El torio es un elemento químico . Tiene el símbolo Th y el número atómico 90. El torio es un metal plateado ligero débilmente radiactivo que se vuelve gris oliva cuando se expone al aire, formando dióxido de torio ; es moderadamente suave y maleable y tiene un alto punto de fusión . El torio es un actínido electropositivo cuya química está dominada por el estado de oxidación +4 ; es bastante reactivo y puede encenderse en el aire cuando está finamente dividido.
Todos los isótopos de torio conocidos 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 mediante desintegración alfa , iniciando una cadena de desintegración denominada serie de torio que termina en 208 Pb estable . En la Tierra, el torio y el uranio son los únicos elementos sin isótopos estables o casi estables que todavía se encuentran naturalmente en grandes cantidades como elementos primordiales . [a] Se estima que el torio es 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 le puso el nombre de 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 preocupaciones sobre su radiactividad.
El torio todavía se utiliza como elemento de aleación en los electrodos de soldadura TIG , pero poco a poco se está reemplazando en el campo con diferentes composiciones. También fue material en óptica de alta gama e instrumentación científica, utilizado en algunos tubos de vacío de transmisión 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 fortalecer el magnesio , recubrir alambre de tungsteno en equipos eléctricos, controlar el tamaño del grano de tungsteno en lámparas eléctricas , crisoles de alta temperatura y vasos, incluidas lentes de cámaras e instrumentos científicos. Otros usos del torio incluyen cerámicas resistentes al calor, motores de aviones y bombillas . Las ciencias oceánicas han utilizado proporciones de isótopos 231 Pa / 230 Th para comprender el océano antiguo. [8]
El torio es un metal actínido radiactivo plateado brillante, paramagnético , 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 debajo del cerio . El torio puro es muy dúctil y, como es normal en los metales, puede ser laminado en frío , estampado y estirado . [9] A temperatura ambiente, el torio metálico tiene una estructura cristalina cúbica centrada en la cara ; 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 ). [9]
El torio metálico tiene un módulo de volumen (una medida de resistencia a la compresión de un material) de 54 GPa , aproximadamente el mismo que el del estaño (58,2 GPa). El del aluminio es 75,2 GPa; el cobre, 137,8 GPa; y el del acero dulce es de 160 a 169 GPa. [10] El torio es tan duro como el acero blando , por lo que cuando se calienta se puede enrollar en láminas y convertirlo en alambre. [11]
El torio es casi la mitad de denso que el uranio y el plutonio y es más duro que ambos. [11] Se vuelve superconductor por debajo de 1,4 K. [9] El punto de fusión del torio de 1750 °C está por encima tanto del actinio (1227 °C) como del protactinio (1568 °C). Al inicio del período 7 , del francio al torio, los puntos de fusión de los elementos aumentan (como en otros períodos), porque el número de electrones deslocalizados que aporta cada átomo aumenta de uno en el francio a cuatro en el torio, lo que genera una mayor atracción entre ellos. estos electrones y los iones metálicos a medida que su carga aumenta de uno a cuatro. Después del torio, hay una nueva tendencia a la baja 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 a la formación de orbitales direccionales. enlaces que resultan en estructuras cristalinas más complejas y enlaces metálicos debilitados. [11] [12] (El recuento de electrones f del torio metálico no es un número entero debido a una superposición 5f-6d.) [12] 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; sólo el actinio es más claro. 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 según el grado de impurezas de la muestra. La impureza principal suele ser dióxido de torio ( ThO 2 ); Incluso las muestras de torio más puras suelen contener alrededor de una décima parte del porcentaje de dióxido. [9] Las mediciones experimentales de su densidad dan valores entre 11,5 y 11,66 g/cm 3 : son ligeramente inferiores al valor teóricamente esperado de 11,7 g/cm 3 calculado a partir de los parámetros de la red del torio , tal vez debido a los huecos microscópicos que se forman en el metal cuando está fundido. [9] 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 en los primeros actínidos. [9]
El torio puede formar aleaciones con muchos otros metales. La adición de pequeñas proporciones de torio mejora la resistencia mecánica del magnesio , y las aleaciones de torio-aluminio se han considerado como una forma de almacenar torio en 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. [9]
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, desde el polonio (elemento 84) en adelante, son cuantificablemente radiactivos . 232 Th es uno de los dos nucleidos además del bismuto (el otro es 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 un poco más que la edad del universo . Cuatro quintas partes del torio presente en la formación de la Tierra han sobrevivido hasta el presente. [14] [15] [16] 232 Th es el único isótopo de torio que se encuentra en cantidad en la naturaleza. [14] Su estabilidad se atribuye a su subcapa nuclear cerrada con 142 neutrones. [17] [18] El torio tiene una composición isotópica terrestre característica, con peso atómico 232,0377 ± 0,0004 . [2] Es uno de los cuatro elementos radiactivos (junto con bismuto, protactinio y uranio) que se encuentran en cantidades suficientemente grandes en la Tierra para 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. [19] La desintegración alfa de 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 le llama serie del torio en honor a su progenitor). Esta cadena de desintegraciones alfa y beta consecutivas comienza con la desintegración de 232 Th a 228 Ra y termina en 208 Pb. [14] Cualquier muestra de torio o sus compuestos contiene trazas de estos hijos, que son isótopos de talio , plomo , bismuto, polonio, radón , radio y actinio. [14] Las muestras de torio natural se pueden purificar químicamente para extraer nucleidos hijos útiles, como el 212 Pb, que se utiliza en medicina nuclear para la terapia del cáncer . [20] [21] El 227 Th (emisor alfa con una vida media de 18,68 días) también se puede utilizar en tratamientos contra el cáncer, como las terapias alfa dirigidas . [22] [23] [24] 232 Th también sufre muy ocasionalmente fisión espontánea en lugar de desintegración alfa, y ha dejado evidencia de hacerlo en sus minerales (como gas xenón atrapado formado como producto de fisión), pero la vida media parcial La duración de este proceso es muy grande, entre 10 y 21 años, y predomina la desintegración alfa. [25] [26]
En total, se han caracterizado 32 radioisótopos , cuyo número másico oscila entre 207 [27] y 238. [25] Después de 232 Th, los más estables (con sus respectivas vidas medias) son 230 Th (75.380 años), 229 Th (7.917 años), 228 Th (1,92 años), 234 Th (24,10 días) y 227 Th (18,68 días). Todos estos isótopos se encuentran en la naturaleza como trazas de radioisótopos debido a su presencia en las cadenas de desintegración de 232 Th, 235 U, 238 U y 237 Np : el último de ellos se extinguió hace mucho 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 minerales de uranio. Todos los isótopos de torio restantes tienen vidas medias inferiores a treinta días y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a diez minutos. [14] El 233 Th (vida media de 22 minutos) se produce naturalmente como resultado de la activación neutrónica del 232 Th natural . [28]
En aguas profundas el isótopo 230 Th constituye hasta0,02% de torio natural. [6] Esto se debe a que su padre 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 descendientes del 238 U. [25] Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) reclasificó el torio como elemento binuclídico en 2013; antiguamente se había considerado un elemento mononucleido . [29]
El torio tiene tres isómeros nucleares conocidos (o estados metaestables), 216m1 Th, 216m2 Th y 229m Th. 229m Th tiene la energía de excitación más baja conocida de cualquier isómero, [30] medida como7,6 ± 0,5 eV . Esta es tan baja que cuando sufre una transición isomérica , la radiación gamma emitida está en el rango ultravioleta . [31] [32] [c] La transición nuclear de 229 Th a 229 m Th se está investigando para un reloj nuclear . [32]
Los diferentes isótopos de 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/cm3. 3 . [34] 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. [34] [d] 232 Th no es fisionable, pero es fértil ya que puede convertirse en 233 U fisible mediante captura de neutrones y posterior desintegración beta. [34] [35]
Dos métodos de datación radiométrica involucran isótopos de torio: la datación con uranio-torio , basada en la desintegración de 234 U a 230 Th, y la datación con ionio-torio , que mide la proporción de 232 Th a 230 Th. [e] Estos se basan en el hecho de que el 232 Th es un radioisótopo primordial, pero el 230 Th solo ocurre como un producto de desintegración intermedio en la cadena de desintegración del 238 U. [36] La datación con uranio-torio es un proceso de alcance relativamente corto debido a las vidas medias cortas de 234 U y 230 Th en relación con la edad de la Tierra: también va acompañada de un proceso hermano que implica la desintegración alfa de 235 U en 231 Th, que muy rápidamente se convierte en el 231 Pa de vida más larga , y Este proceso se utiliza a menudo para comprobar los resultados de la datación con uranio-torio. La datación con uranio-torio se utiliza comúnmente para determinar la edad de materiales de carbonato de calcio como los espeleotemas o los corales , porque el uranio es más soluble en agua que el torio y el protactinio, que se precipitan selectivamente en los sedimentos del fondo del océano , donde se miden sus proporciones. El esquema tiene una duración de varios cientos de miles de años. [36] [37] La datación con ionio-torio es un proceso relacionado, que aprovecha la insolubilidad del torio (tanto 232 Th como 230 Th) y, por lo tanto, su presencia en los sedimentos oceánicos para datar estos sedimentos midiendo la proporción de 232 Th a 230 Th . . [38] [39] Ambos métodos de datación suponen que la proporción de 230 Th a 232 Th es una constante durante el período en que se formó la capa de sedimento, que el sedimento no contenía torio antes de las contribuciones de la desintegración del uranio, y que el torio no puede migrar dentro de la capa de sedimento. [38] [39]
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. [40] A pesar de la posición del torio en el bloque f de la tabla periódica, tiene una configuración electrónica anómala [Rn]6d 2 7s 2 en el estado fundamental, ya que las subcapas 5f y 6d en los primeros actínidos tienen energías muy similares. 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 cercanía en 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 de +4. Esto es diferente de su congénere lantánido cerio, en el que +4 también es el estado más alto posible, pero +3 juega un papel importante y es más estable. El torio se parece mucho más a los metales de transición circonio y hafnio que al cerio en sus energías de ionización y potenciales redox y, por tanto, también en su química: este comportamiento similar al de los metales de transición es la norma en la primera mitad de la serie de actínidos, desde actinio a americio. [41] [42] [43]
A pesar de la configuración electrónica anómala de los átomos de torio gaseosos, el torio metálico muestra una participación significativa del 5f. Un estado metálico hipotético de torio que tuviera la configuración [Rn]6d 2 7s 2 con los orbitales 5f por encima del nivel de Fermi debería ser hexagonal compacto como los elementos del grupo 4 titanio, circonio y hafnio, y no cúbico centrado en las caras como en realidad es. La estructura cristalina real sólo puede explicarse cuando se invocan los estados 5f, lo que demuestra que el torio es metalúrgicamente un verdadero actínido. [12]
Los compuestos de torio tetravalentes suelen ser incoloros o amarillos, como los de la plata o el plomo, ya que el ion Th 4+ no tiene electrones 5f o 6d. [11] 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. [44] [f] El torio y el uranio son los elementos radiactivos más investigados porque su radiactividad es lo suficientemente baja como para no requerir un manejo especial en el laboratorio. [45]
El torio es un metal altamente reactivo y electropositivo. Con un potencial de reducción estándar de −1,90 V para el par Th 4+ /Th, es algo más electropositivo que el circonio o el aluminio. [46] El torio metálico finamente dividido puede exhibir piroforicidad , encendiéndose espontáneamente en el aire. [9] Cuando se calientan en el aire, las virutas de torio se encienden y arden con una luz blanca brillante para producir 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. [9] Estas muestras se empañan lentamente, volviéndose grises y finalmente negras en la superficie. [9]
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. [9] [47] Se disuelve en ácido nítrico concentrado que contiene una pequeña cantidad de fluoruro catalítico o iones de fluorosilicato ; [9] [48] si no están presentes, puede ocurrir pasivación por el nitrato, como ocurre con el uranio y el plutonio. [9] [49] [50]
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La mayoría de los compuestos binarios de torio con no metales se pueden preparar calentando los elementos juntos. [51] En el aire, el torio se quema para formar ThO 2 , que tiene la estructura de fluorita . [52] El dióxido de torio es un material refractario , con el punto de fusión más alto (3390 °C) de cualquier óxido conocido. [53] Es algo higroscópico y reacciona fácilmente con agua y muchos gases; [54] se disuelve fácilmente en ácido nítrico concentrado en presencia de fluoruro. [55]
Cuando se calienta en el aire, el dióxido de torio emite una intensa luz azul; la luz se vuelve blanca cuando el ThO 2 se mezcla con su homólogo más ligero, dióxido de cerio ( CeO 2 , ceria): esta es la base de su aplicación hasta ahora común en mantos de gas . [54] No es necesaria una llama para este efecto: en 1901, se descubrió que un manto de gas Welsbach caliente (usando ThO 2 con 1% de CeO 2 ) permanecía en "pleno brillo" cuando se exponía a una mezcla fría sin encender de gas inflamable. [ ¿cual? ] y aire. [56] La luz emitida por el dióxido de torio tiene una longitud de onda mayor que la emisión del cuerpo negro esperada por la incandescencia a la misma temperatura, un efecto llamado candoluminiscencia . Ocurre porque ThO 2 : Ce actúa como catalizador de la recombinación de radicales libres que aparecen en alta concentración en una llama, cuya desexcitación libera grandes cantidades de energía. La adición de un 1% de dióxido de cerio, como en los mantos de gas, intensifica el efecto al aumentar la emisividad en la región visible del espectro; pero debido a que el cerio, a diferencia del torio, puede ocurrir en múltiples estados de oxidación, su carga y, por lo tanto, su emisividad visible dependerá de la región de la llama en la que se encuentra (ya que dichas regiones varían en su composición química y, por lo tanto, en qué tan oxidantes o reductores son). . [56]
También se conocen varios calcogenuros y oxicalcogenuros de torio binarios con azufre , selenio y telurio . [57]
Se conocen los cuatro tetrahaluros de torio, al igual que algunos bromuros y yoduros de baja valencia: [58] los tetrahaluros son compuestos higroscópicos de 8 coordinaciones que se disuelven fácilmente en disolventes polares como el agua. [59] También se conocen muchos iones polihaluro relacionados. [58] 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 . [58] Los otros tetrahaluros, en cambio, tienen geometría dodecaédrica. [59] 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) ni Th(II), sino Th 4+. y podrían formularse más claramente como compuestos electridos . [58] Muchos haluros polinarios con metales alcalinos, bario , talio y amonio son conocidos por fluoruros, cloruros y bromuros de torio. [58] 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 ] (potasio hexafluorotorato(IV)). [48]
Los boruros, carburos, siliciuros y nitruros de torio son materiales refractarios, como los del uranio y el plutonio, y por ello han recibido atención como posibles combustibles nucleares . [51] Los cuatro pnictógenos más pesados ( fósforo , arsénico , antimonio y bismuto) también forman compuestos binarios de torio. También se conocen germanidas de torio. [60] El torio reacciona con el 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 a 8 K; a temperatura y presión estándar, conduce la electricidad como un metal. [61] Los hidruros son térmicamente inestables y se descomponen fácilmente al exponerse al aire o la humedad. [62]
En una solución acuosa ácida, el torio se presenta como el ion agua tetrapositivo [Th(H 2 O) 9 ] 4+ , que tiene una geometría molecular prismática trigonal triple : [63] [64] a pH < 3, las soluciones de sales de torio son dominado por este catión. [63] 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. [63] 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 el 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 normalmente se ralentiza antes de la precipitación). [65] Como ácido de Lewis duro , Th 4+ favorece los ligandos duros con átomos de oxígeno como donantes: los complejos con átomos de azufre como donantes son menos estables y más propensos a la hidrólisis. [41]
Los números de coordinación altos son la regla para el torio debido a su gran tamaño. El nitrato de torio pentahidratado fue el primer ejemplo conocido del número de coordinación 11, el oxalato tetrahidratado tiene el número de coordinación 10 y el borohidruro (preparado por primera vez en el Proyecto Manhattan ) tiene el número de coordinación 14. [65] Estas sales de torio son conocidas por su alta solubilidad en agua y disolventes orgánicos polares. [11]
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. [66] Son importantes en la purificación del torio y la eliminación de desechos nucleares, pero la mayoría de ellos aún no se han caracterizado completamente, especialmente en lo que respecta a sus propiedades estructurales. [66] 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. [66] 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 generalmente ocurren en concentraciones de órdenes de magnitud superiores a las de los complejos inorgánicos, incluso cuando las concentraciones de ligandos inorgánicos son mucho mayores que las de los ligandos orgánicos. [63]
En enero de 2021, se observó la aromaticidad en un gran anión de grupo metálico que consta de 12 átomos de bismuto estabilizados por un catión de torio central. [67] 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 organotorios se ha centrado en los complejos de ciclopentadienilo y ciclooctatetraenilos . Como muchos de los actínidos tempranos y medios (hasta el americio , y también esperado para el curio ), el torio forma un complejo ciclooctatetraenido: el Th(C 8 H 8 ) 2 amarillo , toroceno . Es isotípico con el compuesto de uranio análogo más conocido, el uranoceno . [68] Puede prepararse haciendo reaccionar K 2 C 8 H 8 con tetracloruro de torio en tetrahidrofurano (THF) a la temperatura de hielo seco , o haciendo reaccionar tetrafluoruro de torio con MgC 8 H 8 . [68] Es inestable en el aire y se descompone en agua o a 190 °C. [68] 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. [41]
Los ciclopentadienilos más simples 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) es un raro ejemplo de torio en el estado de oxidación formal +3; [68] [69] en un derivado se produce un estado de oxidación formal +2. [70] El derivado cloruro [Th(C 5 H 5 ) 3 Cl] se prepara calentando tetracloruro de torio utilizando KC 5 H 5 limitante (también se pueden usar otros ciclopentadienilos metálicos univalentes). Los derivados de alquilo y arilo se preparan a partir del derivado cloruro y se han utilizado para estudiar la naturaleza del enlace sigma Th-C . [69]
Otros compuestos organotorios no están bien estudiados. Se conocen el tetrabenciltorio, Th( CH2C6H5 ) 4 , y el tetraaliltorio, Th(CH2CH = CH2 ) 4 , pero no se han determinado sus estructuras . Se descomponen lentamente a temperatura ambiente. El torio forma el anión prismático trigonal monocapsulado [Th(CH 3 ) 7 ] 3− , heptametiltorato(IV), que forma la sal [Li(tmeda)] 3 [Th(CH 3 ) 7 ] (tmeda = (CH 3 ) 2 NCH2CH2N ( CH3 ) 2 ) . _ _ Aunque un grupo metilo solo está unido 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. Se desconoce el tetrametiltorio, Th(CH 3 ) 4 , pero sus aductos están estabilizados por ligandos de fosfina . [41]
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 violentos acontecimientos lo esparcieron por toda la galaxia. [71] [72] La letra "r" significa "captura rápida de neutrones" y ocurre en supernovas de colapso del núcleo, donde núcleos semilla pesados como el 56 Fe capturan rápidamente neutrones, chocando contra la línea de goteo de neutrones , como lo hacen los neutrones. capturados mucho más rápido de lo que los nucleidos resultantes pueden desintegrarse beta hacia la estabilidad. La captura de neutrones es la única manera que tienen las estrellas de sintetizar elementos más allá del hierro debido al aumento de las barreras de Coulomb que dificultan las interacciones entre partículas cargadas con números atómicos elevados y al hecho de que la fusión más allá del 56 Fe es endotérmica . [73] Debido a la abrupta pérdida de estabilidad más allá de 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 alfa antes de capturar suficientes neutrones para alcanzar estos elementos. [71] [74] [75]
En el universo, el torio se encuentra entre los elementos primordiales más raros, porque es uno de los dos elementos que sólo pueden producirse en el proceso r (el otro es el uranio), y también porque se ha ido desintegrando lentamente a partir del proceso r. momento en que se formó. Los únicos elementos primordiales más raros que el torio son el tulio , el lutecio , el tantalio y el renio, los elementos impares justo antes del tercer pico de abundancia del proceso r alrededor de los metales pesados del grupo del platino, así como el uranio. [71] [73] [g] En el pasado lejano, las abundancias de torio y uranio se enriquecieron mediante la desintegración de los isótopos de plutonio y curio, y el torio se enriqueció en relación con el uranio mediante la desintegración de 236 U a 232 Th y el agotamiento natural. de 235 U, pero estas fuentes hace tiempo que se descompusieron y ya no contribuyen. [76]
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). [77] Esto se debe a que es probable que el torio forme minerales de óxido que no se hunden en el núcleo; está clasificado como litófilo según la clasificación de Goldschmidt , lo que significa que generalmente se encuentra combinado con oxígeno. Los compuestos de torio comunes también son poco solubles en agua. Así, 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. [78]
El torio es el elemento número 41 más abundante en la corteza terrestre. El torio natural suele ser 232 Th casi puro, que es el isótopo de torio más longevo y estable, y tiene una vida media comparable a la edad del universo. [25] Su desintegración radiactiva es el mayor contribuyente al calor interno de la Tierra ; los otros contribuyentes importantes 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 desintegraron más rápidamente, dejando predominante la contribución de 232 Th y 238 U.) [83] Su desintegración Esto explica una disminución gradual del contenido de torio de la Tierra: el planeta tiene actualmente alrededor del 85% de la cantidad presente en la formación de la Tierra. [53] Los otros isótopos naturales de torio tienen una vida mucho más corta; de ellos, sólo 230 Th suele ser detectable, se encuentra en equilibrio secular con su padre 238 U y constituye como máximo el 0,04% del torio natural. [25] [h]
El torio sólo se encuentra como un componente menor de la mayoría de los minerales y, por esta razón, anteriormente se pensaba que era raro. [85] [86] 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 el Lantánidos trivalentes que tienen radios iónicos similares . [85] Debido a la radiactividad del torio, los minerales que lo contienen a menudo son metamícticos (amorfos), ya que su estructura cristalina ha sido dañada por la radiación alfa producida por el torio. [87] Un ejemplo extremo es la ecanita , (Ca,Fe,Pb) 2 (Th,U)Si8O20 , que casi nunca se presenta en forma no metamíctica debido al torio que contiene . [88]
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%. [85] [89] La monacita es un mineral químicamente no reactivo que se encuentra como arena amarilla o marrón; su baja reactividad dificulta la extracción de torio. [85] La alanita (principalmente silicatos-hidróxidos de diversos metales) puede tener entre 0,1 y 2 % de torio y el circón (principalmente silicato de circonio , ZrSiO 4 ) hasta un 0,4 % de torio. [85]
El dióxido de torio se presenta como el raro mineral torianita . Debido a que son isotípicos con el dióxido de uranio , estos dos dióxidos actínidos comunes pueden formar soluciones en estado sólido y el nombre del mineral cambia según el contenido de ThO 2 . [85] [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 el torio por primera vez. [85] 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) iones respectivamente. [85] Debido a la gran insolubilidad del dióxido de torio, el torio generalmente no se propaga rápidamente a través del 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. [53]
En 1815, el químico sueco Jöns Jacob Berzelius analizó una muestra inusual de gadolinita procedente de una mina de cobre en Falun , en el centro de Suecia. Observó trazas impregnadas de un mineral blanco, que supuso cautelosamente que era una tierra ( óxido en la nomenclatura química moderna) de un elemento desconocido. Berzelius ya había descubierto dos elementos, cerio y selenio , pero una vez cometió un error público al anunciar un nuevo elemento, el gahnio , que resultó ser óxido de zinc . [91] Berzelius nombró en privado al supuesto elemento "torio" en 1817 [92] y a su supuesto óxido "thorina" en honor a Thor , el dios nórdico del trueno. [93] En 1824, después de que se descubrieron 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 . [35] [91] [94] [95]
En 1828, Morten Thrane Esmark encontró un mineral negro en la isla Løvøya , condado de Telemark , Noruega. Fue un sacerdote noruego y mineralogista aficionado que estudió los minerales en Telemark, donde sirvió como vicario . Generalmente enviaba los especímenes más interesantes, como éste, a su padre, Jens Esmark , un destacado mineralogista y profesor de mineralogía y geología en la Universidad Real Federico de Christiania (hoy llamada Oslo ). [96] El anciano Esmark determinó que no era un mineral conocido y envió una muestra a Berzelius para su examen. Berzelius determinó que contenía un elemento nuevo. [35] Publicó sus hallazgos en 1829, después de haber aislado una muestra impura reduciendo K[ThF 5 ] (pentafluorotorato(IV) de potasio) con potasio metálico. [97] [98] [99] Berzelius reutilizó el nombre del supuesto descubrimiento anterior del elemento [97] [100] y nombró al mineral fuente torita. [35]
Berzelius hizo algunas caracterizaciones iniciales del nuevo metal y sus compuestos químicos: determinó correctamente que la proporción de masa de torio-oxígeno del óxido de torio era 7,5 (su valor real es cercano a eso, ~7,3), pero asumió que el nuevo elemento era divalente. en lugar de tetravalente, por lo que 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 detrás del circonio en electropositividad. [101] 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 las tierras raras se ubicaban 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 tetravalente, Mendeleev trasladó el cerio y el torio al grupo IV en 1871, que también contenía el moderno grupo de carbono (grupo 14) y el grupo de titanio (grupo 4), debido a su máxima oxidación. El estado era +4. [104] [105] Pronto se retiró el cerio del cuerpo principal de la mesa y se colocó en una serie de lantánidos separada; El torio quedó en el grupo 4 porque tenía propiedades similares a sus supuestos congéneres más ligeros de ese grupo, como el titanio y el circonio. [106] [l]
Si bien el torio se descubrió en 1828, su primera aplicación data sólo de 1885, cuando el químico austriaco 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. [35] 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. [107]
El químico alemán Gerhard Carl Schmidt observó por primera vez que el torio era radiactivo en 1898 y, ese mismo año, de forma independiente, la física polaco-francesa Marie Curie . Fue el segundo elemento que se descubrió que era radiactivo, después del descubrimiento de la radiactividad en el uranio en 1896 por el físico francés Henri Becquerel . [108] [109] [110] 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 procedían de una hija gaseosa del torio de vida corta, que descubrieron que era un elemento nuevo. Este elemento ahora se llama radón , el único de los raros radioelementos descubiertos en la naturaleza como hijo del torio en lugar del uranio. [111]
Después de explicar la contribución del radón, Rutherford, que ahora trabaja con el físico británico Frederick Soddy , demostró cómo el torio se desintegraba a un ritmo fijo a lo largo del tiempo en una serie de otros elementos en trabajos que datan de 1900 a 1903. Esta observación llevó a la identificación de la vida media como uno de los resultados de los experimentos con partículas alfa que llevaron a la teoría de la desintegración de la radiactividad . [112] El efecto biológico de la radiación se descubrió en 1903. [113] El fenómeno recién descubierto de la radiactividad entusiasmó tanto a los científicos como al público en general. En la década de 1920, se promovió la radiactividad del torio como 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. [114] A 10.000 personas en los Estados Unidos se les había inyectado torio durante el diagnóstico por rayos X; Más tarde se descubrió que padecían problemas de salud como leucemia y cromosomas anormales. [53] El interés público por la radiactividad había disminuido a finales de la década de 1930. [114]
Hasta finales del siglo XIX, los químicos coincidían unánimemente en que el torio y el uranio eran los miembros más pesados del grupo 4 y del grupo 6 , respectivamente; la existencia de los lantánidos en la sexta fila se consideró una casualidad excepcional. En 1892, el químico británico Henry Bassett postuló una segunda fila extralarga de la tabla periódica para acomodar 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 indicó que la séptima fila de la tabla periódica también debería tener capas f llenándose antes que las capas d que se llenaron en los elementos de transición, como la sexta fila con los lantánidos que preceden a los metales de transición 5d. [104] La existencia de una segunda serie de transición interna, en forma de actínidos, no se aceptó hasta que se establecieron similitudes con las estructuras electrónicas de los lantánidos; [115] Bohr sugirió que el llenado de los orbitales 5f puede retrasarse hasta después del uranio. [104]
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 en realidad llenaban orbitales f en lugar de orbitales d, con el La química similar a los metales de transición de los primeros actínidos es la excepción y no la regla. [116] 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. [106] [m]
En la década de 1990, la mayoría de las aplicaciones que no dependen de la radiactividad del torio disminuyeron rápidamente debido a preocupaciones ambientales y de seguridad a medida que se encontraron reemplazos más seguros y adecuados. [35] [119] A pesar de su radiactividad, el elemento se ha mantenido en uso para aplicaciones donde no se pudieron encontrar alternativas adecuadas. Un estudio realizado en 1981 por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en los Estados Unidos estimó que usar un manto de gas torio cada fin de semana sería seguro para una persona, [119] pero no era el caso de la dosis recibida por las personas que fabricaban los mantos o de la suelos alrededor de algunas fábricas. [120] Algunos fabricantes han cambiado a otros materiales, como el itrio. [121] Tan recientemente como 2007, algunas empresas continuaron fabricando y vendiendo mantos de torio sin proporcionar información adecuada sobre su radiactividad, y algunas incluso afirmaron falsamente que no eran radiactivos. [119] [122]
El torio se ha utilizado como fuente de energía a escala de prototipo. El primer reactor a base de torio se construyó en el Indian Point Energy Center ubicado en Buchanan , Nueva York, Estados Unidos , en 1962. [123] China puede ser el primero en tener la oportunidad de comercializar esta tecnología. [124] El país con las mayores reservas estimadas de torio en el mundo es la India , que tiene escasas reservas de uranio. En la década de 1950, la India se propuso lograr la independencia energética con su programa de energía nuclear en tres etapas . [125] [126] En la mayoría de los países, el uranio era relativamente abundante y el progreso de los reactores basados en torio era lento; En el siglo XX se construyeron tres reactores en la India y doce en otros lugares. [127] La Agencia Internacional de Energía Atómica inició en 1996 una investigación a gran escala para estudiar el uso de reactores de torio; un año después, el Departamento de Energía de los Estados Unidos inició su investigación. Alvin Radkowsky, de la Universidad de Tel Aviv en Israel , fue el diseñador jefe de la central atómica Shippingport en Pensilvania, el primer reactor civil estadounidense que generó torio. [128] Fundó un consorcio para desarrollar reactores de torio, que incluía otros laboratorios: Raytheon Nuclear Inc. y el Laboratorio Nacional Brookhaven en los Estados Unidos, y el Instituto Kurchatov en Rusia. [129]
En el siglo XXI, el potencial del torio para reducir la proliferación nuclear y sus características de desechos llevaron a un renovado interés en el ciclo del combustible del torio. [130] [131] [132] India ha proyectado satisfacer hasta el 30% de su demanda eléctrica a través de 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 Shanghai (SINAP) de la Academia de Ciencias de China para comenzar a operar el reactor experimental de sales fundidas a base de torio y combustible líquido TMSR-LF1 de 2 MWt, que se completó. en agosto de 2021. [133] Se cree que China tiene una de las reservas de torio más grandes del mundo. El tamaño exacto de esas reservas no se ha revelado públicamente, pero se estima que serán suficientes para satisfacer las necesidades energéticas totales del país durante más de 20.000 años. [134]
Cuando se produjeron por primera vez cantidades de gramos de plutonio en el Proyecto Manhattan , se descubrió que un isótopo menor ( 240 Pu ) sufrió una importante fisión espontánea , lo que puso en duda la viabilidad de un arma nuclear tipo cañón alimentada con plutonio . Mientras el equipo de Los Álamos comenzó a trabajar en el arma de implosión para solucionar 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 utilizable en un arma tipo pistola, aunque se expresaron preocupaciones sobre la contaminación del 232 U. Los avances en el arma de implosión fueron suficientes y este convertidor no se desarrolló más, pero su 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. [135]
Durante la Guerra Fría, Estados Unidos exploró la posibilidad de utilizar 232 Th como fuente de 233 U para utilizarlo en una bomba nuclear ; dispararon una bomba de prueba en 1955. [136] Llegaron a la conclusión de que una bomba 233 U sería un arma muy potente, pero tenía pocas "ventajas técnicas" sostenibles sobre las bombas contemporáneas de uranio-plutonio, [137] especialmente desde 233 U es difícil de producir en forma isotópicamente pura. [136]
El torio metálico se utilizó en el caso de la radiación de al menos un diseño de arma nuclear desplegado por los Estados Unidos (el W71 ). [138]
La baja demanda hace que las minas en funcionamiento para la extracción de torio únicamente no sean rentables, y casi siempre se extrae con tierras raras, que a su vez pueden ser subproductos de la producción de otros minerales. [139] 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 utilizarse fácilmente para la producción si aumentara la demanda. [140] 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. [141] En 2014, la producción mundial del concentrado de monacita, del que se extraería el torio, fue de 2.700 toneladas. [142]
La ruta común de producción de torio constituye la concentración de minerales de torio; extracción de torio del concentrado; purificación de torio; y (opcionalmente) conversión en compuestos, tales como dióxido de torio. [143]
Hay 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 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. [46] La concentración inicial varía según el tipo de depósito. [143]
Para los depósitos primarios, las pegmatitas originales, que generalmente se obtienen mediante minería, se dividen en pequeñas partes y luego se someten a flotación . Los carbonatos de metales alcalinotérreos pueden eliminarse después de reaccionar con cloruro de hidrógeno ; luego sigue el espesamiento , la filtración y la calcinación. El resultado es un concentrado con un contenido de tierras raras de hasta el 90%. [143] Los materiales secundarios (como las arenas costeras) se someten a separación por gravedad. Sigue la separación magnética, con una serie de imanes de fuerza creciente. La monacita obtenida mediante este método puede tener una pureza de hasta el 98%. [143]
La producción industrial del siglo XX se basaba en el tratamiento con ácido sulfúrico concentrado caliente en recipientes de hierro fundido, seguido de una precipitación selectiva mediante dilución con agua, como en los pasos siguientes. Este método se basó en las características específicas de la técnica y el tamaño del grano del concentrado; Se han propuesto muchas alternativas, pero sólo una ha demostrado ser eficaz desde el punto de vista económico: la digestión alcalina con una solución caliente de hidróxido de sodio. Este es más caro que el método original pero produce una mayor pureza de torio; en particular, elimina los fosfatos del concentrado. [143]
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 exceso del 60% de la masa de arena, espesando la mezcla de reacción a medida que se forman los productos. Luego se añade 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 deben evitarse temperaturas de 300 °C o más, porque provocan la formación de pirofosfato de torio insoluble. Dado que la disolución es muy exotérmica, la arena de monacita no se puede añadir al ácido demasiado rápido. Por el contrario, a temperaturas inferiores a 200 °C la reacción no es lo suficientemente rápida 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 que la de la arena, en lugar del 60% que se esperaría por estequiometría. Luego, la mezcla se enfría a 70 °C y se diluye con diez veces su volumen de agua fría, de modo que la monacita restante se hunda hasta el fondo mientras 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. [143]
La digestión alcalina se lleva a cabo en una solución de hidróxido de sodio al 30-45% a aproximadamente 140 °C durante aproximadamente 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 las tierras raras como sus hidróxidos, uranio como diuranato de sodio y fosfato como fosfato trisódico . Este cristaliza el fosfato trisódico decahidratado cuando se enfría por debajo de 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 una 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 aproximadamente pH 5,8. Debe evitarse 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 primero se debe eliminar la mayor parte del fosfato para evitar la precipitación de fosfatos de tierras raras. La extracción con disolventes también se puede utilizar 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 e impide que se disuelva por completo. [143]
Se necesitan altas concentraciones de torio en aplicaciones nucleares. En particular, las concentraciones de átomos con secciones transversales de captura de neutrones elevadas deben ser muy bajas (por ejemplo, las concentraciones de gadolinio deben ser inferiores a una parte por millón en peso). Anteriormente, se utilizaba 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, después de 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 tributilfosfato en queroseno . [143]
Los usos del torio no relacionados con la radiactividad han disminuido desde la década de 1950 [144] debido a preocupaciones ambientales derivadas en gran medida de la radiactividad del torio y sus productos de desintegración. [35] [119]
La mayoría de las aplicaciones de 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; Sólo unas pocas sustancias tienen puntos de fusión más altos. [53] Esto ayuda a que el compuesto permanezca sólido en una llama y aumenta considerablemente el brillo de la llama; ésta es la razón principal por la que se utiliza torio en las lámparas de gas . [145] Todas las sustancias emiten energía (resplandor) a altas temperaturas, pero la luz emitida por el torio se encuentra casi toda en el espectro visible , de ahí el brillo de los mantos de torio. [56]
La energía, parte de ella en forma de luz visible, se emite cuando el torio se expone a una fuente de energía propia, 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 manera más eficiente, pero el dióxido de torio proporciona una temperatura de llama más alta, emitiendo menos luz infrarroja . [145] El torio en los mantos, aunque todavía es común, ha sido reemplazado progresivamente por itrio desde finales de la década de 1990. [146] Según el examen de 2005 realizado por 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". [147] El torio también se utiliza para fabricar generadores de iones negativos permanentes y baratos , como en pulseras de salud pseudocientíficas . [148]
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. [144] 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. [35] 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. [149] 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. Gracias a la reactividad del torio con el oxígeno y el nitrógeno atmosféricos, el torio también actúa como captador de impurezas en los tubos de vacío. La introducción de los transistores en la década de 1950 disminuyó significativamente este uso, pero no del todo. [144] El dióxido de torio se utiliza en la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW) para aumentar la resistencia a altas temperaturas de los electrodos de tungsteno y mejorar la estabilidad del arco. [35] El óxido de torio está siendo reemplazado en este uso por otros óxidos, como los de circonio, cerio y lantano . [150] [151]
El dióxido de torio se encuentra en cerámicas refractarias , como crisoles de laboratorio de alta temperatura , [35] 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 en óxidos de nitrógeno, pero ha sido reemplazada por una aleación de 95% de platino y 5% de rodio debido a sus mejores propiedades mecánicas y mayor durabilidad. [144]
Cuando se agrega al vidrio , el dióxido de torio ayuda a aumentar su índice de refracción y disminuir la dispersión . Este tipo de vidrio se aplica en lentes de alta calidad para cámaras fotográficas e instrumentos científicos. [47] La radiación de estos lentes puede oscurecerlos y volverlos amarillos con el paso de los años y degradar la película, pero los riesgos para la salud son mínimos. [152] Las lentes amarillentas pueden recuperar su estado incoloro original mediante una exposición prolongada a una intensa radiación ultravioleta. Desde entonces, el dióxido de torio ha sido sustituido en esta aplicación por óxidos de tierras raras, como el lantano , ya que proporcionan efectos similares y no son radiactivos. [144]
El tetrafluoruro de torio se utiliza como material antirreflectante 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, visible e infrarroja media . Su radiación se debe principalmente a partículas alfa, que pueden detenerse fácilmente con una fina capa protectora de otro material. [153] Se están desarrollando reemplazos para el tetrafluoruro de torio a partir de la década de 2010, [154] que incluyen trifluoruro de lantano .
Las aleaciones Mag-Thor (también llamadas magnesio toriado) encontraron uso en algunas aplicaciones aeroespaciales, aunque dichos usos se han ido eliminando debido a preocupaciones sobre la radiactividad.
La principal fuente de energía nuclear en un reactor es la fisión de un nucleido inducida por neutrones; Los núcleos sintéticos fisibles [d] 233 U y 239 Pu pueden generarse a partir de la captura de neutrones mediante la cantidad natural de nucleidos 232 Th y 238 U. El 235 U se produce de forma natural y también es fisible. [155] [156] [n] En el ciclo del combustible del torio, el isótopo fértil 232 Th es bombardeado por neutrones lentos , sometiéndose a captura de neutrones para convertirse en 233 Th, que sufre dos desintegraciones beta consecutivas para convertirse primero en 233 Pa y luego en el fisible 233. U: [35]
El 233 U es fisionable y puede utilizarse como combustible nuclear del mismo modo que el 235 U o el 239 Pu . Cuando el 233 U sufre una fisión nuclear, los neutrones emitidos pueden golpear más núcleos del 232 Th, continuando el ciclo. [35] Esto es paralelo al ciclo del combustible de uranio en reactores reproductores rápidos donde 238 U se somete a captura de neutrones para convertirse en 239 U, desintegrándose beta primero a 239 Np y luego al 239 Pu fisionable. [157]
La fisión de233
92Ud.
produce 2,48 neutrones en promedio. [158]
Se necesita un neutrón para mantener la reacción de fisión. Para un ciclo de reproducción continuo autónomo, se necesita un neutrón más para generar un nuevo233
92Ud.
átomo de lo fértil 232
90Th
. Esto deja un margen de pérdidas de 0,45 neutrones (o el 18% del flujo de neutrones).
El torio es más abundante que el uranio y puede satisfacer la demanda energética mundial durante más tiempo. [159] Es particularmente adecuado para ser utilizado como material fértil en reactores de sales fundidas .
El 232 Th absorbe neutrones más fácilmente 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%). [160] También libera más neutrones en promedio durante la fisión. [159] Una sola captura de neutrones por 238 U produce desechos transuránicos junto con el 239 Pu fisible, pero 232 Th solo produce estos desechos después de cinco capturas, formando 237 Np. Este número de capturas no ocurre en el 98-99% de los núcleos 232 Th porque los productos intermedios 233 U o 235 U se fisionan y se producen menos transuránicos de vida larga. Debido a esto, 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 . [161]
Los combustibles de torio dan como resultado un núcleo de reactor más seguro y de mejor rendimiento [35] 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, ahora combustible común, porque este último se oxida a octóxido de triuranio ( U 3 O 8 ), volviéndose sustancialmente menos denso. [162]
El reprocesamiento del combustible usado es difícil y peligroso porque muchas de las hijas del 232 Th y del 233 U son fuertes emisores gamma. [159] Todos los métodos de producción de 233 U dan como resultado impurezas de 232 U , ya sea por reacciones parásitas de eliminación (n,2n) en 232 Th, 233 Pa o 233 U que resultan en la pérdida de un neutrón, o por doble neutrón. captura de 230 Th, una impureza en el 232 Th natural: [163]
El 232 U por sí solo no es particularmente dañino, pero se desintegra rápidamente para producir el potente 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). [164] Estas impurezas del 232 U hacen que el 233 U sea fácil de detectar y peligroso para trabajar, y el la impracticabilidad de su separación limita las posibilidades de proliferación nuclear utilizando 233 U como material fisionable. [163] 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 a 233 U útiles, 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 sales fundidas de torio durante su funcionamiento, de modo que no tenga posibilidad de capturar un neutrón y solo se desintegre a 233 U. [165]
Para poder aprovechar estas ventajas es necesario dominar la irradiación del 232 Th con neutrones, seguida de su procesamiento, y esto requiere una tecnología más avanzada que el ciclo del combustible del uranio y el plutonio; [35] la investigación continúa en esta área. Otros citan la baja viabilidad comercial del ciclo del combustible del torio: [166] [167] [168] 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". [169] 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 contribuye de manera importante a la radiotoxicidad a largo plazo. del combustible nuclear gastado. [165]
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 de los mantos de gas, se considera segura, aunque el uso de dichos elementos puede plantear algunos riesgos. [170] La exposición a un aerosol de torio, como el polvo contaminado, puede provocar un mayor riesgo de cáncer de pulmón , páncreas y sangre , ya que la radiación alfa puede penetrar los pulmones y otros órganos internos. [170] La exposición interna al torio aumenta el riesgo de enfermedades hepáticas . [171]
Los productos de desintegración del 232 Th incluyen radionucleidos más peligrosos como el radio y el radón. Aunque relativamente pocos de esos productos se crean como resultado de la lenta desintegración del torio, una evaluación adecuada de la toxicidad radiológica del 232 Th debe incluir la contribución de sus hijas, algunas de las cuales son peligrosas emisoras gamma [172] y que son Se acumuló rápidamente después de la desintegración inicial de 232 Th debido a la ausencia de nucleidos de larga duración a lo largo de la cadena de desintegración. [173] Como las peligrosas hijas del torio tienen puntos de fusión mucho más bajos que el dióxido de torio, se volatilizan cada vez que el manto se calienta para su uso. En la primera hora de uso se liberan grandes fracciones de los hijos del torio 224 Ra, 228 Ra, 212 Pb y 212 Bi. [174] La mayor parte de la dosis de radiación de un usuario normal surge de la inhalación del 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 . [175]
Algunas agencias de seguridad nuclear hacen recomendaciones sobre el uso de mantos de torio y han planteado preocupaciones de seguridad con respecto a su fabricación y eliminación; la dosis de radiación de un manto no es un problema grave, pero sí la de muchos mantos reunidos en fábricas o vertederos. [171]
El torio es inodoro e insípido. [176] La toxicidad química del torio es baja porque el torio y sus compuestos más comunes (principalmente el dióxido) son poco solubles en agua, [177] precipitando antes de ingresar al cuerpo como hidróxido. [178] Algunos compuestos de torio son químicamente moderadamente tóxicos , especialmente en presencia de fuertes iones formadores de complejos, como el citrato, que transportan el torio al cuerpo en forma soluble. [173] Si un objeto que contiene torio ha sido masticado o chupado, pierde el 0,4% de torio y el 90% de sus peligrosos descendientes en el cuerpo. [122] 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. [170] La baja solubilidad del torio en agua también significa que la excreción de torio por los riñones y las heces es bastante lenta. [173]
Las pruebas sobre la absorción de torio de los trabajadores involucrados 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. Aún no se ha observado toxicidad química en el tracto traqueobronquial y los pulmones por la exposición al torio. [178] Las personas que trabajan con compuestos de torio corren el riesgo de sufrir dermatitis . Pueden pasar hasta treinta años después de la ingestión de torio para que los síntomas se manifiesten. [53] El torio no tiene ningún papel biológico conocido. [53]
El torio metálico en polvo es pirofórico: se enciende espontáneamente en el aire. [9] En 1964, el Departamento del Interior de los Estados Unidos catalogó al torio como "severo" en una tabla titulada "Ignición y explosibilidad de polvos metálicos". Su temperatura de ignición fue de 270 °C (520 °F) para las nubes de polvo y de 280 °C (535 °F) para las capas. Su concentración explosiva mínima figuraba en 0,075 oz/pie cúbico (0,075 kg/m 3 ); la energía de ignición mínima para el polvo (no submicrónico) fue catalogada como 5 mJ . [179]
En 1956, la explosión de Sylvania Electric Products ocurrió durante el reprocesamiento y quema de lodos de torio en la ciudad de Nueva York , Estados Unidos. Nueve personas resultaron heridas; uno murió por complicaciones provocadas por quemaduras de tercer grado . [180] [181] [182]
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. [53] La mayor parte de la exposición al torio se produce por inhalación de polvo; parte del torio viene con los alimentos y el agua, pero debido a su baja solubilidad, esta exposición es insignificante. [173]
La exposición aumenta para las personas que viven cerca de depósitos de torio o sitios de eliminación de desechos radiactivos, quienes viven cerca o trabajan en fábricas de procesamiento de uranio, fosfato o estaño, y quienes trabajan en la producción de mantos gaseosos. [183] 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. [184] 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 superiores a la radiación de fondo promedio mundial. [185]
Otra posible fuente de exposición es el polvo de torio producido en los campos de pruebas de armas, ya que el torio se utiliza en los sistemas de guía de algunos misiles. A esto se le ha atribuido la alta incidencia de defectos de nacimiento y cáncer en Salto di Quirra , en la isla italiana de Cerdeña . [186]
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La definición del diccionario de torio en Wikcionario
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