El prometio es un elemento químico con símbolo Pm y número atómico 61. Todos sus isótopos son radiactivos ; es extremadamente raro, con solo unos 500-600 gramos presentes de forma natural en la corteza terrestre en un momento dado. El prometio es uno de los dos únicos elementos radiactivos que son seguidos en la tabla periódica por elementos con formas estables, el otro es el tecnecio . Químicamente, el prometio es un lantánido . El prometio muestra solo un estado de oxidación estable de +3.
En 1902, Bohuslav Brauner sugirió que existía un elemento entonces desconocido con propiedades intermedias entre las de los elementos conocidos neodimio (60) y samario (62); esto fue confirmado en 1914 por Henry Moseley , quien, tras medir los números atómicos de todos los elementos entonces conocidos, descubrió que faltaba el elemento con número atómico 61. En 1926, dos grupos (uno italiano y otro estadounidense) afirmaron haber aislado una muestra del elemento 61; pronto se demostró que ambos "descubrimientos" eran falsos. En 1938, durante un experimento nuclear realizado en la Universidad Estatal de Ohio , se produjeron algunos nucleidos radiactivos que ciertamente no eran radioisótopos de neodimio o samario, pero faltaban pruebas químicas de que se produjera el elemento 61, y el descubrimiento no fue muy reconocido. El prometio se produjo y caracterizó por primera vez en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en 1945 mediante la separación y el análisis de los productos de fisión del combustible de uranio irradiado en un reactor de grafito. Los descubridores propusieron el nombre "prometheum" (la ortografía se modificó posteriormente), derivado de Prometeo , el titán de la mitología griega que robó el fuego del monte Olimpo y lo trajo a los humanos, para simbolizar "tanto la osadía como el posible mal uso del intelecto de la humanidad". Una muestra del metal se fabricó recién en 1963.
Las dos fuentes de prometio natural son las raras desintegraciones alfa del europio -151 natural (que producen prometio-147) y la fisión espontánea del uranio (varios isótopos). El prometio-145 es el isótopo más estable del prometio, pero el único isótopo con aplicaciones prácticas es el prometio-147, cuyos compuestos químicos se utilizan en pinturas luminosas , baterías atómicas y dispositivos de medición de espesores. Debido a que el prometio natural es extremadamente escaso, normalmente se sintetiza bombardeando uranio-235 ( uranio enriquecido ) con neutrones térmicos para producir prometio-147 como producto de fisión .
Un átomo de prometio tiene 61 electrones, dispuestos en la configuración [ Xe ] 4f 5 6s 2 . Los siete electrones 4f y 6s son electrones de valencia . [5] Al formar compuestos, el átomo pierde sus dos electrones más externos y un electrón 4f, que pertenece a una subcapa abierta. El radio atómico del elemento es el segundo más grande entre todos los lantánidos, pero es solo ligeramente mayor que el de los elementos vecinos. [5] Es la excepción más notable a la tendencia general de contracción de los átomos de lantánidos con el aumento de sus números atómicos ( contracción de los lantánidos [6] ). Muchas propiedades del prometio dependen de su posición entre los lantánidos y son intermedias entre las del neodimio y el samario. Por ejemplo, el punto de fusión, las tres primeras energías de ionización y la energía de hidratación son mayores que las del neodimio y menores que las del samario; [5] De manera similar, la estimación del punto de ebullición, el radio iónico (Pm 3+ ) y el calor estándar de formación del gas monoatómico son mayores que los del samario y menores que los del neodimio. [5]
El prometio tiene una estructura compacta hexagonal doble (dhcp) y una dureza de 63 kg/mm 2 . [7] Esta forma alfa de baja temperatura se convierte en una fase cúbica centrada en el cuerpo (bcc) beta al calentarse a 890 °C. [8]
El prometio pertenece al grupo del cerio de los lantánidos y es químicamente muy similar a los elementos vecinos. [9] Debido a su inestabilidad, los estudios químicos del prometio son incompletos. Aunque se han sintetizado algunos compuestos, no se han estudiado por completo; en general, tienden a ser de color rosa o rojo. [10] [11] En mayo de 2024, se caracterizó un complejo de coordinación de prometio con ligandos PyDGA neutros en solución acuosa. [12] El tratamiento de soluciones ácidas que contienen iones Pm 3+ con amoníaco da como resultado un sedimento gelatinoso de color marrón claro de hidróxido, Pm(OH) 3 , que es insoluble en agua. [13] Cuando se disuelve en ácido clorhídrico , se produce una sal amarilla soluble en agua, PmCl 3 ; [13] de manera similar, cuando se disuelve en ácido nítrico, resulta un nitrato, Pm(NO 3 ) 3 . Este último también es muy soluble; Cuando se seca, forma cristales rosados, similares a Nd(NO 3 ) 3 . [13] La configuración electrónica para Pm 3+ es [Xe] 4f 4 , y el color del ion es rosado. El símbolo del término del estado fundamental es 5 I 4 . [14] El sulfato es ligeramente soluble, como los otros sulfatos del grupo del cerio. Se han calculado parámetros de celda para su octahidrato; conducen a la conclusión de que la densidad de Pm 2 (SO 4 ) 3 ·8H 2 O es 2,86 g/cm 3 . [15] El oxalato, Pm 2 (C 2 O 4 ) 3 ·10H 2 O , tiene la solubilidad más baja de todos los oxalatos de lantánidos. [16]
A diferencia del nitrato, el óxido es similar a la sal de samario correspondiente y no a la sal de neodimio. Tal como se sintetiza, por ejemplo, calentando el oxalato, es un polvo blanco o de color lavanda con una estructura desordenada. [13] Este polvo cristaliza en una red cúbica al calentarlo a 600 °C. Un recocido posterior a 800 °C y luego a 1750 °C lo transforma irreversiblemente en fases monoclínica y hexagonal , respectivamente, y las dos últimas fases se pueden interconvertir ajustando el tiempo y la temperatura de recocido. [17]
El prometio forma solo un estado de oxidación estable, +3, en forma de iones; esto coincide con otros lantánidos. El prometio también puede formar el estado de oxidación +2. [18] Las propiedades termodinámicas de Pm 2+ sugieren que los dihaluros son estables, similares a NdCl 2 y SmCl 2 . [19]
El prometio es el único lantánido y uno de los dos únicos elementos entre los primeros 82 sin isótopos estables o de larga vida ( primordiales ). Esto es el resultado de un efecto que ocurre raramente del modelo de gota líquida y las estabilidades de los isótopos de los elementos vecinos; también es el elemento menos estable de los primeros 84. [4] Los productos de desintegración primarios son los isótopos de neodimio y samario (el prometio-146 se desintegra en ambos, los isótopos más ligeros generalmente en neodimio a través de la desintegración de positrones y captura de electrones , y los isótopos más pesados en samario a través de la desintegración beta). Los isómeros nucleares del prometio pueden desintegrarse en otros isótopos del prometio y un isótopo ( 145 Pm) tiene un modo de desintegración alfa muy raro para convertirse en praseodimio -141 estable. [4]
El isótopo más estable del elemento es el prometio-145, que tiene una actividad específica de 139 Ci / g (5,1 TBq /g) y una vida media de 17,7 años por captura de electrones . [4] [21] Debido a que tiene 84 neutrones (dos más que 82, que es un número mágico que corresponde a una configuración neutrónica estable), puede emitir una partícula alfa (que tiene 2 neutrones) para formar praseodimio-141 con 82 neutrones. Por lo tanto, es el único isótopo del prometio con una desintegración alfa observada experimentalmente . [22] Su vida media parcial para la desintegración alfa es de aproximadamente 6,3 × 109 años, y la probabilidad relativa de que un núcleo de 145 Pm se desintegra de esta manera es 2,8 × 10−7 %. Varios otros isótopos de prometio, como 144 Pm, 146 Pm y 147 Pm, también tienen una liberación de energía positiva para la desintegración alfa; se predice que sus desintegraciones alfa ocurren, pero no se han observado. En total, se conocen 41 isótopos de prometio, que van desde 126 Pm hasta 166 Pm. [4] [23]
El elemento también tiene 18 isómeros nucleares, con números másicos de 133 a 142, 144, 148, 149, 152 y 154 (algunos números másicos tienen más de un isómero). El más estable de ellos es el prometio-148m, con una vida media de 43,1 días; esto es más largo que las vidas medias de los estados fundamentales de todos los isótopos del prometio, excepto el prometio-143 a 147. De hecho, el prometio-148m tiene una vida media más larga que su estado fundamental, el prometio-148. [4]
En 1934, Willard Libby informó que había encontrado una actividad beta débil en el neodimio puro, lo que se atribuyó a una vida media de más de 10 12 años. [24] Casi 20 años después, se afirmó que el elemento se encuentra en el neodimio natural en equilibrio en cantidades inferiores a 10 −20 gramos de prometio por gramo de neodimio. [24] Sin embargo, estas observaciones fueron refutadas por investigaciones más recientes, porque para los siete isótopos de neodimio naturales, cualquier desintegración beta simple (que puede producir isótopos de prometio) está prohibida por la conservación de la energía. [25] En particular, mediciones cuidadosas de las masas atómicas muestran que la diferencia de masa entre 150 Nd y 150 Pm es negativa (−87 keV), lo que impide absolutamente la desintegración beta simple de 150 Nd a 150 Pm. [26]
En 1965, Olavi Erämetsä separó trazas de 147 Pm de un concentrado de tierras raras purificado a partir de apatita , lo que dio como resultado un límite superior de 10 −21 para la abundancia de prometio en la naturaleza; esto puede haber sido producido por la fisión nuclear natural del uranio o por espalación de rayos cósmicos de 146 Nd. [27]
Ambos isótopos del europio natural tienen excesos de masa mayores que las sumas de las de sus posibles hijas alfa más la de una partícula alfa; por lo tanto, pueden desintegrarse alfa (estables en la práctica) en prometio. [28] La investigación en los Laboratori Nazionali del Gran Sasso mostró que el europio-151 se desintegra en prometio-147 con una vida media de 5 × 1018 años. [28] Se ha demostrado que el europio es "responsable" de unos 12 gramos de prometio en la corteza terrestre. [28] Todavía no se han encontrado desintegraciones alfa para el europio-153, y su vida media calculada teóricamente es tan alta (debido a la baja energía de desintegración) que probablemente no se observará este proceso en el futuro cercano. [29]
El prometio también se puede formar en la naturaleza como producto de la fisión espontánea del uranio-238 . [24] Solo se pueden encontrar trazas en minerales naturales: se ha descubierto que una muestra de pechblenda contiene prometio en una concentración de cuatro partes por quintillón (4 × 10−18 ) en masa. [30] El uranio es, por tanto, "responsable" de 560 g de prometio en la corteza terrestre . [28]
El prometio también se ha identificado en el espectro de la estrella HR 465 en Andrómeda ; también se ha encontrado en HD 101065 ( estrella de Przybylski ) y HD 965. [31] Debido a la corta vida media de los isótopos de prometio, deberían formarse cerca de la superficie de esas estrellas. [21]
En 1902, el químico checo Bohuslav Brauner descubrió que las diferencias en las propiedades entre el neodimio y el samario eran las más grandes entre dos lantánidos consecutivos en la secuencia conocida entonces; como conclusión, sugirió que había un elemento con propiedades intermedias entre ellos. [32] Esta predicción fue apoyada en 1914 por Henry Moseley quien, habiendo descubierto que el número atómico era una propiedad de los elementos medible experimentalmente, encontró que algunos números atómicos no tenían elementos correspondientes conocidos: los huecos eran 43, 61, 72, 75, 85 y 87. [33] Con el conocimiento de un hueco en la tabla periódica, varios grupos comenzaron a buscar el elemento predicho entre otras tierras raras en el entorno natural. [34] [35] [36]
El primer descubrimiento fue publicado por Luigi Rolla y Lorenzo Fernandes de Florencia , Italia. Después de separar una mezcla de concentrado de nitrato de algunos elementos de tierras raras del mineral brasileño monacita por cristalización fraccionada, obtuvieron una solución que contenía principalmente samario. Esta solución dio espectros de rayos X atribuidos al samario y al elemento 61. En honor a su ciudad, llamaron al elemento 61 "florentium". Los resultados se publicaron en 1926, pero los científicos afirmaron que los experimentos se realizaron en 1924. [37] [38] [39] [40] [41] [42] También en 1926, un grupo de científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign , Smith Hopkins y Len Yntema publicaron el descubrimiento del elemento 61. Lo llamaron "illinium", en honor a la universidad. [43] [44] [45] Ambos descubrimientos reportados resultaron ser erróneos porque la línea del espectro que "correspondía" al elemento 61 era idéntica a la del didimio ; las líneas que se pensaba que pertenecían al elemento 61 resultaron pertenecer a unas pocas impurezas (bario, cromo y platino). [34]
En 1934, Josef Mattauch finalmente formuló la regla de los isóbaros . Una de las consecuencias indirectas de esta regla fue que el elemento 61 no podía formar isótopos estables. [34] [46] A partir de 1938, HB Law et al. realizaron un experimento nuclear en la Universidad Estatal de Ohio . En 1941 se produjeron nucleidos que no eran radioisótopos de neodimio o samario, y se propuso el nombre "ciclonio", pero no hubo pruebas químicas de que se produjera el elemento 61 y el descubrimiento no fue ampliamente reconocido. [47] [48]
El prometio fue producido y caracterizado por primera vez en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (Laboratorios Clinton en ese momento) en 1945 por Jacob A. Marinsky , Lawrence E. Glendenin y Charles D. Coryell mediante la separación y análisis de los productos de fisión del combustible de uranio irradiado en el reactor de grafito ; sin embargo, al estar demasiado ocupados con la investigación relacionada con lo militar durante la Segunda Guerra Mundial , no anunciaron su descubrimiento hasta 1947. [49] [50] El nombre propuesto originalmente era "clintonio", en honor al laboratorio donde se realizó el trabajo; sin embargo, el nombre "prometeo" fue sugerido por Grace Mary Coryell, la esposa de uno de los descubridores. [47] Se deriva de Prometeo , el titán de la mitología griega que robó el fuego del Monte Olimpo y lo trajo a los humanos [47] y simboliza "tanto la osadía como el posible mal uso del intelecto de la humanidad". [51] La ortografía se cambió luego a "prometio", ya que esto concordaba con la mayoría de los demás metales. [47]
En 1963, se utilizó fluoruro de prometio (III) para fabricar prometio metálico. Purificado provisionalmente de impurezas de samario, neodimio y americio, se colocó en un crisol de tantalio que estaba ubicado en otro crisol de tantalio; el crisol exterior contenía litio metálico (10 veces más en comparación con el prometio). [10] [16] Después de crear un vacío, los productos químicos se mezclaron para producir prometio metálico:
La muestra de prometio producida se utilizó para medir algunas de las propiedades del metal, como su punto de fusión . [16]
En 1963, se utilizaron métodos de intercambio iónico en ORNL para preparar alrededor de diez gramos de prometio a partir de desechos de procesamiento de combustible de reactores nucleares. [21] [52] [53]
El prometio se puede recuperar a partir de los subproductos de la fisión del uranio o producirse bombardeando 146 Nd con neutrones , convirtiéndolo en 147 Nd, que se desintegra en 147 Pm a través de la desintegración beta con una vida media de 11 días. [54]
Los métodos de producción de los diferentes isótopos varían, y solo se dan los del prometio-147 porque es el único isótopo con aplicaciones industriales. El prometio-147 se produce en grandes cantidades (en comparación con otros isótopos) bombardeando uranio-235 con neutrones térmicos. La producción es relativamente alta, un 2,6% del producto total. [55] Otra forma de producir prometio-147 es a través del neodimio-147, que se desintegra en prometio-147 con una vida media corta. El neodimio-147 se puede obtener bombardeando neodimio-146 enriquecido con neutrones térmicos [56] o bombardeando un objetivo de carburo de uranio con protones energéticos en un acelerador de partículas. [57] Otro método es bombardear uranio-238 con neutrones rápidos para provocar una fisión rápida , que, entre múltiples productos de reacción, crea prometio-147. [58]
Ya en la década de 1960, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge podía producir 650 gramos de prometio al año [59] y era la única instalación de síntesis de gran volumen del mundo. [60] La producción de prometio a escala de gramos se interrumpió en los EE. UU. a principios de la década de 1980, pero posiblemente se reanudará después de 2010 en el reactor de isótopos de alto flujo . [ necesita actualización ] En 2010, Rusia fue el único país que produjo prometio-147 a una escala relativamente grande. [56]
Sólo el prometio-147 tiene usos fuera de los laboratorios. [47] Se obtiene como óxido o cloruro, [61] en cantidades de miligramos. [47] Este isótopo tiene una vida media relativamente larga, no emite rayos gamma y su radiación tiene una profundidad de penetración relativamente pequeña en la materia. [61]
Algunas luces de señalización utilizan una pintura luminosa que contiene un fósforo que absorbe la radiación beta emitida por el prometio-147 y emite luz. [21] [47] Este isótopo no causa envejecimiento del fósforo, como lo hacen los emisores alfa, [61] y por lo tanto la emisión de luz es estable durante algunos años. [61] Originalmente, se utilizó radio -226 para este propósito, pero luego fue reemplazado por prometio-147 y tritio (hidrógeno-3). [62] El prometio puede ser favorecido sobre el tritio por razones de seguridad nuclear . [63]
En las baterías atómicas , las partículas beta emitidas por el prometio-147 se convierten en corriente eléctrica al intercalar una pequeña fuente de prometio entre dos placas semiconductoras. Estas baterías tienen una vida útil de unos cinco años. [11] [21] [47] La primera batería basada en prometio se montó en 1964 y generaba "unos pocos milivatios de potencia a partir de un volumen de unas 2 pulgadas cúbicas, incluido el blindaje". [64]
El prometio también se utiliza para medir el espesor de los materiales midiendo la cantidad de radiación de una fuente de prometio que pasa a través de la muestra. [21] [10] [65] Tiene posibles usos futuros en fuentes de rayos X portátiles y como fuentes auxiliares de calor o energía para sondas espaciales y satélites [66] (aunque el emisor alfa plutonio-238 se ha convertido en estándar para la mayoría de los usos relacionados con la exploración espacial). [67]
El prometio-147 también se utiliza, aunque en cantidades muy pequeñas (menos de 330 nCi), en algunos interruptores incandescentes de lámparas fluorescentes compactas (CFL) de Philips en la gama CFL PLC de 22 W/28 W y 15 mm. [68]
El elemento no tiene ninguna función biológica. El prometio-147 puede emitir rayos gamma, que son peligrosos para todas las formas de vida, durante su desintegración beta . [69] Las interacciones con pequeñas cantidades de prometio-147 no son peligrosas si se toman ciertas precauciones. [70] En general, se deben utilizar guantes, cubrecalzado, gafas de seguridad y una capa exterior de ropa protectora que se pueda quitar fácilmente. [71]
No se sabe qué órganos humanos se ven afectados por la interacción con el prometio; un posible candidato son los tejidos óseos . [71] El prometio-147 sellado no es peligroso. Sin embargo, si el embalaje está dañado, el prometio se vuelve peligroso para el medio ambiente y los seres humanos. Si se encuentra contaminación radiactiva , la zona contaminada debe lavarse con agua y jabón, pero, aunque el prometio afecta principalmente a la piel, no debe rasparse. Si se encuentra una fuga de prometio, la zona debe identificarse como peligrosa y evacuarse, y se debe contactar a los servicios de emergencia. No se conocen peligros del prometio aparte de la radiactividad. [71]
