El americio es un elemento químico sintético ; su símbolo es Am y su número atómico es 95. Es radiactivo y un miembro transuránico de la serie de los actínidos en la tabla periódica , ubicado debajo del elemento lantánido europio y, por lo tanto, recibió su nombre de América por analogía. [4] [5] [6]
El americio fue producido por primera vez en 1944 por el grupo de Glenn T. Seaborg de Berkeley, California , en el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago , como parte del Proyecto Manhattan . Aunque es el tercer elemento de la serie transuránica, fue descubierto en cuarto lugar, después del curio, más pesado . El descubrimiento se mantuvo en secreto y solo se hizo público en noviembre de 1945. La mayor parte del americio se produce mediante el bombardeo de neutrones de uranio o plutonio en reactores nucleares : una tonelada de combustible nuclear gastado contiene unos 100 gramos de americio. Se utiliza ampliamente en detectores de humo de cámaras de ionización comerciales , así como en fuentes de neutrones y medidores industriales. Se han propuesto varias aplicaciones inusuales, como baterías nucleares o combustible para naves espaciales con propulsión nuclear, para el isótopo 242m Am, pero hasta ahora se ven obstaculizadas por la escasez y el alto precio de este isómero nuclear .
El americio es un metal radiactivo relativamente blando de aspecto plateado. Sus isótopos más comunes son el 241 Am y el 243 Am. En los compuestos químicos, el americio suele adoptar el estado de oxidación +3, especialmente en soluciones. Se conocen otros estados de oxidación, que van de +2 a +7, y pueden identificarse por sus espectros de absorción óptica característicos . Las redes cristalinas del americio sólido y sus compuestos contienen pequeños defectos radiogénicos intrínsecos, debido a la metamictización inducida por la autoirradiación con partículas alfa, que se acumula con el tiempo; esto puede provocar una deriva de algunas propiedades del material a lo largo del tiempo, más notoria en muestras más antiguas.
Aunque es probable que el americio se haya producido en experimentos nucleares anteriores, fue sintetizado, aislado e identificado intencionalmente por primera vez a fines del otoño de 1944, en la Universidad de California, Berkeley , por Glenn T. Seaborg , Leon O. Morgan, Ralph A. James y Albert Ghiorso . Utilizaron un ciclotrón de 60 pulgadas en la Universidad de California, Berkeley. [7] El elemento fue identificado químicamente en el Laboratorio Metalúrgico (ahora Laboratorio Nacional Argonne ) de la Universidad de Chicago . Después del neptunio , más ligero , el plutonio y el curio , más pesado , el americio fue el cuarto elemento transuránico en ser descubierto. En ese momento, Seaborg había reestructurado la tabla periódica a su diseño actual, que contiene la fila de actínidos debajo de la de lantánidos . Esto llevó a que el americio se ubicara justo debajo de su elemento gemelo lantánido, el europio; Por analogía, se le dio el nombre de América : "El nombre americio (en honor a América) y el símbolo Am se sugieren para el elemento sobre la base de su posición como sexto miembro de la serie de tierras raras de los actínidos, análogo al europio, Eu, de la serie de los lantánidos". [8] [9] [10]
El nuevo elemento se aisló de sus óxidos en un proceso complejo de varios pasos. Primero se recubrió una lámina de platino de aproximadamente 0,5 cm2 de área con una solución de nitrato de plutonio -239 ( 239 PuNO 3 ) , se evaporó la solución y el residuo se convirtió en dióxido de plutonio (PuO 2 ) mediante calcinación . Después de la irradiación con ciclotrón, el recubrimiento se disolvió con ácido nítrico y luego se precipitó como hidróxido utilizando una solución acuosa concentrada de amoníaco . El residuo se disolvió en ácido perclórico . Se realizó una separación adicional por intercambio iónico , produciendo un cierto isótopo de curio. La separación del curio y el americio fue tan minuciosa que inicialmente el grupo de Berkeley denominó a esos elementos como pandemonium [11] (del griego para todos los demonios o infierno ) y delirium (del latín para locura ). [12] [13]
Los experimentos iniciales dieron como resultado cuatro isótopos de americio: 241 Am, 242 Am, 239 Am y 238 Am. El americio-241 se obtuvo directamente del plutonio mediante la absorción de dos neutrones. Se desintegra mediante la emisión de una partícula α en 237 Np; la vida media de esta desintegración se determinó por primera vez como510 ± 20 años pero luego corregido a 432,2 años. [14]
El segundo isótopo, el 242 Am, se produjo mediante el bombardeo neutrónico del 241 Am ya creado. Tras una rápida desintegración β , el 242 Am se convierte en el isótopo de curio 242 Cm (que ya se había descubierto anteriormente). La vida media de esta desintegración se determinó inicialmente en 17 horas, lo que se acercaba al valor aceptado actualmente de 16,02 h. [14]
El descubrimiento del americio y el curio en 1944 estuvo estrechamente relacionado con el Proyecto Manhattan ; los resultados fueron confidenciales y desclasificados solo en 1945. Seaborg filtró la síntesis de los elementos 95 y 96 en el programa de radio estadounidense para niños Quiz Kids cinco días antes de la presentación oficial en una reunión de la American Chemical Society el 11 de noviembre de 1945, cuando uno de los oyentes preguntó si se había descubierto algún nuevo elemento transuránico además del plutonio y el neptunio durante la guerra. [12] Después del descubrimiento de los isótopos de americio 241 Am y 242 Am, su producción y compuestos fueron patentados enumerando solo a Seaborg como el inventor. [15] Las muestras iniciales de americio pesaban unos pocos microgramos; eran apenas visibles y se identificaron por su radiactividad. Las primeras cantidades sustanciales de americio metálico con un peso de 40 a 200 microgramos no se prepararon hasta 1951 mediante la reducción del fluoruro de americio (III) con bario metálico en alto vacío a 1100 °C. [16]
Los isótopos de americio más longevos y más comunes, el 241 Am y el 243 Am, tienen vidas medias de 432,2 y 7.370 años, respectivamente. Por lo tanto, cualquier americio primordial (americio que estaba presente en la Tierra durante su formación) ya debería haberse desintegrado. Es probable que existan trazas de americio de forma natural en los minerales de uranio como resultado de la captura de neutrones y la desintegración beta ( 238 U → 239 Pu → 240 Pu → 241 Am), aunque las cantidades serían minúsculas y esto no ha sido confirmado. [17] [18] [19] El 247 Cm extraterrestre de larga vida también está probablemente depositado en la Tierra y tiene 243 Am como uno de sus productos de desintegración intermedios, pero nuevamente esto no ha sido confirmado. [19]
El americio existente se concentra en las áreas utilizadas para las pruebas de armas nucleares atmosféricas realizadas entre 1945 y 1980, así como en los sitios de incidentes nucleares, como el desastre de Chernóbil . Por ejemplo, el análisis de los escombros en el sitio de pruebas de la primera bomba de hidrógeno estadounidense , Ivy Mike , (1 de noviembre de 1952, atolón Enewetak ), reveló altas concentraciones de varios actínidos, incluido el americio; pero debido al secreto militar, este resultado no se publicó hasta más tarde, en 1956. [20] La trinitita , el residuo vítreo que quedó en el suelo del desierto cerca de Alamogordo, Nuevo México , después de la prueba de la bomba nuclear basada en plutonio Trinity el 16 de julio de 1945, contiene trazas de americio-241. También se detectaron niveles elevados de americio en el lugar del accidente de un avión bombardero estadounidense Boeing B-52 , que transportaba cuatro bombas de hidrógeno, en 1968 en Groenlandia . [21]
En otras regiones, la radiactividad media del suelo superficial debida al americio residual es de tan solo unos 0,01 picocurios por gramo (0,37 mBq /g). Los compuestos atmosféricos de americio son poco solubles en disolventes comunes y se adhieren principalmente a las partículas del suelo. El análisis del suelo reveló una concentración de americio unas 1.900 veces mayor en el interior de las partículas de suelo arenoso que en el agua presente en los poros del suelo; se midió una proporción incluso mayor en los suelos francos . [22]
El americio se produce principalmente de forma artificial en pequeñas cantidades, con fines de investigación. Una tonelada de combustible nuclear gastado contiene unos 100 gramos de varios isótopos de americio, principalmente 241 Am y 243 Am. [23] Su radiactividad prolongada es indeseable para la eliminación y, por lo tanto, el americio, junto con otros actínidos de larga vida, debe neutralizarse. El procedimiento asociado puede implicar varios pasos, donde primero se separa el americio y luego se convierte mediante bombardeo de neutrones en reactores especiales en nucleidos de vida corta. Este procedimiento es bien conocido como transmutación nuclear , pero aún se está desarrollando para el americio. [24] [25] Los elementos transuránicos del americio al fermio se produjeron de forma natural en el reactor de fisión nuclear natural de Oklo , pero ya no lo hacen. [26]
El americio es también uno de los elementos que teóricamente se han detectado en la estrella de Przybylski . [27]
El americio se produce en pequeñas cantidades en reactores nucleares desde hace décadas, y ya se han acumulado kilogramos de sus isótopos 241 Am y 243 Am. [28] Sin embargo, desde que se puso a la venta por primera vez en 1962, su precio, alrededor de 1.500 dólares estadounidenses por gramo (43.000 dólares estadounidenses/oz) de 241 Am, permanece casi sin cambios debido al procedimiento de separación muy complejo. [29] El isótopo más pesado 243 Am se produce en cantidades mucho menores; por lo tanto, es más difícil de separar, lo que resulta en un costo más alto del orden de 100.000–160.000 dólares estadounidenses por gramo (2.800.000–4.500.000 dólares estadounidenses/oz). [30] [31]
El americio no se sintetiza directamente a partir del uranio (el material más común en los reactores), sino a partir del isótopo de plutonio 239 Pu. Este último debe producirse primero, según el siguiente proceso nuclear:
La captura de dos neutrones por 239 Pu (una reacción denominada (n,γ)), seguida de una desintegración β, da como resultado 241 Am:
El plutonio presente en el combustible nuclear gastado contiene aproximadamente un 12% de 241 Pu. Debido a que sufre una desintegración beta en 241 Am, se puede extraer 241 Pu y utilizarlo para generar más 241 Am. [29] Sin embargo, este proceso es bastante lento: la mitad de la cantidad original de 241 Pu se desintegra en 241 Am después de unos 15 años, y la cantidad de 241 Am alcanza un máximo después de 70 años. [32]
El 241 Am obtenido se puede utilizar para generar isótopos de americio más pesados mediante la captura de neutrones dentro de un reactor nuclear. En un reactor de agua ligera (LWR), el 79% del 241 Am se convierte en 242 Am y el 10% en su isómero nuclear 242m Am: [nota 1] [33]
El americio-242 tiene una vida media de sólo 16 horas, lo que hace que su conversión posterior a 243 Am sea extremadamente ineficiente. Este último isótopo se produce en cambio en un proceso en el que el 239 Pu captura cuatro neutrones bajo un alto flujo de neutrones :
La mayoría de las rutinas de síntesis producen una mezcla de diferentes isótopos de actínidos en formas de óxido, de la que se pueden separar los isótopos de americio. En un procedimiento típico, el combustible del reactor gastado (por ejemplo, combustible MOX ) se disuelve en ácido nítrico y la mayor parte del uranio y el plutonio se elimina utilizando una extracción de tipo PUREX ( extracción de uranio - UR ) con fosfato de tributilo en un hidrocarburo . Los lantánidos y los actínidos restantes se separan luego del residuo acuoso ( refinado ) mediante una extracción basada en diamida , para dar, después de la separación, una mezcla de actínidos y lantánidos trivalentes. Luego, los compuestos de americio se extraen selectivamente utilizando técnicas de centrifugación y cromatografía de varios pasos [34] con un reactivo apropiado. Se ha realizado una gran cantidad de trabajo sobre la extracción de americio con disolventes . Por ejemplo, un proyecto financiado por la UE en 2003 con el nombre en código "EUROPART" estudió las triazinas y otros compuestos como posibles agentes de extracción. [35] [36] [37] [38] [39] En 2009 se propuso un complejo de bis -triazinil bipiridina , ya que dicho reactivo es altamente selectivo para el americio (y el curio). [40] La separación del americio del curio, que es muy similar, se puede lograr tratando una suspensión de sus hidróxidos en bicarbonato de sodio acuoso con ozono , a temperaturas elevadas. Tanto Am como Cm están presentes principalmente en soluciones en el estado de valencia +3; mientras que el curio permanece inalterado, el americio se oxida a complejos solubles de Am(IV) que se pueden lavar. [41]
El americio metálico se obtiene por reducción a partir de sus compuestos. El fluoruro de americio (III) fue el primero en emplearse para este fin. La reacción se llevó a cabo utilizando bario elemental como agente reductor en un entorno libre de agua y oxígeno dentro de un aparato hecho de tantalio y tungsteno . [16] [42] [43]
Una alternativa es la reducción del dióxido de americio con lantano metálico o torio : [43] [44]
En la tabla periódica , el americio se ubica a la derecha del plutonio, a la izquierda del curio y debajo del lantánido europio , con el que comparte muchas propiedades físicas y químicas. El americio es un elemento altamente radiactivo. Cuando está recién preparado, tiene un brillo metálico blanco plateado, pero luego se empaña lentamente en el aire. Con una densidad de 12 g/cm 3 , el americio es menos denso que el curio (13,52 g/cm 3 ) y el plutonio (19,8 g/cm 3 ); pero tiene una densidad más alta que el europio (5,264 g/cm 3 ), principalmente debido a su mayor masa atómica. El americio es relativamente blando y fácilmente deformable y tiene un módulo volumétrico significativamente más bajo que los actínidos anteriores: Th, Pa, U, Np y Pu. [45] Su punto de fusión de 1173 °C es significativamente más alto que el del plutonio (639 °C) y el europio (826 °C), pero más bajo que el del curio (1340 °C). [44] [46]
En condiciones ambientales, el americio está presente en su forma α más estable, que tiene una simetría cristalina hexagonal y un grupo espacial P6 3 /mmc con parámetros de celda a = 346,8 pm y c = 1124 pm, y cuatro átomos por celda unitaria . El cristal consta de un empaquetamiento cerrado doblemente hexagonal con la secuencia de capas ABAC y, por lo tanto, es isotípico con el α-lantano y varios actínidos como el α-curio. [42] [46] La estructura cristalina del americio cambia con la presión y la temperatura. Cuando se comprime a temperatura ambiente a 5 GPa, el α-Am se transforma en la modificación β, que tiene una simetría cúbica centrada en las caras ( fcc ), un grupo espacial Fm 3 m y una constante reticular a = 489 pm. Esta estructura fcc es equivalente al empaquetamiento más cercano con la secuencia ABC. [42] [46] Tras una mayor compresión a 23 GPa, el americio se transforma en una estructura γ-Am ortorrómbica similar a la del α-uranio. No se observan más transiciones hasta 52 GPa, excepto por la aparición de una fase monoclínica a presiones entre 10 y 15 GPa. [45] No hay consistencia sobre el estado de esta fase en la literatura, que también a veces enumera las fases α, β y γ como I, II y III. La transición β-γ está acompañada por una disminución del 6% en el volumen del cristal; aunque la teoría también predice un cambio de volumen significativo para la transición α-β, no se observa experimentalmente. La presión de la transición α-β disminuye con el aumento de la temperatura y, cuando el α-americio se calienta a presión ambiente, a 770 °C cambia a una fase fcc que es diferente de β-Am, y a 1075 °C se convierte en una estructura cúbica centrada en el cuerpo . El diagrama de fases de presión-temperatura del americio es, por lo tanto, bastante similar a los del lantano, el praseodimio y el neodimio . [47]
Al igual que con muchos otros actínidos, el daño autoinfligido a la estructura cristalina debido a la irradiación de partículas alfa es intrínseco al americio. Es especialmente notable a bajas temperaturas, donde la movilidad de los defectos estructurales producidos es relativamente baja, por el ensanchamiento de los picos de difracción de rayos X. Este efecto hace que la temperatura del americio y algunas de sus propiedades, como la resistividad eléctrica, sean algo inciertas . [48] Así, para el americio-241, la resistividad a 4,2 K aumenta con el tiempo desde aproximadamente 2 μOhm·cm hasta 10 μOhm·cm después de 40 horas, y se satura a aproximadamente 16 μOhm·cm después de 140 horas. Este efecto es menos pronunciado a temperatura ambiente, debido a la aniquilación de los defectos de radiación; también el calentamiento a temperatura ambiente de la muestra que se mantuvo durante horas a bajas temperaturas restaura su resistividad. En muestras frescas, la resistividad aumenta gradualmente con la temperatura desde aproximadamente 2 μOhm·cm en helio líquido hasta 69 μOhm·cm a temperatura ambiente; este comportamiento es similar al del neptunio, uranio, torio y protactinio , pero es diferente del plutonio y el curio, que muestran un aumento rápido hasta 60 K seguido de saturación. El valor a temperatura ambiente para el americio es menor que el del neptunio, plutonio y curio, pero mayor que el del uranio, torio y protactinio. [1]
El americio es paramagnético en un amplio rango de temperaturas, desde la del helio líquido hasta la temperatura ambiente y superior. Este comportamiento es marcadamente diferente al de su vecino, el curio, que exhibe una transición antiferromagnética a 52 K. [49] El coeficiente de expansión térmica del americio es ligeramente anisotrópico y asciende a(7,5 ± 0,2) × 10 −6 /°C a lo largo del eje a más corto y(6,2 ± 0,4) × 10 −6 /°C para el eje hexagonal c más largo . [46] La entalpía de disolución del metal americio en ácido clorhídrico en condiciones estándar es−620,6 ± 1,3 kJ/mol , de donde el cambio de entalpía estándar de formación (Δ f H °) del ion Am 3+ acuoso es−621,2 ± 2,0 kJ/mol . El potencial estándar Am 3+ /Am 0 es−2,08 ± 0,01 V. [ 50]
El metal americio reacciona fácilmente con el oxígeno y se disuelve en ácidos acuosos. El estado de oxidación más estable para el americio es +3. [51] La química del americio (III) tiene muchas similitudes con la química de los compuestos lantánidos (III). Por ejemplo, el americio trivalente forma fluoruro , oxalato , yodato , hidróxido , fosfato y otras sales insolubles. [51] También se han estudiado compuestos de americio en estados de oxidación +2, +4, +5, +6 y +7. Este es el rango más amplio que se ha observado con elementos actínidos. El color de los compuestos de americio en solución acuosa es el siguiente: Am 3+ (amarillo-rojizo), Am 4+ (amarillo-rojizo), Am V O+2; (amarillo), Am VI O2+2(marrón) y Am VII O5−6(verde oscuro). [52] [53] Los espectros de absorción tienen picos agudos, debido a las transiciones f - f en las regiones visibles e infrarrojas cercanas. Típicamente, Am(III) tiene máximos de absorción a ca. 504 y 811 nm, Am(V) a ca. 514 y 715 nm, y Am(VI) a ca. 666 y 992 nm. [54] [55] [56] [57]
Los compuestos de americio con un estado de oxidación +4 y superior son agentes oxidantes fuertes, comparables en fuerza al ion permanganato ( MnO−4) en soluciones ácidas. [58] Mientras que los iones Am 4+ son inestables en soluciones y se convierten fácilmente en Am 3+ , compuestos como el dióxido de americio (AmO 2 ) y el fluoruro de americio (IV) (AmF 4 ) son estables en estado sólido.
El estado de oxidación pentavalente del americio se observó por primera vez en 1951. [59] En solución acuosa ácida, el AmO+2El ion es inestable con respecto a la desproporción . [60] [61] [62] La reacción
es típico. La química del Am(V) y del Am(VI) es comparable a la química del uranio en esos estados de oxidación. En particular, compuestos como Li 3 AmO 4 y Li 6 AmO 6 son comparables a los uranatos y al ion AmO2+2es comparable al ion uranilo , UO2+2Estos compuestos se pueden preparar por oxidación de Am(III) en ácido nítrico diluido con persulfato de amonio . [63] Otros agentes oxidantes que se han utilizado incluyen óxido de plata(I) , [57] ozono y persulfato de sodio . [56]
Se conocen tres óxidos de americio, con los estados de oxidación +2 (AmO), +3 (Am2O3 ) y +4 (AmO2 ) . El óxido de americio(II) se preparó en cantidades minúsculas y no se ha caracterizado en detalle. [64] El óxido de americio(III) es un sólido de color marrón rojizo con un punto de fusión de 2205 °C. [65] El óxido de americio(IV) es la forma principal de americio sólido que se utiliza en casi todas sus aplicaciones. Como la mayoría de los demás dióxidos de actínidos, es un sólido negro con una estructura cristalina cúbica ( fluorita ). [66]
El oxalato de americio (III), secado al vacío a temperatura ambiente, tiene la fórmula química Am 2 (C 2 O 4 ) 3 · 7H 2 O. Al calentarse al vacío, pierde agua a 240 °C y comienza a descomponerse en AmO 2 a 300 °C, la descomposición se completa a unos 470 °C. [51] El oxalato inicial se disuelve en ácido nítrico con una solubilidad máxima de 0,25 g/L. [67]
Los haluros de americio son conocidos por los estados de oxidación +2, +3 y +4, [68] donde el +3 es más estable, especialmente en soluciones. [69]
La reducción de compuestos de Am(III) con amalgama de sodio produce sales de Am(II): los haluros negros AmCl 2 , AmBr 2 y AmI 2 . Son muy sensibles al oxígeno y se oxidan en agua, liberando hidrógeno y volviendo al estado Am(III). Las constantes de red específicas son:
El fluoruro de americio (III) (AmF 3 ) es poco soluble y precipita tras la reacción de Am 3+ y los iones fluoruro en soluciones ácidas débiles:
El fluoruro de americio (IV) tetravalente (AmF 4 ) se obtiene mediante la reacción del fluoruro de americio (III) sólido con flúor molecular : [72] [73]
Otra forma conocida de fluoruro de americio tetravalente sólido es el KAmF 5 . [72] [74] También se ha observado americio tetravalente en la fase acuosa. Para este propósito, se disolvió Am(OH) 4 negro en NH 4 F 15- M con una concentración de americio de 0,01 M. La solución rojiza resultante tenía un espectro de absorción óptica característico que es similar al del AmF 4 pero que difiere de otros estados de oxidación del americio. Calentar la solución de Am(IV) a 90 °C no resultó en su desproporción o reducción, sin embargo se observó una reducción lenta a Am(III) y se asignó a la autoirradiación del americio por partículas alfa. [55]
La mayoría de los haluros de americio (III) forman cristales hexagonales con una ligera variación del color y la estructura exacta entre los halógenos. Así, el cloruro (AmCl 3 ) es rojizo y tiene una estructura isotípica al cloruro de uranio (III) (grupo espacial P6 3 /m) y el punto de fusión de 715 °C. [68] El fluoruro es isotípico a LaF 3 (grupo espacial P6 3 /mmc) y el yoduro a BiI 3 (grupo espacial R 3 ). El bromuro es una excepción con la estructura ortorrómbica de tipo PuBr 3 y el grupo espacial Cmcm. [69] Los cristales de cloruro de americio (III) hexahidratado (AmCl 3 ·6H 2 O) se pueden preparar disolviendo dióxido de americio en ácido clorhídrico y evaporando el líquido. Esos cristales son higroscópicos y tienen un color amarillo rojizo y una estructura cristalina monoclínica . [75]
Los oxihaluros de americio en la forma Am VI O 2 X 2 , Am V O 2 X, Am IV OX 2 y Am III OX se pueden obtener haciendo reaccionar el haluro de americio correspondiente con oxígeno o Sb 2 O 3 , y el AmOCl también se puede producir por hidrólisis en fase de vapor : [71]
Los calcogenuros conocidos de americio incluyen el sulfuro AmS 2 , [76] seleniuros AmSe 2 y Am 3 Se 4 , [76] [77] y telururos Am 2 Te 3 y AmTe 2 . [78] Los pnictidos de americio ( 243 Am ) del tipo AmX son conocidos por los elementos fósforo , arsénico , [79] antimonio y bismuto . Cristalizan en la red de sal de roca . [77]
El monosiliciuro de americio (AmSi) y el "disiliciuro" (nominalmente AmSi x con: 1,87 < x < 2,0) se obtuvieron por reducción de fluoruro de americio (III) con silicio elemental en vacío a 1050 °C (AmSi) y 1150−1200 °C (AmSi x ). AmSi es un sólido negro isomorfo con LaSi, tiene una simetría cristalina ortorrómbica. AmSi x tiene un lustre plateado brillante y una red cristalina tetragonal (grupo espacial I 4 1 /amd), es isomorfo con PuSi 2 y ThSi 2 . [80] Los boruros de americio incluyen AmB 4 y AmB 6 . El tetraboruro se puede obtener calentando un óxido o haluro de americio con diboruro de magnesio en vacío o atmósfera inerte. [81] [82]
De manera análoga al uranoceno , el americio forma el compuesto organometálico ameroceno con dos ligandos de ciclooctatetraeno , con la fórmula química (η 8 -C 8 H 8 ) 2 Am. [83] También se conoce un complejo de ciclopentadienilo que probablemente sea estequiométricamente AmCp 3 . [84] [85]
La formación de complejos del tipo Am(nC 3 H 7 -BTP) 3 , donde BTP representa 2,6-di(1,2,4-triazin-3-il)piridina, en soluciones que contienen iones nC 3 H 7 -BTP y Am 3+ ha sido confirmada por EXAFS . Algunos de estos complejos de tipo BTP interactúan selectivamente con el americio y, por lo tanto, son útiles en su separación selectiva de los lantánidos y otros actínidos. [86]
El americio es un elemento artificial de origen reciente, por lo que no tiene un requerimiento biológico . [87] [88] Es nocivo para la vida . Se ha propuesto utilizar bacterias para la eliminación de americio y otros metales pesados de ríos y arroyos. Así, las Enterobacteriaceae del género Citrobacter precipitan iones de americio de soluciones acuosas, uniéndolos en un complejo metal-fosfato en sus paredes celulares. [89] Se han publicado varios estudios sobre la biosorción y bioacumulación de americio por bacterias [90] [91] y hongos. [92]
El isótopo 242m Am (vida media de 141 años) tiene las secciones transversales más grandes para la absorción de neutrones térmicos (5700 barns ), [93] lo que resulta en una pequeña masa crítica para una reacción nuclear en cadena sostenida . La masa crítica para una esfera desnuda de 242m Am es de aproximadamente 9 a 14 kg (la incertidumbre resulta del conocimiento insuficiente de sus propiedades materiales). Se puede reducir a 3 a 5 kg con un reflector de metal y debería volverse aún más pequeña con un reflector de agua. [94] Una masa crítica tan pequeña es favorable para las armas nucleares portátiles , pero las basadas en 242m Am aún no se conocen, probablemente debido a su escasez y alto precio. Las masas críticas de los dos isótopos fácilmente disponibles, 241 Am y 243 Am, son relativamente altas: 57,6 a 75,6 kg para 241 Am y 209 kg para 243 Am. [95] La escasez y el alto precio dificultan aún más la aplicación del americio como combustible nuclear en reactores nucleares . [96]
Existen propuestas de reactores de alto flujo muy compactos de 10 kW que utilizan tan sólo 20 gramos de 242 mAm. Estos reactores de bajo consumo serían relativamente seguros para su uso como fuentes de neutrones para radioterapia en hospitales. [97]
Se conocen unos 18 isótopos y 11 isómeros nucleares del americio, con números másicos 229, 230 y 232 a 247. [3] Hay dos emisores alfa de larga vida: el 243 Am tiene una vida media de 7.370 años y es el isótopo más estable, y el 241 Am tiene una vida media de 432,2 años. El isómero nuclear más estable es el 242m1 Am; tiene una vida media larga de 141 años. Las vidas medias de otros isótopos e isómeros varían de 0,64 microsegundos para el 245m1 Am a 50,8 horas para el 240 Am. Como ocurre con la mayoría de los demás actínidos, los isótopos del americio con un número impar de neutrones tienen una tasa de fisión nuclear relativamente alta y una masa crítica baja. [14]
El americio-241 se desintegra en 237 Np emitiendo partículas alfa de cinco energías diferentes, principalmente 5,486 MeV (85,2%) y 5,443 MeV (12,8%). Debido a que muchos de los estados resultantes son metaestables, también emiten rayos gamma con energías discretas entre 26,3 y 158,5 keV. [98]
El americio-242 es un isótopo de vida corta con una vida media de 16,02 h. [14] Se convierte principalmente (82,7 %) por desintegración β en 242 Cm, pero también por captura de electrones en 242 Pu (17,3 %). Tanto el 242 Cm como el 242 Pu se transforman a través de casi la misma cadena de desintegración a través del 238 Pu hasta el 234 U.
Casi la totalidad (99,541%) del 242m1 Am se desintegra por conversión interna en 242 Am y el 0,459% restante por desintegración α en 238 Np. Este último se desintegra posteriormente en 238 Pu y luego en 234 U. [14]
El americio-243 se transforma por emisión α en 239 Np, que se convierte por desintegración β en 239 Pu, y el 239 Pu se transforma en 235 U al emitir una partícula α.
El americio se utiliza en el tipo más común de detector de humo doméstico , que utiliza 241 Am en forma de dióxido de americio como fuente de radiación ionizante . [99] Este isótopo se prefiere al 226 Ra porque emite 5 veces más partículas alfa y relativamente poca radiación gamma dañina.
La cantidad de americio en un detector de humo nuevo típico es de 1 microcurio (37 kBq ) o 0,29 microgramos . Esta cantidad disminuye lentamente a medida que el americio se desintegra en neptunio -237, un elemento transuránico diferente con una vida media mucho más larga (alrededor de 2,14 millones de años). Con su vida media de 432,2 años, el americio en un detector de humo incluye aproximadamente un 3% de neptunio después de 19 años y aproximadamente un 5% después de 32 años. La radiación pasa a través de una cámara de ionización , un espacio lleno de aire entre dos electrodos , y permite una corriente pequeña y constante entre los electrodos. Cualquier humo que ingresa a la cámara absorbe las partículas alfa, lo que reduce la ionización y afecta esta corriente, activando la alarma. En comparación con el detector de humo óptico alternativo, el detector de humo de ionización es más económico y puede detectar partículas que son demasiado pequeñas para producir una dispersión de luz significativa; sin embargo, es más propenso a falsas alarmas . [100] [101] [102] [103]
Como el 241 Am tiene una vida media aproximadamente similar a la del 238 Pu (432,2 años frente a 87 años), se ha propuesto como elemento activo de generadores termoeléctricos de radioisótopos , por ejemplo en naves espaciales. [104] Aunque el americio produce menos calor y electricidad (la producción de energía es de 114,7 mW/g para el 241 Am y de 6,31 mW/g para el 243 Am [1] (cf. 390 mW/g para el 238 Pu) [104] ) y su radiación supone una mayor amenaza para los humanos debido a la emisión de neutrones, la Agencia Espacial Europea está considerando utilizar americio para sus sondas espaciales. [105]
Otra aplicación espacial propuesta del americio es como combustible para naves espaciales con propulsión nuclear. Se basa en la altísima tasa de fisión nuclear del 242m Am, que se puede mantener incluso en una lámina de un micrómetro de espesor. El pequeño espesor evita el problema de la autoabsorción de la radiación emitida. Este problema es pertinente para las barras de uranio o plutonio, en las que sólo las capas superficiales proporcionan partículas alfa. [106] [107] Los productos de fisión del 242m Am pueden propulsar directamente la nave espacial o pueden calentar un gas de propulsión. También pueden transferir su energía a un fluido y generar electricidad a través de un generador magnetohidrodinámico . [108]
Otra propuesta que aprovecha la alta tasa de fisión nuclear del 242m Am es una batería nuclear. Su diseño no se basa en la energía emitida por las partículas alfa de americio, sino en su carga, es decir, el americio actúa como un "cátodo" autosuficiente. Una sola carga de 3,2 kg de 242m Am de dicha batería podría proporcionar unos 140 kW de energía durante un período de 80 días. [109] Incluso con todos los beneficios potenciales, las aplicaciones actuales del 242m Am todavía se ven obstaculizadas por la escasez y el alto precio de este isómero nuclear en particular . [108]
En 2019, investigadores del Laboratorio Nuclear Nacional del Reino Unido y de la Universidad de Leicester demostraron el uso del calor generado por el americio para iluminar una pequeña bombilla. Esta tecnología podría dar lugar a sistemas para alimentar misiones con una duración de hasta 400 años en el espacio interestelar , donde los paneles solares no funcionan. [110] [111]
El óxido de 241 Am comprimido con berilio es una fuente eficiente de neutrones . En este caso, el americio actúa como fuente alfa y el berilio produce neutrones debido a su gran sección transversal para la reacción nuclear (α,n):
El uso más extendido de las fuentes de neutrones 241 AmBe es como sonda de neutrones , un dispositivo utilizado para medir la cantidad de agua presente en el suelo, así como la humedad/densidad para el control de calidad en la construcción de carreteras. Las fuentes de neutrones 241 Am también se utilizan en aplicaciones de registro de pozos, así como en radiografía de neutrones , tomografía y otras investigaciones radioquímicas. [112]
El americio es un material de partida para la producción de otros elementos transuránicos y transactínidos ; por ejemplo, el 82,7 % del 242 Am se desintegra en 242 Cm y el 17,3 % en 242 Pu. En el reactor nuclear, el 242 Am también se convierte por captura de neutrones en 243 Am y 244 Am, que se transforma por desintegración β en 244 Cm:
La irradiación de 241 Am con iones de 12 C o 22 Ne produce los isótopos 247 Es ( einstenio ) o 260 Db ( dubnio ), respectivamente. [112] Además, el elemento berkelio ( isótopo 243 Bk) había sido producido e identificado intencionalmente por primera vez al bombardear 241 Am con partículas alfa, en 1949, por el mismo grupo de Berkeley, utilizando el mismo ciclotrón de 60 pulgadas. De manera similar, el nobelio se produjo en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear , Dubna , Rusia, en 1965 en varias reacciones, una de las cuales incluyó la irradiación de 243 Am con iones de 15 N. Además, una de las reacciones de síntesis para lawrencio , descubierta por científicos de Berkeley y Dubna, incluyó el bombardeo de 243 Am con 18 O. [10]
El americio-241 se ha utilizado como fuente portátil de rayos gamma y partículas alfa para diversos usos médicos e industriales. Las emisiones de rayos gamma de 59,5409 keV del 241 Am en dichas fuentes se pueden utilizar para el análisis indirecto de materiales en radiografía y espectroscopia de fluorescencia de rayos X , así como para el control de calidad en medidores de densidad nuclear fijos y densímetros nucleares . Por ejemplo, el elemento se ha empleado para medir el espesor del vidrio para ayudar a crear vidrio plano. [28] El americio-241 también es adecuado para la calibración de espectrómetros de rayos gamma en el rango de baja energía, ya que su espectro consta de casi un solo pico y un continuo Compton insignificante (al menos tres órdenes de magnitud de intensidad menor). [113] Los rayos gamma del americio-241 también se utilizaron para proporcionar un diagnóstico pasivo de la función tiroidea. Sin embargo, esta aplicación médica está obsoleta.
Como elemento altamente radiactivo, el americio y sus compuestos deben manipularse únicamente en un laboratorio apropiado y bajo condiciones especiales. Aunque la mayoría de los isótopos del americio emiten predominantemente partículas alfa que pueden bloquearse con capas delgadas de materiales comunes, muchos de los productos derivados emiten rayos gamma y neutrones que tienen una gran profundidad de penetración. [114]
Si se consume, la mayor parte del americio se excreta en unos pocos días, y sólo el 0,05% se absorbe en la sangre, del cual aproximadamente el 45% va al hígado y el 45% a los huesos, y el 10% restante se excreta. La absorción en el hígado depende del individuo y aumenta con la edad. En los huesos, el americio se deposita primero sobre las superficies corticales y trabeculares y se redistribuye lentamente sobre el hueso con el tiempo. La vida media biológica del 241 Am es de 50 años en los huesos y de 20 años en el hígado, mientras que en las gónadas (testículos y ovarios) permanece de forma permanente; en todos estos órganos, el americio promueve la formación de células cancerosas como resultado de su radiactividad. [22] [115] [116]
El americio suele llegar a los vertederos a partir de detectores de humo desechados. Las normas asociadas con la eliminación de detectores de humo son laxas en la mayoría de las jurisdicciones. En 1994, David Hahn, de 17 años, extrajo el americio de unos 100 detectores de humo en un intento de construir un reactor nuclear reproductor. [117] [118] [119] [120] Ha habido algunos casos de exposición al americio, el peor de los cuales fue el del técnico de operaciones químicas Harold McCluskey , quien a la edad de 64 años estuvo expuesto a 500 veces el estándar ocupacional para americio-241 como resultado de una explosión en su laboratorio. McCluskey murió a la edad de 75 años de una enfermedad preexistente no relacionada. [121] [122]
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