La serie de los actínidos ( / ˈ æ k t ɪ n aɪ d / ) o actinoide ( / ˈ æ k t ɪ n ɔɪ d / ) abarca al menos los 14 elementos químicos metálicos de la serie 5f, con números atómicos del 89 al 102, desde el actinio hasta el nobelio . (El número 103, lawrencio , a veces también se incluye a pesar de ser parte de la serie de transición 6d). La serie de los actínidos deriva su nombre del primer elemento de la serie, el 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 -ido normalmente indica un ion negativo . Sin embargo, debido a su uso generalizado en la actualidad, todavía se permite el uso de actínido . Dado que actinoide significa literalmente similar al actinio (cf. humanoide o androide ), se ha argumentado por razones semánticas que el actinio no puede ser lógicamente un actinoide, pero la IUPAC reconoce su inclusión basándose en el uso común. [4]
El actinio al nobelio son elementos del bloque f , mientras que el lawrencio es 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 6d debido a la repulsión interelectrónica. En comparación con los lantánidos , también en su mayoría elementos del bloque f, los actínidos muestran una valencia mucho más variable . Todos tienen radios atómicos e iónicos muy grandes y exhiben una gama inusualmente grande 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, con neptunio , plutonio y americio ocupando una posición intermedia.
Todos los actínidos son radiactivos y liberan energía al desintegrarse; el uranio y el torio naturales y el plutonio producido sintéticamente son los actínidos más abundantes en la Tierra. 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 de forma natural 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 se muestran habitualmente 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 raramente utilizada inserta las series 4f y 5f en sus lugares apropiados, como partes de las filas sexta y séptima de la tabla (períodos).
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, hay dos grupos superpuestos: los elementos transuránicos , que siguen al uranio en la tabla periódica ; y los elementos transplutonios, 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, solo el torio y el uranio lo hacen en cantidades superiores a las trazas. Los actínidos más abundantes o fácilmente sintetizables son el uranio y el torio, seguidos del plutonio, el americio, el actinio, el protactinio, el neptunio y el 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, con el torio, el protactinio y el uranio correspondientes al hafnio , el tantalio y el tungsteno del sexto período , respectivamente. La síntesis de transuránicos socavó gradualmente este punto de vista. En 1944, una observación de que el curio no exhibía estados de oxidación superiores a 4 (mientras que su supuesto homólogo del sexto período, el platino , puede alcanzar el estado de oxidación de 6) impulsó a Glenn Seaborg a formular una " hipótesis de los actínidos ". Los estudios de los actínidos conocidos y los descubrimientos de otros elementos transuránicos proporcionaron más datos en apoyo de esta posición, pero la frase "hipótesis de los actínidos" (lo que implica que una "hipótesis" es algo que no ha sido probado de manera decisiva) siguió siendo utilizada activamente por los científicos hasta fines de la década de 1950. [14] [15]
En la actualidad, 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 solo la irradiación de neutrones utilizando reactores nucleares permite la producción de cantidades considerables de actínidos sintéticos; sin embargo, está limitada 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. [16]
Entre 1962 y 1966, en los Estados Unidos se intentó 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 másico mayor que 257, a pesar de las predicciones de que dichos isótopos tendrían vidas medias de desintegración α relativamente largas . Esta falta de 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 . Lo nombró en honor al planeta Urano , [8] que había sido descubierto ocho años antes. Klaproth fue capaz de 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 después, 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 en 120, pero en 1872 Dmitri Mendeleev 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 nombró torio en honor al dios nórdico del trueno y el relámpago, Thor . [23] [24] El mismo método de aislamiento fue utilizado más tarde por Péligot para el uranio. [8]
El actinio fue descubierto en 1899 por André-Louis Debierne , un asistente de Marie Curie , en los desechos de pechblenda que quedaron después de 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. Esta visión, en cambio, atribuye el mérito al 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 rayo. Este metal no fue descubierto por su propia radiación, sino por la radiación de sus productos derivados. [29] [30] Debido a la gran similitud entre el actinio y el lantano y a 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 fue posiblemente 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 cadena de desintegración del 238 U. Llamaron al nuevo elemento brevium (del latín brevis que significa breve); [34] [35] El nombre fue cambiado a protoactinio (del griego πρῶτος + ἀκτίς que significa "primer elemento de haz") en 1918 cuando dos grupos de científicos, liderados por los austriacos Lise Meitner y Otto Hahn de Alemania y Frederick Soddy y John Arnold Cranston de Gran Bretaña, descubrieron independientemente el 231 Pa , de vida mucho más larga . El nombre se acortó a protactinio en 1949. Este elemento fue poco caracterizado hasta 1960, cuando Alfred Maddock y sus colaboradores en el Reino Unido aislaron 130 gramos de protactinio de 60 toneladas de desechos que quedaron después de la extracción de uranio de su mineral. [36]
El neptunio (llamado así por el planeta Neptuno , el siguiente planeta después de Urano, de donde tomó su nombre el 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 importantes en la naturaleza y se sintetizan comúnmente mediante reacciones nucleares llevadas a cabo en reactores nucleares. Por ejemplo, bajo la 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 Hanford , que produjeron cantidades significativas de plutonio-239 para las armas nucleares del Proyecto Manhattan y el arsenal nuclear de posguerra de los Estados Unidos. [39]
Los actínidos con los números másicos más elevados 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 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. El último elemento recibió el nombre de Marie Curie y su esposo Pierre , quienes son famosos por descubrir el radio y por su trabajo en el campo de la radiactividad . [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 lantánido , el terbio , que recibió el nombre del pueblo de Ytterby en Suecia. [43]
En 1945, BB Cunningham obtuvo el primer compuesto químico a granel de un elemento transplutonio, concretamente el hidróxido de americio . [44] En el transcurso de unos pocos años, se acumularon cantidades de miligramos de americio y cantidades de microgramos de curio que permitieron la producción de isótopos de berkelio [45] [46] y californio. [47] [48] [49] Se produjeron cantidades considerables de estos elementos en 1958, [50] y el primer compuesto de californio (0,3 μg de CfOCl) fue obtenido en 1960 por BB Cunningham y JC Wallmann. [51]
El einstenio y el fermio fueron identificados entre 1952 y 1953 en la lluvia radiactiva 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 fue capaz de 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 llevado a cabo sobre esos 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 no se ha hecho aún con el fermio. [55]
El primer isótopo del mendelevio, 256 Md (vida media 87 min), fue sintetizado por Albert Ghiorso, Glenn T. Seaborg, Gregory Robert Choppin , Bernard G. Harvey y Stanley Gerald Thompson cuando bombardearon un objetivo de 253 Es con partículas alfa en el ciclotrón de 60 pulgadas del Laboratorio de Radiación de Berkeley ; este fue el primer isótopo de cualquier elemento en ser sintetizado 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 confiable fue la síntesis de 256 No por el grupo ruso de Georgy Flyorov en 1965, como lo reconoció la IUPAC en 1992. En sus experimentos, Flyorov et al. bombardearon uranio-238 con neón-22. [10]
En 1961, Ghiorso et al. obtuvieron el primer isótopo de lawrencio irradiando californio (principalmente californio-252 ) con iones de 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 a partir de 243 Am y 18 O. Por lo tanto, la IUPAC reconoció a los equipos de física nuclear de Dubna y Berkeley como los codescubridores del lawrencio.
Se conocen 33 isótopos de actinio y ocho estados isoméricos excitados de algunos de sus nucleidos , cuyo número de masa varía de 204 a 236. [57] Tres isótopos, 225 Ac , 227 Ac y 228 Ac , se encontraron en la naturaleza y los otros se produjeron en el laboratorio; solo los tres isótopos naturales se utilizan en aplicaciones. El actinio-225 es un miembro de la serie radiactiva del neptunio ; [60] se descubrió por primera vez en 1947 como un producto de 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 radiactiva del torio 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 varía entre 207 y 238. [57] De estos, el de vida más larga es el 232 Th, cuya vida media es de1,4 × 10 10 años significa que todavía existe en la naturaleza como un nucleido primordial . El siguiente con vida más larga es el 230 Th, un producto de desintegración intermedio del 238 U con una vida media de 75.400 años. Varios otros isótopos del torio tienen vidas medias superiores a un día; todos ellos también son transitorios en las cadenas de desintegración del 232 Th, el 235 U y el 238 U.
Se conocen 28 isótopos de protactinio con números de masa 212-239 [57] así como tres estados isoméricos excitados . Solo 231 Pa y 234 Pa se han encontrado en la naturaleza. 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. 233 Pa tiene una vida media conveniente y energía de radiación γ , y por lo tanto se utilizó en la mayoría de los estudios de la 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 másicos de 215 a 242 (excepto el 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 por neutrones de baja energía (térmicos), en comparación, por ejemplo, con el 235 U. La mayoría de los estudios de química del uranio se llevaron a cabo en el uranio-238 debido a su larga vida media de 4,4 × 109 años. [62]
Hay 25 isótopos de neptunio con números másicos 219-244 (excepto el 221); [58] todos ellos son altamente radiactivos. El más popular entre los científicos es el 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 de 228 a 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 másicos de 229 a 247 (con excepción del 231). [58] Los más importantes son el 241 Am y el 243 Am, que son emisores alfa y también emiten rayos gamma suaves pero intensos; ambos pueden obtenerse en forma isotópicamente pura. Las propiedades químicas del americio se estudiaron primero con el 241 Am, pero luego se pasó al 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 datos. [63]
Entre los 19 isótopos del curio , cuyo número másico varía de 233 a 251, [58] los más accesibles son el 242 Cm y el 244 Cm; son emisores α, pero con una vida media mucho más corta que los isótopos del americio. Estos isótopos casi no emiten radiación γ, pero experimentan fisión espontánea con la emisión asociada de neutrones. Los isótopos de curio de vida más larga ( 245–248 Cm, todos emisores α) se forman como una mezcla durante la irradiación neutrónica del plutonio o el americio. Tras una irradiación corta, esta mezcla está dominada por el 246 Cm, y luego el 248 Cm comienza a acumularse. 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 el 242 Cm y el 244 Cm, pero también tienen una tasa bastante alta de fisión espontánea. El 247 Cm tiene la vida útil más larga entre los isótopos del curio (1,56 × 107 años), pero no se forma en grandes cantidades debido a la fuerte fisión inducida por los neutrones térmicos.
Se han identificado diecisiete isótopos de berkelio con números másicos 233, 234, 236, 238 y 240-252. [58] Solo el 249 Bk está disponible 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 vida media larga de 1.380 años, pero es difícil de obtener en cantidades apreciables; no se forma mediante la irradiación neutrónica del plutonio porque no se conoce la desintegración β de los isótopos de curio con un número másico inferior a 248. [63] ( 247 Cm en realidad liberaría energía al desintegrarse β a 247 Bk, pero esto nunca se ha visto).
Los 20 isótopos del californio con números másicos 237–256 se forman en reactores nucleares; [58] el californio-253 es un emisor β y el resto son emisores α. Los isótopos con números másicos 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 neutrones, pero se puede acumular en la forma isotópicamente pura como el producto de desintegración β del 249 Bk (preseleccionado) . El californio producido por irradiación de plutonio en el reactor se compone principalmente de 250 Cf y 252 Cf, siendo este último el predominante para grandes fluencias de neutrones, y su estudio se ve obstaculizado por la fuerte radiación de neutrones. [64]
Entre los 18 isótopos conocidos del 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 pequeña tasa de fisión espontánea en comparación con los isótopos del californio. La irradiación prolongada con neutrones también produce un isótopo de larga vida, el 254 Es (t 1/2 = 275,5 días). [64]
Se conocen veinte isótopos de fermio con números másicos 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) puede 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 del mendelevio (números másicos de 244 a 260), [58] el más estudiado es el 256 Md, que se desintegra principalmente por captura de electrones (la radiación α es de aproximadamente el 10 %) con una vida media de 77 minutos. Otro emisor alfa, el 258 Md, tiene una vida media de 53 días. Ambos isótopos se producen a partir del raro einstenio ( 253 Es y 255 Es respectivamente), lo que limita su disponibilidad. [57]
Los isótopos de nobelio de larga duración 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, 259 No, tiene una vida media de aproximadamente 1 hora. [57] El lawrencio 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 que tienen una contribución medible 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 consta de 100% de 231 Pa; y el uranio natural consta de 0,0054(5)% de 234 U, 0,7204(6)% de 235 U y 99,2742(10)% de 238 U. [67]
La figura de la estructura de los 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 de masa del elemento y su vida media. [68] Los isótopos de actínidos que existen de forma natural (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 de larga duración ( 242 Am).
La formación de nucleidos actínidos se caracteriza principalmente por: [69]
Además de estas reacciones nucleares inducidas por neutrones o rayos gamma , la conversión radiactiva de los nucleidos actínidos también afecta al 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 que apunta hacia arriba a la izquierda, desempeña un papel importante para el equilibrio de las densidades de partículas de los nucleidos. Los nucleidos que se desintegran por emisión de positrones (desintegración beta-más) o captura de electrones (ϵ) no ocurren en un reactor nuclear excepto como productos de reacciones de knockout; sus desintegraciones están marcadas con flechas que apuntan hacia abajo a la derecha. Debido a las largas vidas medias de los nucleidos dados, la desintegración alfa casi no desempeña 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 d) y 236 Pu (T 1/2 = 2,9 y). Solo 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. Unos pocos isótopos actínidos de vida larga, como 244 Pu y 250 Cm, no pueden producirse en reactores porque la captura de neutrones no se produce con la suficiente rapidez como para evitar los nucleidos de vida corta con desintegración beta 243 Pu y 249 Cm; sin embargo, pueden generarse en explosiones nucleares, que tienen flujos de neutrones mucho más altos.
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, el 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 en la extracción 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 tienen una fracción significativa de lantánidos. Los depósitos ricos en minerales de torio se encuentran en los Estados Unidos (440.000 toneladas), Australia e India (~300.000 toneladas cada uno) y Canadá (~100.000 toneladas). [75]
La abundancia de actinio en la corteza terrestre es de sólo alrededor de 5 × 10−15 %. [61] El actinio está presente principalmente en 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 el mineral de uranio en 1913 por Fajans y Göhring. [34] Al igual que el actinio, la distribución del protactinio sigue la del 235 U. [61]
La vida media del isótopo de neptunio de vida más larga, el 237 Np , es insignificante en comparación con la edad de la Tierra. Por lo tanto, el neptunio está presente en la naturaleza en cantidades insignificantes, producido como productos intermedios de desintegración de otros isótopos. [38] Los primeros rastros de plutonio en minerales de uranio se encontraron en 1942, y los resultados más sistemáticos sobre el 239 Pu se resumen en la tabla (no se pudo detectar ningún otro isótopo de plutonio en esas muestras). El límite superior de abundancia del isótopo de plutonio de vida más larga, el 244 Pu, es 3 × 10-20 %. No se ha podido detectar plutonio en muestras de suelo lunar. Debido a su escasez en la naturaleza, la mayor parte del plutonio se produce de forma sintética. [74]
Debido a la baja abundancia de actínidos, su extracción es un proceso complejo de varios pasos. Los fluoruros de actínidos se utilizan habitualmente porque son insolubles en agua y se pueden separar fácilmente con 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 ( ThP2O7 ) se hace reaccionar con ácido nítrico y el nitrato de torio producido se trata con fosfato de tributilo . Las impurezas de tierras raras se separan aumentando el pH en la solución de sulfato. [76]
En otro método de extracción, la monacita se descompone con una solución acuosa de hidróxido de sodio al 45% 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 a 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 de los elementos de tierras raras . Un método eficiente 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 anhidro , cloruro o fluoruro al reaccionar con calcio en una atmósfera inerte: [78]
En ocasiones, el torio se extrae mediante la 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 con el proceso de la barra de cristal . [79]
El uranio se extrae de sus menas de varias maneras. En un método, la mena se quema y luego se hace reaccionar con ácido nítrico para convertir el uranio en un estado disuelto. Tratando la solución con una solución de fosfato de tributilo (TBP) en queroseno, el uranio se transforma en una forma orgánica UO 2 (NO 3 ) 2 (TBP) 2 . Las impurezas insolubles se filtran y el uranio se extrae por 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., estos minerales consumen mucho ácido. En este caso, se utiliza el método del carbonato para la extracción de uranio. 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 una baja corrosividad (en comparación con los nitratos) y que la mayoría de los metales no uraníicos precipitan de la solución. La desventaja es que los compuestos de uranio tetravalente también precipitan. Por lo 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 uranilo 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, lo que produce 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 transforma en tetrafluoruro de uranio , que produce uranio metálico al reaccionar con magnesio metálico: [78]
Para extraer el 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 fosfato de tributilo y luego se hacen reaccionar con hidracina lavando el plutonio recuperado. [76]
La principal dificultad para separar el actinio es la similitud de sus propiedades con las del lantano. Por ello, el actinio se sintetiza en reacciones nucleares a partir de isótopos del 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 están cercanas en energía, surgen muchas configuraciones irregulares; así, en los átomos en fase gaseosa, así como el primer electrón 4f solo 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 en utilizar la capa 4f en compuestos, [80] el actinio es el primer elemento en utilizar la capa 5f en compuestos. [81] Las capas f completan su llenado juntas, en el iterbio y el nobelio. [82] La primera evidencia experimental del llenado de la capa 5f en actínidos fue obtenida por McMillan y Abelson en 1940. [83] Al igual que en los lantánidos (ver contracción de los lantánidos ), el radio iónico de los actínidos disminuye monótonamente con el número atómico (ver también contracción de los actinoides ). [84]
El cambio de configuraciones electrónicas en la fase gaseosa no siempre coincide con el comportamiento químico. Por ejemplo, la prominencia similar a la de un metal de transición temprana del estado de oxidación más alto, que corresponde 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 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 los estados de oxidación más altos continúan existiendo, 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 para el nobelio, el último elemento 5f. [82] Los estados de oxidación vuelven a aumentar sólo después del nobelio, lo que muestra que ha comenzado una nueva serie de metales de transición 6d: el lawrencio muestra sólo el estado de oxidación +3, y el rutherfordio sólo el estado +4, lo que los convierte en congéneres del lutecio y el hafnio en la fila 5d. [82]
Los actínidos son metales típicos. Todos ellos son blandos y tienen un color plateado (pero se empañan en 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 estirar para formar 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, con la 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, el uranio, el neptunio y el 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 tiene una dependencia clara del número de electrones f . El punto de fusión inusualmente bajo del neptunio y el plutonio (~640 °C) se explica por la hibridación de 5 orbitales f y 6 d y la formación de enlaces direccionales en estos metales. [72]
Al igual que los lantánidos, todos los actínidos son altamente reactivos con halógenos y calcógenos ; sin embargo, los actínidos reaccionan más fácilmente. Los actínidos, especialmente aquellos con un pequeño número de electrones 5 f , son propensos a la hibridación . Esto se explica por la similitud de las energías de los electrones en las capas 5 f , 7 s y 6 d . La mayoría de los actínidos exhiben una mayor variedad de estados de valencia, y los más estables son +6 para el uranio, +5 para el protactinio y el neptunio, +4 para el torio y el plutonio y +3 para el 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, el Ac 3+ es el menos ácido, es decir, tiene la menor tendencia 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 tetravalentes de torio 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 tendencia débil 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 +5 es estable y el +4 se oxida fácilmente a protactinio(V). Por lo tanto, el protactinio tetravalente en soluciones se obtiene por la acción de agentes reductores fuertes 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 tántalo (V) y el niobio (V). El comportamiento químico complejo del protactinio es una consecuencia del inicio del llenado de la capa 5 f en este elemento. [61]
El uranio tiene una valencia de 3 a 6, siendo la 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 ", UO2+
2. Entre 4 y 6 ligandos pueden acomodarse 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) exhiben propiedades reductoras, por ejemplo, se oxidan fácilmente con el oxígeno atmosférico. 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 de 3 a 7, que pueden observarse simultáneamente en soluciones. El estado más estable en solución es +5, pero la valencia +4 es la preferida en compuestos sólidos de neptunio. El metal neptunio es muy reactivo. Los iones de neptunio son propensos a la hidrólisis y la formación de compuestos de coordinación . [38]
El plutonio también presenta estados de valencia entre 3 y 7 inclusive, y por lo tanto es químicamente similar al neptunio y al uranio. Es altamente reactivo y forma rápidamente una película de óxido en el aire. El plutonio reacciona con hidrógeno incluso a temperaturas tan bajas como 25–50 °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 una valencia entre 2 y 6. El americio divalente se obtiene solo en compuestos secos y soluciones no acuosas ( acetonitrilo ). Los estados de oxidación +3, +5 y +6 son típicos para 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 puede oxidarse al estado heptavalente, pero estos datos resultaron erróneos. La valencia más estable del americio es 3 en solución acuosa y 3 o 4 en compuestos sólidos. [97]
La valencia 3 es dominante en todos los elementos posteriores hasta el lawrencio (con la excepción del nobelio). 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 el fluoruro y el dióxido sólidos . La estabilidad de Bk 4+ en solución acuosa es cercana a la de Ce 4+ . [98] Solo 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. El lawrencio muestra valencia 3 tanto en soluciones como en sólidos. [97]
El potencial redox aumenta de −0,32 V en el uranio, pasando por 0,34 V (Np) y 1,04 V (Pu) hasta 1,34 V en el americio, lo que revela la creciente capacidad de reducción del ion An 4+ del americio al uranio. Todos los actínidos forman hidruros AnH 3 de color negro con propiedades similares a las de la sal. Los actínidos también producen carburos con la fórmula general 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 An2O3 , AnO2 , An2O5 y AnO3 . Para todos los actínidos, los óxidos AnO3 son anfóteros y An2O3 , AnO2 y An2O5 son básicos , reaccionan fácilmente con el agua, formando bases : [ 93 ]
Estas bases son poco solubles en agua y por su actividad están cerca de los hidróxidos de los metales de tierras raras. [93] Np(OH) 3 aún no ha sido sintetizado, Pu(OH)3 tiene un color azul mientras que Am(OH) 3 es rosa y 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 el 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 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] La adición de 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; el calentamiento por encima de los 600 °C produce una forma de ThO 2 muy resistente a los ácidos y otros reactivos . La pequeña adición de iones de 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 es similar en sus propiedades 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: An2O3 y AnO2 . El trióxido de neptunio es inestable, por lo que hasta ahora sólo se ha podido obtener Np3O8 . Sin embargo, los óxidos de plutonio y neptunio con la fórmula química AnO2 y An2O3 están bien caracterizados . [93]
Los actínidos reaccionan fácilmente con 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 los elementos de 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 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 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 en la sal está en estado de baja valencia:
Sin embargo, en estas reacciones el hidrógeno regenerante puede reaccionar con el metal, formando el hidruro correspondiente. El uranio reacciona con los ácidos y el agua mucho más fácilmente que el torio. [93]
Las sales de actínidos también se pueden obtener disolviendo los hidróxidos correspondientes en ácidos. Los nitratos, cloruros, sulfatos y percloratos de actínidos son solubles en agua. Al cristalizar a partir de soluciones acuosas, estas sales forman hidratos, como Th(NO 3 ) 4 ·6H 2 O , Th(SO4) 2 ·9H2O y Pu2(SO4) 3 ·7H2O. Las sales de actínidos de alta valencia se hidrolizan fácilmente. Así, el sulfato, cloruro, perclorato y nitrato de torio incoloros se transforman en sales básicas con fórmulas Th(OH) 2 SO 4 y Th(OH) 3 NO 3 . La solubilidad e insolubilidad de los actínidos trivalentes y tetravalentes es como la de las sales de lantánidos. Así, los fosfatos , fluoruros , oxalatos , yodatos y carbonatos de actínidos son débilmente solubles en agua; Precipitan como hidratos, como ThF 4 ·3H 2 O y Th(CrO4)2·3H2O. [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 de los tipos 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 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 An2Th ( NO3 ) 6 · nH2O son de naturaleza coordinada, siendo el número de coordinación del torio igual a 12. Es aún más fácil 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 enorme energía en reacciones nucleares, que bajo ciertas condiciones pueden convertirse en reacciones en cadena autosostenidas .
El isótopo más importante para aplicaciones de energía nuclear es el uranio-235 . Se utiliza en el reactor térmico y su concentración en el 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. Es importante que235
92tú
emite más neutrones de los que absorbe; [112] al alcanzar la masa crítica ,235
92tú
entra en una reacción en cadena autosostenida. [72] Normalmente, el núcleo de uranio se divide en dos fragmentos con la liberación de 2-3 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 los actínidos más pesados. El uranio-239 se convierte mediante la desintegración beta en plutonio-239, que, al igual que 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 para los mantos de gas. [78] El torio también se añade a aleaciones multicomponentes de magnesio y zinc . Las aleaciones de Mg-Th son ligeras y resistentes, pero también tienen un alto punto de fusión y ductilidad y, por lo tanto, 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 baja barrera de potencial 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 (véase la datación radiométrica ). [115]
La principal aplicación del plutonio ha sido en armas nucleares , donde el isótopo plutonio-239 fue 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 del tipo " Fat Man " producidas durante el Proyecto Manhattan utilizaron la compresión explosiva del plutonio para obtener densidades significativamente más altas que las normales, combinadas con una fuente central de neutrones para comenzar la reacción y aumentar la eficiencia. Por lo tanto, solo se necesitaron 6,2 kg de plutonio para un rendimiento explosivo equivalente a 20 kilotones de TNT . [117] (Véase también Diseño de armas nucleares ). Hipotéticamente, se podrían utilizar tan solo 4 kg de plutonio (y tal vez incluso menos) para fabricar una sola bomba atómica utilizando diseños de ensamblaje muy sofisticados. [118]
El plutonio-238 es un isótopo potencialmente más eficiente para los 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 reacción en cadena de fisión se detiene mediante barras de control. Su aplicación está limitada por su alto precio (alrededor de 1000 dólares estadounidenses/g). Este isótopo se ha utilizado en termopilas y sistemas de destilación de agua de algunos satélites y estaciones espaciales. 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 está acompañada de rayos gamma . Por lo tanto, este isótopo (~160 mg) se utiliza como fuente de energía en marcapasos cardíacos, 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 significativas de compuestos térmicamente estables son 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 se pueden detectar fácilmente. Las mezclas de 228 Ac y 228 Ra se utilizan ampliamente como fuente intensa de rayos gamma en la industria y la medicina. [30]
El desarrollo de materiales dopados con actínidos autoluminiscentes con matrices cristalinas duraderas es una nueva área de utilización de actínidos, ya que la adición de radionucleidos emisores de luz alfa a algunos vidrios y cristales puede conferir luminiscencia. [121]
Las sustancias radiactivas pueden dañar la salud humana a través de (i) contaminación cutánea local, (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 de acumularse y permanecer en la capa superficial de los esqueletos . En la etapa inicial del envenenamiento, el actinio se acumula en el hígado . Otro peligro del actinio es que sufre una desintegración radiactiva más rápido de lo que se excreta. La adsorción del 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 como aerosol , es de 2,5 × 108 veces más tóxico que el ácido cianhídrico . [61] [ página necesaria ]
El plutonio, cuando entra 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 solo un 10% aproximadamente va a otros órganos, y permanece allí durante décadas. El largo tiempo de residencia del plutonio en el cuerpo se explica en parte por su poca solubilidad en agua. Algunos isótopos del plutonio emiten radiación ionizante α, que daña las células circundantes. La dosis letal media (LD50 ) durante 30 días en perros después de una inyección intravenosa de plutonio es de 0,32 miligramos por kg de masa corporal, y por lo tanto la dosis letal para humanos es de aproximadamente 22 mg para una persona que pesa 70 kg; la cantidad por exposición respiratoria debería ser aproximadamente cuatro veces mayor. Otra estimación supone que el plutonio es 50 veces menos tóxico que el radio , y por lo tanto el contenido permisible de plutonio en el cuerpo debería ser de 5 μg o 0,3 μCi. Dicha cantidad es casi invisible al microscopio. Después de los ensayos en animales, esta dosis máxima permisible se redujo a 0,65 μg o 0,04 μCi. Los estudios en animales también revelaron que la vía de exposición más peligrosa al plutonio es la inhalación, tras la cual el 5-25% de las sustancias inhaladas se retienen en el cuerpo. Dependiendo del tamaño de las partículas y 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 los huesos. La contaminación a través de los alimentos es la forma menos probable. En este caso, solo alrededor del 0,05% de los compuestos solubles y el 0,01% de los 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 autoluminiscentes 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 un desafío para 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)
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![{\displaystyle {\ce {Th{}+O2->[{\ce {1000^{\circ }C}}]\overbrace {ThO2} ^{Dióxido de torio}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/13e4a27b9ed3d03fc5420ed4a04020bf77562406)
{{cite book}}: |journal= ignored (help)Many actinide metals, hydrides, carbides, alloys and other compounds may ignite at room temperature in a finely divided state.
