El torio es un elemento químico . Su símbolo es Th y su número atómico es 90. El torio es un metal plateado ligero y poco radiactivo que se deslustra de un color gris oliva cuando se expone al aire, formando dióxido de torio ; es moderadamente blando y maleable y tiene un punto de fusión alto . El torio es un actínido electropositivo cuya química está dominada por el estado de oxidación +4 ; es bastante reactivo y puede inflamarse en el aire cuando se divide finamente.
Todos los isótopos conocidos del torio son inestables. El isótopo más estable, el 232 Th , tiene una vida media de 14.050 millones de años, o aproximadamente la edad del universo ; se desintegra muy lentamente a través de la desintegración alfa , iniciando una cadena de desintegración llamada serie del torio que termina en el estable 208 Pb . En la Tierra, el torio y el uranio son los únicos elementos sin isótopos estables o casi estables que todavía se encuentran de forma natural en grandes cantidades como elementos primordiales . [a] Se estima que el torio es más de tres veces más abundante que el uranio en la corteza terrestre, y se refina principalmente a partir de arenas de monacita como subproducto de la extracción de metales de tierras raras .
El torio fue descubierto en 1828 por el mineralogista aficionado noruego Morten Thrane Esmark e identificado por el químico sueco Jöns Jacob Berzelius , quien lo bautizó en honor a Thor , el dios nórdico del trueno. Sus primeras aplicaciones se desarrollaron a finales del siglo XIX. La radiactividad del torio fue ampliamente reconocida durante las primeras décadas del siglo XX. En la segunda mitad del siglo, el torio fue reemplazado en muchos usos debido a las preocupaciones sobre su radiactividad.
El torio todavía se utiliza como elemento de aleación en electrodos de soldadura TIG , pero poco a poco se está sustituyendo en el campo con diferentes composiciones. También era material en óptica de alta gama e instrumentación científica, se utilizaba en algunos tubos de vacío de radiodifusión y como fuente de luz en mantos de gas , pero estos usos se han vuelto marginales. Se ha sugerido como sustituto del uranio como combustible nuclear en reactores nucleares , y se han construido varios reactores de torio . El torio también se utiliza para reforzar el magnesio , recubrir cables de tungsteno en equipos eléctricos, controlar el tamaño de grano del tungsteno en lámparas eléctricas , crisoles de alta temperatura y vidrios, incluidas las lentes de cámaras e instrumentos científicos. Otros usos del torio incluyen cerámicas resistentes al calor, motores de aeronaves y bombillas . La ciencia oceánica ha utilizado las proporciones de isótopos 231 Pa / 230 Th para comprender el océano antiguo. [10]
El torio es un metal actínido radiactivo , paramagnético , de color plateado brillante, moderadamente blando, que se puede doblar o moldear. En la tabla periódica , se encuentra a la derecha del actinio , a la izquierda del protactinio y por debajo del cerio . El torio puro es muy dúctil y, como es normal en los metales, se puede laminar en frío , estampar y estirar . [11] A temperatura ambiente, el metal torio tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras ; tiene otras dos formas, una a alta temperatura (más de 1360 °C; cúbica centrada en el cuerpo) y otra a alta presión (alrededor de 100 GPa; tetragonal centrada en el cuerpo ). [11]
El torio metálico tiene un módulo volumétrico (una medida de la resistencia a la compresión de un material) de 54 GPa , aproximadamente el mismo que el del estaño (58,2 GPa). El del aluminio es de 75,2 GPa; el del cobre, de 137,8 GPa; y el del acero dulce, de 160-169 GPa. [12] El torio es casi tan duro como el acero blando , por lo que cuando se calienta se puede enrollar en láminas y estirar para formar alambre. [13]
El torio es casi la mitad de denso que el uranio y el plutonio y es más duro que ambos. [ 13] Se vuelve superconductor por debajo de 1,4 K. [11] El punto de fusión del torio de 1750 °C es superior al del actinio (1227 °C) y al del protactinio (1568 °C). Al comienzo del periodo 7 , del francio al torio, los puntos de fusión de los elementos aumentan (como en otros periodos), porque el número de electrones deslocalizados que aporta cada átomo aumenta de uno en el francio a cuatro en el torio, lo que lleva a una mayor atracción entre estos electrones y los iones metálicos a medida que su carga aumenta de uno a cuatro. Después del torio, hay una nueva tendencia descendente en los puntos de fusión del torio al plutonio , donde el número de electrones f aumenta de aproximadamente 0,4 a aproximadamente 6: esta tendencia se debe a la creciente hibridación de los orbitales 5f y 6d y la formación de enlaces direccionales que resultan en estructuras cristalinas más complejas y enlaces metálicos debilitados. [13] [14] (El recuento de electrones f para el metal torio es un número no entero debido a una superposición 5f–6d). [14] Entre los actínidos hasta el californio , que se pueden estudiar en cantidades de al menos miligramos, el torio tiene los puntos de fusión y ebullición más altos y la segunda densidad más baja; solo el actinio es más ligero. El punto de ebullición del torio de 4788 °C es el quinto más alto entre todos los elementos con puntos de ebullición conocidos. [b]
Las propiedades del torio varían ampliamente dependiendo del grado de impurezas en la muestra. La principal impureza es usualmente el dióxido de torio ThO 2 ); incluso las muestras de torio más puras usualmente contienen alrededor de un décimo de un por ciento del dióxido. [11] Las mediciones experimentales de su densidad dan valores entre 11,5 y 11,66 g/cm 3 : estos son ligeramente inferiores al valor esperado teóricamente de 11,7 g/cm 3 calculado a partir de los parámetros de red del torio , quizás debido a los huecos microscópicos que se forman en el metal cuando se funde. [11] Estos valores se encuentran entre los de sus vecinos actinio (10,1 g/cm 3 ) y protactinio (15,4 g/cm 3 ), parte de una tendencia a través de los primeros actínidos. [11]
El torio puede formar aleaciones con muchos otros metales. La adición de pequeñas proporciones de torio mejora la resistencia mecánica del magnesio , y se han considerado aleaciones de torio y aluminio como una forma de almacenar torio en los futuros reactores nucleares de torio propuestos. El torio forma mezclas eutécticas con cromo y uranio, y es completamente miscible tanto en estado sólido como líquido con su congénere más ligero , el cerio. [11]
Todos los elementos, excepto dos hasta el bismuto (elemento 83), tienen un isótopo que es prácticamente estable para todos los propósitos ("clásicamente estable"), con las excepciones del tecnecio y el prometio (elementos 43 y 61). Todos los elementos a partir del polonio (elemento 84) son mediblemente radiactivos . El 232 Th es uno de los dos nucleidos más allá del bismuto (el otro es el 238 U ) que tienen vidas medias medidas en miles de millones de años; su vida media es de 14.050 millones de años, aproximadamente tres veces la edad de la Tierra y ligeramente más larga que la edad del universo . Cuatro quintas partes del torio presente en la formación de la Tierra ha sobrevivido hasta el presente. [16] [17] [18] El 232 Th es el único isótopo del torio que se encuentra en cantidad en la naturaleza. [16] Su estabilidad se atribuye a su subcapa nuclear cerrada con 142 neutrones. [19] [20] El torio tiene una composición isotópica terrestre característica, con un peso atómico 232,0377 ± 0,0004 . [2] Es uno de los cuatro únicos elementos radiactivos (junto con el bismuto, el protactinio y el uranio) que se encuentran en cantidades suficientemente grandes en la Tierra como para que se pueda determinar un peso atómico estándar. [2]
Los núcleos de torio son susceptibles a la desintegración alfa porque la fuerza nuclear fuerte no puede superar la repulsión electromagnética entre sus protones. [21] La desintegración alfa del 232 Th inicia la cadena de desintegración 4 n que incluye isótopos con un número másico divisible por 4 (de ahí el nombre; también se llama serie del torio en honor a su progenitor). Esta cadena de desintegraciones alfa y beta consecutivas comienza con la desintegración del 232 Th a 228 Ra y termina en 208 Pb. [16] Cualquier muestra de torio o sus compuestos contiene trazas de estas hijas, que son isótopos del talio , plomo , bismuto, polonio, radón , radio y actinio. [16] Las muestras naturales de torio se pueden purificar químicamente para extraer nucleidos hijos útiles, como el 212 Pb, que se utiliza en medicina nuclear para la terapia del cáncer . [22] [23] El 227 Th (emisor alfa con una vida media de 18,68 días) también se puede utilizar en tratamientos contra el cáncer, como terapias alfa dirigidas . [24] [25] [26] El 232 Th también sufre muy ocasionalmente fisión espontánea en lugar de desintegración alfa, y ha dejado evidencia de ello en sus minerales (como gas xenón atrapado formado como producto de fisión), pero la vida media parcial de este proceso es muy grande, más de 10 21 años, y predomina la desintegración alfa. [27] [28]
En total, se han caracterizado 32 radioisótopos , cuyo número másico varía de 207 [29] a 238. [27] Después del 232 Th, los más estables de ellos (con sus respectivas vidas medias) son el 230 Th (75.380 años), el 229 Th (7.917 años), el 228 Th (1,92 años), el 234 Th (24,10 días) y el 227 Th (18,68 días). Todos estos isótopos se encuentran en la naturaleza como radioisótopos traza debido a su presencia en las cadenas de desintegración del 232 Th, el 235 U, el 238 U y el 237 Np : el último de ellos se extinguió hace tiempo en la naturaleza debido a su corta vida media (2,14 millones de años), pero se produce continuamente en trazas diminutas a partir de la captura de neutrones en los minerales de uranio. Todos los isótopos restantes del torio tienen vidas medias inferiores a treinta días y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a diez minutos. [16] El 233 Th (vida media de 22 minutos) se produce de forma natural como resultado de la activación neutrónica del 232 Th natural. [30] El 226 Th (vida media de 31 minutos) aún no se ha observado en la naturaleza, pero se produciría por la desintegración beta doble, aún no observada, del 226 Ra natural. [31]
En aguas profundas el isótopo 230 Th constituye hasta0,02% del torio natural. [8] Esto se debe a que su progenitor 238 U es soluble en agua, pero el 230 Th es insoluble y precipita en el sedimento. Los minerales de uranio con bajas concentraciones de torio se pueden purificar para producir muestras de torio del tamaño de un gramo de las cuales más de una cuarta parte es el isótopo 230 Th, ya que el 230 Th es uno de los hijos del 238 U. [27] La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) reclasificó el torio como un elemento binuclídico en 2013; anteriormente se había considerado un elemento mononucleídico . [32]
El torio tiene tres isómeros nucleares conocidos (o estados metaestables), 216m1 Th, 216m2 Th y 229m Th. El 229m Th tiene la energía de excitación más baja conocida de todos los isómeros, [33] medida como7,6 ± 0,5 eV . Esto es tan bajo que cuando sufre una transición isomérica , la radiación gamma emitida está en el rango ultravioleta . [34] [35] [c] La transición nuclear de 229 Th a 229m Th se está investigando para un reloj nuclear . [35]
Los diferentes isótopos del torio son químicamente idénticos, pero tienen propiedades físicas ligeramente diferentes: por ejemplo, se espera que las densidades de 228 Th, 229 Th, 230 Th y 232 Th puros sean respectivamente 11,5, 11,6, 11,6 y 11,7 g/cm 3 . [37] Se espera que el isótopo 229 Th sea fisionable con una masa crítica desnuda de 2839 kg, aunque con reflectores de acero este valor podría caer a 994 kg. [37] [d] El 232 Th no es fisionable, pero es fértil ya que puede convertirse en 233 U fisible por captura de neutrones y posterior desintegración beta. [37] [38]
Dos métodos de datación radiométrica involucran isótopos de torio: la datación uranio-torio , basada en la desintegración de 234 U a 230 Th, y la datación ionio-torio , que mide la relación de 232 Th a 230 Th. [e] Estos se basan en el hecho de que 232 Th es un radioisótopo primordial, pero 230 Th solo ocurre como un producto de desintegración intermedio en la cadena de desintegración de 238 U. [39] La datación uranio-torio es un proceso de alcance relativamente corto debido a las cortas vidas medias de 234 U y 230 Th en relación con la edad de la Tierra: también está acompañada por un proceso hermano que involucra la desintegración alfa de 235 U en 231 Th, que muy rápidamente se convierte en 231 Pa de vida más larga , y este proceso se usa a menudo para verificar los resultados de la datación uranio-torio. La datación uranio-torio se utiliza comúnmente para determinar la edad de materiales de carbonato de calcio como espeleotemas o corales , porque el uranio es más soluble en agua que el torio y el protactinio, que se precipitan selectivamente en sedimentos del fondo del océano , donde se miden sus proporciones. El esquema tiene un rango de varios cientos de miles de años. [39] [40] La datación ionio-torio es un proceso relacionado, que explota la insolubilidad del torio (tanto 232 Th como 230 Th) y, por lo tanto, su presencia en sedimentos oceánicos para datar estos sedimentos midiendo la proporción de 232 Th a 230 Th. [41] [42] Ambos métodos de datación asumen que la proporción de 230 Th a 232 Th es una constante durante el período en el que se formó la capa de sedimento, que el sedimento no contenía ya torio antes de las contribuciones de la descomposición del uranio y que el torio no puede migrar dentro de la capa de sedimento. [41] [42]
Un átomo de torio tiene 90 electrones, de los cuales cuatro son electrones de valencia . Teóricamente, hay cuatro orbitales atómicos disponibles para que los ocupen los electrones de valencia: 5f, 6d, 7s y 7p. [43] A pesar de la posición del torio en el bloque f de la tabla periódica, tiene una configuración electrónica [Rn]6d 2 7s 2 anómala en el estado fundamental, ya que las subcapas 5f y 6d en los actínidos tempranos están muy cerca en energía, incluso más que las subcapas 4f y 5d de los lantánidos: las subcapas 6d del torio tienen menor energía que sus subcapas 5f, porque sus subcapas 5f no están bien protegidas por las subcapas 6s y 6p llenas y están desestabilizadas. Esto se debe a los efectos relativistas , que se vuelven más fuertes cerca de la parte inferior de la tabla periódica, específicamente la interacción relativista espín-órbita . La proximidad de los niveles de energía de los niveles de energía 5f, 6d y 7s del torio hace que el torio casi siempre pierda los cuatro electrones de valencia y se presente en su estado de oxidación más alto posible, +4. Esto es diferente de su congénere lantánido cerio, en el que +4 es también el estado más alto posible, pero +3 juega un papel importante y es más estable. El torio es mucho más similar a los metales de transición circonio y hafnio que al cerio en sus energías de ionización y potenciales redox, y por lo tanto también en su química: este comportamiento similar al de un metal de transición es la norma en la primera mitad de la serie de los actínidos, desde el actinio hasta el americio. [44] [45] [46]
A pesar de la configuración electrónica anómala de los átomos de torio gaseoso, el torio metálico muestra una participación significativa del 5f. Un estado metálico hipotético del torio que tuviera la configuración [Rn]6d 2 7s 2 con los orbitales 5f por encima del nivel de Fermi debería ser hexagonalmente compacto como los elementos del grupo 4 titanio, circonio y hafnio, y no cúbico centrado en las caras como lo es en realidad. La estructura cristalina real solo se puede explicar cuando se invocan los estados 5f, lo que demuestra que el torio es metalúrgicamente un verdadero actínido. [14]
Los compuestos tetravalentes de torio suelen ser incoloros o amarillos, como los de plata o plomo, ya que el ion Th 4+ no tiene electrones 5f o 6d. [13] Por lo tanto, la química del torio es en gran medida la de un metal electropositivo que forma un único ion diamagnético con una configuración estable de gas noble, lo que indica una similitud entre el torio y los elementos del grupo principal del bloque s. [47] [f] El torio y el uranio son los elementos radiactivos más investigados porque su radiactividad es lo suficientemente baja como para no requerir una manipulación especial en el laboratorio. [48]
El torio es un metal altamente reactivo y electropositivo. Con un potencial de reducción estándar de -1,90 V para el par Th4 + /Th, es algo más electropositivo que el circonio o el aluminio. [49] El metal de torio finamente dividido puede exhibir piroforicidad , encendiéndose espontáneamente en el aire. [11] Cuando se calienta en el aire, las virutas de torio se encienden y arden con una luz blanca brillante para producir el dióxido. En masa, la reacción del torio puro con el aire es lenta, aunque puede producirse corrosión después de varios meses; la mayoría de las muestras de torio están contaminadas con diversos grados de dióxido, lo que acelera enormemente la corrosión. [11] Dichas muestras se empañan lentamente, volviéndose grises y finalmente negras en la superficie. [11]
A temperatura y presión estándar , el torio es atacado lentamente por el agua, pero no se disuelve fácilmente en la mayoría de los ácidos comunes, con la excepción del ácido clorhídrico , donde se disuelve dejando un residuo negro insoluble de ThO(OH,Cl)H. [11] [50] Se disuelve en ácido nítrico concentrado que contiene una pequeña cantidad de iones de fluoruro o fluorosilicato catalíticos ; [11] [51] si estos no están presentes, puede ocurrir pasivación por el nitrato, como con el uranio y el plutonio. [11] [52] [53]
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La mayoría de los compuestos binarios de torio con no metales se pueden preparar calentando los elementos juntos. [54] En el aire, el torio se quema para formar ThO 2 , que tiene la estructura de fluorita . [55] El dióxido de torio es un material refractario , con el punto de fusión más alto (3390 °C) de cualquier óxido conocido. [56] Es algo higroscópico y reacciona fácilmente con agua y muchos gases; [57] se disuelve fácilmente en ácido nítrico concentrado en presencia de fluoruro. [58]
Cuando se calienta en el aire, el dióxido de torio emite una luz azul intensa; la luz se vuelve blanca cuando ThO 2 se mezcla con su homólogo más ligero, el dióxido de cerio ( CeO 2 , ceria): esta es la base de su aplicación previamente común en mantos de gas . [57] No es necesaria una llama para este efecto: en 1901, se descubrió que un manto de gas Welsbach caliente (usando ThO 2 con 1% CeO 2 ) permanecía en "full glow" cuando se exponía a una mezcla fría no encendida de gas inflamable [ ¿cuál? ] y aire. [59] La luz emitida por el dióxido de torio tiene una longitud de onda más alta que la emisión de cuerpo negro esperada de la incandescencia a la misma temperatura, un efecto llamado candoluminiscencia . Ocurre porque ThO 2 : Ce actúa como un catalizador para la recombinación de radicales libres que aparecen en alta concentración en una llama, cuya desexcitación libera grandes cantidades de energía. La adición de 1% de dióxido de cerio, como en los mantos de gas, aumenta el efecto al incrementar la emisividad en la región visible del espectro; pero debido a que el cerio, a diferencia del torio, puede presentarse en múltiples estados de oxidación, su carga y, por lo tanto, su emisividad visible dependerán de la región de la llama en la que se encuentre (ya que dichas regiones varían en su composición química y, por lo tanto, en cuán oxidantes o reductoras son). [59]
También se conocen varios calcogenuros y oxicalcogenuros binarios de torio con azufre , selenio y telurio . [60]
Se conocen los cuatro tetrahaluros de torio, al igual que algunos bromuros y yoduros de baja valencia: [61] los tetrahaluros son todos compuestos higroscópicos 8-coordinados que se disuelven fácilmente en disolventes polares como el agua. [62] También se conocen muchos iones polihaluro relacionados. [61] El tetrafluoruro de torio tiene una estructura cristalina monoclínica como las del tetrafluoruro de circonio y el tetrafluoruro de hafnio , donde los iones Th 4+ están coordinados con los iones F − en antiprismas cuadrados algo distorsionados . [61] Los otros tetrahaluros, en cambio, tienen geometría dodecaédrica. [62] Los yoduros inferiores ThI 3 (negro) y ThI 2 (color dorado) también se pueden preparar reduciendo el tetrayoduro con torio metálico: no contienen Th(III) y Th(II), sino que contienen Th 4+ y podrían formularse más claramente como compuestos electruros . [61] Se conocen muchos haluros polinarios con metales alcalinos, bario , talio y amonio para fluoruros, cloruros y bromuros de torio. [61] Por ejemplo, cuando se trata con fluoruro de potasio y ácido fluorhídrico , Th 4+ forma el anión complejo [ThF 6 ] 2− (hexafluorotorato(IV)), que precipita como una sal insoluble, K 2 [ThF 6 ] (hexafluorotorato(IV) de potasio). [51]
Los boruros, carburos, siliciuros y nitruros de torio son materiales refractarios, como los de uranio y plutonio, y por ello han recibido atención como posibles combustibles nucleares . [54] Los cuatro pnicógenos más pesados ( fósforo , arsénico , antimonio y bismuto) también forman compuestos binarios de torio. También se conocen germanuros de torio. [63] El torio reacciona con hidrógeno para formar los hidruros de torio ThH 2 y Th 4 H 15 , el último de los cuales es superconductor por debajo de 7,5–8 K; a temperatura y presión estándar, conduce electricidad como un metal. [64] Los hidruros son térmicamente inestables y se descomponen fácilmente al exponerse al aire o la humedad. [65]
En una solución acuosa ácida, el torio se presenta como el ion acuoso tetrapositivo [Th(H 2 O) 9 ] 4+ , que tiene una geometría molecular prismática trigonal tricapada : [66] [67] a pH < 3, las soluciones de sales de torio están dominadas por este catión. [66] El ion Th 4+ es el más grande de los iones actínidos tetrapositivos y, dependiendo del número de coordinación, puede tener un radio entre 0,95 y 1,14 Å. [66] Es bastante ácido debido a su alta carga, ligeramente más fuerte que el ácido sulfuroso : por lo tanto, tiende a sufrir hidrólisis y polimerización (aunque en menor medida que Fe 3+ ), predominantemente a [Th 2 (OH) 2 ] 6+ en soluciones con pH 3 o inferior, pero en soluciones más alcalinas la polimerización continúa hasta que se forma el hidróxido gelatinoso Th(OH) 4 y precipita (aunque el equilibrio puede tardar semanas en alcanzarse, porque la polimerización generalmente se ralentiza antes de la precipitación). [68] Como ácido de Lewis duro , Th 4+ favorece a los ligandos duros con átomos de oxígeno como donantes: los complejos con átomos de azufre como donantes son menos estables y son más propensos a la hidrólisis. [44]
Los números de coordinación altos son la regla para el torio debido a su gran tamaño. El pentahidrato de nitrato de torio fue el primer ejemplo conocido de número de coordinación 11, el tetrahidrato de oxalato tiene número de coordinación 10 y el borohidruro (preparado por primera vez en el Proyecto Manhattan ) tiene número de coordinación 14. [68] Estas sales de torio son conocidas por su alta solubilidad en agua y solventes orgánicos polares. [13]
Se conocen muchos otros compuestos inorgánicos de torio con aniones poliatómicos, como los percloratos , sulfatos , sulfitos , nitratos, carbonatos, fosfatos , vanadatos , molibdatos y cromatos , y sus formas hidratadas. [69] Son importantes en la purificación del torio y la eliminación de residuos nucleares, pero la mayoría de ellos aún no se han caracterizado completamente, especialmente en lo que respecta a sus propiedades estructurales. [69] Por ejemplo, el nitrato de torio se produce haciendo reaccionar hidróxido de torio con ácido nítrico: es soluble en agua y alcoholes y es un intermediario importante en la purificación del torio y sus compuestos. [69] Los complejos de torio con ligandos orgánicos, como oxalato , citrato y EDTA , son mucho más estables. En aguas naturales que contienen torio, los complejos orgánicos de torio suelen presentarse en concentraciones órdenes de magnitud superiores a los complejos inorgánicos, incluso cuando las concentraciones de ligandos inorgánicos son mucho mayores que las de ligandos orgánicos. [66]
En enero de 2021, se observó la aromaticidad en un gran grupo de aniones metálicos formado por 12 átomos de bismuto estabilizados por un catión de torio central. [70] Se demostró que este compuesto es sorprendentemente estable, a diferencia de muchos grupos de metales aromáticos conocidos anteriormente .
La mayor parte del trabajo sobre compuestos de organotorio se ha centrado en los complejos de ciclopentadienilo y ciclooctatetraenilos . Al igual que muchos de los actínidos tempranos y medios (hasta el americio , y también esperado para el curio ), el torio forma un complejo de ciclooctatetraenuro: el amarillo Th(C 8 H 8 ) 2 , toroceno . Es isotípico con el compuesto de uranio análogo más conocido, el uranoceno . [71] Se puede preparar haciendo reaccionar K 2 C 8 H 8 con tetracloruro de torio en tetrahidrofurano (THF) a la temperatura del hielo seco , o haciendo reaccionar tetrafluoruro de torio con MgC 8 H 8 . [71] Es inestable en el aire y se descompone en agua o a 190 °C. [71] También se conocen compuestos de medio sándwich , como (η 8 -C 8 H 8 )ThCl 2 (THF) 2 , que tiene una estructura de taburete de piano y se obtiene haciendo reaccionar toroceno con tetracloruro de torio en tetrahidrofurano. [44]
Los más simples de los ciclopentadienilos son Th(C 5 H 5 ) 3 y Th(C 5 H 5 ) 4 : se conocen muchos derivados. El primero (que tiene dos formas, una violeta y otra verde) [71] es un raro ejemplo de torio en el estado de oxidación formal +3; [72] un estado de oxidación formal +2 ocurre en un derivado. [73] El derivado de cloruro [Th(C 5 H 5 ) 3 Cl] se prepara calentando tetracloruro de torio con KC 5 H 5 limitante usado (también se pueden usar otros ciclopentadienilos metálicos univalentes). Los derivados de alquilo y arilo se preparan a partir del derivado de cloruro y se han usado para estudiar la naturaleza del enlace sigma Th–C . [72]
Otros compuestos de organotorio no han sido bien estudiados. El tetrabenciltorio, Th(CH 2 C 6 H 5 ) 4 , y el tetraaliltorio, Th(CH 2 CH=CH 2 ) 4 , son conocidos, pero sus estructuras no han sido determinadas. Se descomponen lentamente a temperatura ambiente. El torio forma el anión prismático trigonal monocapa [Th(CH 3 ) 7 ] 3− , heptametiltorato(IV), que forma la sal [Li(tmeda)] 3 [Th(CH 3 ) 7 ] (tmeda = (CH 3 ) 2 NCH 2 CH 2 N(CH 3 ) 2 ). Aunque un grupo metilo está unido únicamente al átomo de torio (distancia Th–C 257,1 pm) y los otros seis conectan los átomos de litio y torio (distancias Th–C 265,5–276,5 pm), se comportan de manera equivalente en solución. El tetrametiltorio, Th(CH 3 ) 4 , no se conoce, pero sus aductos están estabilizados por ligandos de fosfina . [44]
El 232 Th es un nucleido primordial, que ha existido en su forma actual durante más de diez mil millones de años; se formó durante el proceso r , que probablemente ocurre en supernovas y fusiones de estrellas de neutrones . Estos eventos violentos lo dispersaron por la galaxia. [74] [75] La letra "r" significa "captura rápida de neutrones", y ocurre en supernovas de colapso de núcleo, donde núcleos semilla pesados como 56 Fe capturan rápidamente neutrones, chocando contra la línea de goteo de neutrones , ya que los neutrones se capturan mucho más rápido de lo que los nucleidos resultantes pueden desintegrarse beta para volver a la estabilidad. La captura de neutrones es la única forma en que las estrellas sintetizan elementos más allá del hierro debido al aumento de las barreras de Coulomb que dificultan las interacciones entre partículas cargadas a números atómicos altos y al hecho de que la fusión más allá de 56 Fe es endotérmica . [76] Debido a la abrupta pérdida de estabilidad después del 209 Bi, el proceso r es el único proceso de nucleosíntesis estelar que puede crear torio y uranio; todos los demás procesos son demasiado lentos y los núcleos intermedios se desintegran en alfa antes de capturar suficientes neutrones para alcanzar estos elementos. [74] [77] [78]
En el universo, el torio se encuentra entre los elementos primordiales más raros, ocupando el puesto 77 en abundancia cósmica [74] [79], porque es uno de los dos elementos que solo se pueden producir mediante el proceso r (el otro es el uranio) y también porque se ha ido desintegrando lentamente desde el momento en que se formó. Los únicos elementos primordiales más raros que el torio son el tulio , el lutecio , el tántalo y el renio, los elementos impares que se encuentran justo antes del tercer pico de abundancias del proceso r en torno a los metales pesados del grupo del platino, así como el uranio. [74] [76] [g] En el pasado distante las abundancias de torio y uranio se enriquecieron por la desintegración de los isótopos de plutonio y curio, y el torio se enriqueció en relación con el uranio por la desintegración de 236 U a 232 Th y el agotamiento natural de 235 U, pero estas fuentes se han desintegrado hace mucho tiempo y ya no contribuyen. [80]
En la corteza terrestre, el torio es mucho más abundante: con una abundancia de 8,1 g/ tonelada , es uno de los elementos pesados más abundantes, casi tan abundante como el plomo (13 g/tonelada) y más abundante que el estaño (2,1 g/tonelada). [81] Esto se debe a que es probable que el torio forme minerales de óxido que no se hunden en el núcleo; se clasifica como litófilo según la clasificación de Goldschmidt , lo que significa que generalmente se encuentra combinado con oxígeno. Los compuestos comunes de torio también son poco solubles en agua. Por lo tanto, aunque los elementos refractarios tienen las mismas abundancias relativas en la Tierra que en el Sistema Solar en su conjunto, hay más torio accesible que metales pesados del grupo del platino en la corteza. [82]
El torio natural es generalmente casi puro 232 Th, que es el isótopo de torio más estable y de vida más larga, con una vida media comparable a la edad del universo. [27] Su desintegración radiactiva es el mayor contribuyente individual al calor interno de la Tierra ; los otros contribuyentes principales son los radionucleidos primordiales de vida más corta, que son 238 U, 40 K y 235 U en orden descendente de su contribución. (En el momento de la formación de la Tierra, 40 K y 235 U contribuyeron mucho más en virtud de sus cortas vidas medias, pero se han desintegrado más rápidamente, dejando la contribución de 232 Th y 238 U predominante). [87] Su desintegración explica una disminución gradual del contenido de torio de la Tierra: el planeta actualmente tiene alrededor del 85% de la cantidad presente en la formación de la Tierra. [56] Los otros isótopos naturales del torio tienen una vida mucho más corta; De ellos, sólo el 230 Th suele ser detectable, ya que se encuentra en equilibrio secular con su progenitor 238 U y constituye como máximo el 0,04 % del torio natural. [27] [h]
El torio sólo se presenta como un componente menor de la mayoría de los minerales, y por esta razón antes se pensaba que era raro. [89] [90] De hecho, es el 37º elemento más abundante en la corteza terrestre con una abundancia de 12 partes por millón. [91] En la naturaleza, el torio se presenta en el estado de oxidación +4, junto con el uranio (IV), el circonio (IV), el hafnio (IV) y el cerio (IV), y también con el escandio , el itrio y los lantánidos trivalentes que tienen radios iónicos similares . [89] Debido a la radiactividad del torio, los minerales que lo contienen a menudo son metamícticos (amorfos), y su estructura cristalina ha sido dañada por la radiación alfa producida por el torio. [92] Un ejemplo extremo es la ekanita , (Ca,Fe,Pb) 2 (Th,U) Si 8 O 20 , que casi nunca se presenta en forma no metamíctica debido al torio que contiene. [93]
La monacita (principalmente fosfatos de varios elementos de tierras raras) es la fuente comercial más importante de torio porque se encuentra en grandes depósitos en todo el mundo, principalmente en India, Sudáfrica, Brasil, Australia y Malasia . Contiene alrededor de un 2,5% de torio en promedio, aunque algunos depósitos pueden contener hasta un 20%. [89] [94] La monacita es un mineral químicamente no reactivo que se encuentra como arena amarilla o marrón; su baja reactividad dificulta la extracción de torio de ella. [89] La allanita (principalmente silicatos-hidróxidos de varios metales) puede tener entre un 0,1 y un 2% de torio y el circón (principalmente silicato de circonio , ZrSiO 4 ) hasta un 0,4% de torio. [89]
El dióxido de torio se presenta como el raro mineral torianita . Debido a que es isotípico con el dióxido de uranio , estos dos dióxidos de actínidos comunes pueden formar soluciones en estado sólido y el nombre del mineral cambia según el contenido de ThO 2 . [89] [i] La torita (principalmente silicato de torio, ThSiO 4 ), también tiene un alto contenido de torio y es el mineral en el que se descubrió por primera vez el torio. [89] En los minerales de silicato de torio, el Th 4+ y el SiO 4−4Los iones a menudo se reemplazan con M 3+ (donde M = Sc, Y o Ln) y fosfato ( PO3−4) respectivamente. [89] Debido a la gran insolubilidad del dióxido de torio, el torio no suele propagarse rápidamente por el medio ambiente cuando se libera. El ion Th 4+ es soluble, especialmente en suelos ácidos, y en tales condiciones la concentración de torio puede ser mayor. [56]
En 1815, el químico sueco Jöns Jacob Berzelius analizó una muestra inusual de gadolinita de una mina de cobre en Falun , Suecia central. Observó trazas impregnadas de un mineral blanco, que cautelosamente asumió que era una tierra ( óxido en la nomenclatura química moderna) de un elemento desconocido. Berzelius ya había descubierto dos elementos, cerio y selenio , pero había cometido un error público una vez, al anunciar un nuevo elemento, gahnio , que resultó ser óxido de zinc . [96] Berzelius nombró en privado al supuesto elemento "torio" en 1817 [97] y a su supuesto óxido "thorina" en honor a Thor , el dios nórdico del trueno. [98] En 1824, después de que se descubrieran más depósitos del mismo mineral en Vest-Agder , Noruega, se retractó de sus hallazgos, ya que el mineral (más tarde llamado xenotima ) resultó ser principalmente ortofosfato de itrio . [38] [96] [99] [100]
En 1828, Morten Thrane Esmark encontró un mineral negro en la isla de Løvøya , condado de Telemark , Noruega. Era un sacerdote noruego y mineralogista aficionado que estudió los minerales en Telemark, donde sirvió como vicario . Comúnmente enviaba los especímenes más interesantes, como este, a su padre, Jens Esmark , un destacado mineralogista y profesor de mineralogía y geología en la Universidad Real Federico en Christiania (hoy llamada Oslo ). [101] El anciano Esmark determinó que no era un mineral conocido y envió una muestra a Berzelius para su examen. Berzelius determinó que contenía un nuevo elemento. [38] Publicó sus hallazgos en 1829, después de haber aislado una muestra impura mediante la reducción de K[ThF 5 ] (pentafluorotorato de potasio (IV)) con potasio metálico. [102] [103] [104] Berzelius reutilizó el nombre del supuesto descubrimiento del elemento anterior [102] [105] y nombró al mineral fuente torita. [38]
Berzelius hizo algunas caracterizaciones iniciales del nuevo metal y sus compuestos químicos: determinó correctamente que la relación de masas torio-oxígeno del óxido de torio era 7,5 (su valor real es cercano a ese, ~7,3), pero asumió que el nuevo elemento era divalente en lugar de tetravalente, y así calculó que la masa atómica era 7,5 veces la del oxígeno (120 uma ); en realidad es 15 veces más grande. [j] Determinó que el torio era un metal muy electropositivo , por delante del cerio y por detrás del circonio en electropositividad. [106] El torio metálico fue aislado por primera vez en 1914 por los empresarios holandeses Dirk Lely Jr. y Lodewijk Hamburger. [k]
En la tabla periódica publicada por Dmitri Mendeleev en 1869, el torio y los elementos de tierras raras se colocaron fuera del cuerpo principal de la tabla, al final de cada período vertical después de los metales alcalinotérreos . Esto reflejaba la creencia en ese momento de que el torio y los metales de tierras raras eran divalentes. Con el reconocimiento posterior de que las tierras raras eran en su mayoría trivalentes y el torio era tetravalente, Mendeleev movió el cerio y el torio al grupo IV en 1871, que también contenía el grupo moderno del carbono (grupo 14) y el grupo del titanio (grupo 4), porque su estado de oxidación máximo era +4. [109] [110] El cerio pronto fue eliminado del cuerpo principal de la tabla y colocado en una serie separada de lantánidos; el torio se dejó con el grupo 4 ya que tenía propiedades similares a sus supuestos congéneres más ligeros en ese grupo, como el titanio y el circonio. [111] [l]
Aunque el torio fue descubierto en 1828, su primera aplicación data de 1885, cuando el químico austríaco Carl Auer von Welsbach inventó el manto de gas , una fuente de luz portátil que produce luz a partir de la incandescencia del óxido de torio cuando se calienta quemando combustibles gaseosos. [38] Posteriormente se encontraron muchas aplicaciones para el torio y sus compuestos, incluidas cerámicas, lámparas de arco de carbono, crisoles resistentes al calor y como catalizadores para reacciones químicas industriales como la oxidación del amoníaco a ácido nítrico. [112]
El torio fue observado por primera vez como radiactivo en 1898, por el químico alemán Gerhard Carl Schmidt y más tarde ese año, de forma independiente, por la física polaco-francesa Marie Curie . Fue el segundo elemento que se encontró radiactivo, después del descubrimiento de radiactividad en uranio en 1896 por el físico francés Henri Becquerel . [113] [114] [115] A partir de 1899, el físico neozelandés Ernest Rutherford y el ingeniero eléctrico estadounidense Robert Bowie Owens estudiaron la radiación del torio; las observaciones iniciales mostraron que variaba significativamente. Se determinó que estas variaciones provenían de una hija gaseosa de vida corta del torio, que descubrieron que era un nuevo elemento. Este elemento ahora se llama radón , el único de los raros radioelementos que se descubrió en la naturaleza como hija del torio en lugar del uranio. [116]
Después de tener en cuenta la contribución del radón, Rutherford, que ahora trabajaba con el físico británico Frederick Soddy , demostró cómo el torio se desintegraba a una velocidad fija a lo largo del tiempo en una serie de otros elementos en un trabajo que databa de 1900 a 1903. Esta observación condujo a la identificación de la vida media como uno de los resultados de los experimentos de partículas alfa que llevaron a la teoría de la desintegración de la radiactividad . [117] El efecto biológico de la radiación se descubrió en 1903. [118] El fenómeno recién descubierto de la radiactividad entusiasmó a los científicos y al público en general por igual. En la década de 1920, la radiactividad del torio se promovió como una cura para el reumatismo , la diabetes y la impotencia sexual . En 1932, la mayoría de estos usos fueron prohibidos en los Estados Unidos después de una investigación federal sobre los efectos de la radiactividad en la salud. [119] A 10.000 personas en los Estados Unidos se les había inyectado torio durante el diagnóstico por rayos X; Más tarde se descubrió que sufrían problemas de salud como leucemia y cromosomas anormales. [56] El interés público en la radiactividad había disminuido a fines de la década de 1930. [119]
Hasta finales del siglo XIX, los químicos coincidían unánimemente en que el torio y el uranio eran los elementos más pesados del grupo 4 y del grupo 6 respectivamente; la existencia de los lantánidos en la sexta fila se consideraba un hecho aislado. En 1892, el químico británico Henry Bassett postuló una segunda fila extralarga en la tabla periódica para dar cabida a elementos conocidos y no descubiertos, considerando que el torio y el uranio eran análogos a los lantánidos. En 1913, el físico danés Niels Bohr publicó un modelo teórico del átomo y sus orbitales electrónicos, que pronto obtuvo una amplia aceptación. El modelo indicaba que la séptima fila de la tabla periódica también debería tener capas f que se llenaran antes que las capas d que se llenaban en los elementos de transición, como la sexta fila con los lantánidos que precedían a los metales de transición 5d. [109] La existencia de una segunda serie de transición interna, en forma de actínidos, no fue aceptada hasta que se establecieron similitudes con las estructuras electrónicas de los lantánidos; [120] Bohr sugirió que el llenado de los orbitales 5f puede retrasarse hasta después del uranio. [109]
Fue sólo con el descubrimiento de los primeros elementos transuránicos , que a partir del plutonio tienen estados de oxidación dominantes +3 y +4 como los lantánidos, que se comprendió que los actínidos estaban de hecho llenando orbitales f en lugar de orbitales d, siendo la química similar a la de los metales de transición de los primeros actínidos la excepción y no la regla. [121] En 1945, cuando el físico estadounidense Glenn T. Seaborg y su equipo descubrieron los elementos transuránicos americio y curio, propuso el concepto de actínido , al darse cuenta de que el torio era el segundo miembro de una serie de actínidos del bloque f análoga a los lantánidos, en lugar de ser el congénere más pesado del hafnio en una cuarta fila del bloque d. [111] [m]
En la década de 1990, la mayoría de las aplicaciones que no dependían de la radiactividad del torio declinaron rápidamente debido a preocupaciones ambientales y de seguridad a medida que se encontraban sustitutos más seguros. [38] [124] A pesar de su radiactividad, el elemento ha permanecido en uso para aplicaciones donde no se pudieron encontrar alternativas adecuadas. Un estudio de 1981 del Laboratorio Nacional de Oak Ridge en los Estados Unidos estimó que usar un manto de gas de torio cada fin de semana sería seguro para una persona, [124] pero este no fue el caso para la dosis recibida por las personas que fabricaban los mantos o para los suelos alrededor de algunas plantas industriales. [125] Algunos fabricantes han cambiado a otros materiales, como el itrio. [126] Tan recientemente como en 2007, algunas compañías continuaron fabricando y vendiendo mantos de torio sin brindar información adecuada sobre su radiactividad, y algunas incluso afirmaron falsamente que no eran radiactivos. [124] [127]
El torio se ha utilizado como fuente de energía a escala de prototipo. El primer reactor basado en torio se construyó en el Indian Point Energy Center, ubicado en Buchanan , Nueva York, Estados Unidos , en 1962. [128] China puede ser el primero en tener la oportunidad de comercializar la tecnología. [129] El país con las mayores reservas estimadas de torio en el mundo es India , que tiene escasas reservas de uranio. En la década de 1950, India se propuso lograr la independencia energética con su programa de energía nuclear de tres etapas . [130] [131] En la mayoría de los países, el uranio era relativamente abundante y el progreso de los reactores basados en torio fue lento; en el siglo XX, se construyeron tres reactores en India y doce en otros lugares. [132] La Agencia Internacional de Energía Atómica comenzó una investigación a gran escala en 1996 para estudiar el uso de reactores de torio; un año después, el Departamento de Energía de los Estados Unidos comenzó su investigación. Alvin Radkowsky, de la Universidad de Tel Aviv en Israel, fue el diseñador principal de la Central Atómica de Shippingport en Pensilvania, el primer reactor civil estadounidense en producir torio. [133] Fundó un consorcio para desarrollar reactores de torio, que incluía otros laboratorios: Raytheon Nuclear Inc. y Brookhaven National Laboratory en los Estados Unidos, y el Instituto Kurchatov en Rusia. [134]
En el siglo XXI, el potencial del torio para reducir la proliferación nuclear y sus características de desecho llevaron a un renovado interés en el ciclo del combustible de torio. [135] [136] [137] India ha proyectado satisfacer hasta el 30% de sus demandas eléctricas mediante energía nuclear basada en torio para 2050. En febrero de 2014, el Centro de Investigación Atómica Bhabha (BARC), en Mumbai , India, presentó su último diseño para un "reactor nuclear de próxima generación" que quema torio como núcleo de combustible, llamándolo Reactor Avanzado de Agua Pesada (AHWR). En 2009, el presidente de la Comisión de Energía Atómica de la India dijo que India tiene un "objetivo a largo plazo de volverse energéticamente independiente basándose en sus vastos recursos de torio".
El 16 de junio de 2023, la Administración Nacional de Seguridad Nuclear de China emitió una licencia al Instituto de Física Aplicada de Shanghái (SINAP) de la Academia de Ciencias de China para comenzar a operar el reactor experimental de sales fundidas de torio con combustible líquido de 2 MWt TMSR-LF1 , que se completó en agosto de 2021. [138] Se cree que China tiene una de las mayores reservas de torio del mundo. El tamaño exacto de esas reservas no se ha revelado públicamente, pero se estima que es suficiente para satisfacer las necesidades energéticas totales del país durante más de 20.000 años. [139]
Cuando se produjeron por primera vez cantidades de gramos de plutonio en el Proyecto Manhattan , se descubrió que un isótopo menor ( 240 Pu ) sufría una fisión espontánea significativa , lo que puso en duda la viabilidad de un arma nuclear de tipo cañón alimentada con plutonio . Mientras que el equipo de Los Álamos comenzó a trabajar en el arma de tipo implosión para evitar este problema, el equipo de Chicago discutió soluciones de diseño de reactores. Eugene Wigner propuso utilizar el plutonio contaminado con 240 Pu para impulsar la conversión de torio en 233 U en un reactor convertidor especial. Se planteó la hipótesis de que el 233 U sería entonces utilizable en un arma de tipo cañón, aunque se expresaron preocupaciones sobre la contaminación por 232 U. El progreso en el arma de implosión fue suficiente, y este convertidor no se desarrolló más, pero el diseño tuvo una enorme influencia en el desarrollo de la energía nuclear. Fue la primera descripción detallada de un reactor moderado por agua y refrigerado por agua altamente enriquecido similar a los futuros reactores de energía navales y comerciales. [140]
Durante la Guerra Fría, Estados Unidos exploró la posibilidad de utilizar 232 Th como fuente de 233 U para ser utilizado en una bomba nuclear ; dispararon una bomba de prueba en 1955. [141] Llegaron a la conclusión de que una bomba disparada con 233 U sería un arma muy potente, pero que tenía pocas "ventajas técnicas" sostenibles sobre las bombas contemporáneas de uranio-plutonio, [142] especialmente porque el 233 U es difícil de producir en forma isotópicamente pura. [141]
El metal torio se utilizó en el caso de radiación de al menos un diseño de arma nuclear empleado por los Estados Unidos (el W71 ). [143]
La baja demanda hace que las minas en funcionamiento para la extracción de torio por sí solas no sean rentables, y casi siempre se extrae junto con las tierras raras, que pueden ser subproductos de la producción de otros minerales. [144] La dependencia actual de la monacita para la producción se debe a que el torio se produce en gran medida como subproducto; otras fuentes como la torita contienen más torio y podrían usarse fácilmente para la producción si aumentara la demanda. [145] El conocimiento actual sobre la distribución de los recursos de torio es deficiente, ya que la baja demanda ha llevado a que los esfuerzos de exploración sean relativamente menores. [146] En 2014, la producción mundial de concentrado de monacita, del que se extraería el torio, fue de 2.700 toneladas. [ 147 ]
La ruta de producción común del torio constituye la concentración de minerales de torio; la extracción del torio del concentrado; la purificación del torio; y (opcionalmente) la conversión a compuestos, como el dióxido de torio. [148]
Existen dos categorías de minerales de torio para la extracción de torio: primarios y secundarios. Los depósitos primarios se producen en magmas graníticos ácidos y pegmatitas. Están concentrados, pero son de pequeño tamaño. Los depósitos secundarios se producen en las desembocaduras de los ríos en las regiones montañosas graníticas. En estos depósitos, el torio se enriquece junto con otros minerales pesados. [49] La concentración inicial varía según el tipo de depósito. [148]
En el caso de los depósitos primarios, las pegmatitas de origen, que se obtienen habitualmente mediante minería, se dividen en pequeñas partes y luego se someten a flotación . Los carbonatos de metales alcalinotérreos se pueden eliminar tras la reacción con cloruro de hidrógeno ; luego se sigue el espesamiento , la filtración y la calcinación. El resultado es un concentrado con un contenido de tierras raras de hasta el 90%. [148] Los materiales secundarios (como las arenas costeras) se someten a una separación por gravedad. A continuación, se realiza una separación magnética, con una serie de imanes de fuerza creciente. La monacita obtenida por este método puede ser tan pura como el 98%. [148]
La producción industrial en el siglo XX se basaba en el tratamiento con ácido sulfúrico concentrado caliente en recipientes de hierro fundido, seguido de una precipitación selectiva por dilución con agua, al igual que en los pasos posteriores. Este método dependía de las particularidades de la técnica y del tamaño del grano del concentrado; se han propuesto muchas alternativas, pero solo una ha demostrado ser económicamente eficaz: la digestión alcalina con solución de hidróxido de sodio caliente. Este método es más caro que el original, pero produce una mayor pureza del torio; en particular, elimina los fosfatos del concentrado. [148]
La digestión ácida es un proceso de dos etapas, que implica el uso de hasta un 93% de ácido sulfúrico a 210–230 °C. Primero, se agrega ácido sulfúrico en una cantidad superior al 60% de la masa de arena, espesando la mezcla de reacción a medida que se forman los productos. Luego, se agrega ácido sulfúrico fumante y la mezcla se mantiene a la misma temperatura durante otras cinco horas para reducir el volumen de solución restante después de la dilución. La concentración del ácido sulfúrico se selecciona en función de la velocidad de reacción y la viscosidad, que aumentan con la concentración, aunque la viscosidad retarda la reacción. El aumento de la temperatura también acelera la reacción, pero se deben evitar temperaturas de 300 °C y superiores, porque provocan la formación de pirofosfato de torio insoluble. Dado que la disolución es muy exotérmica, la arena de monacita no se puede agregar al ácido demasiado rápido. Por el contrario, a temperaturas inferiores a 200 °C, la reacción no avanza lo suficientemente rápido como para que el proceso sea práctico. Para garantizar que no se formen precipitados que bloqueen la superficie reactiva de la monacita, la masa de ácido utilizada debe ser el doble de la de la arena, en lugar del 60% que se esperaría de acuerdo con la estequiometría. Luego, la mezcla se enfría a 70 °C y se diluye con diez veces su volumen de agua fría, de modo que cualquier monacita restante se hunda hasta el fondo mientras que las tierras raras y el torio permanecen en solución. Luego, el torio se puede separar precipitándolo como fosfato a pH 1,3, ya que las tierras raras no precipitan hasta pH 2. [148]
La digestión alcalina se lleva a cabo en una solución de hidróxido de sodio al 30-45% a unos 140 °C durante unas tres horas. Una temperatura demasiado alta conduce a la formación de óxido de torio poco soluble y un exceso de uranio en el filtrado, y una concentración demasiado baja de álcali conduce a una reacción muy lenta. Estas condiciones de reacción son bastante suaves y requieren arena de monacita con un tamaño de partícula inferior a 45 μm. Después de la filtración, la torta de filtración incluye torio y tierras raras como sus hidróxidos, uranio como diuranato de sodio y fosfato como fosfato trisódico . Esto cristaliza el fosfato trisódico decahidratado cuando se enfría por debajo de los 60 °C; las impurezas de uranio en este producto aumentan con la cantidad de dióxido de silicio en la mezcla de reacción, lo que requiere recristalización antes de su uso comercial. Los hidróxidos se disuelven a 80 °C en ácido clorhídrico al 37%. La filtración de los precipitados restantes seguida de la adición de hidróxido de sodio al 47% da como resultado la precipitación de torio y uranio a un pH de aproximadamente 5,8. Se debe evitar el secado completo del precipitado, ya que el aire puede oxidar el cerio del estado de oxidación +3 al +4, y el cerio (IV) formado puede liberar cloro libre del ácido clorhídrico. Las tierras raras precipitan nuevamente a un pH más alto. Los precipitados se neutralizan con la solución de hidróxido de sodio original, aunque la mayor parte del fosfato debe eliminarse primero para evitar la precipitación de fosfatos de tierras raras. También se puede utilizar la extracción con disolventes para separar el torio y el uranio, disolviendo la torta de filtración resultante en ácido nítrico. La presencia de hidróxido de titanio es perjudicial, ya que se une al torio y evita que se disuelva por completo. [148]
En las aplicaciones nucleares se necesitan altas concentraciones de torio. En particular, las concentraciones de átomos con secciones transversales de captura de neutrones altas deben ser muy bajas (por ejemplo, las concentraciones de gadolinio deben ser inferiores a una parte por millón en peso). Anteriormente, se utilizaba la disolución y recristalización repetidas para lograr una alta pureza. Hoy en día, se utilizan procedimientos de extracción con disolventes líquidos que implican la complejación selectiva de Th 4+ . Por ejemplo, tras la digestión alcalina y la eliminación del fosfato, los complejos de nitrato resultantes de torio, uranio y tierras raras se pueden separar mediante extracción con fosfato de tributilo en queroseno . [148]
Los usos del torio no relacionados con la radiactividad han ido disminuyendo desde la década de 1950 [149] debido a preocupaciones ambientales derivadas en gran medida de la radiactividad del torio y sus productos de desintegración. [38] [124]
La mayoría de las aplicaciones del torio utilizan su dióxido (a veces llamado "toria" en la industria), en lugar del metal. Este compuesto tiene un punto de fusión de 3300 °C (6000 °F), el más alto de todos los óxidos conocidos; solo unas pocas sustancias tienen puntos de fusión más altos. [56] Esto ayuda a que el compuesto permanezca sólido en una llama y aumenta considerablemente el brillo de la llama; esta es la razón principal por la que el torio se usa en los mantos de las lámparas de gas . [150] Todas las sustancias emiten energía (brillo) a altas temperaturas, pero la luz emitida por el torio está casi toda en el espectro visible , de ahí el brillo de los mantos de torio. [59]
La energía, parte de ella en forma de luz visible, se emite cuando el torio se expone a una fuente de energía propiamente dicha, como un rayo catódico, calor o luz ultravioleta . Este efecto lo comparte el dióxido de cerio, que convierte la luz ultravioleta en luz visible de forma más eficiente, pero el dióxido de torio da una temperatura de llama más alta, emitiendo menos luz infrarroja . [150] El torio en mantos, aunque todavía es común, ha sido reemplazado progresivamente por itrio desde finales de los años 1990. [151] Según la revisión de 2005 de la Junta Nacional de Protección Radiológica del Reino Unido , "aunque [los mantos de gas toriado] estaban ampliamente disponibles hace unos años, ya no lo están". [152] El torio también se utiliza para fabricar generadores de iones negativos permanentes baratos , como en pulseras de salud pseudocientíficas . [153]
Durante la producción de filamentos incandescentes , la recristalización del tungsteno se reduce significativamente añadiendo pequeñas cantidades de dióxido de torio al polvo de sinterización de tungsteno antes de estirar los filamentos. [149] Una pequeña adición de torio a los termocátodos de tungsteno reduce considerablemente la función de trabajo de los electrones; como resultado, los electrones se emiten a temperaturas considerablemente más bajas. [38] El torio forma una capa de un átomo de espesor en la superficie del tungsteno. La función de trabajo de una superficie de torio se reduce posiblemente debido al campo eléctrico en la interfaz entre el torio y el tungsteno formado debido a la mayor electropositividad del torio. [154] Desde la década de 1920, los alambres de tungsteno toriados se han utilizado en tubos electrónicos y en los cátodos y anticatodos de tubos de rayos X y rectificadores. La reactividad del torio con el oxígeno atmosférico requirió la introducción de una capa de magnesio evaporado como captador de impurezas en los tubos evacuados, dándoles su característico recubrimiento interno metálico. [155] : 16 La introducción de transistores en la década de 1950 disminuyó significativamente este uso, pero no por completo. [149] El dióxido de torio se utiliza en la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW) para aumentar la resistencia a alta temperatura de los electrodos de tungsteno y mejorar la estabilidad del arco. [38] El óxido de torio está siendo reemplazado en este uso por otros óxidos, como los de circonio, cerio y lantano . [156] [157]
El dióxido de torio se encuentra en cerámicas refractarias , como los crisoles de laboratorio de alta temperatura , [38] ya sea como ingrediente principal o como adición al dióxido de circonio . Una aleación de 90% de platino y 10% de torio es un catalizador eficaz para oxidar el amoníaco a óxidos de nitrógeno, pero se ha reemplazado por una aleación de 95% de platino y 5% de rodio debido a sus mejores propiedades mecánicas y mayor durabilidad. [149]
Cuando se añade al vidrio , el dióxido de torio ayuda a aumentar su índice de refracción y a disminuir la dispersión . Este vidrio se utiliza en lentes de alta calidad para cámaras e instrumentos científicos. [50] La radiación de estas lentes puede oscurecerlas y amarillearlas con el paso de los años y degrada la película, pero los riesgos para la salud son mínimos. [158] Las lentes amarillentas pueden recuperar su estado incoloro original mediante una exposición prolongada a una radiación ultravioleta intensa. Desde entonces, el dióxido de torio ha sido reemplazado en esta aplicación por óxidos de tierras raras, como el lantano , ya que proporcionan efectos similares y no son radiactivos. [149]
El tetrafluoruro de torio se utiliza como material antirreflejo en recubrimientos ópticos multicapa. Es transparente a las ondas electromagnéticas con longitudes de onda en el rango de 0,350 a 12 μm, un rango que incluye la luz ultravioleta cercana, la luz visible y la luz infrarroja media . Su radiación se debe principalmente a partículas alfa, que pueden detenerse fácilmente con una capa fina de otro material. [159] A partir de la década de 2010, se están desarrollando reemplazos para el tetrafluoruro de torio, [160] que incluyen el trifluoruro de lantano .
Las aleaciones Mag-Thor (también llamadas magnesio toriado) se utilizan en algunas aplicaciones aeroespaciales, aunque dichos usos se han eliminado gradualmente debido a preocupaciones sobre la radiactividad.
La principal fuente de energía nuclear en un reactor es la fisión inducida por neutrones de un nucleido; los núcleos fisionables sintéticos [d] 233 U y 239 Pu pueden generarse a partir de la captura de neutrones por los nucleidos naturales 232 Th y 238 U. El 235 U se produce de forma natural en cantidades significativas y también es fisionable. [161] [162] [n] En el ciclo del combustible de torio, el isótopo fértil 232 Th es bombardeado por neutrones lentos , experimentando una captura de neutrones para convertirse en 233 Th, que sufre dos desintegraciones beta consecutivas para convertirse primero en 233 Pa y luego en el fisionable 233 U: [38]
El 233 U es fisible y puede utilizarse como combustible nuclear de la misma forma que el 235 U o el 239 Pu . Cuando el 233 U sufre fisión nuclear, los neutrones emitidos pueden golpear otros núcleos de 232 Th, continuando el ciclo. [38] Esto es paralelo al ciclo del combustible de uranio en los reactores reproductores rápidos , donde el 238 U sufre captura de neutrones para convertirse en 239 U, decayendo en beta primero hasta 239 Np y luego hasta 239 Pu fisible. [163]
La fisión de233
92tú
produce 2,48 neutrones en promedio. [164]
Se necesita un neutrón para mantener en marcha la reacción de fisión. Para un ciclo de reproducción continuo autónomo, se necesita un neutrón más para generar un nuevo233
92tú
átomo de lo fértil 232
90El
Esto deja un margen de 0,45 neutrones (o el 18% del flujo de neutrones) para pérdidas.
El torio es más abundante que el uranio y puede satisfacer las demandas energéticas mundiales durante más tiempo. [165] Es particularmente adecuado para ser utilizado como material fértil en reactores de sal fundida .
El 232 Th absorbe neutrones con mayor facilidad que el 238 U, y el 233 U tiene una mayor probabilidad de fisión tras la captura de neutrones (92,0 %) que el 235 U (85,5 %) o el 239 Pu (73,5 %). [166] También libera más neutrones tras la fisión en promedio. [165] Una sola captura de neutrones por el 238 U produce residuos transuránicos junto con el 239 Pu fisible, pero el 232 Th solo produce estos residuos después de cinco capturas, formando 237 Np. Esta cantidad de capturas no ocurre para el 98-99 % de los núcleos del 232 Th porque los productos intermedios 233 U o 235 U sufren fisión, y se producen menos transuránicos de larga duración. Por esta razón, el torio es una alternativa potencialmente atractiva al uranio en combustibles de óxidos mixtos para minimizar la generación de transuránicos y maximizar la destrucción del plutonio . [167]
Los combustibles de torio dan como resultado un núcleo de reactor más seguro y de mejor rendimiento [38] porque el dióxido de torio tiene un punto de fusión más alto, una conductividad térmica más alta y un coeficiente de expansión térmica más bajo . Es más estable químicamente que el dióxido de uranio, combustible ahora común, porque este último se oxida a octóxido de triuranio ( U 3 O 8 ), volviéndose sustancialmente menos denso. [168]
El combustible usado es difícil y peligroso de reprocesar porque muchas de las hijas de 232 Th y 233 U son fuertes emisores de rayos gamma. [165] Todos los métodos de producción de 233 U dan como resultado impurezas de 232 U , ya sea por reacciones de knock-out parásitas (n,2n) en 232 Th, 233 Pa o 233 U que resultan en la pérdida de un neutrón, o por captura doble de neutrones de 230 Th, una impureza en 232 Th natural: [169]
El 232 U por sí mismo no es particularmente dañino, pero se desintegra rápidamente para producir el fuerte emisor gamma 208 Tl . ( El 232 Th sigue la misma cadena de desintegración, pero su vida media mucho más larga significa que las cantidades de 208 Tl producidas son insignificantes). [170] Estas impurezas del 232 U hacen que el 233 U sea fácil de detectar y peligroso para trabajar, y la impracticabilidad de su separación limita las posibilidades de proliferación nuclear utilizando 233 U como material fisible. [169] El 233 Pa tiene una vida media relativamente larga de 27 días y una sección transversal alta para la captura de neutrones. Por lo tanto, es un veneno de neutrones : en lugar de desintegrarse rápidamente en el útil 233 U, una cantidad significativa de 233 Pa se convierte en 234 U y consume neutrones, degradando la eficiencia del reactor . Para evitar esto, se extrae 233 Pa de la zona activa de los reactores de sal fundida de torio durante su funcionamiento, de modo que no tenga la posibilidad de capturar un neutrón y solo se desintegrará en 233 U. [171]
Para poder aprovechar estas ventajas, es necesario dominar la irradiación del 232 Th con neutrones y su posterior procesamiento, lo que requiere una tecnología más avanzada que la del ciclo del combustible de uranio y plutonio; [38] la investigación continúa en este ámbito. Otros citan la baja viabilidad comercial del ciclo del combustible del torio: [172] [173] [174] la Agencia Internacional de Energía Nuclear predice que el ciclo del torio nunca será comercialmente viable mientras haya uranio disponible en abundancia, una situación que puede persistir "en las próximas décadas". [175] Los isótopos producidos en el ciclo del combustible del torio en su mayoría no son transuránicos, pero algunos de ellos siguen siendo muy peligrosos, como el 231 Pa, que tiene una vida media de 32.760 años y es un importante contribuyente a la radiotoxicidad a largo plazo del combustible nuclear gastado. [171]
El torio natural se desintegra muy lentamente en comparación con muchos otros materiales radiactivos, y la radiación alfa emitida no puede penetrar la piel humana. Como resultado, la manipulación de pequeñas cantidades de torio, como las que se encuentran en los mantos de gas, se considera segura, aunque el uso de dichos elementos puede plantear algunos riesgos. [176] La exposición a un aerosol de torio, como el polvo contaminado, puede aumentar el riesgo de cáncer de pulmón , páncreas y sangre , ya que los pulmones y otros órganos internos pueden ser penetrados por la radiación alfa. [176] La exposición interna al torio aumenta el riesgo de enfermedades hepáticas . [177]
Los productos de desintegración del 232 Th incluyen radionucleidos más peligrosos, como el radio y el radón. Aunque se crea una cantidad relativamente pequeña de estos productos como resultado de la lenta desintegración del torio, una evaluación adecuada de la toxicidad radiológica del 232 Th debe incluir la contribución de sus descendientes, algunos de los cuales son peligrosos emisores de rayos gamma [178] y que se acumulan rápidamente después de la desintegración inicial del 232 Th debido a la ausencia de nucleidos de larga duración a lo largo de la cadena de desintegración [179] . Como los descendientes peligrosos del torio tienen puntos de fusión mucho más bajos que el dióxido de torio, se volatilizan cada vez que se calienta el manto para su uso. En la primera hora de uso se liberan grandes fracciones de los descendientes del torio 224 Ra, 228 Ra, 212 Pb y 212 Bi. [180] La mayor parte de la dosis de radiación recibida por un usuario normal surge de la inhalación de radio, lo que resulta en una dosis de radiación de hasta 0,2 milisieverts por uso, aproximadamente un tercio de la dosis sostenida durante una mamografía . [181]
Algunas agencias de seguridad nuclear hacen recomendaciones sobre el uso de mantos de torio y han planteado preocupaciones de seguridad respecto de su fabricación y eliminación; la dosis de radiación de un manto no es un problema grave, pero la de muchos mantos reunidos en fábricas o vertederos sí lo es. [177]
El torio es inodoro e insípido. [182] La toxicidad química del torio es baja porque el torio y sus compuestos más comunes (principalmente el dióxido) son poco solubles en agua, [183] precipitándose antes de entrar al cuerpo como hidróxido. [184] Algunos compuestos de torio son químicamente moderadamente tóxicos , especialmente en presencia de iones fuertes formadores de complejos como el citrato que transportan el torio al cuerpo en forma soluble. [179] Si un objeto que contiene torio ha sido masticado o chupado, pierde el 0,4% del torio y el 90% de sus peligrosas hijas en el cuerpo. [127] Tres cuartas partes del torio que ha penetrado en el cuerpo se acumula en el esqueleto . La absorción a través de la piel es posible, pero no es un medio probable de exposición. [176] La baja solubilidad del torio en agua también significa que la excreción de torio por los riñones y las heces es bastante lenta. [179]
Las pruebas sobre la absorción de torio por parte de los trabajadores que participan en el procesamiento de monacita mostraron niveles de torio superiores a los límites recomendados en sus cuerpos, pero no se encontraron efectos adversos para la salud en esas concentraciones moderadamente bajas. Hasta el momento no se ha observado toxicidad química en el tracto traqueobronquial ni en los pulmones por exposición al torio. [184] Las personas que trabajan con compuestos de torio corren el riesgo de sufrir dermatitis . Pueden pasar hasta treinta años desde la ingestión de torio hasta que se manifiesten los síntomas. [56] El torio no tiene ninguna función biológica conocida. [56]
El metal de torio en polvo es pirofórico: se enciende espontáneamente en el aire. [11] En 1964, el Departamento del Interior de los Estados Unidos clasificó al torio como "severo" en una tabla titulada "Ignición y explosibilidad de polvos metálicos". Su temperatura de ignición se estableció en 270 °C (520 °F) para nubes de polvo y 280 °C (535 °F) para capas. Su concentración explosiva mínima se estableció en 0,075 oz/pie cúbico (0,075 kg/m 3 ); la energía mínima de ignición para polvo (no submicrónico) se estableció en 5 mJ . [185]
En 1956, la explosión de Sylvania Electric Products ocurrió durante el reprocesamiento y la quema de lodos de torio en la ciudad de Nueva York , Estados Unidos. Nueve personas resultaron heridas; una murió por complicaciones causadas por quemaduras de tercer grado . [186] [187] [188]
El torio existe en cantidades muy pequeñas en todas partes de la Tierra, aunque existen cantidades mayores en ciertas partes: el ser humano promedio contiene alrededor de 40 microgramos de torio y normalmente consume tres microgramos por día. [56] La mayor parte de la exposición al torio ocurre a través de la inhalación de polvo; algo de torio viene con los alimentos y el agua, pero debido a su baja solubilidad, esta exposición es insignificante. [179]
La exposición es mayor para las personas que viven cerca de depósitos de torio o lugares de eliminación de desechos radiactivos, aquellos que viven cerca o trabajan en fábricas de procesamiento de uranio, fosfato o estaño, y para aquellos que trabajan en la producción de mantos de gas. [189] El torio es especialmente común en las zonas costeras de Tamil Nadu en la India, donde los residentes pueden estar expuestos a una dosis de radiación natural diez veces mayor que el promedio mundial. [190] También es común en las zonas costeras del norte de Brasil , desde el sur de Bahía hasta Guarapari , una ciudad con playas de arena de monacita radiactiva, con niveles de radiación hasta 50 veces más altos que la radiación de fondo promedio mundial. [191]
Otra posible fuente de exposición es el polvo de torio que se produce en los campos de pruebas de armas, ya que el torio se utiliza en los sistemas de guía de algunos misiles. Se le ha atribuido una alta incidencia de defectos de nacimiento y cáncer en Salto di Quirra , en la isla italiana de Cerdeña . [192]
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La definición del diccionario de torio en Wikcionario
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