El prometio es un elemento químico ; tiene símbolo Pm y número atómico 61. Todos sus isótopos son radiactivos ; es extremadamente raro, ya que sólo entre 500 y 600 gramos se encuentran naturalmente en la corteza terrestre en un momento dado. El prometio es uno de los dos únicos elementos radiactivos seguidos en la tabla periódica por elementos con formas estables, siendo el otro el tecnecio . Químicamente, el prometio es un lantánido . El prometio muestra solo un estado de oxidación estable de +3.
En 1902, Bohuslav Brauner sugirió que existía un elemento entonces desconocido con propiedades intermedias entre las de los elementos conocidos neodimio (60) y samario (62); esto fue confirmado en 1914 por Henry Moseley , quien, después de medir los números atómicos de todos los elementos entonces conocidos, descubrió que faltaba el número atómico 61. En 1926, dos grupos (uno italiano y otro estadounidense) afirmaron haber aislado una muestra del elemento 61; Pronto se demostró que ambos "descubrimientos" eran falsos. En 1938, durante un experimento nuclear realizado en la Universidad Estatal de Ohio , se produjeron algunos nucleidos radiactivos que ciertamente no eran radioisótopos de neodimio o samario, pero faltaban pruebas químicas de que se produjera el elemento 61, y el descubrimiento no fue generalmente reconocido. . El prometio se produjo y caracterizó por primera vez en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en 1945 mediante la separación y análisis de los productos de fisión del combustible de uranio irradiado en un reactor de grafito. Los descubridores propusieron el nombre "prometheum" (la ortografía fue cambiada posteriormente), derivado de Prometeo , el titán de la mitología griega que robó el fuego del Monte Olimpo y lo hizo descender a los humanos, para simbolizar "tanto la audacia como el posible mal uso de la humanidad". intelecto". Sin embargo, no se fabricó una muestra del metal hasta 1963.
Las dos fuentes de prometio natural son las raras desintegraciones alfa del europio natural -151 (que producen prometio-147) y la fisión espontánea del uranio (varios isótopos). El prometio-145 es el isótopo de prometio más estable, pero el único isótopo con aplicaciones prácticas es el prometio-147, cuyos compuestos químicos se utilizan en pinturas luminosas , baterías atómicas y dispositivos de medición de espesores. Debido a que el prometio natural es extremadamente escaso, normalmente se sintetiza bombardeando uranio-235 ( uranio enriquecido ) con neutrones térmicos para producir prometio-147 como producto de fisión .
Un átomo de prometio tiene 61 electrones, dispuestos en la configuración [ Xe ] 4f 5 6s 2 . Los siete electrones 4f y 6s son de valencia . [5] Al formar compuestos, el átomo pierde sus dos electrones más externos y uno de los electrones 4f, que pertenece a una subcapa abierta. El radio atómico del elemento es el segundo más grande entre todos los lantánidos, pero es sólo ligeramente mayor que el de los elementos vecinos. [5] Es la excepción más notable a la tendencia general de la contracción de los átomos de lantánidos con el aumento de sus números atómicos (ver contracción de los lantánidos [6] ). Muchas propiedades del prometio dependen de su posición entre los lantánidos y son intermedias entre las del neodimio y el samario. Por ejemplo, el punto de fusión, las tres primeras energías de ionización y la energía de hidratación son mayores que las del neodimio e inferiores a las del samario; [5] de manera similar, la estimación del punto de ebullición, el radio iónico (Pm 3+ ) y el calor estándar de formación del gas monoatómico son mayores que los del samario y menores que los del neodimio. [5]
El prometio tiene una estructura doble hexagonal compacta (dhcp) y una dureza de 63 kg/mm 2 . [7] Esta forma alfa de baja temperatura se convierte en una fase beta cúbica centrada en el cuerpo (bcc) al calentarse a 890 °C. [8]
El prometio pertenece al grupo de los lantánidos del cerio y es químicamente muy similar a los elementos vecinos. [9] Debido a su inestabilidad, los estudios químicos del prometio están incompletos. Aunque se han sintetizado algunos compuestos, no se han estudiado completamente; en general, suelen ser de color rosado o rojo. [10] [11] En mayo de 2024, se caracterizó en solución acuosa un complejo de coordinación de prometio con ligandos neutros de PyDGA. [12] El tratamiento de soluciones ácidas que contienen iones Pm 3+ con amoníaco da como resultado un sedimento gelatinoso de hidróxido de color marrón claro, Pm(OH) 3 , que es insoluble en agua. [13] Cuando se disuelve en ácido clorhídrico , se produce una sal amarilla soluble en agua, PmCl 3 ; [13] de manera similar, cuando se disuelve en ácido nítrico, se produce un nitrato, Pm(NO 3 ) 3 . Este último también es bien soluble; cuando se seca, forma cristales rosados, similares al Nd(NO 3 ) 3 . [13] La configuración electrónica de Pm 3+ es [Xe] 4f 4 y el color del ion es rosa. El símbolo del término del estado fundamental es 5 I 4 . [14] El sulfato es ligeramente soluble, como los otros sulfatos del grupo del cerio. Se han calculado los parámetros celulares para su octahidrato; llevan a la conclusión de que la densidad de Pm 2 (SO 4 ) 3 ·8H 2 O es 2,86 g/cm 3 . [15] El oxalato, Pm 2 (C 2 O 4 ) 3 ·10H 2 O , tiene la solubilidad más baja de todos los oxalatos de lantánidos. [dieciséis]
A diferencia del nitrato, el óxido es similar a la correspondiente sal de samario y no a la sal de neodimio. Una vez sintetizado, por ejemplo calentando el oxalato, se obtiene un polvo blanco o de color lavanda con una estructura desordenada. [13] Este polvo cristaliza en una red cúbica al calentarlo a 600 °C. Un recocido adicional a 800 °C y luego a 1750 °C lo transforma irreversiblemente en fases monoclínica y hexagonal , respectivamente, y las dos últimas fases se pueden interconvertir ajustando el tiempo y la temperatura de recocido. [17]
El prometio forma sólo un estado de oxidación estable, +3, en forma de iones; esto está en línea con otros lantánidos. Según su posición en la tabla periódica , no se puede esperar que el elemento forme estados de oxidación estables +4 o +2; El tratamiento de compuestos químicos que contienen iones Pm 3+ con agentes oxidantes o reductores fuertes demostró que el ion no se oxida ni se reduce fácilmente. [9]
El prometio es el único lantánido y uno de los dos únicos elementos entre los primeros 82 sin isótopos estables o de larga vida ( primordiales ). Esto es el resultado de un efecto que rara vez ocurre del modelo de gota de líquido y la estabilidad de los isótopos de elementos vecinos; también es el elemento menos estable de los primeros 84. [4] Los productos de desintegración primarios son los isótopos de neodimio y samario (el prometio-146 se desintegra en ambos, los isótopos más ligeros generalmente en neodimio a través de la desintegración de positrones y la captura de electrones , y los isótopos más pesados en samario mediante desintegración beta). Los isómeros nucleares de prometio pueden descomponerse en otros isótopos de prometio y un isótopo ( 145 Pm) tiene un modo de desintegración alfa muy raro hasta praseodimio estable -141. [4]
El isótopo más estable del elemento es el prometio-145, que tiene una actividad específica de 139 Ci / g (5,1 TBq /g) y una vida media de 17,7 años mediante captura de electrones . [4] [19] Debido a que tiene 84 neutrones (dos más que 82, que es un número mágico que corresponde a una configuración estable de neutrones), puede emitir una partícula alfa (que tiene 2 neutrones) para formar praseodimio-141 con 82. neutrones. Por tanto, es el único isótopo de prometio con una desintegración alfa observada experimentalmente . [20] Su vida media parcial para la desintegración alfa es de aproximadamente 6,3 × 109 años, y la probabilidad relativa de que un núcleo de 145 Pm se desintegre de esta manera es 2,8 × 10−7 %. Varios otros isótopos de prometio, como 144 Pm, 146 Pm y 147 Pm, también liberan energía positiva para la desintegración alfa; Se predice que ocurrirán sus desintegraciones alfa, pero no se han observado. En total, se conocen 41 isótopos de prometio, que van desde 126 Pm hasta 166 Pm. [4] [21]
El elemento también tiene 18 isómeros nucleares, con números de masa de 133 a 142, 144, 148, 149, 152 y 154 (algunos números de masa tienen más de un isómero). El más estable de ellos es el prometio-148m, con una vida media de 43,1 días; esto es más largo que la vida media de los estados fundamentales de todos los isótopos de prometio, excepto el prometio-143 a 147. De hecho, el prometio-148m tiene una vida media más larga que su estado fundamental, el prometio-148. [4]
En 1934, Willard Libby informó que había encontrado una débil actividad beta en el neodimio puro, a lo que se le atribuyó una vida media de más de 10 a 12 años. [22] Casi 20 años después, se afirmó que el elemento se encuentra en el neodimio natural en equilibrio en cantidades inferiores a 10 −20 gramos de prometio por un gramo de neodimio. [22] Sin embargo, estas observaciones fueron refutadas por investigaciones más recientes, porque para los siete isótopos de neodimio naturales, cualquier desintegración beta (que puede producir isótopos de prometio) está prohibida por conservación de energía. [23] En particular, mediciones cuidadosas de las masas atómicas muestran que la diferencia de masa entre 150 Nd y 150 Pm es negativa (−87 keV), lo que evita absolutamente la desintegración beta única de 150 Nd a 150 Pm. [24]
En 1965, Olavi Erämetsä separó trazas de 147 Pm de un concentrado de tierras raras purificado a partir de apatita , lo que dio como resultado un límite superior de 10 −21 para la abundancia de prometio en la naturaleza; esto puede haber sido producido por la fisión nuclear natural del uranio o por espalación de rayos cósmicos de 146 Nd. [25]
Ambos isótopos del europio natural tienen excesos de masa mayores que la suma de los de sus hijas alfa potenciales más la de una partícula alfa; por lo tanto, (estables en la práctica) pueden desintegrarse alfa a prometio. [26] La investigación en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso mostró que el europio-151 se descompone en prometio-147 con una vida media de 5 × 1018 años. [26] Se ha demostrado que el europio es "responsable" de unos 12 gramos de prometio en la corteza terrestre. [26] Aún no se han encontrado desintegraciones alfa del europio-153, y su vida media calculada teóricamente es tan alta (debido a la baja energía de desintegración) que este proceso probablemente no se observará en un futuro próximo.
El prometio también puede formarse en la naturaleza como producto de la fisión espontánea del uranio-238 . [22] Sólo se pueden encontrar trazas en minerales naturales: se ha descubierto que una muestra de pechblenda contiene prometio en una concentración de cuatro partes por quintillón (4 × 10−18 ) en masa. [27] El uranio es, pues, "responsable" de 560 g de prometio en la corteza terrestre . [26]
El prometio también ha sido identificado en el espectro de la estrella HR 465 en Andrómeda ; también se ha encontrado en HD 101065 ( estrella de Przybylski ) y HD 965. [28] Debido a la corta vida media de los isótopos de prometio, deberían formarse cerca de la superficie de esas estrellas. [19]
En 1902, el químico checo Bohuslav Brauner descubrió que las diferencias en las propiedades entre el neodimio y el samario eran las mayores entre dos lantánidos consecutivos en la secuencia conocida entonces; como conclusión, sugirió que existía un elemento con propiedades intermedias entre ellos. [29] Esta predicción fue apoyada en 1914 por Henry Moseley quien, después de haber descubierto que el número atómico era una propiedad de los elementos medible experimentalmente, encontró que algunos números atómicos no tenían elementos correspondientes conocidos: los espacios eran 43, 61, 72, 75, 85 y 87. [30] Con el conocimiento de un vacío en la tabla periódica, varios grupos comenzaron a buscar el elemento predicho entre otras tierras raras en el entorno natural. [31] [32] [33]
La primera afirmación de un descubrimiento fue publicada por Luigi Rolla y Lorenzo Fernandes de Florencia , Italia. Después de separar una mezcla de concentrado de nitrato de algunos elementos de tierras raras del mineral brasileño monacita mediante cristalización fraccionada, produjeron una solución que contiene principalmente samario. Esta solución dio espectros de rayos X atribuidos al samario y al elemento 61. En honor a su ciudad, llamaron al elemento 61 "florentium". Los resultados se publicaron en 1926, pero los científicos afirmaron que los experimentos se realizaron en 1924. [34] [35] [36] [37] [38] [39] También en 1926, un grupo de científicos de la Universidad de Illinois En Urbana-Champaign , Smith Hopkins y Len Yntema publicaron el descubrimiento del elemento 61. Lo llamaron "illinium", en honor a la universidad. [40] [41] [42] Se demostró que ambos descubrimientos informados eran erróneos porque la línea del espectro que "correspondía" al elemento 61 era idéntica a la del didimio ; las líneas que se pensaba pertenecían al elemento 61 resultaron pertenecer a unas pocas impurezas (bario, cromo y platino). [31]
En 1934, Josef Mattauch finalmente formuló la regla de las isobaras . Una de las consecuencias indirectas de esta regla fue que el elemento 61 no podía formar isótopos estables. [31] [43] A partir de 1938, HB Law et al. llevaron a cabo un experimento nuclear. en la Universidad Estatal de Ohio . En 1941 se produjeron nucleidos que no eran radioisótopos de neodimio o samario, y se propuso el nombre "ciclonio", pero faltaron pruebas químicas de que se produjo el elemento 61 y el descubrimiento no fue ampliamente reconocido. [44] [45]
El prometio fue producido y caracterizado por primera vez en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (Laboratorios Clinton en ese momento) en 1945 por Jacob A. Marinsky , Lawrence E. Glendenin y Charles D. Coryell mediante la separación y el análisis de los productos de fisión del combustible de uranio irradiado en el grafito. reactor ; sin embargo, al estar demasiado ocupados con investigaciones relacionadas con el ejército durante la Segunda Guerra Mundial , no anunciaron su descubrimiento hasta 1947. [46] [47] El nombre propuesto original era "clintonio", en honor al laboratorio donde se realizó el trabajo; sin embargo, el nombre "prometheum" fue sugerido por Grace Mary Coryell, la esposa de uno de los descubridores. [44] Se deriva de Prometeo , el Titán de la mitología griega que robó el fuego del Monte Olimpo y lo trajo a los humanos [44] y simboliza "tanto la audacia como el posible mal uso del intelecto de la humanidad". [48] La ortografía se cambió luego a "prometio", ya que estaba de acuerdo con la mayoría de los otros metales. [44]
En 1963, se utilizó fluoruro de prometio (III) para fabricar prometio metálico. Provisionalmente purificado de impurezas de samario, neodimio y americio, se puso en un crisol de tantalio que estaba ubicado en otro crisol de tantalio; el crisol exterior contenía litio metálico (un exceso de 10 veces en comparación con el prometio). [10] [16] Después de crear un vacío, los productos químicos se mezclaron para producir prometio metálico:
La muestra de prometio producida se utilizó para medir algunas de las propiedades del metal, como su punto de fusión . [dieciséis]
En 1963, se utilizaron métodos de intercambio iónico en ORNL para preparar unos diez gramos de prometio a partir de desechos del procesamiento de combustible de reactores nucleares. [19] [49] [50]
El prometio puede recuperarse de los subproductos de la fisión del uranio o producirse bombardeando 146 Nd con neutrones , convirtiéndolo en 147 Nd, que se desintegra en 147 Pm mediante desintegración beta con una vida media de 11 días. [51]
Los métodos de producción de los diferentes isótopos varían y sólo se dan los del prometio-147 porque es el único isótopo con aplicaciones industriales. El prometio-147 se produce en grandes cantidades (en comparación con otros isótopos) bombardeando uranio-235 con neutrones térmicos. La producción es relativamente alta, el 2,6% del producto total. [52] Otra forma de producir prometio-147 es mediante neodimio-147, que se descompone en prometio-147 con una vida media corta. El neodimio-147 se puede obtener bombardeando neodimio-146 enriquecido con neutrones térmicos [53] o bombardeando un objetivo de carburo de uranio con protones energéticos en un acelerador de partículas. [54] Otro método consiste en bombardear uranio-238 con neutrones rápidos para provocar una fisión rápida que, entre múltiples productos de reacción, crea prometio-147. [55]
Ya en la década de 1960, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge podía producir 650 gramos de prometio al año [56] y era la única instalación de síntesis de gran volumen del mundo. [57] La producción de prometio a escala de gramos se interrumpió en los EE. UU. a principios de la década de 1980, pero posiblemente se reanudará después de 2010 en el reactor de isótopos de alto flujo . [ necesita actualización ] En 2010, Rusia era el único país que producía prometio-147 a una escala relativamente grande. [53]
Sólo el prometio-147 tiene usos fuera de los laboratorios. [44] Se obtiene como óxido o cloruro, [58] en cantidades de miligramos. [44] Este isótopo tiene una vida media relativamente larga, no emite rayos gamma y su radiación tiene una profundidad de penetración relativamente pequeña en la materia. [58]
Algunas luces de señalización utilizan una pintura luminosa que contiene fósforo que absorbe la radiación beta emitida por el prometio-147 y emite luz. [19] [44] Este isótopo no provoca el envejecimiento del fósforo, como lo hacen los emisores alfa, [58] y por lo tanto la emisión de luz es estable durante algunos años. [58] Originalmente, se usaba radio -226 para este propósito, pero luego fue reemplazado por prometio-147 y tritio (hidrógeno-3). [59] El prometio puede verse favorecido sobre el tritio para la seguridad nuclear . [60]
En las baterías atómicas , las partículas beta emitidas por el prometio-147 se convierten en corriente eléctrica intercalando una pequeña fuente de prometio entre dos placas semiconductoras. Estas baterías tienen una vida útil de unos cinco años. [11] [19] [44] La primera batería a base de prometio se ensambló en 1964 y generó "unos pocos milivatios de energía a partir de un volumen de aproximadamente 2 pulgadas cúbicas, incluido el blindaje". [61]
El prometio también se utiliza para medir el espesor de materiales midiendo la cantidad de radiación de una fuente de prometio que pasa a través de la muestra. [19] [10] [62] Tiene posibles usos futuros en fuentes portátiles de rayos X y como fuente auxiliar de calor o energía para sondas espaciales y satélites [63] (aunque el emisor alfa plutonio-238 se ha convertido en estándar para la mayoría de los satélites espaciales). -usos relacionados con la exploración). [64]
El prometio-147 también se utiliza, aunque en cantidades muy pequeñas (menos de 330 nCi), en algunos interruptores incandescentes Philips CFL (lámpara fluorescente compacta) de la gama CFL PLC de 22 W/28 W y 15 mm. [sesenta y cinco]
El elemento no tiene ningún papel biológico. El prometio-147 puede emitir rayos gamma, que son peligrosos para todas las formas de vida, durante su desintegración beta . [66] Las interacciones con pequeñas cantidades de prometio-147 no son peligrosas si se observan ciertas precauciones. [67] En general, se deben utilizar guantes, cubrezapatos, gafas de seguridad y una capa exterior de ropa protectora que se pueda quitar fácilmente. [68]
No se sabe qué órganos humanos se ven afectados por la interacción con prometio; un posible candidato son los tejidos óseos . [68] El prometio-147 sellado no es peligroso. Sin embargo, si el embalaje está dañado, el prometio se vuelve peligroso para el medio ambiente y para los seres humanos. Si se encuentra contaminación radiactiva , se debe lavar el área contaminada con agua y jabón, pero, aunque el prometio afecta principalmente a la piel, no se debe raspar la piel. Si se encuentra una fuga de prometio, el área debe identificarse como peligrosa y evacuarse, y se debe contactar a los servicios de emergencia. No se conocen peligros derivados del prometio aparte de la radiactividad. [68]
