El berkelio es un elemento químico sintético ; tiene símbolo Bk y número atómico 97. Es miembro de la serie de elementos actínidos y transuránicos . Lleva el nombre de la ciudad de Berkeley, California , la ubicación del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (entonces Laboratorio de Radiación de la Universidad de California ) donde fue descubierto en diciembre de 1949. El berkelio fue el quinto elemento transuránico descubierto después del neptunio , el plutonio , el curio y americio .
El principal isótopo del berkelio, 249 Bk, se sintetiza en cantidades mínimas en reactores nucleares de alto flujo , principalmente en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee , Estados Unidos, y en el Instituto de Investigación de Reactores Atómicos en Dimitrovgrad, Rusia . El segundo isótopo más importante y de vida más larga, 247 Bk, se puede sintetizar mediante irradiación de 244 Cm con partículas alfa de alta energía .
En los Estados Unidos se ha producido poco más de un gramo de berkelio desde 1967. No existe ninguna aplicación práctica del berkelio fuera de la investigación científica, que se dirige principalmente a la síntesis de elementos transuránicos más pesados y elementos superpesados . Se preparó un lote de 22 miligramos de berkelio-249 durante un período de irradiación de 250 días y luego se purificó durante 90 días más en Oak Ridge en 2009. Esta muestra se utilizó para sintetizar el nuevo elemento tennessina por primera vez en 2009 en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear , Rusia , después de haber sido bombardeado con iones calcio-48 durante 150 días. Esta fue la culminación de la colaboración entre Rusia y Estados Unidos en la síntesis de los elementos más pesados de la tabla periódica.
El berkelio es un metal radiactivo blando, de color blanco plateado . El isótopo berkelio-249 emite electrones de baja energía y, por tanto, es relativamente seguro de manipular. Se desintegra con una vida media de 330 días a californio -249, que es un potente emisor de partículas alfa ionizantes. Esta transformación gradual es una consideración importante al estudiar las propiedades del berkelio elemental y sus compuestos químicos, ya que la formación de californio trae no sólo contaminación química, sino también efectos de radicales libres y autocalentamiento de las partículas alfa emitidas.
El berkelio es un metal actínido radioactivo, blando, de color blanco plateado . En la tabla periódica , se ubica a la derecha del actínido curio , a la izquierda del actínido californio y debajo del lantánido terbio con el que comparte muchas similitudes en propiedades físicas y químicas. Su densidad de 14,78 g/cm 3 se sitúa entre la del curio (13,52 g/cm 3 ) y la del californio (15,1 g/cm 3 ), al igual que su punto de fusión de 986 °C, inferior al del curio (1340 °C), pero superior a la del californio (900 °C). [4] El berkelio es relativamente blando y tiene uno de los módulos de masa más bajos entre los actínidos, aproximadamente 20 GPa (2 × 1010 Pa). [5]
Los iones de berkelio (III) muestran dos picos de fluorescencia agudos a 652 nanómetros (luz roja) y 742 nanómetros (rojo intenso - infrarrojo cercano ) debido a transiciones internas en la capa del electrón f . La intensidad relativa de estos picos depende del poder de excitación y la temperatura de la muestra. Esta emisión se puede observar, por ejemplo, después de dispersar iones de berkelio en un vidrio de silicato, fundiendo el vidrio en presencia de óxido o haluro de berkelio. [6] [7]
Entre 70 K y la temperatura ambiente, el berkelio se comporta como un material paramagnético de Curie-Weiss con un momento magnético efectivo de 9,69 magnetones de Bohr (μ B ) y una temperatura de Curie de 101 K. Este momento magnético es casi igual al valor teórico de 9,72 μ. B calculado dentro del modelo de acoplamiento atómico LS simple . Al enfriarse a aproximadamente 34 K, el berkelio sufre una transición a un estado antiferromagnético . [8] La entalpía de disolución en ácido clorhídrico en condiciones estándar es −600 kJ/mol, de la cual la entalpía estándar de formación (Δ f H °) de iones Bk 3+ acuosos se obtiene como −601 kJ/mol. El potencial del electrodo estándar Bk 3+ /Bk es −2,01 V. [9] El potencial de ionización de un átomo de berkelio neutro es 6,23 eV. [10]
En condiciones ambientales, el berkelio asume su forma α más estable que tiene una simetría hexagonal , grupo espacial P6 3 /mmc , parámetros reticulares de 341 pm y 1107 pm. El cristal tiene una estructura empaquetada cerrada de doble hexágono con la secuencia de capas ABAC y, por lo tanto, es isotípico (tiene una estructura similar) con el α-lantano y las formas α de actínidos más allá del curio. [11] Esta estructura cristalina cambia con la presión y la temperatura. Cuando se comprime a temperatura ambiente a 7 GPa, el α-berkelio se transforma en la modificación β, que tiene una simetría cúbica centrada en las caras ( fcc ) y un grupo espacial Fm 3 m . Esta transición ocurre sin cambio de volumen, pero la entalpía aumenta en 3,66 kJ/mol. [12] Tras una mayor compresión a 25 GPa, el berkelio se transforma en una estructura ortorrómbica de γ-berkelio similar a la del α-uranio. Esta transición va acompañada de una disminución del volumen del 12% y una deslocalización de los electrones en la capa electrónica 5f . [13] No se observan más transiciones de fase hasta 57 GPa. [5] [14]
Al calentarse, el α-berkelio se transforma en otra fase con una red fcc (pero ligeramente diferente de la β-berkelio), un grupo espacial Fm 3 my una constante de red de 500 pm; esta estructura fcc es equivalente al empaque más cercano con la secuencia ABC. Esta fase es metaestable y volverá gradualmente a la fase original de α-berkelio a temperatura ambiente . [11] Se cree que la temperatura de transición de fase está bastante cerca del punto de fusión. [15] [16] [17]
Como todos los actínidos , el berkelio se disuelve en varios ácidos inorgánicos acuosos, liberando hidrógeno gaseoso y convirtiéndose al estado de berkelio (III). Este estado de oxidación trivalente (+3) es el más estable, especialmente en soluciones acuosas, [18] [19] pero tetravalente (+4), [20] pentavalente (+5), [21] y posiblemente divalente (+2). También se conocen compuestos de berkelio. La existencia de sales de berkelio divalentes es incierta y solo se ha informado en mezclas fundidas de cloruro de lantano (III) y cloruro de estroncio . [22] [23] Se observa un comportamiento similar para el análogo lantánido del berkelio, el terbio . [24] Las soluciones acuosas de iones Bk 3+ son verdes en la mayoría de los ácidos. El color de los iones Bk 4+ es amarillo en ácido clorhídrico y amarillo anaranjado en ácido sulfúrico . [22] [25] [26] El berkelio no reacciona rápidamente con el oxígeno a temperatura ambiente, posiblemente debido a la formación de una capa protectora de óxido en la superficie. Sin embargo, reacciona con metales fundidos, hidrógeno , halógenos , calcógenos y pnictógenos para formar diversos compuestos binarios. [8] [15]
Se han caracterizado diecinueve isótopos y seis isómeros nucleares (estados excitados de un isótopo) de berkelio, con números de masa que oscilan entre 233 y 253 (excepto 235 y 237). [27] Todos ellos son radiactivos. Las vidas medias más largas se observan en 247 Bk (1380 años), 248 Bk (más de 300 años) y 249 Bk (330 días); las vidas medias de los demás isótopos varían desde microsegundos hasta varios días. El isótopo más fácil de sintetizar es el berkelio-249. Esto emite principalmente partículas β blandas que son incómodas para la detección. Su radiación alfa es bastante débil (1,45 × 10−3 %) con respecto a la radiación β, pero a veces se utiliza para detectar este isótopo. El segundo isótopo importante del berkelio, el berkelio-247, es un emisor alfa, como lo son la mayoría de los isótopos actínidos. [27] [28]
Todos los isótopos de berkelio tienen una vida media demasiado corta para ser primordiales . Por lo tanto, cualquier berkelio primordial, es decir, el berkelio presente en la Tierra durante su formación, ya se ha descompuesto.
En la Tierra, el berkelio se concentra principalmente en determinadas zonas que se utilizaron para las pruebas de armas nucleares atmosféricas entre 1945 y 1980, así como en los lugares de incidentes nucleares, como el desastre de Chernobyl , el accidente de Three Mile Island y la base aérea de Thule en 1968. Accidente del B-52 . El análisis de los restos en el lugar de pruebas de la primera arma termonuclear de los Estados Unidos , Ivy Mike (1 de noviembre de 1952, atolón de Enewetak ), reveló altas concentraciones de diversos actínidos, incluido el berkelio. Por razones de secreto militar, este resultado no se publicó hasta 1956. [29]
Los reactores nucleares producen principalmente, entre los isótopos de berkelio, berkelio-249. Durante el almacenamiento y antes de la eliminación del combustible, la mayor parte del mismo se desintegra en californio-249. Este último tiene una vida media de 351 años, que es relativamente larga en comparación con la vida media de otros isótopos producidos en el reactor [30] y, por tanto, no es deseable en los productos de eliminación.
Los elementos transuránicos , desde el americio hasta el fermio , incluido el berkelio, se encontraban de forma natural en el reactor de fisión nuclear natural de Oklo , pero ya no se encuentran. [31]
El berkelio es también uno de los elementos que teóricamente se han detectado en la estrella de Przybylski . [32]
Aunque posiblemente se produjeron cantidades muy pequeñas de berkelio en experimentos nucleares anteriores, fue sintetizado , aislado e identificado intencionalmente por primera vez en diciembre de 1949 por Glenn T. Seaborg , Albert Ghiorso , Stanley Gerald Thompson y Kenneth Street Jr. Utilizaron el telescopio de 60 pulgadas. ciclotrón de la Universidad de California, Berkeley . De manera similar al descubrimiento casi simultáneo del americio (elemento 95) y el curio (elemento 96) en 1944, los nuevos elementos berkelio y californio (elemento 98) se produjeron en 1949-1950. [24] [33] [34] [35] [36]
La elección del nombre para el elemento 97 siguió la tradición anterior del grupo californiano de establecer una analogía entre el actínido recién descubierto y el elemento lantánido situado encima de él en la tabla periódica . Anteriormente, el americio llevaba el nombre de un continente como su análogo europio , y el curio honraba a los científicos Marie y Pierre Curie , mientras que el lantánido situado encima, el gadolinio , llevaba el nombre del explorador de las tierras raras Johan Gadolin . Así, el informe del descubrimiento del grupo de Berkeley dice: "Se sugiere que al elemento 97 se le dé el nombre de berkelio (símbolo Bk) en honor a la ciudad de Berkeley, de manera similar a la utilizada para nombrar a su homólogo químico terbio (número atómico 65), cuyo El nombre deriva de la ciudad de Ytterby , Suecia , donde se encontraron por primera vez los minerales de tierras raras. [34] Sin embargo, esta tradición terminó con el berkelio, ya que el nombre del siguiente actínido descubierto, californio , no estaba relacionado con su análogo lantánido disprosio , sino con el lugar del descubrimiento. [37]
Los pasos más difíciles en la síntesis de berkelio fueron su separación de los productos finales y la producción de cantidades suficientes de americio para el material objetivo. Primero, se recubrió una lámina de platino con solución de nitrato de americio ( 241 Am ) , la solución se evaporó y el residuo se convirtió mediante recocido en dióxido de americio ( AmO2 ) . Este objetivo fue irradiado con partículas alfa de 35 MeV durante 6 horas en el ciclotrón de 60 pulgadas del Laboratorio de Radiación Lawrence de la Universidad de California, Berkeley. La reacción (α,2n) inducida por la irradiación produjo el isótopo 243 Bk y dos neutrones libres : [34]
Después de la irradiación, el recubrimiento se disolvió con ácido nítrico y luego se precipitó como hidróxido usando una solución acuosa concentrada de amoníaco . El producto se centrifugó y se volvió a disolver en ácido nítrico. Para separar el berkelio del americio sin reaccionar, se añadió esta solución a una mezcla de amonio y sulfato de amonio y se calentó para convertir todo el americio disuelto al estado de oxidación +6. El americio residual no oxidado se precipitó mediante la adición de ácido fluorhídrico como fluoruro de americio (III) ( AmF 3 ). Esta etapa produjo una mezcla del producto acompañante curio y el elemento esperado 97 en forma de trifluoruros. La mezcla se convirtió en los hidróxidos correspondientes tratándola con hidróxido de potasio y, después de la centrifugación, se disolvió en ácido perclórico . [34]
La separación adicional se llevó a cabo en presencia de una solución tampón de ácido cítrico / amonio en un medio débilmente ácido ( pH ≈3,5), utilizando intercambio iónico a temperatura elevada. El comportamiento de separación cromatográfica del elemento 97 era entonces desconocido, pero se anticipó por analogía con el terbio. Los primeros resultados fueron decepcionantes porque no se pudo detectar ninguna firma de emisión de partículas alfa en el producto de elución. Con un análisis más detallado, la búsqueda de rayos X característicos y señales de conversión de electrones , finalmente se detectó un isótopo de berkelio. Su número masivo era incierto entre 243 y 244 en el informe inicial, [24] pero luego se estableció en 243. [34]
El berkelio se produce bombardeando actínidos más ligeros de uranio ( 238 U) o plutonio ( 239 Pu) con neutrones en un reactor nuclear . En un caso más común de combustible de uranio, el plutonio se produce primero mediante captura de neutrones (la llamada reacción (n,γ) o fusión de neutrones) seguida de desintegración beta: [38]
El plutonio-239 es irradiado adicionalmente por una fuente que tiene un alto flujo de neutrones , varias veces superior al de un reactor nuclear convencional, como el Reactor de Isótopos de Alto Flujo (HFIR) de 85 megavatios del Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee, EE.UU. El mayor flujo promueve reacciones de fusión que involucran no uno sino varios neutrones, convirtiendo 239 Pu en 244 Cm y luego en 249 Cm:
El curio-249 tiene una vida media corta, de 64 minutos, por lo que su conversión posterior a 250 cm tiene una baja probabilidad. En cambio, se transforma por desintegración beta en 249 Bk: [27]
El 249 Bk así producido tiene una larga vida media de 330 días y, por tanto, puede capturar otro neutrón. Sin embargo, el producto, 250 Bk, nuevamente tiene una vida media relativamente corta de 3,212 horas y, por lo tanto, no produce isótopos de berkelio más pesados. En cambio, se desintegra en el isótopo de californio 250 Cf: [39] [40]
Aunque 247 Bk es el isótopo más estable del berkelio, su producción en reactores nucleares es muy difícil porque nunca se ha observado que su potencial progenitor 247 Cm sufra desintegración beta. [41] Por lo tanto, 249 Bk es el isótopo más accesible del berkelio, que todavía está disponible sólo en pequeñas cantidades (sólo se produjeron 0,66 gramos en los EE. UU. durante el período 1967-1983 [42] ) a un alto precio del orden. 185 USD por microgramo. [4] Es el único isótopo de berkelio disponible en grandes cantidades y, por tanto, el único isótopo de berkelio cuyas propiedades pueden estudiarse exhaustivamente. [43]
El isótopo 248 Bk se obtuvo por primera vez en 1956 bombardeando una mezcla de isótopos de curio con partículas α de 25 MeV. Aunque su detección directa se vio obstaculizada por una fuerte interferencia de señal con 245 Bk, la existencia de un nuevo isótopo quedó demostrada por el crecimiento del producto de desintegración 248 Cf que había sido caracterizado previamente. La vida media de 248 Bk se estimó en23 ± 5 horas, [44] aunque trabajos posteriores de 1965 dieron una vida media superior a 300 años (lo que puede deberse a un estado isomérico). [45] Berkelio-247 se produjo durante el mismo año irradiando 244 Cm con partículas alfa: [46]
El berkelio-242 se sintetizó en 1979 bombardeando 235 U con 11 B, 238 U con 10 B, 232 Th con 14 N o 232 Th con 15 N. Se convierte por captura de electrones en 242 Cm con una vida media de7,0 ± 1,3 minutos. La búsqueda del isótopo 241 Bk inicialmente sospechoso fracasó; [47] Desde entonces se ha sintetizado 241 Bk. [48]
El hecho de que el berkelio asuma fácilmente el estado de oxidación +4 en sólidos y sea relativamente estable en este estado en líquidos ayuda en gran medida a la separación del berkelio de muchos otros actínidos. Estos se producen inevitablemente en cantidades relativamente grandes durante la síntesis nuclear y a menudo favorecen el estado +3. Este hecho aún no se conocía en los experimentos iniciales, en los que se utilizó un procedimiento de separación más complejo. Se pueden aplicar varios agentes de oxidación inorgánicos a las soluciones de berkelio (III) para convertirlas al estado +4, como bromatos ( BrO−3), bismutatos ( BiO−3), cromatos ( CrO2-4y Cr2O2-7), tiolato de plata(I) ( Ag 2 S 2 O 8 ), óxido de plomo(IV) ( PbO 2 ), ozono ( O 3 ) o procedimientos de oxidación fotoquímica. Más recientemente, se ha descubierto que algunas moléculas orgánicas y bioinspiradas, como el quelante llamado 3,4,3-LI(1,2-HOPO), también pueden oxidar Bk(III) y estabilizar Bk(IV) en condiciones climáticas adversas. condiciones suaves. [20] Luego, el berkelio (IV) se extrae mediante intercambio iónico , cromatografía de extracción o extracción líquido-líquido utilizando HDEHP (ácido bis-(2-etilhexil)fosfórico), aminas , fosfato de tributilo u otros reactivos varios. Estos procedimientos separan el berkelio de la mayoría de los actínidos y lantánidos trivalentes , excepto el lantánido cerio (los lantánidos están ausentes en el objetivo de irradiación pero se crean en varias cadenas de desintegración de fisión nuclear ). [49]
Un procedimiento más detallado adoptado en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge fue el siguiente: la mezcla inicial de actínidos se procesa con intercambio iónico utilizando reactivo de cloruro de litio , luego se precipita en forma de hidróxidos , se filtra y se disuelve en ácido nítrico. Luego se trata con elución a alta presión de resinas de intercambio catiónico y la fase de berkelio se oxida y se extrae mediante uno de los procedimientos descritos anteriormente. [49] La reducción del berkelio (IV) así obtenido al estado de oxidación +3 produce una solución que está casi libre de otros actínidos (pero contiene cerio). Luego se separan el berkelio y el cerio con otra ronda de tratamiento de intercambio iónico. [50]
Para caracterizar las propiedades químicas y físicas del berkelio sólido y sus compuestos, en 1952 se inició un programa en el Reactor de Pruebas de Materiales , Arco, Idaho , EE. UU. Esto dio lugar a la preparación de un objetivo de plutonio-239 de ocho gramos y a la primera producción de cantidades macroscópicas (0,6 microgramos) de berkelio por parte de Burris B. Cunningham y Stanley Gerald Thompson en 1958, después de una irradiación continua del reactor de este objetivo durante seis años. . [42] [51] Este método de irradiación era y sigue siendo la única forma de producir cantidades pesadas del elemento, y la mayoría de los estudios de berkelio en estado sólido se han realizado en muestras de tamaño de microgramos o submicrogramos. [15] [52]
Las principales fuentes de irradiación del mundo son el reactor de isótopos de alto flujo de 85 megavatios del Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee, EE.UU., [53] y el reactor de bucle SM-2 del Instituto de Investigación de Reactores Atómicos (NIIAR) en Dimitrovgrad, Rusia . [54] ambos dedicados a la producción de elementos transcurio (número atómico mayor que 96). Estas instalaciones tienen niveles de potencia y flujo similares, y se espera que tengan capacidades de producción comparables para elementos de transcurio, [55] aunque las cantidades producidas en NIIAR no se informan públicamente. En una "campaña de procesamiento típica" en Oak Ridge, se irradian decenas de gramos de curio para producir cantidades de decigramos de californio , miligramos de berkelio-249 y einstenio , y picogramos de fermio . [56] [57] En total, poco más de un gramo de berkelio-249 se ha producido en Oak Ridge desde 1967. [15]
La primera muestra de metal berkelio que pesaba 1,7 microgramos se preparó en 1971 mediante la reducción de fluoruro de berkelio (III) con vapor de litio a 1000 °C; el fluoruro se suspendió sobre un alambre de tungsteno sobre un crisol de tantalio que contenía litio fundido. Posteriormente, con este método se obtuvieron muestras de metal que pesaban hasta 0,5 miligramos. [11] [58]
Se obtienen resultados similares con fluoruro de berkelio (IV). [13] El berkelio metálico también se puede producir mediante la reducción del óxido de berkelio (IV) con torio o lantano . [58] [59]
Se conocen dos óxidos de berkelio, con el estado de oxidación del berkelio de +3 ( Bk 2 O 3 ) y +4 ( BkO 2 ). [60] El óxido de berkelio (IV) es un sólido marrón, [61] mientras que el óxido de berkelio (III) es un sólido de color amarillo verdoso con un punto de fusión de 1920 °C [62] [61] y se forma a partir de BkO 2 por reducción. con hidrógeno molecular :
Al calentarse a 1200 °C, el óxido Bk 2 O 3 sufre un cambio de fase; sufre otro cambio de fase a 1750 °C. Este comportamiento trifásico es típico de los sesquióxidos actínidos . Se ha informado que el óxido de berkelio (II), BkO, es un sólido gris quebradizo, pero su composición química exacta sigue siendo incierta. [63]
En los haluros , el berkelio asume los estados de oxidación +3 y +4. [64] El estado +3 es el más estable, especialmente en soluciones, mientras que los haluros tetravalentes BkF 4 y Cs 2 BkCl 6 sólo se conocen en fase sólida. [65] La coordinación del átomo de berkelio en su fluoruro y cloruro trivalente es prismática trigonal tricapeada , con el número de coordinación de 9. En bromuro trivalente, es prismática trigonal bicapeada (coordinación 8) u octaédrica (coordinación 6), [66] y en el yoduro es octaédrico. [67]
El fluoruro de berkelio (IV) ( BkF 4 ) es un sólido iónico de color amarillo verdoso y es isotípico con el tetrafluoruro de uranio o el tetrafluoruro de circonio . [68] [70] [71] El fluoruro de berkelio (III) ( BkF 3 ) también es un sólido de color amarillo verdoso, pero tiene dos estructuras cristalinas. La fase más estable a bajas temperaturas es isotípica con el fluoruro de itrio (III) , mientras que al calentarse entre 350 y 600 °C, se transforma a la estructura que se encuentra en el trifluoruro de lantano . [68] [70] [72]
Cantidades visibles de cloruro de berkelio (III) ( BkCl 3 ) se aislaron y caracterizaron por primera vez en 1962, y pesaban sólo 3 milmillonésimas de gramo . Puede prepararse introduciendo vapores de cloruro de hidrógeno en un tubo de cuarzo al vacío que contiene óxido de berkelio a una temperatura de aproximadamente 500 °C. [73] Este sólido verde tiene un punto de fusión de 600 °C, [64] y es isotípico del cloruro de uranio (III) . [74] [75] Al calentarse hasta casi el punto de fusión, BkCl 3 se convierte en una fase ortorrómbica. [76]
Se conocen dos formas de bromuro de berkelio (III): una con berkelio que tiene coordinación 6 y otra con coordinación 8. [52] Este último es menos estable y se transforma a la primera fase al calentarse a aproximadamente 350 °C. En estas dos formas cristalinas se ha estudiado un fenómeno importante para los sólidos radiactivos: la estructura de muestras frescas y envejecidas de 249 BkBr 3 fue investigada mediante difracción de rayos X durante un período de más de 3 años, de modo que varias fracciones de berkelio-249 tenían beta descompuso a californio-249. No se observó ningún cambio en la estructura tras la transformación de 249 BkBr 3 - 249 CfBr 3 . Sin embargo, se observaron otras diferencias para 249 BkBr 3 y 249 CfBr 3 . Por ejemplo, este último podría reducirse con hidrógeno a 249 CfBr 2 , pero el primero no; este resultado se reprodujo en muestras individuales de 249 BkBr 3 y 249 CfBr 3 , así como en las muestras que contenían ambos bromuros. [66] El intercrecimiento de californio en berkelio se produce a una tasa del 0,22% por día y es un obstáculo intrínseco en el estudio de las propiedades del berkelio. Además de la contaminación química, el 249 Cf, al ser un emisor alfa, provoca daños no deseados en la red cristalina y el consiguiente calentamiento espontáneo. Sin embargo, el efecto químico puede evitarse realizando mediciones en función del tiempo y extrapolando los resultados obtenidos. [sesenta y cinco]
Las pnictidas de berkelio-249 del tipo BkX son conocidas por los elementos nitrógeno , [77] fósforo , arsénico y antimonio . Cristalizan en la estructura de sal de roca y se preparan mediante la reacción de hidruro de berkelio (III) ( BkH 3 ) o berkelio metálico con estos elementos a temperatura elevada (aproximadamente 600 °C) en alto vacío. [78]
El sulfuro de berkelio (III), Bk 2 S 3 , se prepara tratando óxido de berkelio con una mezcla de vapores de sulfuro de hidrógeno y disulfuro de carbono a 1130 °C, o haciendo reaccionar directamente berkelio metálico con azufre elemental. Estos procedimientos producen cristales de color negro pardusco. [79]
Los hidróxidos de berkelio (III) y berkelio (IV) son estables en soluciones 1 molar de hidróxido de sodio . El fosfato de berkelio (III) ( BkPO 4 ) se preparó en forma de sólido, que muestra una fuerte fluorescencia bajo excitación con luz verde. [80] Los hidruros de berkelio se producen haciendo reaccionar metal con gas hidrógeno a temperaturas de aproximadamente 250 °C. [77] Son no estequiométricos con la fórmula nominal BkH
2+ x(0 < x < 1). [79] Se conocen varias otras sales de berkelio, incluido un oxisulfuro ( Bk 2 O 2 S ) y nitrato hidratado ( Bk(NO
3)
3·4H
2O ), cloruro ( BkCl
3·6H
2O ), sulfato ( Bk
2(ENTONCES
4)
3·12H
2O ) y oxalato ( Bk
2(C
2oh
4)
3·4H
2O ). [65] Descomposición térmica a aproximadamente 600 °C en una atmósfera de argón (para evitar la oxidación a BkO 2 ) de Bk
2(ENTONCES
4)
3·12H
2O produce los cristales de oxisulfato de berkelio (III) ( Bk 2 O 2 SO 4 ). Este compuesto es térmicamente estable hasta al menos 1000 °C en atmósfera inerte. [81]
El berkelio forma un complejo metaloceno trigonal (η 5 –C 5 H 5 ) 3 Bk con tres anillos de ciclopentadienilo , que puede sintetizarse haciendo reaccionar cloruro de berkelio (III) con el beriloceno fundido ( Be (C 5 H 5 ) 2 ) a aproximadamente 70 °C. Tiene un color ámbar y una densidad de 2,47 g/cm 3 . El complejo es estable al calentamiento hasta al menos 250 °C y se sublima sin fundirse a aproximadamente 350 °C. La alta radiactividad del berkelio destruye gradualmente el compuesto (en un período de semanas). [73] [82] Un anillo de ciclopentadienilo en (η 5 –C 5 H 5 ) 3 Bk puede sustituirse por cloro para producir [Bk(C 5 H 5 ) 2 Cl] 2 . Los espectros de absorción óptica de este compuesto son muy similares a los de (η 5 –C 5 H 5 ) 3 Bk. [83]
Actualmente, ningún isótopo del berkelio tiene ningún uso fuera de la investigación científica básica. [15] El berkelio-249 es un nucleido objetivo común para preparar elementos transuránicos aún más pesados y elementos superpesados , [85] como lawrencio , rutherfordio y bohrio . [15] También es útil como fuente del isótopo californio-249, que se utiliza para estudios sobre la química del californio en lugar del californio-252, más radiactivo, que se produce en instalaciones de bombardeo de neutrones como el HFIR. [15] [86]
Se preparó un lote de 22 miligramos de berkelio-249 mediante una irradiación de 250 días y luego se purificó durante 90 días en Oak Ridge en 2009. Este objetivo produjo los primeros 6 átomos de tennessina en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR), Dubna . Rusia, tras bombardearla con iones de calcio en el ciclotrón U400 durante 150 días. Esta síntesis fue la culminación de la colaboración Rusia-Estados Unidos entre JINR y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore sobre la síntesis de los elementos 113 a 118 que se inició en 1989. [87] [88]
Las propiedades de fisión nuclear del berkelio son diferentes de las de los actínidos vecinos curio y californio, y sugieren que el berkelio funciona mal como combustible en un reactor nuclear. Específicamente, el berkelio-249 tiene una sección transversal de captura de neutrones moderadamente grande de 710 graneros para neutrones térmicos , 1200 graneros de resonancia integral , pero una sección transversal de fisión muy baja para neutrones térmicos. Por lo tanto, en un reactor térmico, gran parte del mismo se convertirá en berkelio-250, que rápidamente se descompone en californio-250. [89] [90] [91] En principio, el berkelio-249 puede sostener una reacción nuclear en cadena en un reactor reproductor rápido . Su masa crítica es relativamente alta: 192 kg; se puede reducir con un reflector de agua o de acero pero aun así superaría la producción mundial de este isótopo. [92]
El berkelio-247 puede mantener una reacción en cadena tanto en un reactor de neutrones térmicos como en uno de neutrones rápidos; sin embargo, su producción es bastante compleja y, por tanto, su disponibilidad es mucho menor que su masa crítica, que es de unos 75,7 kg para una esfera desnuda. 41,2 kg con reflector de agua y 35,2 kg con reflector de acero (30 cm de espesor). [92]
Se sabe poco sobre los efectos del berkelio en el cuerpo humano y es posible que no se puedan establecer analogías con otros elementos debido a los diferentes productos de radiación ( electrones para el berkelio y partículas alfa , neutrones o ambos para la mayoría de los demás actínidos). La baja energía de los electrones emitidos por el berkelio-249 (menos de 126 keV) dificulta su detección debido a la interferencia de la señal con otros procesos de desintegración, pero también hace que este isótopo sea relativamente inofensivo para los humanos en comparación con otros actínidos. Sin embargo, el berkelio-249 se transforma, con una vida media de sólo 330 días, en el fuerte emisor alfa californio-249, que es bastante peligroso y debe manipularse en una guantera en un laboratorio especializado. [93]
La mayoría de los datos disponibles sobre la toxicidad del berkelio provienen de investigaciones en animales. Tras la ingestión por ratas, sólo alrededor del 0,01% del berkelio termina en el torrente sanguíneo. De ahí, alrededor del 65% va a los huesos, donde permanece durante unos 50 años, el 25% a los pulmones (vida media biológica de unos 20 años), el 0,035% a los testículos o el 0,01% a los ovarios, donde el berkelio permanece indefinidamente. Se excreta el resto, aproximadamente el 10%. [94] En todos estos órganos, el berkelio podría promover el cáncer, y en el esqueleto , su radiación puede dañar los glóbulos rojos. La cantidad máxima permitida de berkelio-249 en el esqueleto humano es de 0,4 nanogramos . [4] [95]
![{\displaystyle {\ce {^{238}_{92}U ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{239}_{92}U ->[\beta^-][ 23.5 \ {\ce {min}}] ^{239}_{93}Np ->[\beta^-][2.3565 \ {\ce {d}}] ^{239}_{94}Pu}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b3bbed5e5d26a63ad32fb67d74f21abc531a8455)
![{\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {^{239}_{94}Pu ->[{\ce {4(n,\gamma)}}] ^{243}_{94}Pu -> [\beta^-][4.956 \ {\ce {h}}] ^{243}_{95}Soy ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{244}_{95} Soy ->[\beta^-][10.1 \ {\ce {h}}]}}&{\ce {^{244}_{96}Cm}}\\&{\ce {^{244}_ {96}Cm ->[{\ce {5(n,\gamma)}}] ^{249}_{96}Cm}}\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2ae383930de75f37348e2081ce1b59ad18c6e36a)
![{\displaystyle {\ce {^{249}_{96}Cm->[{\beta ^{-}}][64.15\ {\ce {min}}]_{97}^{249}Bk-> [\beta ^{-}][330\ {\ce {d}}]_{98}^{249}Cf}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2a07bc265a52a831017357d804a615edf3ce3e4e)
![{\displaystyle {\ce {^{249}_{97}Bk ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{250}_{97}Bk ->[\beta^-][ 3.212 \ {\ce {h}}] ^{250}_{98}Cf}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8664bd3ec0ab04f2e41f8207ace7bedce5ada556)
![{\displaystyle {\begin{casos}{\ce {^{244}_{96}Cm ->[{\ce {(\alpha,n)}}] ^{247}_{98}Cf ->[ \epsilon][3.11 \ {\ce {h}}] ^{247}_{97}Bk}}\\{\ce {^{244}_{96}Cm ->[{\ce {(\alpha ,p)}}] ^{247}_{97}Bk}}\end{casos}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6ed2822b74972e2b9b63aa02d020f6529ff68a31)
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