sin embargo, se observó una reducción lenta en Am(III) y se atribuyó a la autoirradiación del americio por partículas alfa. [54]
La mayoría de los haluros de americio (III) forman cristales hexagonales con una ligera variación de color y estructura exacta entre los halógenos. Así, el cloruro (AmCl 3 ) es rojizo y tiene una estructura isotípica del cloruro de uranio (III) (grupo espacial P6 3 /m) y un punto de fusión de 715 °C. [67] El fluoruro es isotípico de LaF 3 (grupo espacial P6 3 /mmc) y el yoduro de BiI 3 (grupo espacial R 3 ). El bromuro es una excepción con la estructura ortorrómbica de tipo PuBr 3 y el grupo espacial Cmcm. [68] Los cristales de hexahidrato de americio (AmCl 3 ·6H 2 O) se pueden preparar disolviendo dióxido de americio en ácido clorhídrico y evaporando el líquido. Esos cristales son higroscópicos y tienen un color amarillo rojizo y una estructura cristalina monoclínica . [74]
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 se pueden obtener haciendo reaccionar el haluro de americio correspondiente con oxígeno o Sb 2 O 3 , y también se puede producir AmOCl. por hidrólisis en fase de vapor : [70]
Los calcogenuros de americio conocidos incluyen el sulfuro AmS 2 , [75] seleniuros AmSe 2 y Am 3 Se 4 , [75] [76] y telururos Am 2 Te 3 y AmTe 2 . [77] Las pnictidas de americio ( 243 Am) del tipo AmX son conocidas por los elementos fósforo , arsénico , [78] antimonio y bismuto . Cristalizan en la red de sal gema . [76]
El monosiliciuro de americio (AmSi) y el "disiliciuro" (nominalmente AmSi x con: 1,87 < x < 2,0) se obtuvieron mediante la reducción de fluoruro de americio (III) con silicio elemental al vacío a 1050 °C (AmSi) y 1150-1200 °C ( AmSix ) . AmSi es un sólido negro isomorfo con LaSi, tiene una simetría de cristal 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 . [79] 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 una atmósfera inerte. [80] [81]
De manera análoga al uranoceno , el americio forma el compuesto organometálico ameroceno con dos ligandos de ciclooctatetraeno , con la fórmula química (η 8 -C 8 H 8 ) 2 Am. [82] También se conoce un complejo de ciclopentadienilo que probablemente sea estequiométricamente AmCp 3 . [83] [84]
Formación de 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 - EXAFS ha confirmado los iones BTP y Am 3+ . Algunos de estos complejos de tipo BTP interactúan selectivamente con el americio y por lo tanto son útiles en su separación selectiva de lantánidos y otros actínidos. [85]
El americio es un elemento artificial de origen reciente, por lo que no tiene requerimiento biológico . [86] [87] 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 de americio de soluciones acuosas, uniéndolos en un complejo de metal-fosfato en sus paredes celulares. [88] Se han informado varios estudios sobre la biosorción y bioacumulación de americio por bacterias [89] [90] y hongos. [91]
El isótopo 242m Am (vida media de 141 años) tiene las secciones transversales más grandes para la absorción de neutrones térmicos (5700 graneros ), [92] lo que resulta en una pequeña masa crítica para una reacción nuclear en cadena sostenida . La masa crítica de una esfera Am desnuda de 242 m es de aproximadamente 9 a 14 kg (la incertidumbre se debe a un conocimiento insuficiente de las propiedades de su material). Se puede reducir a 3-5 kg con un reflector de metal y debería reducirse aún más con un reflector de agua. [93] Una masa crítica tan pequeña es favorable para las armas nucleares portátiles , pero aún no se conocen las basadas en 242 millones de Am, probablemente debido a su escasez y alto precio. Las masas críticas de los dos isótopos fácilmente disponibles, 241 Am y 243 Am, son relativamente altas: de 57,6 a 75,6 kg para 241 Am y 209 kg para 243 Am. [94] La escasez y el alto precio aún dificultan la aplicación del americio como combustible nuclear en reactores nucleares . [95]
Hay propuestas de reactores muy compactos de alto flujo de 10 kW que utilizan tan solo 20 gramos de 242 m Am. Estos reactores de baja potencia serían relativamente seguros de utilizar como fuentes de neutrones para radioterapia en hospitales. [96]
Se conocen alrededor de 19 isótopos y 11 isómeros nucleares del americio, incluidos los números de masa 223, 229, 230 y 232 a 247. [3] Hay dos emisores alfa de larga vida; 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 larga vida media de 141 años. Las vidas medias de otros isótopos e isómeros oscilan entre 0,64 microsegundos para 245 m1 Am y 50,8 horas para 240 Am. Como ocurre con la mayoría de los demás actínidos, los isótopos de americio con un número impar de neutrones tienen una tasa de fisión nuclear relativamente alta y una masa crítica baja. [13]
El americio-241 decae 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. [97]
El americio-242 es un isótopo de vida corta con una vida media de 16,02 h. [13] Principalmente (82,7%) se convierte por desintegración β a 242 Cm, pero también por captura de electrones a 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 todo (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 decae posteriormente 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 mediante la emisión de una partícula α.
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 . [98] Este isótopo se prefiere al 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 (alrededor de 2,14 millones de años). Con su vida media de 432,2 años, el americio de un detector de humo contiene 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 corriente pequeña y constante entre los electrodos. Cualquier humo que entre en 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 barato y puede detectar partículas que son demasiado pequeñas para producir una dispersión de luz significativa; sin embargo, es más propenso a generar falsas alarmas . [99] [100] [101] [102]
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 elemento activo de generadores termoeléctricos de radioisótopos , por ejemplo en naves espaciales. [103] Aunque el americio produce menos calor y electricidad – el rendimiento energético 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) [103] – y su Debido a que la radiación representa una mayor amenaza para los humanos debido a la emisión de neutrones, la Agencia Espacial Europea está considerando utilizar americio para sus sondas espaciales. [104]
Otra aplicación propuesta del americio relacionada con el espacio es un combustible para naves espaciales con propulsión nuclear. Se basa en la altísima tasa de fisión nuclear de 242 m Am, que puede mantenerse 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 para las barras de uranio o plutonio, en las que sólo las capas superficiales proporcionan partículas alfa. [105] [106] Los productos de fisión de 242 m Am pueden propulsar 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 . [107]
Otra propuesta que utiliza la alta tasa de fisión nuclear de 242 millones de Am es una batería nuclear. Su diseño no se basa en la energía de las partículas de americio alfa emitidas, sino en su carga, es decir, el americio actúa como un "cátodo" autónomo. Una sola carga de 3,2 kg y 242 m Am de dicha batería podría proporcionar unos 140 kW de potencia durante un período de 80 días. [108] Incluso con todos los beneficios potenciales, las aplicaciones actuales de 242 millones de Am todavía se ven obstaculizadas por la escasez y el alto precio de este isómero nuclear en particular . [107]
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 dar lugar a sistemas para impulsar misiones con duraciones de hasta 400 años en el espacio interestelar , donde los paneles solares no funcionan. [109] [110]
El óxido de 241 Am prensado con berilio es una eficiente fuente de neutrones . Aquí el americio actúa como fuente alfa y el berilio produce neutrones debido a su gran sección transversal para la reacción nuclear (α,n):
El uso más extendido de las fuentes de neutrones 241 AmBe es una sonda de neutrones , un dispositivo utilizado 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 de 241 Am también se utilizan en aplicaciones de registro de pozos, así como en radiografía de neutrones , tomografía y otras investigaciones radioquímicas. [111]
El americio es un material de partida para la producción de otros elementos transuránicos y transactínidos ; por ejemplo, el 82,7% del 242 Am se desintegra en 242 Cm y el 17,3% en 242 Pu. En el reactor nuclear, 242 Am también se convierte mediante captura de neutrones a 243 Am y 244 Am, que se transforma por desintegración β a 244 Cm:
La irradiación de 241 Am por iones 12 C o 22 Ne produce los isótopos 247 Es ( einstenio ) o 260 Db ( dubnio ), respectivamente. [111] Además, el elemento berkelio ( isótopo 243 Bk) había sido producido e identificado intencionalmente por primera vez bombardeando 241 Am con partículas alfa, en 1949, por el mismo grupo de Berkeley, utilizando el mismo ciclotrón de 60 pulgadas. De manera similar, 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 iones 15 N. Además, una de las reacciones de síntesis del lawrencio descubierta por científicos de Berkeley y Dubna incluía el bombardeo de 243 Am con 18 O. [10]
El americio-241 se ha utilizado como fuente portátil de rayos gamma y partículas alfa para diversos usos médicos e industriales. Las emisiones de rayos gamma de 59,5409 keV procedentes de 241 Am en dichas 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 densímetros y densímetros nucleares fijos . Por ejemplo, el elemento se ha empleado para medir el espesor del vidrio y ayudar a crear vidrio plano. [27] El americio-241 también es adecuado para la calibración de espectrómetros de rayos gamma en el rango de baja energía, ya que su espectro consiste en casi un solo pico y un continuo Compton insignificante (al menos tres órdenes de magnitud menor intensidad). [112] 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.
Como elemento altamente radiactivo, el americio y sus compuestos deben manipularse únicamente en un laboratorio apropiado y bajo disposiciones especiales. Aunque la mayoría de los isótopos de americio emiten predominantemente partículas alfa que pueden bloquearse mediante capas delgadas de materiales comunes, muchos de los productos hijos emiten rayos gamma y neutrones que tienen una gran profundidad de penetración. [113]
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 en 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 con el tiempo se redistribuye lentamente sobre el hueso. 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 permanentemente; En todos estos órganos, el americio favorece la formación de células cancerosas como resultado de su radiactividad. [21] [114] [115]
El americio a menudo llega a los vertederos procedente de detectores de humo desechados . Las reglas asociadas con la eliminación de detectores de humo son relajadas 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. [116] [117] [118] [119] Ha habido algunos casos de exposición al americio, el peor caso 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. [120] [121]
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