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Fermio

El fermio es un elemento químico sintético ; tiene símbolo Fm y número atómico 100. Es un actínido y el elemento más pesado que se puede formar mediante bombardeo de neutrones de elementos más ligeros, y por tanto el último elemento que se puede preparar en cantidades macroscópicas, aunque aún no se ha preparado fermio metálico puro. . [4] Se conocen un total de 20 isótopos, siendo el 257 Fm el más longevo con una vida media de 100,5 días.

Fue descubierto entre los restos de la explosión de la primera bomba de hidrógeno en 1952 y lleva el nombre de Enrico Fermi , uno de los pioneros de la física nuclear . Su química es típica de los actínidos tardíos, con preponderancia del estado de oxidación +3 pero también un estado de oxidación +2 accesible. Debido a las pequeñas cantidades de fermio producido y a que todos sus isótopos tienen vidas medias relativamente cortas, actualmente no tiene usos fuera de la investigación científica básica.

Descubrimiento

El fermio se observó por primera vez en las consecuencias de la prueba nuclear de Ivy Mike .
El elemento lleva el nombre de Enrico Fermi .
El elemento fue descubierto por un equipo encabezado por Albert Ghiorso .

El fermio se descubrió por primera vez en las consecuencias de la prueba nuclear ' Ivy Mike ' (1 de noviembre de 1952), la primera prueba exitosa de una bomba de hidrógeno. [5] [6] [7] El examen inicial de los restos de la explosión había mostrado la producción de un nuevo isótopo de plutonio .244
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: esto sólo podría haberse formado mediante la absorción de seis neutrones por un núcleo de uranio-238 seguida de  dos desintegraciones β . En aquel momento, se pensaba que la absorción de neutrones por un núcleo pesado era un proceso raro, pero la identificación de244
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planteó la posibilidad de que los núcleos de uranio pudieran haber absorbido aún más neutrones, dando lugar a nuevos elementos. [7]

El elemento 99 ( einstenio ) se descubrió rápidamente en papeles de filtro que habían sido arrastrados a través de la nube tras la explosión (la misma técnica de muestreo que se había utilizado para descubrir244
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). [7] Luego fue identificado en diciembre de 1952 por Albert Ghiorso y sus compañeros de trabajo en la Universidad de California en Berkeley . [5] [6] [7] Descubrieron el isótopo 253 Es ( vida media de 20,5 días), que se formó mediante la captura de 15 neutrones por núcleos de uranio-238 , que luego sufrieron siete desintegraciones beta sucesivas :

Sin embargo, unos 238 átomos de U podrían capturar otra cantidad de neutrones (muy probablemente, 16 o 17).

El descubrimiento del fermio ( Z  = 100) requirió más material, ya que se esperaba que el rendimiento fuera al menos un orden de magnitud menor que el del elemento 99, por lo que se descartó coral contaminado del atolón Enewetak (donde se había realizado la prueba). enviado al Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley, California , para su procesamiento y análisis. Aproximadamente dos meses después de la prueba, se aisló un nuevo componente que emite partículas α de alta energía (7,1 MeV) con una vida media de aproximadamente un día. Con una vida media tan corta, sólo podía surgir de la desintegración β de  un isótopo de einstenio, por lo que tenía que ser un isótopo del nuevo elemento 100: rápidamente se identificó como 255 Fm ( t  = 20,07(7) horas ). [7]

El descubrimiento de los nuevos elementos y los nuevos datos sobre la captura de neutrones se mantuvieron inicialmente en secreto por orden del ejército estadounidense hasta 1955 debido a las tensiones de la Guerra Fría . [7] [8] [9] Sin embargo, el equipo de Berkeley consiguió preparar los elementos 99 y 100 por medios civiles, mediante el bombardeo de neutrones del plutonio-239 , y publicó este trabajo en 1954 con la aclaración de que no era el primero. estudios que se habían realizado sobre los elementos. [10] [11] Los estudios de "Ivy Mike" fueron desclasificados y publicados en 1955. [8]

Al equipo de Berkeley le preocupaba que otro grupo pudiera descubrir isótopos más ligeros del elemento 100 mediante técnicas de bombardeo de iones antes de que pudieran publicar su investigación clasificada, [7] y este resultó ser el caso. Un grupo del Instituto Nobel de Física de Estocolmo descubrió de forma independiente el elemento, produciendo un isótopo que luego se confirmó que era 250 Fm ( t 1/2  = 30 minutos) bombardeando un238
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objetivo con iones de oxígeno-16 , y publicaron su trabajo en mayo de 1954. [12] Sin embargo, la prioridad del equipo de Berkeley fue generalmente reconocida, y con ella la prerrogativa de nombrar el nuevo elemento en honor a Enrico Fermi , el desarrollador del Primer reactor nuclear artificial autosostenible. Fermi todavía estaba vivo cuando se propuso el nombre, pero había muerto cuando se hizo oficial. [13]

Isótopos

Vía de desintegración del fermio-257

Hay 20 isótopos de fermio enumerados en NUBASE 2016  , [14] con pesos atómicos de 241 a 260, [b] de los cuales 257 Fm es el más longevo con una vida media de 100,5 días. 253 Fm tiene una vida media de 3 días, mientras que 251 Fm de 5,3 h, 252 Fm de 25,4 h, 254 Fm de 3,2 h, 255 Fm de 20,1 h y 256 Fm de 2,6 horas. Todos los restantes tienen vidas medias que van desde 30 minutos hasta menos de un milisegundo. [15] El producto de captura de neutrones del fermio-257, 258 Fm, sufre una fisión espontánea con una vida media de sólo 370(14) microsegundos; 259 Fm y 260 Fm también son inestables con respecto a la fisión espontánea ( t 1/2  = 1,5(3) sy 4 ms respectivamente). [15] Esto significa que la captura de neutrones no se puede utilizar para crear nucleidos con un número de masa superior a 257, a menos que se lleve a cabo en una explosión nuclear. Como 257 Fm es un emisor α , que se desintegra a 253 Cf, y ningún isótopo de fermio conocido sufre desintegración beta negativa al siguiente elemento, mendelevio , el fermio es también el último elemento que puede prepararse mediante un proceso de captura de neutrones. [4] [16] [17] Debido a este impedimento para formar isótopos más pesados, estos isótopos de vida corta 258–260 Fm constituyen la llamada "brecha de fermio". [18]

Producción

Elución : separación cromatográfica de Fm(100), Es(99), Cf, Bk, Cm y Am.

El fermio se produce mediante el bombardeo de actínidos más ligeros con neutrones en un reactor nuclear. Fermio-257 es el isótopo más pesado que se obtiene mediante captura de neutrones y solo puede producirse en cantidades de picogramos. [c] [19] La fuente principal es el reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) de 85 MW en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee , EE. UU., que se dedica a la producción de elementos transcurio ( Z  > 96). [20] Los isótopos de fermio de menor masa están disponibles en mayores cantidades, aunque estos isótopos ( 254 Fm y 255 Fm) son comparativamente de vida corta. 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 y einstenio , y picogramos de fermio. [21] Sin embargo, se pueden preparar cantidades de nanogramos [22] de fermio para experimentos específicos. Se cree que las cantidades de fermio producidas en explosiones termonucleares de 20 a 200 kilotones son del orden de miligramos, aunque se mezcla con una enorme cantidad de escombros; Se recuperaron 4,0 picogramos de 257 Fm de 10 kilogramos de restos de la prueba " Hutch " (16 de julio de 1969). [23] El experimento Hutch produjo un total estimado de 250 microgramos de 257 Fm.

Después de la producción, el fermio debe separarse de otros actínidos y de los productos de fisión de los lantánidos . Esto generalmente se logra mediante cromatografía de intercambio iónico , con el proceso estándar utilizando un intercambiador de cationes como Dowex 50 o T EVA eluido con una solución de α-hidroxiisobutirato de amonio. [4] [24] Los cationes más pequeños forman complejos más estables con el anión α-hidroxiisobutirato y, por lo tanto, se eluyen preferentemente de la columna. [4] También se ha descrito un método rápido de cristalización fraccionada . [4] [25]

Aunque el isótopo más estable del fermio es el 257 Fm, con una vida media de 100,5 días, la mayoría de los estudios se realizan en 255 Fm ( t 1/2  = 20,07(7) horas), ya que este isótopo puede aislarse fácilmente según sea necesario como el producto de desintegración de 255 Es ( t 1/2  = 39,8(12) días). [4]

Síntesis en explosiones nucleares.

El análisis de los restos del ensayo nuclear de Ivy Mike , de 10 megatones , formaba parte de un proyecto a largo plazo, uno de cuyos objetivos era estudiar la eficiencia de la producción de elementos transuránicos en explosiones nucleares de alta potencia. La motivación de estos experimentos fue la siguiente: la síntesis de dichos elementos a partir de uranio requiere la captura múltiple de neutrones. La probabilidad de que se produzcan tales acontecimientos aumenta con el flujo de neutrones, y las explosiones nucleares son las fuentes de neutrones más potentes, ya que proporcionan densidades del orden de 10 23 neutrones/cm 2 en un microsegundo, es decir, unos 10 29 neutrones/(cm 2 ·s). En comparación, el flujo del reactor HFIR es 5 × 1015 neutrones/(cm 2 ·s). Se instaló un laboratorio exclusivo en el atolón de Enewetak para el análisis preliminar de los desechos, ya que algunos isótopos podrían haberse desintegrado cuando las muestras de desechos llegaron a los EE. UU. El laboratorio estaba recibiendo muestras para su análisis, lo antes posible, de aviones equipados con filtros de papel. que sobrevoló el atolón después de las pruebas. Si bien se esperaba descubrir nuevos elementos químicos más pesados ​​que el fermio, éstos no se encontraron después de una serie de explosiones de megatones realizadas entre 1954 y 1956 en el atolón. [26]

Rendimiento estimado de elementos transuránicos en las pruebas nucleares estadounidenses Hutch y Cyclamen. [27]

Los resultados atmosféricos se complementaron con los datos de pruebas subterráneas acumulados en la década de 1960 en el sitio de pruebas de Nevada , ya que se esperaba que explosiones poderosas realizadas en espacios confinados pudieran dar como resultado rendimientos mejorados e isótopos más pesados. Además de las tradicionales cargas de uranio, se han probado combinaciones de uranio con americio y torio, así como una carga mixta de plutonio y neptunio. Tuvieron menos éxito en términos de rendimiento, lo que se atribuyó a mayores pérdidas de isótopos pesados ​​debido al aumento de las tasas de fisión en cargas de elementos pesados. Se descubrió que el aislamiento de los productos era bastante problemático, ya que las explosiones estaban esparciendo escombros a través de rocas que se derretían y vaporizaban a una gran profundidad de 300 a 600 metros, y perforar a tal profundidad para extraer los productos era lento e ineficiente en términos de de los volúmenes recolectados. [26] [27]

Entre las nueve pruebas subterráneas, que se realizaron entre 1962 y 1969 y recibieron el nombre en código Anacostia (5,2 kilotones , 1962), Kennebec (<5 kilotones, 1963), Par (38 kilotones, 1964), Barbel (<20 kilotones, 1964), Tweed (<20 kilotones, 1965), Cyclamen (13 kilotones, 1966), Kankakee (20-200 kilotones, 1966), Vulcan (25 kilotones, 1966) y Hutch (20-200 kilotones, 1969), [ 28] el último Era el más poderoso y tenía el mayor rendimiento de elementos transuránicos. En función del número de masa atómica, el rendimiento mostró un comportamiento en dientes de sierra con los valores más bajos para los isótopos impares, debido a sus velocidades de fisión más altas. [27] Sin embargo, el principal problema práctico de toda la propuesta fue recolectar los desechos radiactivos dispersados ​​por la poderosa explosión. Los filtros de avión adsorbieron solo alrededor de 4 × 10-14 de la cantidad total y recolección de toneladas de corales en el atolón Enewetak aumentaron esta fracción en solo dos órdenes de magnitud. La extracción de unos 500 kilogramos de rocas subterráneas 60 días después de la explosión de Hutch recuperó sólo alrededor del 10 −7 de la carga total. La cantidad de elementos transuránicos en este lote de 500 kg era sólo 30 veces mayor que en una roca de 0,4 kg recogida 7 días después de la prueba. Esta observación demostró la dependencia altamente no lineal del rendimiento de elementos transuránicos en la cantidad de roca radiactiva recuperada. [29] Para acelerar la recolección de muestras después de la explosión, se perforaron pozos en el sitio no después sino antes de la prueba, de modo que la explosión expulsara el material radiactivo del epicentro, a través de los pozos, hasta los volúmenes de recolección cerca de la superficie. Este método fue probado en las pruebas de Anacostia y Kennebec y proporcionó instantáneamente cientos de kilogramos de material, pero con una concentración de actínidos 3 veces menor que en las muestras obtenidas después de la perforación; Si bien ese método podría haber sido eficaz en estudios científicos de isótopos de vida corta, no pudo mejorar la eficiencia general de recolección de los actínidos producidos. [30]

Aunque no se pudieron detectar nuevos elementos (aparte del einstenio y el fermio) en los restos de las pruebas nucleares, y los rendimientos totales de elementos transuránicos fueron decepcionantemente bajos, estas pruebas proporcionaron cantidades significativamente mayores de isótopos pesados ​​raros que los disponibles anteriormente en los laboratorios. Por ejemplo, 6 × 10Se pudieron recuperar 9 átomos de 257 Fm tras la detonación de Hutch. Luego se utilizaron en los estudios de fisión inducida por neutrones térmicos de 257 Fm y en el descubrimiento de un nuevo isótopo de fermio 258 Fm. Además, se sintetizó en grandes cantidadesel raro isótopo 250 Cm, que es muy difícil de producir en reactores nucleares a partir de su progenitor 249 Cm; la vida media de 249 cm (64 minutos) es demasiado corta para irradiaciones de reactores de meses de duración, pero es muy "larga" en la escala de tiempo de explosión. [31]

ocurrencia natural

Debido a la corta vida media de todos los isótopos del fermio, cualquier fermio primordial , es decir, el fermio que podría estar presente en la Tierra durante su formación, ya se ha desintegrado. La síntesis de fermio a partir de actínidos naturales de uranio y torio en la corteza terrestre requiere una captura múltiple de neutrones, lo cual es un evento extremadamente improbable. Por lo tanto, la mayor parte del fermio se produce en la Tierra en laboratorios científicos, reactores nucleares de alta potencia o en pruebas de armas nucleares , y está presente sólo unos meses después del momento de la síntesis. Los elementos transuránicos , desde el americio hasta el fermio, se encontraban de forma natural en el reactor de fisión nuclear natural de Oklo , pero ya no aparecen. [32]

Química

Una aleación de fermio- iterbio utilizada para medir la entalpía de vaporización del metal fermio.

La química del fermio solo se ha estudiado en solución utilizando técnicas de trazadores y no se han preparado compuestos sólidos. En condiciones normales, el fermio existe en solución como el ion Fm 3+ , que tiene un número de hidratación de 16,9 y una constante de disociación ácida de 1,6 × 10 −4 (p K a  = 3,8). [33] [34] Fm 3+ forma complejos con una amplia variedad de ligandos orgánicos con átomos donantes duros como el oxígeno, y estos complejos suelen ser más estables que los de los actínidos anteriores. [4] También forma complejos aniónicos con ligandos como cloruro o nitrato y, nuevamente, estos complejos parecen ser más estables que los formados por einstenio o californio . [35] Se cree que el enlace en los complejos de los actínidos posteriores es principalmente de carácter iónico : se espera que el ion Fm 3+ sea más pequeño que los iones An 3+ anteriores debido a la mayor carga nuclear efectiva del fermio, y por lo tanto, se esperaría que el fermio formara enlaces metal-ligando más cortos y más fuertes. [4]

El fermio (III) se puede reducir con bastante facilidad a fermio (II), [36] por ejemplo con cloruro de samario (II) , con el que coprecipita el fermio (II). [37] [38] En el precipitado, se produjo el compuesto cloruro de fermio (II) (FmCl 2 ), aunque no fue purificado ni estudiado de forma aislada. [39] Se ha estimado que el potencial del electrodo es similar al del par iterbio (III)/(II), o alrededor de −1,15 V con respecto al electrodo de hidrógeno estándar , [40] un valor que concuerda con los cálculos teóricos. [41] El par Fm 2+ /Fm 0 tiene un potencial de electrodo de −2,37(10) V según mediciones polarográficas . [42]

Toxicidad

Aunque pocas personas entran en contacto con el fermio, la Comisión Internacional de Protección Radiológica ha establecido límites de exposición anual para los dos isótopos más estables. Para el fermio-253, el límite de ingestión se fijó en 10 7 becquerelios (1 Bq equivale a una desintegración por segundo) y el límite de inhalación en 10 5 Bq; para el fermio-257, a 10 5 Bq y 4.000 Bq respectivamente. [43]

notas y referencias

Notas

  1. ^ La densidad se calcula a partir del radio metálico previsto (Silva 2006, p. 1628) y la estructura cristalina compacta prevista (Fournier 1976).
  2. ^ El descubrimiento de 260 Fm se considera "no probado" en N UBASE  2003. [15]
  3. ^ Todos los isótopos de los elementos Z> 100 solo pueden producirse mediante reacciones nucleares basadas en aceleradores con partículas cargadas y solo pueden obtenerse en cantidades traza (por ejemplo, 1 millón de átomos para Md ( Z  = 101) por hora de irradiación (ver Silva 2006 ).

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