La serie actínido ( / ˈ æ k t ɪ n aɪ d / ) o actinoide ( / ˈ æ k t ɪ n ɔɪ d / ) engloba al menos los 14 elementos químicos metálicos de la serie 5f, con números atómicos del 89 al 102, actinio a través de nobelio . (El número 103, lawrencio , a veces también se incluye a pesar de ser parte de la serie de transición 6d). La serie de actínidos deriva su nombre del primer elemento de la serie, actinio. El símbolo químico informal An se utiliza en discusiones generales sobre la química de los actínidos para referirse a cualquier actínido. [1] [2] [3]
El Libro Rojo de la IUPAC de 1985 recomienda que se utilice actinoide en lugar de actínido , ya que el sufijo -ide normalmente indica un ion negativo . Sin embargo, debido al uso actual generalizado, la actínida todavía está permitida. Dado que actinoide significa literalmente similar al actinio (cf. humanoide o androide ), se ha argumentado por razones semánticas que el actinio lógicamente no puede ser un actinoide, pero la IUPAC reconoce su inclusión basándose en el uso común. [4]
Todos los actínidos son elementos del bloque f . El lawrencio a veces también se considera uno de ellos, a pesar de ser un elemento del bloque d [5] [6] y un metal de transición . [7] La serie corresponde principalmente al llenado de la capa de electrones 5f , aunque como átomos aislados en el estado fundamental muchos tienen configuraciones anómalas que involucran el llenado de la capa de electrones 6d debido a la repulsión interelectrónica. En comparación con los lantánidos , que también son en su mayoría elementos del bloque F, los actínidos muestran una valencia mucho más variable . Todos ellos tienen radios atómicos e iónicos muy grandes y exhiben una gama inusualmente amplia de propiedades físicas. Mientras que el actinio y los actínidos tardíos (desde el curio en adelante) se comportan de manera similar a los lantánidos, los elementos torio, protactinio y uranio son mucho más similares a los metales de transición en su química, ocupando una posición intermedia el neptunio, el plutonio y el americio.
Todos los actínidos son radiactivos y liberan energía tras la desintegración radiactiva; El uranio y el torio naturales y el plutonio producido sintéticamente son los actínidos más abundantes en la Tierra. Estos se han utilizado en reactores nucleares , y el uranio y el plutonio son elementos críticos de las armas nucleares . El uranio y el torio también tienen diversos usos actuales o históricos, y el americio se utiliza en las cámaras de ionización de la mayoría de los detectores de humo modernos .
De los actínidos, el torio y el uranio primordiales se encuentran naturalmente en cantidades sustanciales. La desintegración radiactiva del uranio produce cantidades transitorias de actinio y protactinio , y ocasionalmente se producen átomos de neptunio y plutonio a partir de reacciones de transmutación en minerales de uranio . Los demás actínidos son elementos puramente sintéticos . [1] [8] Las pruebas de armas nucleares han liberado al medio ambiente al menos seis actínidos más pesados que el plutonio ; El análisis de los restos de la explosión de una bomba de hidrógeno en 1952 mostró la presencia de americio , curio , berkelio , californio , einstenio y fermio . [9]
En las presentaciones de la tabla periódica , los elementos del bloque f suelen mostrarse como dos filas adicionales debajo del cuerpo principal de la tabla. [1] Esta convención es enteramente una cuestión de estética y practicidad de formato; una tabla periódica de formato ancho que rara vez se utiliza inserta las series 4f y 5f en sus lugares adecuados, como partes de las filas (períodos) sexta y séptima de la tabla.
Primordial De la decadencia Sintético El borde muestra la aparición natural del elemento.
Al igual que los lantánidos , los actínidos forman una familia de elementos con propiedades similares. Dentro de los actínidos, existen dos grupos superpuestos: los elementos transuránicos , que siguen al uranio en la tabla periódica ; y elementos transplutonio , que siguen al plutonio. En comparación con los lantánidos, que (excepto el prometio ) se encuentran en la naturaleza en cantidades apreciables, la mayoría de los actínidos son raros. La mayoría no se encuentran en la naturaleza, y de los que sí lo hacen, sólo el torio y el uranio se encuentran en cantidades superiores a las mínimas. Los actínidos más abundantes o de fácil síntesis son el uranio y el torio, seguidos del plutonio, americio, actinio, protactinio, neptunio y curio. [11]
La existencia de elementos transuránicos fue sugerida en 1934 por Enrico Fermi , basándose en sus experimentos. [12] [13] Sin embargo, aunque en ese momento se conocían cuatro actínidos, aún no se entendía que formaban una familia similar a los lantánidos. La opinión predominante que dominó las primeras investigaciones sobre los transuránicos fue que eran elementos regulares en el séptimo período, correspondiendo el torio, el protactinio y el uranio al hafnio , el tantalio y el tungsteno del sexto período , respectivamente. La síntesis de transuránicos fue socavando gradualmente este punto de vista. En 1944, una observación de que el curio no presentaba estados de oxidación superiores a 4 (mientras que su supuesto homólogo del sexto período, el platino , puede alcanzar el estado de oxidación 6) llevó a Glenn Seaborg a formular una " hipótesis actínida ". Los estudios de actínidos conocidos y los descubrimientos de otros elementos transuránicos proporcionaron más datos en apoyo de esta posición, pero la frase "hipótesis de actínidos" (la implicación es que una "hipótesis" es algo que no ha sido probado de manera decisiva) siguió siendo utilizada activamente por los científicos. hasta finales de la década de 1950. [14] [15]
Actualmente existen dos métodos principales para producir isótopos de elementos transplutonio: 1) irradiación de los elementos más ligeros con neutrones ; (2) irradiación con partículas cargadas aceleradas. El primer método es más importante para las aplicaciones, ya que sólo la irradiación de neutrones mediante reactores nucleares permite la producción de cantidades considerables de actínidos sintéticos; sin embargo, se limita a elementos relativamente ligeros. La ventaja del segundo método es que se pueden obtener elementos más pesados que el plutonio, así como isótopos deficientes en neutrones, que no se forman durante la irradiación de neutrones. [dieciséis]
En 1962-1966, hubo intentos en los Estados Unidos de producir isótopos de transplutonio mediante una serie de seis explosiones nucleares subterráneas . Se extrajeron pequeñas muestras de roca del área de la explosión inmediatamente después de la prueba para estudiar los productos de la explosión, pero no se pudo detectar ningún isótopo con un número de masa superior a 257, a pesar de las predicciones de que dichos isótopos tendrían vidas medias de desintegración α relativamente largas . Esta no observación se atribuyó a la fisión espontánea debido a la gran velocidad de los productos y a otros canales de desintegración, como la emisión de neutrones y la fisión nuclear . [17]
El uranio y el torio fueron los primeros actínidos descubiertos . El uranio fue identificado en 1789 por el químico alemán Martin Heinrich Klaproth en el mineral de pechblenda . Le puso el nombre del planeta Urano , [8] que había sido descubierto ocho años antes. Klaproth pudo precipitar un compuesto amarillo (probablemente diuranato de sodio ) disolviendo pechblenda en ácido nítrico y neutralizando la solución con hidróxido de sodio . Luego redujo el polvo amarillo obtenido con carbón y extrajo una sustancia negra que confundió con metal. [18] Sesenta años más tarde, el científico francés Eugène-Melchior Péligot lo identificó como óxido de uranio. También aisló la primera muestra de uranio metálico calentando tetracloruro de uranio con potasio metálico . [19] La masa atómica del uranio se calculó entonces en 120, pero Dmitri Mendeleev en 1872 la corrigió a 240 utilizando sus leyes de periodicidad. Este valor fue confirmado experimentalmente en 1882 por K. Zimmerman. [20] [21]
El óxido de torio fue descubierto por Friedrich Wöhler en el mineral torianita , que se encontró en Noruega (1827). [22] Jöns Jacob Berzelius caracterizó este material con más detalle en 1828. Mediante la reducción del tetracloruro de torio con potasio, aisló el metal y lo llamó torio en honor al dios nórdico del trueno y el relámpago, Thor . [23] [24] Péligot utilizó más tarde el mismo método de aislamiento para el uranio. [8]
El actinio fue descubierto en 1899 por André-Louis Debierne , asistente de Marie Curie , en los residuos de pechblenda que quedaban tras la eliminación del radio y el polonio. Describió la sustancia (en 1899) como similar al titanio [25] y (en 1900) como similar al torio. [26] Sin embargo, el descubrimiento del actinio por Debierne fue cuestionado en 1971 [27] y 2000, [28] argumentando que las publicaciones de Debierne en 1904 contradecían su trabajo anterior de 1899-1900. En cambio, esta visión acredita el trabajo de 1902 de Friedrich Oskar Giesel , quien descubrió un elemento radiactivo llamado emanio que se comportaba de manera similar al lantano. El nombre actinio proviene del griego antiguo : ακτίς, ακτίνος (aktis, aktinos) , que significa haz o rayo. Este metal no fue descubierto por su propia radiación sino por la radiación de los productos hijos. [29] [30] Debido a la estrecha similitud del actinio y el lantano y su baja abundancia, el actinio puro sólo pudo producirse en 1950. El término actínido probablemente fue introducido por Victor Goldschmidt en 1937. [31] [32]
El protactinio posiblemente fue aislado en 1900 por William Crookes . [33] Fue identificado por primera vez en 1913, cuando Kasimir Fajans y Oswald Helmuth Göhring encontraron el isótopo de vida corta 234m Pa (vida media 1,17 minutos) durante sus estudios de la desintegración del 238 U. Llamaron al nuevo elemento brevium (del latín brevis que significa breve); [34] [35] el nombre se cambió a protoactinio (del griego πρῶτος + ἀκτίς que significa "primer elemento de haz") en 1918 cuando dos grupos de científicos, liderados por la austriaca Lise Meitner y Otto Hahn de Alemania y Frederick Soddy y John Cranston de Gran Bretaña, descubrieron de forma independiente el 231 Pa, de vida mucho más larga . El nombre se redujo a protactinio en 1949. Este elemento se caracterizó poco hasta 1960, cuando AG Maddock y sus colaboradores en el Reino Unido aislaron 130 gramos de protactinio de 60 toneladas. de residuos que quedan tras la extracción de uranio de su mineral. [36]
El neptunio (llamado así por el planeta Neptuno , el siguiente planeta después de Urano, que dio nombre al uranio) fue descubierto por Edwin McMillan y Philip H. Abelson en 1940 en Berkeley, California . [37] Produjeron el isótopo 239 Np (vida media de 2,4 días) bombardeando uranio con neutrones lentos . [36] Fue el primer elemento transuránico producido sintéticamente. [38]
Los elementos transuránicos no se encuentran en cantidades considerables en la naturaleza y comúnmente se sintetizan mediante reacciones nucleares realizadas con reactores nucleares. Por ejemplo, bajo irradiación con neutrones del reactor, el uranio-238 se convierte parcialmente en plutonio-239 :
Esta reacción de síntesis fue utilizada por Fermi y sus colaboradores en el diseño de los reactores ubicados en el Sitio de Hanford , que produjeron cantidades significativas de plutonio-239 para las armas nucleares del Proyecto Manhattan y el arsenal nuclear de posguerra de Estados Unidos. [39]
Los actínidos con mayor número de masa se sintetizan bombardeando uranio, plutonio, curio y californio con iones de nitrógeno, oxígeno, carbono, neón o boro en un acelerador de partículas . Así, el nobelio se produjo bombardeando uranio-238 con neón-22 como
Los primeros isótopos de los elementos transplutonio, americio-241 y curio-242 , fueron sintetizados en 1944 por Glenn T. Seaborg, Ralph A. James y Albert Ghiorso . [40] El curio-242 se obtuvo bombardeando plutonio-239 con partículas α de 32 MeV:
Los isótopos americio-241 y curio-242 también se produjeron irradiando plutonio en un reactor nuclear. Este último elemento lleva el nombre de Marie Curie y su marido Pierre , conocidos por descubrir el radio y por su trabajo en radioactividad . [41]
El bombardeo de curio-242 con partículas α dio como resultado un isótopo de californio 245 Cf en 1950, y un procedimiento similar produjo berkelio-243 a partir de americio-241 en 1949. [42] Los nuevos elementos recibieron el nombre de Berkeley, California , por analogía con su homólogo de lantánido terbium , que lleva el nombre del pueblo de Ytterby en Suecia. [43]
En 1945, BB Cunningham obtuvo el primer compuesto químico en masa de un elemento transplutonio, a saber, hidróxido de americio . [44] A lo largo de los pocos años, se acumularon cantidades de miligramos de americio y microgramos de curio que permitieron la producción de isótopos de berkelio (Thomson, 1949) [45] [46] y californio (Thomson, 1950). [47] [48] [49] En 1958 se produjeron cantidades considerables de estos elementos (Burris B. Cunningham y Stanley G. Thomson), [50] y el primer compuesto de californio (0,3 μg de CfOCl) se obtuvo en 1960 por BB Cunningham y JC Wallmann. [51]
El einstenio y el fermio se identificaron en 1952-1953 a raíz de la prueba nuclear " Ivy Mike " (1 de noviembre de 1952), la primera prueba exitosa de una bomba de hidrógeno. La exposición instantánea del uranio-238 a un gran flujo de neutrones resultante de la explosión produjo isótopos pesados de uranio, incluidos el uranio-253 y el uranio-255, y su desintegración β produjo einstenio-253 y fermio-255 . El descubrimiento de los nuevos elementos y los nuevos datos sobre la captura de neutrones se mantuvieron inicialmente en secreto por orden del ejército estadounidense hasta 1955 debido a las tensiones de la Guerra Fría . [9] [52] Sin embargo, el equipo de Berkeley logró preparar einstenio y fermio por medios civiles, mediante el bombardeo de neutrones de plutonio-239, y publicó este trabajo en 1954 con la advertencia de que no eran los primeros estudios que se habían realizado. realizado sobre dichos elementos. [53] [54] Los estudios de "Ivy Mike" fueron desclasificados y publicados en 1955. [52] Las primeras cantidades significativas (submicrogramos) de einstenio fueron producidas en 1961 por Cunningham y sus colegas, pero esto aún no se ha hecho con el fermio. [55]
El primer isótopo de mendelevio, 256 Md (vida media 87 min), fue sintetizado por Albert Ghiorso, Glenn T. Seaborg, Gregory R. Choppin, Bernard G. Harvey y Stanley G. Thompson cuando bombardearon un objetivo de 253 Es con alfa. partículas en el ciclotrón de 60 pulgadas del Laboratorio de Radiación de Berkeley ; este fue el primer isótopo de cualquier elemento que se sintetizó un átomo a la vez. [56]
Hubo varios intentos de obtener isótopos de nobelio por parte de grupos suecos (1957) y estadounidenses (1958), pero el primer resultado fiable fue la síntesis del 256 No por parte del grupo ruso ( Georgy Flyorov et al.) en 1965, como reconoce el IUPAC en 1992. En sus experimentos, Flyorov et al. bombardeó uranio-238 con neón-22. [10]
En 1961, Ghiorso et al. Obtuvo el primer isótopo de lawrencio irradiando californio (principalmente californio-252 ) con iones boro-10 y boro-11 . [10] El número másico de este isótopo no estaba claramente establecido (posiblemente 258 o 259) en ese momento. En 1965, Flyorov et al. sintetizaron 256 Lr . de 243 am y 18 o . Así, la IUPAC reconoció a los equipos de física nuclear de Dubna y Berkeley como los codescubridores del lawrencium.
Se conocen 33 isótopos de actinio y ocho estados isoméricos excitados de algunos de sus nucleidos , cuyo número de masa oscila entre 204 y 236. [57] Tres isótopos, 225 Ac , 227 Ac y 228 Ac , se encontraron en la naturaleza y los demás se produjeron en el laboratorio; En las aplicaciones sólo se utilizan los tres isótopos naturales. El actinio-225 es miembro de la serie del neptunio radiactivo ; [60] fue descubierto por primera vez en 1947 como producto de la desintegración del uranio-233 y es un emisor α con una vida media de 10 días. El actinio-225 está menos disponible que el actinio-228, pero es más prometedor en aplicaciones de radiotrazadores. [30] El actinio-227 (vida media de 21,77 años) se encuentra en todos los minerales de uranio, pero en pequeñas cantidades. Un gramo de uranio (en equilibrio radiactivo) contiene sólo 2 × 10−10 gramos de 227 Ac. [30] [57] El actinio-228 es un miembro de la serie de torio radiactivo formada por la desintegración del 228 Ra ; [60] es un emisor β − con una vida media de 6,15 horas. En una tonelada de torio hay 5 × 10−8 gramos de 228 Ac. Fue descubierto por Otto Hahn en 1906. [30]
Hay 32 isótopos conocidos de torio cuyo número de masa oscila entre 207 y 238. [57] De ellos, el de vida más larga es el 232 Th, cuya vida media de1,4 × 10 10 años significa que todavía existe en la naturaleza como un nucleido primordial . El siguiente más longevo es el 230 Th, un producto de desintegración intermedia del 238 U con una vida media de 75.400 años. Varios otros isótopos de torio tienen vidas medias de más de un día; todos estos también son transitorios en las cadenas de desintegración de 232 Th, 235 U y 238 U.
Se conocen 28 isótopos de protactinio con números de masa 212-239 [57] , así como tres estados isoméricos excitados . En la naturaleza sólo se han encontrado 231 Pa y 234 Pa . Todos los isótopos tienen vidas cortas, excepto el protactinio-231 (vida media de 32.760 años). Los isótopos más importantes son 231 Pa y 233 Pa , que es un producto intermedio en la obtención de uranio-233 y es el más asequible entre los isótopos artificiales de protactinio. El 233 Pa tiene una vida media y energía convenientes de radiación γ y, por lo tanto, se utilizó en la mayoría de los estudios de química del protactinio. El protactinio-233 es un emisor β con una vida media de 26,97 días. [57] [61]
Hay 27 isótopos conocidos de uranio , con números de masa entre 215 y 242 (excepto 220). [58] Tres de ellos, 234 U , 235 U y 238 U, están presentes en cantidades apreciables en la naturaleza. Entre otros, el más importante es el 233 U, que es un producto final de la transformación del 232 Th irradiado por neutrones lentos. El 233 U tiene una eficiencia de fisión mucho mayor mediante neutrones (térmicos) de baja energía, en comparación, por ejemplo, con el 235 U. La mayoría de los estudios de química del uranio se llevaron a cabo con uranio-238 debido a su larga vida media de 4,4 × 109 años. [62]
Hay 25 isótopos de neptunio con números de masa entre 219 y 244 (excepto 221); [58] todos ellos son altamente radiactivos. Los más populares entre los científicos son los 237 Np de larga duración (t 1/2 = 2,20 × 106 años) y de corta duración 239 Np, 238 Np (t 1/2 ~ 2 días). [38]
Hay 20 isótopos conocidos de plutonio , con números de masa entre 228 y 247. [58] El isótopo más estable del plutonio es el 244 Pu con una vida media de 8,13 × 107 años. [57]
Se conocen dieciocho isótopos de americio con números de masa de 229 a 247 (con la excepción de 231). [58] Los más importantes son 241 Am y 243 Am, que son emisores alfa y también emiten rayos γ suaves, pero intensos; ambos pueden obtenerse en forma isotópicamente pura. Las propiedades químicas del americio se estudiaron primero con 241 Am, pero luego se cambiaron a 243 Am, que es casi 20 veces menos radiactivo. La desventaja del 243 Am es la producción del isótopo hijo de vida corta 239 Np, que debe tenerse en cuenta en el análisis de los datos. [63]
Entre los 19 isótopos de curio , cuyo número de masa oscila entre 233 y 251, [58] los más accesibles son 242 Cm y 244 Cm; son emisores α, pero con una vida útil mucho más corta que los isótopos de americio. Estos isótopos casi no emiten radiación γ, pero sufren fisión espontánea con la consiguiente emisión de neutrones. Los isótopos de curio de vida más larga ( 245–248 Cm, todos emisores α) se forman como una mezcla durante la irradiación de neutrones de plutonio o americio. Tras una breve irradiación, en esta mezcla predominan 246 Cm y luego comienzan a acumularse 248 Cm. Ambos isótopos, especialmente el 248 Cm, tienen una vida media más larga (3,48 × 105 años) y son mucho más convenientes para realizar investigaciones químicas que 242 Cm y 244 Cm, pero también tienen una tasa de fisión espontánea bastante alta. 247 Cm tiene la vida útil más larga entre los isótopos de curio (1,56 × 107 años), pero no se forma en grandes cantidades debido a la fuerte fisión inducida por neutrones térmicos.
Se han identificado diecisiete isótopos de berkelio con números de masa 233–234, 236, 238 y 240–252. [58] Sólo 249 Bk están disponibles en grandes cantidades; tiene una vida media relativamente corta de 330 días y emite principalmente partículas β blandas , que son incómodas para la detección. Su radiación alfa es bastante débil (1,45 × 10−3 % con respecto a la radiación β), pero a veces se utiliza para detectar este isótopo. 247 Bk es un emisor alfa con una larga vida media de 1.380 años, pero es difícil de obtener en cantidades apreciables; no se forma tras la irradiación de neutrones del plutonio porque se desconoce la desintegración β de los isótopos de curio con un número de masa inferior a 248. [63] ( 247 Cm en realidad liberaría energía mediante desintegración β a 247 Bk, pero esto nunca se ha visto).
Los 20 isótopos de californio con números másicos entre 237 y 256 se forman en reactores nucleares; [58] el californio-253 es un emisor β y el resto son emisores α. Los isótopos con números de masa pares ( 250 Cf, 252 Cf y 254 Cf) tienen una alta tasa de fisión espontánea, especialmente el 254 Cf del cual el 99,7% se desintegra por fisión espontánea. El californio-249 tiene una vida media relativamente larga (352 años), una fisión espontánea débil y una fuerte emisión γ que facilita su identificación. El 249 Cf no se forma en grandes cantidades en un reactor nuclear debido a la lenta desintegración β del isótopo original 249 Bk y a una gran sección transversal de interacción con los neutrones, pero puede acumularse en forma isotópicamente pura como desintegración β. producto de (preseleccionado) 249 Bk. El californio producido por irradiación de plutonio en reactores se compone principalmente de 250 Cf y 252 Cf, siendo este último predominante en grandes fluencias de neutrones, y su estudio se ve dificultado por la fuerte radiación de neutrones. [64]
Entre los 18 isótopos conocidos de einstenio con números másicos de 240 a 257, [58] el más asequible es el 253 Es. Es un emisor α con una vida media de 20,47 días, una emisión γ relativamente débil y una tasa de fisión espontánea pequeña en comparación con los isótopos de californio. La irradiación prolongada de neutrones también produce un isótopo de larga vida 254 Es (t 1/2 = 275,5 días). [64]
Se conocen veinte isótopos de fermio con números de masa de 241 a 260. 254 Fm, 255 Fm y 256 Fm son emisores α con una vida media corta (horas) que pueden aislarse en cantidades significativas. 257 Fm (t 1/2 = 100 días) pueden acumularse tras una irradiación intensa y prolongada. Todos estos isótopos se caracterizan por altas tasas de fisión espontánea. [64] [66]
Entre los 17 isótopos conocidos de mendelevio (números de masa de 244 a 260), [58] el más estudiado es el 256 Md, que se desintegra principalmente mediante la captura de electrones (la radiación α es ≈10%) con una vida media de 77 minutos. . Otro emisor alfa, 258 Md, tiene una vida media de 53 días. Ambos isótopos se producen a partir de einstenio poco común ( 253 Es y 255 Es respectivamente), lo que limita su disponibilidad. [57]
Los isótopos de vida larga del nobelio y los isótopos de lawrencio (y de elementos más pesados) tienen vidas medias relativamente cortas. Para el nobelio, se conocen 13 isótopos, con números de masa 249–260 y 262. Las propiedades químicas del nobelio y el lawrencio se estudiaron con 255 No (t 1/2 = 3 min) y 256 Lr (t 1/2 = 35 s). . El isótopo de nobelio de vida más larga, el 259 No, tiene una vida media de aproximadamente 1 hora. [57] Lawrencium tiene 14 isótopos conocidos con números de masa 251–262, 264 y 266. El más estable de ellos es 266 Lr con una vida media de 11 horas.
Entre todos ellos, los únicos isótopos que se encuentran en cantidades suficientes en la naturaleza para ser detectados en algo más que trazas y tener una contribución mensurable a los pesos atómicos de los actínidos son los primordiales 232 Th, 235 U y 238 U, y tres productos de desintegración de larga duración del uranio natural, 230 Th, 231 Pa y 234 U. El torio natural consta de 0,02(2)% de 230 Th y 99,98(2)% de 232 Th; el protactinio natural se compone al 100% de 231 Pa; y el uranio natural consta de 0,0054(5)% 234 U, 0,7204(6)% 235 U y 99,2742(10)% 238 U. [67]
La acumulación de cifras de actínidos es una tabla de nucleidos con el número de neutrones en el eje horizontal (isótopos) y el número de protones en el eje vertical (elementos). El punto rojo divide los nucleidos en dos grupos, por lo que la figura es más compacta. Cada nucleido está representado por un cuadrado con el número másico del elemento y su vida media. [68] Los isótopos de actínidos que existen naturalmente (Th, U) están marcados con un borde en negrita, los emisores alfa tienen un color amarillo y los emisores beta tienen un color azul. El rosa indica captura de electrones ( 236 Np), mientras que el blanco representa un estado metaestable duradero ( 242 Am).
La formación de nucleidos actínidos se caracteriza principalmente por: [69]
Además de estas reacciones nucleares inducidas por neutrones o gamma, la conversión radiactiva de nucleidos actínidos también afecta el inventario de nucleidos en un reactor. Estos tipos de desintegración están marcados en la figura con flechas diagonales. La desintegración beta-menos , marcada con una flecha apuntando hacia arriba a la izquierda, desempeña un papel importante en el equilibrio de las densidades de partículas de los nucleidos. Los nucleidos que se desintegran por emisión de positrones (desintegración beta-plus) o captura de electrones (ϵ) no ocurren en un reactor nuclear excepto como productos de reacciones de eliminación; sus desintegraciones están marcadas con flechas que apuntan hacia abajo a la derecha. Debido a las largas vidas medias de los nucleidos, la desintegración alfa casi no juega ningún papel en la formación y desintegración de los actínidos en un reactor de potencia, ya que el tiempo de residencia del combustible nuclear en el núcleo del reactor es bastante corto (unos pocos años). ). Las excepciones son los dos nucleidos de vida relativamente corta, 242 Cm (T 1/2 = 163 días) y 236 Pu (T 1/2 = 2,9 años). Sólo en estos dos casos, la desintegración α está marcada en el mapa de nucleidos con una flecha larga que apunta hacia abajo a la izquierda. Algunos isótopos actínidos de vida larga, como 244 Pu y 250 Cm, no se pueden producir en reactores porque la captura de neutrones no ocurre con la suficiente rapidez para evitar los nucleidos de desintegración beta de vida corta 243 Pu y 249 Cm; sin embargo, pueden generarse en explosiones nucleares, que tienen flujos de neutrones mucho mayores.
El torio y el uranio son los actínidos más abundantes en la naturaleza con concentraciones de masa respectivas de 16 ppm y 4 ppm. [70] El uranio se encuentra principalmente en la corteza terrestre como una mezcla de sus óxidos en el mineral uraninita , que también se llama pechblenda debido a su color negro. Hay varias docenas de otros minerales de uranio como la carnotita (KUO 2 VO 4 ·3H 2 O) y la autunita (Ca(UO 2 ) 2 (PO 4 ) 2 ·nH 2 O). La composición isotópica del uranio natural es 238 U (abundancia relativa 99,2742%), 235 U (0,7204%) y 234 U (0,0054%); de estos 238 U tiene la vida media más larga de 4,51 × 109 años. [71] [72] La producción mundial de uranio en 2009 ascendió a 50.572 toneladas , de las cuales el 27,3% se extrajo en Kazajstán . Otros países importantes mineros de uranio son Canadá (20,1%), Australia (15,7%), Namibia (9,1%), Rusia (7,0%) y Níger (6,4%). [73]
Los minerales de torio más abundantes son la torianita ( ThO 2 ), la torita ( ThSiO 4 ) y la monacita ( (Th,Ca,Ce)PO 4 ). La mayoría de los minerales de torio contienen uranio y viceversa; y todos ellos tienen una fracción significativa de lantánidos. Los ricos depósitos de minerales de torio se encuentran en los Estados Unidos (440.000 toneladas), Australia y la India (~300.000 toneladas cada uno) y Canadá (~100.000 toneladas). [75]
La abundancia de actinio en la corteza terrestre es sólo de aproximadamente 5 × 10−15 %. [61] El actinio está presente principalmente en los minerales que contienen uranio, pero también en otros minerales, aunque en cantidades mucho menores. El contenido de actinio en la mayoría de los objetos naturales corresponde al equilibrio isotópico del isótopo original 235 U y no se ve afectado por la débil migración de Ac. [30] El protactinio es más abundante (10 −12 %) en la corteza terrestre que el actinio. Fue descubierto en 1913 en un mineral de uranio por Fajans y Göhring. [34] Como actinio, la distribución del protactinio sigue la de 235 U. [61]
La vida media del isótopo más longevo del neptunio, 237 Np , es insignificante en comparación con la edad de la Tierra. Por tanto, el neptunio está presente en la naturaleza en cantidades insignificantes y se produce como productos de desintegración intermedia de otros isótopos. [38] Las trazas de plutonio en minerales de uranio se encontraron por primera vez en 1942, y los resultados más sistemáticos sobre 239 Pu se resumen en la tabla (no se pudieron detectar otros isótopos de plutonio en esas muestras). El límite superior de abundancia del isótopo más longevo del plutonio, 244 Pu, es 3 × 10−20 %. No se pudo detectar plutonio en muestras de suelo lunar. Debido a su escasez en la naturaleza, la mayor parte del plutonio se produce sintéticamente. [74]
Debido a la baja abundancia de actínidos, su extracción es un proceso complejo que consta de varios pasos. Generalmente se utilizan fluoruros de actínidos porque son insolubles en agua y pueden separarse fácilmente mediante reacciones redox . Los fluoruros se reducen con calcio , magnesio o bario : [76]
Entre los actínidos, el torio y el uranio son los más fáciles de aislar. El torio se extrae principalmente de la monacita : el pirofosfato de torio (ThP 2 O 7 ) se hace reaccionar con ácido nítrico y el nitrato de torio producido se trata con tributil fosfato . Las impurezas de tierras raras se separan aumentando el pH en una solución de sulfato. [76]
En otro método de extracción, la monacita se descompone con una solución acuosa al 45% de hidróxido de sodio a 140 °C. Primero se extraen los hidróxidos metálicos mixtos, se filtran a 80 °C, se lavan con agua y se disuelven con ácido clorhídrico concentrado . A continuación, la solución ácida se neutraliza con hidróxidos hasta un pH = 5,8, lo que da como resultado la precipitación de hidróxido de torio (Th(OH) 4 ) contaminado con ~3 % de hidróxidos de tierras raras; el resto de hidróxidos de tierras raras permanece en solución. El hidróxido de torio se disuelve en un ácido inorgánico y luego se purifica a partir de elementos de tierras raras . Un método eficaz es la disolución de hidróxido de torio en ácido nítrico, porque la solución resultante se puede purificar mediante extracción con disolventes orgánicos: [76]
El torio metálico se separa del óxido, cloruro o fluoruro anhidro haciéndolo reaccionar con calcio en una atmósfera inerte: [78]
A veces, el torio se extrae mediante electrólisis de un fluoruro en una mezcla de cloruro de sodio y potasio a 700-800 °C en un crisol de grafito . El torio de alta pureza se puede extraer de su yoduro mediante el proceso de barra de cristal . [79]
El uranio se extrae de sus minerales de diversas formas. En un método, el mineral se quema y luego se hace reaccionar con ácido nítrico para convertir el uranio en estado disuelto. El tratamiento de la solución con una solución de tributilfosfato (TBP) en queroseno transforma el uranio en una forma orgánica UO 2 (NO 3 ) 2 (TBP) 2 . Las impurezas insolubles se filtran y el uranio se extrae mediante reacción con hidróxidos como (NH 4 ) 2 U 2 O 7 o con peróxido de hidrógeno como UO 4 ·2H 2 O. [76]
Cuando el mineral de uranio es rico en minerales como dolomita , magnesita , etc., esos minerales consumen mucho ácido. En este caso, para la extracción de uranio se utiliza el método del carbonato. Su componente principal es una solución acuosa de carbonato de sodio , que convierte el uranio en un complejo [UO 2 (CO 3 ) 3 ] 4− , que es estable en soluciones acuosas a bajas concentraciones de iones hidróxido. Las ventajas del método del carbonato de sodio son que los productos químicos tienen baja corrosividad (en comparación con los nitratos) y que la mayoría de los metales distintos del uranio precipitan de la solución. La desventaja es que también precipitan compuestos de uranio tetravalentes. Por tanto, el mineral de uranio se trata con carbonato de sodio a temperatura elevada y bajo presión de oxígeno:
Esta ecuación sugiere que el mejor disolvente para el procesamiento del carbonato de uranio es una mezcla de carbonato con bicarbonato. A un pH alto, esto da como resultado la precipitación de diuranato, que se trata con hidrógeno en presencia de níquel para producir un tetracarbonato de uranio insoluble. [76]
Otro método de separación utiliza resinas poliméricas como polielectrolito . Los procesos de intercambio iónico en las resinas dan como resultado la separación del uranio. El uranio de las resinas se lava con una solución de nitrato de amonio o ácido nítrico que produce nitrato de uranilo , UO 2 (NO 3 ) 2 ·6H 2 O. Cuando se calienta, se convierte en UO 3 , que se convierte en UO 2 con hidrógeno:
La reacción del dióxido de uranio con ácido fluorhídrico lo convierte en tetrafluoruro de uranio , que produce uranio metálico al reaccionar con magnesio metálico: [78]
Para extraer plutonio, el uranio irradiado con neutrones se disuelve en ácido nítrico y se añade un agente reductor ( FeSO 4 o H 2 O 2 ) a la solución resultante. Esta adición cambia el estado de oxidación del plutonio de +6 a +4, mientras que el uranio permanece en forma de nitrato de uranilo (UO 2 (NO 3 ) 2 ). La solución se trata con un agente reductor y se neutraliza con carbonato de amonio a pH = 8, lo que da como resultado la precipitación de compuestos de Pu 4+ . [76]
En otro método, Pu 4+ y UO2+
2Primero se extraen con tributilfosfato y luego se hacen reaccionar con hidracina lavando el plutonio recuperado. [76]
La principal dificultad en la separación del actinio es la similitud de sus propiedades con las del lantano. Así, el actinio se sintetiza en reacciones nucleares a partir de isótopos de radio o se separa mediante procedimientos de intercambio iónico. [30]
Los actínidos tienen propiedades similares a los lantánidos. Así como las capas de electrones 4f están llenas en los lantánidos, las capas de electrones 5f están llenas en los actínidos. Debido a que las capas 5f, 6d, 7s y 7p tienen energías cercanas, surgen muchas configuraciones irregulares; así, en los átomos en fase gaseosa, así como el primer electrón 4f sólo aparece en el cerio, el primer electrón 5f aparece incluso más tarde, en el protactinio. Sin embargo, así como el lantano es el primer elemento que utiliza la capa 4f en compuestos, [80] el actinio es el primer elemento que utiliza la capa 5f en compuestos. [81] Las conchas f completan su llenado juntas, en iterbio y nobelio. [82] La primera evidencia experimental del llenado de la capa 5f en actínidos fue obtenida por McMillan y Abelson en 1940. [83] Como en los lantánidos (ver contracción de lantánidos ), el radio iónico de los actínidos disminuye monótonamente con el número atómico (ver también Principio de Aufbau ). [84]
El cambio de configuraciones electrónicas en la fase gaseosa no siempre coincide con el comportamiento químico. Por ejemplo, la prominencia del estado de oxidación más alto, similar a un metal de transición temprana, correspondiente a la eliminación de todos los electrones de valencia, se extiende hasta el uranio, aunque las capas 5f comienzan a llenarse antes de eso. Por otro lado, las configuraciones electrónicas que se asemejan a los congéneres de los lantánidos ya comienzan en el plutonio, aunque el comportamiento similar al de los lantánidos no se vuelve dominante hasta que la segunda mitad de la serie comienza en el curio. Los elementos entre el uranio y el curio forman una transición entre estos dos tipos de comportamiento, donde continúan existiendo estados de oxidación superiores, pero pierden estabilidad con respecto al estado +3. [82] El estado +2 se vuelve más importante cerca del final de la serie y es el estado de oxidación más estable del nobelio, el último elemento 5f. [82] Los estados de oxidación aumentan nuevamente solo después del nobelio, lo que muestra que ha comenzado una nueva serie de metales de transición 6d: el lawrencio muestra solo el estado de oxidación +3, y el rutherfordio solo el estado +4, lo que los convierte en congéneres del lutecio y el hafnio en el 5d. fila. [82]
Los actínidos son metales típicos. Todos ellos son blandos y tienen un color plateado (pero se deslustran con el aire), [90] densidad y plasticidad relativamente altas . Algunos de ellos se pueden cortar con un cuchillo. Su resistividad eléctrica varía entre 15 y 150 μΩ·cm. [85] La dureza del torio es similar a la del acero blando, por lo que el torio puro calentado se puede enrollar en láminas y convertirlo en alambre. El torio es casi la mitad de denso que el uranio y el plutonio, pero es más duro que cualquiera de ellos. Todos los actínidos son radiactivos, paramagnéticos y, a excepción del actinio, tienen varias fases cristalinas: el plutonio tiene siete, y el uranio, el neptunio y el californio tres. Las estructuras cristalinas del protactinio, uranio, neptunio y plutonio no tienen análogos claros entre los lantánidos y son más similares a las de los metales de transición 3 d . [72]
Todos los actínidos son pirofóricos , especialmente cuando están finamente divididos, es decir, se encienden espontáneamente al reaccionar con el aire a temperatura ambiente. [90] [91] El punto de fusión de los actínidos no depende claramente del número de electrones f . El punto de fusión inusualmente bajo del neptunio y el plutonio (~640 °C) se explica por la hibridación de los orbitales 5 f y 6 d y la formación de enlaces direccionales en estos metales. [72]
Al igual que los lantánidos, todos los actínidos son muy reactivos con los halógenos y los calcógenos ; sin embargo, los actínidos reaccionan más fácilmente. Los actínidos, especialmente aquellos con una pequeña cantidad de 5 electrones f , son propensos a la hibridación . Esto se explica por la similitud de las energías de los electrones en las capas 5 f , 7 sy 6 d . La mayoría de los actínidos exhiben una mayor variedad de estados de valencia, y los más estables son +6 para uranio, +5 para protactinio y neptunio, +4 para torio y plutonio y +3 para actinio y otros actínidos. [93]
El actinio es químicamente similar al lantano, lo que se explica por sus radios iónicos y estructuras electrónicas similares. Al igual que el lantano, el actinio casi siempre tiene un estado de oxidación de +3 en los compuestos, pero es menos reactivo y tiene propiedades básicas más pronunciadas . Entre otros actínidos trivalentes, Ac 3+ es el menos ácido, es decir, tiene la tendencia más débil a hidrolizarse en soluciones acuosas. [30] [72]
El torio es bastante activo químicamente. Debido a la falta de electrones en los orbitales 6 d y 5 f , los compuestos de torio tetravalentes son incoloros. A pH < 3, las soluciones de sales de torio están dominadas por los cationes [Th(H 2 O) 8 ] 4+ . El ion Th 4+ es relativamente grande y, dependiendo del número de coordinación , puede tener un radio entre 0,95 y 1,14 Å. Como resultado, las sales de torio tienen una débil tendencia a hidrolizarse. La capacidad distintiva de las sales de torio es su alta solubilidad tanto en agua como en disolventes orgánicos polares. [72]
El protactinio exhibe dos estados de valencia; el estado +5 es estable y el estado +4 se oxida fácilmente a protactinio (V). Así, el protactinio tetravalente en solución se obtiene mediante la acción de fuertes agentes reductores en una atmósfera de hidrógeno. El protactinio tetravalente es químicamente similar al uranio (IV) y al torio (IV). Los fluoruros, fosfatos, hipofosfatos, yodatos y fenilarsonatos de protactinio(IV) son insolubles en agua y ácidos diluidos. El protactinio forma carbonatos solubles. Las propiedades hidrolíticas del protactinio pentavalente son cercanas a las del tantalio (V) y el niobio (V). El complejo comportamiento químico del protactinio es consecuencia del inicio del llenado de la capa 5 f de este elemento. [61]
El uranio tiene una valencia de 3 a 6, siendo esta última la más estable. En estado hexavalente, el uranio es muy similar a los elementos del grupo 6 . Muchos compuestos de uranio (IV) y uranio (VI) no son estequiométricos , es decir, tienen una composición variable. Por ejemplo, la fórmula química real del dióxido de uranio es UO 2+x , donde x varía entre −0,4 y 0,32. Los compuestos de uranio (VI) son oxidantes débiles . La mayoría de ellos contienen el grupo lineal " uranilo ", UO.2+
2. Se pueden acomodar entre 4 y 6 ligandos en un plano ecuatorial perpendicular al grupo uranilo. El grupo uranilo actúa como un ácido duro y forma complejos más fuertes con ligandos donantes de oxígeno que con ligandos donantes de nitrógeno. NPO2+
2y PuO2+
2También son la forma común de Np y Pu en el estado de oxidación +6. Los compuestos de uranio (IV) presentan propiedades reductoras, por ejemplo, se oxidan fácilmente con el oxígeno del aire. El uranio (III) es un agente reductor muy fuerte. Debido a la presencia de la capa d, el uranio (así como muchos otros actínidos) forma compuestos organometálicos , como U III (C 5 H 5 ) 3 y U IV (C 5 H 5 ) 4 . [72] [94]
El neptunio tiene estados de valencia del 3 al 7, que se pueden observar simultáneamente en soluciones. El estado más estable en solución es +5, pero se prefiere la valencia +4 en compuestos sólidos de neptunio. El metal neptunio es muy reactivo. Los iones de neptunio son propensos a la hidrólisis y a la formación de compuestos de coordinación . [38]
El plutonio también exhibe estados de valencia entre 3 y 7 inclusive y, por lo tanto, es químicamente similar al neptunio y al uranio. Es muy reactivo y forma rápidamente una película de óxido en el aire. El plutonio reacciona con el hidrógeno incluso a temperaturas tan bajas como 25 a 50 °C; también forma fácilmente haluros y compuestos intermetálicos . Las reacciones de hidrólisis de iones de plutonio de diferentes estados de oxidación son bastante diversas. El plutonio(V) puede entrar en reacciones de polimerización . [95] [96]
La mayor diversidad química entre los actínidos se observa en el americio, que puede tener valencia entre 2 y 6. El americio divalente se obtiene sólo en compuestos secos y soluciones no acuosas ( acetonitrilo ). Los estados de oxidación +3, +5 y +6 son típicos de soluciones acuosas, pero también en estado sólido. El americio tetravalente forma compuestos sólidos estables (dióxido, fluoruro e hidróxido), así como complejos en soluciones acuosas. Se informó que en solución alcalina el americio se puede oxidar al estado heptavalente, pero estos datos resultaron erróneos. La valencia más estable del americio es 3 en soluciones acuosas y 3 o 4 en compuestos sólidos. [97]
Valencia 3 es dominante en todos los elementos posteriores hasta lawrencium (con la excepción de nobelium). El curio puede ser tetravalente en sólidos (fluoruro, dióxido). El berkelio, junto con una valencia de +3, también muestra la valencia de +4, más estable que la del curio; la valencia 4 se observa en fluoruro y dióxido sólidos. La estabilidad del Bk 4+ en solución acuosa es cercana a la del Ce 4+ . [98] Sólo se observó valencia 3 para californio, einstenio y fermio. El estado divalente está probado para mendelevio y nobelio, y en nobelio es más estable que el estado trivalente. Lawrencium muestra valencia 3 tanto en soluciones como en sólidos. [97]
El potencial redox aumenta desde −0,32 V en uranio, pasando por 0,34 V (Np) y 1,04 V (Pu) hasta 1,34 V en americio, lo que revela la creciente capacidad de reducción del ion An 4+ de americio a uranio. Todos los actínidos forman hidruros AnH 3 de color negro con propiedades salinas. Los actínidos también producen carburos con la fórmula general de AnC o AnC 2 (U 2 C 3 para el uranio), así como sulfuros An 2 S 3 y AnS 2 . [93]
Algunos actínidos pueden existir en varias formas de óxido, como An 2 O 3 , AnO 2 , An 2 O 5 y AnO 3 . Para todos los actínidos, los óxidos AnO 3 son anfóteros y An 2 O 3 , AnO 2 y An 2 O 5 son básicos, reaccionan fácilmente con el agua formando bases: [93]
Estas bases son poco solubles en agua y en su actividad se acercan a los hidróxidos de los metales de tierras raras. [93] El Np(OH) 3 aún no se ha sintetizado, el Pu(OH) 3 tiene un color azul mientras que el Am(OH) 3 es rosa y el hidróxido de curio Cm(OH) 3 es incoloro. [105] Bk(OH) 3 y Cf(OH) 3 también son conocidos, al igual que los hidróxidos tetravalentes para Np, Pu y Am y pentavalentes para Np y Am. [105]
La base más fuerte es la de actinio. Todos los compuestos de actinio son incoloros, excepto el sulfuro de actinio negro (Ac 2 S 3 ). [93] Los dióxidos de actínidos tetravalentes cristalizan en el sistema cúbico , al igual que en el fluoruro de calcio .
El torio al reaccionar con el oxígeno forma exclusivamente el dióxido:
El dióxido de torio es un material refractario con el punto de fusión más alto entre todos los óxidos conocidos (3390 °C). [103] Agregar 0,8-1% de ThO 2 al tungsteno estabiliza su estructura, por lo que los filamentos dopados tienen una mejor estabilidad mecánica a las vibraciones. Para disolver el ThO 2 en ácidos, se calienta a 500-600 °C; calentar por encima de 600 °C produce una forma de ThO 2 muy resistente a los ácidos y otros reactivos . Una pequeña adición de iones fluoruro cataliza la disolución del dióxido de torio en ácidos.
Se han obtenido dos óxidos de protactinio: PaO 2 (negro) y Pa 2 O 5 (blanco); el primero es isomorfo con ThO 2 y el segundo es más fácil de obtener. Ambos óxidos son básicos y Pa(OH) 5 es una base débil y poco soluble. [93]
La descomposición de ciertas sales de uranio, por ejemplo UO 2 (NO 3 )·6H 2 O en aire a 400 °C, produce UO 3 de color naranja o amarillo . [103] Este óxido es anfótero y forma varios hidróxidos, siendo el más estable el hidróxido de uranilo UO 2 (OH) 2 . La reacción del óxido de uranio (VI) con hidrógeno da como resultado dióxido de uranio, que tiene propiedades similares al ThO 2 . Este óxido también es básico y corresponde al hidróxido de uranio (U(OH) 4 ). [93]
El plutonio, el neptunio y el americio forman dos óxidos básicos: An 2 O 3 y AnO 2 . El trióxido de neptunio es inestable; por lo tanto, hasta el momento sólo se ha podido obtener Np 3 O 8 . Sin embargo, los óxidos de plutonio y neptunio con fórmula química AnO 2 y An 2 O 3 están bien caracterizados. [93]
Los actínidos reaccionan fácilmente con los halógenos formando sales con las fórmulas MX 3 y MX 4 (X = halógeno ). Así, el primer compuesto de berkelio, BkCl 3 , se sintetizó en 1962 con una cantidad de 3 nanogramos. Al igual que los halógenos de las tierras raras, los cloruros , bromuros y yoduros de actínidos son solubles en agua y los fluoruros son insolubles. El uranio produce fácilmente un hexafluoruro incoloro, que se sublima a una temperatura de 56,5 °C; debido a su volatilidad, se utiliza en la separación de isótopos de uranio con centrífuga de gas o difusión gaseosa . Los hexafluoruros de actínidos tienen propiedades cercanas a las de los anhídridos . Son muy sensibles a la humedad y se hidrolizan formando AnO 2 F 2 . [109] Se sintetizaron el pentacloruro y el hexacloruro negro de uranio, pero ambos son inestables. [93]
La acción de los ácidos sobre los actínidos produce sales, y si los ácidos no son oxidantes, entonces el actínido de la sal se encuentra en un estado de baja valencia:
Sin embargo, en estas reacciones el hidrógeno regenerado puede reaccionar con el metal formando el correspondiente hidruro. El uranio reacciona con ácidos y agua mucho más fácilmente que el torio. [93]
Las sales de actínidos también se pueden obtener disolviendo los correspondientes hidróxidos en ácidos. Los nitratos, cloruros, sulfatos y percloratos de actínidos son solubles en agua. Al cristalizar en soluciones acuosas, estas sales forman hidratos, como Th(NO 3 ) 4 ·6H 2 O, Th(SO 4 ) 2 ·9H 2 O y Pu 2 (SO 4 ) 3 ·7H 2 O. Sales de Los actínidos de alta valencia se hidrolizan fácilmente. Así, el sulfato, cloruro, perclorato y nitrato incoloros de torio se transforman en sales básicas de fórmula Th(OH) 2 SO 4 y Th(OH) 3 NO 3 . La solubilidad e insolubilidad de los actínidos trivalentes y tetravalentes es similar a la de las sales de lantánidos. Así, los fosfatos , fluoruros , oxalatos , yodatos y carbonatos de actínidos son poco solubles en agua; precipitan como hidratos, como ThF 4 ·3H 2 O y Th(CrO 4 ) 2 ·3H 2 O. [93]
Los actínidos con estado de oxidación +6, excepto los cationes de tipo AnO 2 2+ , forman [AnO 4 ] 2− , [An 2 O 7 ] 2− y otros aniones complejos. Por ejemplo, el uranio, el neptunio y el plutonio forman sales del tipo Na 2 UO 4 (uranato) y (NH 4 ) 2 U 2 O 7 (diuranato). En comparación con los lantánidos, los actínidos forman más fácilmente compuestos de coordinación y esta capacidad aumenta con la valencia del actínido. Los actínidos trivalentes no forman compuestos de coordinación de fluoruro, mientras que el torio tetravalente forma complejos de K 2 ThF 6 , KThF 5 e incluso K 5 ThF 9 . El torio también forma los correspondientes sulfatos (por ejemplo Na 2 SO 4 ·Th(SO 4 ) 2 ·5H 2 O), nitratos y tiocianatos. Las sales con la fórmula general An 2 Th(NO 3 ) 6 · n H 2 O son de naturaleza de coordinación, siendo el número de coordinación del torio igual a 12. Aún más fácil es producir sales complejas de actínidos pentavalentes y hexavalentes. Los compuestos de coordinación más estables de los actínidos (torio y uranio tetravalentes) se obtienen en reacciones con dicetonas, por ejemplo, acetilacetona . [93]
Si bien los actínidos tienen algunas aplicaciones establecidas en la vida diaria, como en detectores de humo (americio) [110] [111] y mantos de gas (torio), [78] se utilizan principalmente en armas nucleares y como combustible en reactores nucleares. [78] Las dos últimas áreas explotan la propiedad de los actínidos de liberar una enorme energía en reacciones nucleares, que bajo ciertas condiciones pueden convertirse en reacciones en cadena autosostenidas .
El isótopo más importante para las aplicaciones de energía nuclear es el uranio-235 . Se utiliza en el reactor térmico , y su concentración en uranio natural no supera el 0,72%. Este isótopo absorbe fuertemente los neutrones térmicos liberando mucha energía. Un acto de fisión de 1 gramo de 235 U se convierte en aproximadamente 1 MW·día. Lo importante es que235
92Ud.
emite más neutrones de los que absorbe; [112] al alcanzar la masa crítica ,235
92Ud.
entra en una reacción en cadena autosostenida. [72] Normalmente, el núcleo de uranio se divide en dos fragmentos con la liberación de 2 a 3 neutrones, por ejemplo:
Otros isótopos actínidos prometedores para la energía nuclear son el torio-232 y su producto del ciclo del combustible del torio , el uranio-233 .
La emisión de neutrones durante la fisión del uranio es importante no sólo para mantener la reacción nuclear en cadena, sino también para la síntesis de actínidos más pesados. El uranio-239 se convierte mediante desintegración β en plutonio-239, que, como el uranio-235, es capaz de fisionarse espontáneamente. Los primeros reactores nucleares del mundo no se construyeron para generar energía, sino para producir plutonio-239 para armas nucleares.
Aproximadamente la mitad del torio producido se utiliza como material emisor de luz en mantos de gas. [78] El torio también se añade a aleaciones multicomponentes de magnesio y zinc . Por tanto, las aleaciones de Mg-Th son ligeras y resistentes, pero también tienen un alto punto de fusión y ductilidad, por lo que se utilizan ampliamente en la industria de la aviación y en la producción de misiles . El torio también tiene buenas propiedades de emisión de electrones , con una larga vida útil y una barrera potencial baja para la emisión. [112] El contenido relativo de isótopos de torio y uranio se utiliza ampliamente para estimar la edad de varios objetos, incluidas las estrellas (ver datación radiométrica ). [115]
La principal aplicación del plutonio ha sido en armas nucleares , donde el isótopo plutonio-239 era un componente clave debido a su facilidad de fisión y disponibilidad. Los diseños basados en plutonio permiten reducir la masa crítica a aproximadamente un tercio de la del uranio-235. [116] Las bombas de plutonio tipo "Fat Man" producidas durante el Proyecto Manhattan utilizaron compresión explosiva de plutonio para obtener densidades significativamente más altas de lo normal, combinadas con una fuente central de neutrones para comenzar la reacción y aumentar la eficiencia. Así, sólo se necesitaron 6,2 kg de plutonio para obtener una potencia explosiva equivalente a 20 kilotones de TNT . [117] (Véase también Diseño de armas nucleares .) Hipotéticamente, tan solo 4 kg de plutonio (y tal vez incluso menos) podrían usarse para fabricar una sola bomba atómica utilizando diseños de ensamblaje muy sofisticados. [118]
El plutonio-238 es un isótopo potencialmente más eficiente para reactores nucleares, ya que tiene una masa crítica menor que el uranio-235, pero continúa liberando mucha energía térmica (0,56 W/g) [111] [119] por desintegración incluso cuando la cadena de fisión La reacción se detiene mediante barras de control. Su aplicación está limitada por su elevado precio (alrededor de 1.000 dólares EE.UU./g). Este isótopo se ha utilizado en termopilas y sistemas de destilación de agua de algunos satélites y estaciones espaciales. Así, las naves espaciales Galileo y Apolo (por ejemplo, Apolo 14 [120] ) tenían calentadores alimentados por cantidades de kilogramos de óxido de plutonio-238; este calor también se transforma en electricidad con termopilas. La desintegración del plutonio-238 produce partículas alfa relativamente inofensivas y no va acompañada de irradiación gamma. Por lo tanto, este isótopo (~160 mg) se utiliza como fuente de energía en marcapasos, donde dura aproximadamente 5 veces más que las baterías convencionales. [111]
El actinio-227 se utiliza como fuente de neutrones. Su alta energía específica (14,5 W/g) y la posibilidad de obtener cantidades importantes de compuestos térmicamente estables resultan atractivos para su uso en generadores termoeléctricos de larga duración para uso remoto. El 228 Ac se utiliza como indicador de radiactividad en la investigación química, ya que emite electrones de alta energía (2,18 MeV) que pueden detectarse fácilmente. Las mezclas de 228 Ac - 228 Ra se utilizan ampliamente como fuente gamma intensa en la industria y la medicina. [30]
El desarrollo de materiales dopados con actínidos autobrillantes con matrices cristalinas duraderas es una nueva área de utilización de actínidos, ya que la adición de radionucleidos emisores alfa a algunos vidrios y cristales puede conferir luminiscencia. [121]
Las sustancias radiactivas pueden dañar la salud humana a través de (i) contaminación local de la piel, (ii) exposición interna debido a la ingestión de isótopos radiactivos y (iii) sobreexposición externa por actividad β y radiación γ . Junto con el radio y los elementos transuránicos, el actinio es uno de los venenos radiactivos más peligrosos con una alta actividad α específica . La característica más importante del actinio es su capacidad para acumularse y permanecer en la capa superficial de los esqueletos . En la etapa inicial de intoxicación, el actinio se acumula en el hígado . Otro peligro del actinio es que sufre una desintegración radiactiva más rápida de lo que se excreta. La adsorción en el tracto digestivo es mucho menor (~0,05%) para el actinio que para el radio. [30]
El protactinio en el cuerpo tiende a acumularse en los riñones y los huesos. La dosis máxima segura de protactinio en el cuerpo humano es de 0,03 μCi , que corresponde a 0,5 microgramos de 231 Pa. Este isótopo, que podría estar presente en el aire en forma de aerosol , es de 2,5 × 108 veces más tóxico que el ácido cianhídrico . [61] [ contradictorio ]
El plutonio, cuando ingresa al cuerpo a través del aire, los alimentos o la sangre (por ejemplo, una herida), se deposita principalmente en los pulmones, el hígado y los huesos y sólo alrededor del 10% va a otros órganos, y permanece allí durante décadas. El largo tiempo de permanencia del plutonio en el organismo se explica en parte por su escasa solubilidad en agua. Algunos isótopos del plutonio emiten radiación α ionizante, que daña las células circundantes. La dosis letal media (DL50 ) durante 30 días en perros después de la inyección intravenosa de plutonio es de 0,32 miligramos por kg de masa corporal y, por tanto, la dosis letal para humanos es de aproximadamente 22 mg para una persona que pesa 70 kg; la cantidad para exposición respiratoria debe ser aproximadamente cuatro veces mayor. Otra estimación supone que el plutonio es 50 veces menos tóxico que el radio y, por tanto, el contenido permisible de plutonio en el organismo debería ser de 5 μg o 0,3 μCi. Esta cantidad es casi invisible bajo el microscopio. Después de ensayos con animales, esta dosis máxima permitida se redujo a 0,65 μg o 0,04 μCi. Los estudios en animales también revelaron que la vía de exposición al plutonio más peligrosa es la inhalación, después de la cual entre el 5% y el 25% de las sustancias inhaladas quedan retenidas en el cuerpo. Dependiendo del tamaño de las partículas y de la solubilidad de los compuestos de plutonio, el plutonio se localiza en los pulmones o en el sistema linfático , o se absorbe en la sangre y luego se transporta al hígado y a los huesos. La contaminación a través de los alimentos es la forma menos probable. En este caso, sólo aproximadamente el 0,05% de los compuestos solubles y el 0,01% insolubles del plutonio se absorben en la sangre y el resto se excreta. La exposición de la piel dañada al plutonio retendría casi el 100% del mismo. [95]
El uso de actínidos en combustible nuclear, fuentes radiactivas selladas o materiales avanzados como cristales autobrillantes tiene muchos beneficios potenciales. Sin embargo, una preocupación seria es la radiotoxicidad extremadamente alta de los actínidos y su migración en el medio ambiente. [122] El uso de formas químicamente inestables de actínidos en MOX y fuentes radiactivas selladas no es apropiado según las normas de seguridad modernas. Existe el desafío de desarrollar materiales estables y duraderos que contengan actínidos, que proporcionen un almacenamiento, uso y eliminación final seguros. Una necesidad clave es la aplicación de soluciones sólidas de actínidos en fases huésped cristalinas duraderas. [121]
![{\displaystyle {\ce {{^{238}_{92}U}+{}_{0}^{1}n->{}_{92}^{239}U->[\beta ^{ -}][23.5\ {\ce {min}}]{}_{93}^{239}Np->[\beta ^{-}][2.3\ {\ce {días}}]{}_{ 94}^{239}Pu}}\left({\ce {->[\alpha ][2.4\cdot 10^{4}\ {\ce {años}}]}}\right){\ce {^ {235}_{92}U}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e7a95dee843f1cf5e9156013e8ca01c30870d896)
![{\displaystyle {\begin{array}{l}{}\\{\ce {2AmF3{}+3Ba->[{\ce {1150-1350^{\circ }C}}]3BaF2{}+2Am} }\\{\ce {PuF4{}+2Ba->[{\ce {1200^{\circ }C}}]2BaF2{}+Pu}}\\{\ce {UF4{}+2Mg->[ {\ce {>500^{\circ }C}}]U{}+2MgF2}}\\{}\end{array}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/057c8209f7427fca3331e574fa79f36c0e2a81db)
![{\displaystyle {\ce {Th{}+O2->[{\ce {1000^{\circ }C}}]\overbrace {ThO2} ^{Torio~dióxido}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/13e4a27b9ed3d03fc5420ed4a04020bf77562406)
{{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )Muchos metales actínidos, hidruros, carburos, aleaciones y otros compuestos pueden encenderse a temperatura ambiente en un estado finamente dividido.
