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Americio

El americio es un elemento químico sintético ; su símbolo es Am y su número atómico es 95. Es radiactivo y pertenece a la serie de los actínidos de la tabla periódica , donde se...

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El americio es un elemento químico sintético ; su símbolo es Am y su número atómico es 95. Es radiactivo y pertenece a la serie de los actínidos de la tabla periódica , donde se encuentra debajo del europio, un elemento lantánido , y por analogía recibió su nombre de América . [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

El americio fue producido por primera vez en 1944 por el grupo de Glenn T. Seaborg de Berkeley, California , en el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago , como parte del Proyecto Manhattan . Aunque es el tercer elemento de la serie transuránica, fue descubierto en cuarto lugar, después del curio, más pesado . El descubrimiento se mantuvo en secreto y se hizo público recién en noviembre de 1945. La mayor parte del americio se produce al bombardear uranio o plutonio con neutrones en reactores nucleares ; una tonelada de combustible nuclear gastado contiene aproximadamente 100 gramos de americio. Se utiliza ampliamente en detectores de humo de cámara de ionización comerciales , así como en fuentes de neutrones y medidores industriales. Se han propuesto varias aplicaciones inusuales para el isótopo 242mAm , como baterías nucleares o combustible para naves espaciales con propulsión nuclear , pero aún se ven limitadas por la escasez y el alto precio de este isómero nuclear .

El americio es un metal radiactivo relativamente blando con apariencia plateada. Sus isótopos más comunes son el 241Am y el 243Am . En compuestos químicos, el americio suele presentar el estado de oxidación +3, especialmente en disoluciones. Se conocen otros estados de oxidación, que van desde +2 hasta +7, y se pueden identificar por sus espectros de absorción óptica característicos . Las redes cristalinas del americio sólido y sus compuestos contienen pequeños defectos radiogénicos intrínsecos debido a la metamictización inducida por la autoirradiación con partículas alfa . Estos defectos se acumulan con el tiempo, lo que puede provocar una variación en algunas propiedades del material, más perceptible en muestras antiguas.

Historia

El ciclotrón de 60 pulgadas en el Laboratorio de Radiación Lawrence, Universidad de California, Berkeley , en agosto de 1939.

Aunque es probable que el americio se produjera en experimentos nucleares anteriores, fue sintetizado , aislado e identificado intencionalmente por primera vez a finales del otoño de 1944, en la Universidad de California, Berkeley , por Glenn T. Seaborg , Leon O. Morgan, Ralph A. James y Albert Ghiorso . Utilizaron un ciclotrón de 60 pulgadas en la Universidad de California, Berkeley. [ 9 ] El elemento fue identificado químicamente en el Laboratorio Metalúrgico (ahora Laboratorio Nacional Argonne ) de la Universidad de Chicago . Después del neptunio más ligero , el plutonio y el curio más pesado , el americio fue el cuarto elemento transuránico en ser descubierto. En ese momento, la tabla periódica había sido reestructurada por Seaborg a su disposición actual, que contiene la fila de los actínidos debajo de la de los lantánidos . Esto llevó a que el americio se ubicara justo debajo de su elemento lantánido gemelo, el europio; Fue así, por analogía, nombrado en honor a las Américas : "El nombre americio (en honor a las Américas) y el símbolo Am se sugieren para el elemento en base a su posición como sexto miembro de la serie de tierras raras actínidas, análogo al europio, Eu, de la serie de los lantánidos." [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

El nuevo elemento se aisló de sus óxidos en un proceso complejo de varias etapas. Primero, se recubrió una lámina de platino de aproximadamente 0,5 cm² con una solución de nitrato de plutonio - 239 ; la solución se evaporó y el residuo se convirtió en dióxido de plutonio (PuO₂ ) mediante calcinación . Tras la irradiación en ciclotrón, el recubrimiento se disolvió con ácido nítrico y luego se precipitó como hidróxido utilizando una solución acuosa concentrada de amoníaco . El residuo se disolvió en ácido perclórico . La separación posterior se llevó a cabo mediante intercambio iónico , obteniéndose un isótopo específico de curio. La separación del curio y el americio fue tan laboriosa que el grupo de Berkeley inicialmente denominó a estos elementos pandemonio [ 13 ] (del griego, que significa " todos los demonios " o "infierno ") y delirio (del latín, que significa "locura" ). [ 8 ] [ 14 ] 

Los experimentos iniciales produjeron cuatro isótopos de americio: 241 Am, 242 Am, 239 Am y 238 Am. El americio-241 se obtuvo directamente del plutonio mediante la absorción de dos neutrones. Se desintegra por emisión de una partícula α a 237 Np; la vida media de esta desintegración se determinó por primera vez como510 ± 20 años, pero luego se corrigió a 432,2 años. [ 15 ]

Pu94239→(norte,γ)Pu94240→(norte,γ)Pu94241→14.35 añoβ−Soy95241 (→432.2 añoαNotario público93237){\displaystyle {\ce {^{239}_{94}Pu ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{240}_{94}Pu ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{241}_{94}Pu ->[\beta^-][14.35\ {\ce {año}}] ^{241}_{95}Am}}\ \left({\ce {->[\alpha][432.2\ {\ce {año}}] ^{237}_{93}Np}}\right)}
Los tiempos son vidas medias

El segundo isótopo, 242Am , se produjo mediante bombardeo de neutrones sobre el 241Am ya creado . Tras una rápida desintegración beta , el 242Am se convierte en el isótopo de curio 242Cm (que se había descubierto previamente). La vida media de esta desintegración se determinó inicialmente en 17 horas, valor cercano al actualmente aceptado de 16,02 h. [ 15 ]

Soy95241→(norte,γ)Soy95242 (→16.02 hβ−Centímetro96242){\displaystyle {\ce {^{241}_{95}Soy ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{242}_{95}Soy}}\ \left({\ce {->[\beta^-][16.02\ {\ce {h}}] ^{242}_{96}Cm}}\right)}

El descubrimiento del americio y el curio en 1944 estuvo estrechamente relacionado con el Proyecto Manhattan ; los resultados fueron confidenciales y se desclasificaron recién en 1945. Seaborg filtró la síntesis de los elementos 95 y 96 en el programa de radio estadounidense para niños Quiz Kids cinco días antes de la presentación oficial en una reunión de la Sociedad Química Estadounidense el 11 de noviembre de 1945, cuando uno de los oyentes preguntó si se había descubierto algún nuevo elemento transuránico además del plutonio y el neptunio durante la guerra. [ 8 ] Después del descubrimiento de los isótopos de americio 241 Am y 242 Am, su producción y compuestos fueron patentados, nombrando únicamente a Seaborg como inventor. [ 16 ] Las muestras iniciales de americio pesaban unos pocos microgramos; eran apenas visibles y se identificaron por su radiactividad. Las primeras cantidades sustanciales de americio metálico, que pesaban entre 40 y 200 microgramos, no se prepararon hasta 1951 mediante la reducción de fluoruro de americio(III) con bario metálico en alto vacío a 1100  °C. [ 17 ]

Aparición

Se detectó americio en la lluvia radiactiva procedente de la prueba nuclear Ivy Mike .

Los isótopos de americio más longevos y comunes, el 241Am y el 243Am , tienen vidas medias de 432,6 y 7350 años, respectivamente. Por lo tanto, cualquier americio primordial (americio presente en la Tierra durante su formación) debería haberse desintegrado ya. Es probable que existan trazas de americio de forma natural en los minerales de uranio como resultado de la captura de neutrones y la desintegración beta ( 238U → 239Pu → 240Pu → 241Am ), aunque las cantidades serían ínfimas y esto no se ha confirmado. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] Es probable que el 247Cm extraterrestre de larga vida también se deposite en la Tierra y tenga el 243Am como uno de sus productos de desintegración intermedios, pero de nuevo esto no se ha confirmado. [ 20 ]

El americio existente se concentra en las áreas utilizadas para las pruebas de armas nucleares atmosféricas realizadas entre 1945 y 1980, así como en los sitios de incidentes nucleares, como el desastre de Chernóbil . Por ejemplo, el análisis de los restos en el sitio de prueba de la primera bomba de hidrógeno estadounidense , Ivy Mike , (1 de noviembre de 1952, atolón de Enewetak ), reveló altas concentraciones de varios actínidos, incluido el americio; pero debido al secreto militar, este resultado no se publicó hasta más tarde, en 1956. [ 21 ] La trinitita , el residuo vítreo que quedó en el suelo del desierto cerca de Alamogordo, Nuevo México , después de la prueba de la bomba nuclear Trinity basada en plutonio el 16 de julio de 1945, contiene trazas de americio-241. También se detectaron niveles elevados de americio en el lugar del accidente de un avión bombardero estadounidense Boeing B-52 , que transportaba cuatro bombas de hidrógeno, en 1968 en Groenlandia . [ 22 ]

En otras regiones, la radiactividad promedio del suelo superficial debida al americio residual es de tan solo unos 0,01 picocurios por gramo (0,37 mBq /g). Los compuestos de americio atmosféricos son poco solubles en disolventes comunes y se adhieren principalmente a las partículas del suelo. El análisis del suelo reveló una concentración de americio aproximadamente 1900 veces mayor dentro de las partículas de suelo arenoso que en el agua presente en los poros del suelo; se midió una proporción aún mayor en suelos francos . [ 23 ]  

El americio se produce principalmente de forma artificial en pequeñas cantidades, con fines de investigación. Una tonelada de combustible nuclear gastado contiene aproximadamente 100  gramos de diversos isótopos de americio, principalmente 241Am y 243Am . [ 24 ] Su radiactividad prolongada es indeseable para su eliminación, por lo que el americio, junto con otros actínidos de larga vida, debe neutralizarse. El procedimiento asociado puede implicar varias etapas, en las que el americio se separa primero y luego se convierte, mediante bombardeo de neutrones en reactores especiales, en nucleidos de corta vida. Este procedimiento se conoce como transmutación nuclear , pero aún se está desarrollando para el americio. [ 25 ] [ 26 ]

Los elementos transuránicos hasta el fermio , incluido el americio, deberían haber estado presentes en el reactor de fisión nuclear natural de Oklo , pero cualquier cantidad producida entonces se habría desintegrado hace mucho tiempo. [ 27 ]

Síntesis y extracción

Nucleosíntesis de isótopos

Curvas de elución cromatográfica que revelan la similitud entre los lantánidos Tb, Gd y Eu y los actínidos correspondientes Bk, Cm y Am.

El americio se ha producido en pequeñas cantidades en reactores nucleares durante décadas, y ya se han acumulado kilogramos de sus isótopos 241Am y 243Am . [ 28 ] Sin embargo, desde que se ofreció por primera vez a la venta en 1962, su precio, de aproximadamente 1500 dólares estadounidenses por gramo (43 000 dólares estadounidenses por onza) de 241Am , permanece prácticamente inalterado debido al complejo procedimiento de separación. [ 29 ] El isótopo más pesado, 243Am , se produce en cantidades mucho menores; por lo tanto, es más difícil de separar, lo que resulta en un costo más elevado del orden de 100 000 a 160 000 dólares estadounidenses por gramo (2 800 000 a 4 500 000 dólares estadounidenses por onza) . [ 30 ] [ 31 ]

El americio no se sintetiza directamente a partir del uranio —el material más común en los reactores— sino a partir del isótopo de plutonio 239Pu . Este último debe producirse primero, según el siguiente proceso nuclear:

U92238→(norte,γ)U92239→23.5 minβ−Notario público93239→2.3565 dβ−Pu94239{\displaystyle {\ce {^{238}_{92}U ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{239}_{92}U ->[\beta^-][23.5 \ {\ce {min}}] ^{239}_{93}Np ->[\beta^-][2.3565 \ {\ce {d}}] ^{239}_{94}Pu}}}

La captura de dos neutrones por el 239 Pu (una reacción denominada (n,γ)), seguida de una desintegración β, da como resultado el 241 Am:

Pu94239→2(norte,γ)Pu94241→14.35 añoβ−Soy95241{\displaystyle {\ce {^{239}_{94}Pu ->[{\ce {2(n,\gamma)}}] ^{241}_{94}Pu ->[\beta^-][14.35 \ {\ce {año}}] ^{241}_{95}Am}}}

El plutonio presente en el combustible nuclear gastado contiene aproximadamente un 12 % de 241Pu . Debido a que se desintegra beta a 241Am , el 241Pu puede extraerse y utilizarse para generar más 241Am . [ 29 ] Sin embargo, este proceso es bastante lento: la mitad de la cantidad original de 241Pu se desintegra a 241Am después de unos 15 años, y la cantidad de 241Am alcanza un máximo después de 70 años. [ 32 ]

El 241Am obtenido puede utilizarse para generar isótopos de americio más pesados ​​mediante captura de neutrones dentro de un reactor nuclear. En un reactor de agua ligera (LWR), el 79% del 241Am se convierte en 242Am y el 10% en su isómero nuclear 242mAm : [ nota 1 ] [ 33 ]

{79%:Soy95241→(norte,γ)Soy9524210%:Soy95241→(norte,γ)Soy95242metro{\displaystyle {\begin{cases}79\%:&{\ce {^{241}_{95}Soy ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{242}_{95}Soy}}\\10\%:&{\ce {^{241}_{95}Soy ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{242 m}_{95}Soy}}\end{casos}}}

El americio-242 tiene una vida media de tan solo 16 horas, lo que hace que su posterior conversión a 243Am sea extremadamente ineficiente. Este último isótopo se produce en un proceso en el que el 239Pu captura cuatro neutrones bajo un alto flujo de neutrones :

Pu94239→4(norte,γ) 94243Pu→4.956 hβ−Soy95243{\displaystyle {\ce {^{239}_{94}Pu ->[{\ce {4(n,\gamma)}}] \ ^{243}_{94}Pu ->[\beta^-][4.956 \ {\ce {h}}] ^{243}_{95}Am}}}

Generación de metales

La mayoría de las rutinas de síntesis producen una mezcla de diferentes isótopos de actínidos en formas de óxido, de la cual se pueden separar los isótopos de americio. En un procedimiento típico, el combustible gastado del reactor (por ejemplo, combustible MOX ) se disuelve en ácido nítrico , y la mayor parte del uranio y plutonio se elimina mediante una extracción de tipo PUREX ( extracción de plutonio - uranio ) con fosfato de tributilo en un hidrocarburo . Los lantánidos y los actínidos restantes se separan luego del residuo acuoso ( refinado ) mediante una extracción basada en diamida , para dar, después de la desorción, una mezcla de actínidos y lantánidos trivalentes. Los compuestos de americio se extraen luego selectivamente utilizando técnicas cromatográficas y de centrifugación de múltiples pasos [ 34 ] con un reactivo apropiado. Se ha hecho una gran cantidad de trabajo sobre la extracción con solventes de americio. Por ejemplo, un proyecto financiado por la UE en 2003 con nombre en clave "EUROPART" estudió triazinas y otros compuestos como posibles agentes de extracción. [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] En 2009 se propuso un complejo de bis -triazinil bipiridina como reactivo altamente selectivo para el americio (y el curio). [ 40 ] La separación del americio del curio, altamente similar, se puede lograr tratando una suspensión de sus hidróxidos en bicarbonato de sodio acuoso con ozono , a temperaturas elevadas. Tanto Am como Cm están presentes mayoritariamente en soluciones en el estado de valencia +3; mientras que el curio permanece inalterado, el americio se oxida a complejos solubles de Am(IV) que pueden eliminarse mediante lavado. [ 41 ]

El americio metálico se obtiene por reducción a partir de sus compuestos. El fluoruro de americio(III) se utilizó inicialmente para este fin. La reacción se llevó a cabo utilizando bario elemental como agente reductor en un ambiente libre de agua y oxígeno dentro de un aparato hecho de tantalio y tungsteno . [ 17 ] [ 42 ] [ 43 ]

2 AmetroF3 + 3 Ba ⟶ 2 Ametro + 3 BaF2{\displaystyle \mathrm {2\ AmF_{3}\ +\ 3\ Ba\ \longrightarrow \ 2\ Am\ +\ 3\ BaF_{2}} }

Una alternativa es la reducción del dióxido de americio por lantano metálico o torio : [ 43 ] [ 44 ]

3 AmetroO2 + 4 La ⟶ 3 Ametro + 2 La2O3{\displaystyle \mathrm {3\ AmO_{2}\ +\ 4\ La\ \longrightarrow \ 3\ Am\ +\ 2\ La_{2}O_{3}} }

Propiedades

Físico

Empaquetamiento compacto hexagonal doble con la secuencia de capas ABAC en la estructura cristalina del α-americio (A: verde, B: azul, C: rojo)

En la tabla periódica , el americio se encuentra a la derecha del plutonio, a la izquierda del curio y debajo del lantánido europio , con el que comparte muchas propiedades físicas y químicas. El americio es un elemento altamente radiactivo. Recién preparado, tiene un brillo metálico blanco plateado, pero luego se empaña lentamente en el aire. Con una densidad de 12  g/cm³ , el americio es menos denso que el curio (13,52  g/cm³ ) y el plutonio (19,8  g/cm³ ) ; pero tiene una densidad mayor que el europio (5,264  g/cm³ ) , principalmente debido a su mayor masa atómica. El americio es relativamente blando y fácilmente deformable, y tiene un módulo de compresibilidad significativamente menor que los actínidos anteriores: Th, Pa, U, Np y Pu. [ 45 ] Su punto de fusión de 1173  °C es significativamente más alto que el del plutonio (639  °C) y el del europio (826  °C), pero más bajo que el del curio (1340  °C). [ 44 ] [ 46 ]

En condiciones ambientales, el americio está presente en su forma α más estable que tiene una simetría cristalina hexagonal y un grupo espacial P6 3 /mmc con parámetros de celda a  = 346,8 pm y c = 1124 pm, y cuatro átomos por celda unitaria . El cristal consiste en un empaquetamiento compacto hexagonal doble con la secuencia de capas ABAC y por lo tanto es isotípico con el α-lantano y varios actínidos como el α-curio. [ 42 ] [ 46 ] La estructura cristalina del americio cambia con la presión y la temperatura. Cuando se comprime a temperatura ambiente a 5 GPa, el α-Am se transforma en la modificación β, que tiene una simetría cúbica centrada en las caras ( fcc ), grupo espacial Fm 3 m y constante de red a = 489 pm. Esta estructura fcc es equivalente al empaquetamiento más compacto con la secuencia ABC. [ 42 ] [ 46 ] Al comprimir aún más hasta 23 GPa, el americio se transforma en una estructura γ-Am ortorrómbica similar a la del uranio α. No se observan más transiciones hasta 52 GPa, excepto por la aparición de una fase monoclínica a presiones entre 10 y 15 GPa. [ 45 ] No hay consistencia sobre el estado de esta fase en la literatura, que también a veces enumera las fases α, β y γ como I, II y III. La transición β-γ está acompañada por una disminución del 6% en el volumen del cristal; aunque la teoría también predice un cambio de volumen significativo para la transición α-β, no se observa experimentalmente. La presión de la transición α-β disminuye con el aumento de la temperatura, y cuando el α-americio se calienta a presión ambiente, a 770 °C se transforma en una fase fcc , distinta del β-Am, y a 1075 °C se convierte en una estructura cúbica centrada en el cuerpo . El diagrama de fases presión-temperatura del americio es, por lo tanto, bastante similar a los del lantano, el praseodimio y el neodimio . [ 47 ]       

Al igual que con muchos otros actínidos, el daño propio de la estructura cristalina debido a la irradiación de partículas alfa es intrínseco al americio. Es especialmente notable a bajas temperaturas, donde la movilidad de los defectos estructurales producidos es relativamente baja, por el ensanchamiento de los picos de difracción de rayos X. Este efecto hace que la temperatura del americio y algunas de sus propiedades, como la resistividad eléctrica, sean algo inciertas . [ 48 ] Así, para el americio-241, la resistividad a 4,2 K aumenta con el tiempo de aproximadamente 2  μOhm·cm a 10  μOhm·cm después de 40 horas, y se satura en aproximadamente 16  μOhm·cm después de 140 horas. Este efecto es menos pronunciado a temperatura ambiente, debido a la aniquilación de defectos de radiación; además, calentar a temperatura ambiente la muestra que se mantuvo durante horas a bajas temperaturas restaura su resistividad. En muestras frescas, la resistividad aumenta gradualmente con la temperatura desde aproximadamente 2 μOhm·cm en helio líquido hasta 69  μOhm·cm a temperatura ambiente; este comportamiento es similar al del neptunio, uranio, torio y protactinio , pero difiere del plutonio y el curio, que muestran un rápido aumento hasta los 60  K seguido de saturación. El valor a temperatura ambiente para el americio es menor que el del neptunio, plutonio y curio, pero mayor que el del uranio, torio y protactinio. [ 1 ]

El americio es paramagnético en un amplio rango de temperaturas, desde la del helio líquido hasta la temperatura ambiente y superiores. Este comportamiento es marcadamente diferente al de su vecino curio, que exhibe una transición antiferromagnética a 52  K. [ 49 ] El coeficiente de expansión térmica del americio es ligeramente anisotrópico y asciende a(7,5 ± 0,2) × 10 −6  /°C a lo largo del eje a más corto y(6,2 ± 0,4) × 10 −6  /°C para el eje hexagonal c más largo. [ 46 ] La entalpía de disolución del metal americio en ácido clorhídrico en condiciones estándar es−620,6 ± 1,3  kJ/mol , a partir del cual se calcula el cambio de entalpía estándar de formación (Δ f H °) del ion Am 3+ acuoso.−621,2 ± 2,0  kJ/mol . El potencial estándar Am 3+ /Am 0 es−2,08 ± 0,01  V . [ 50 ]

Químico

El metal americio reacciona fácilmente con el oxígeno y se disuelve en ácidos acuosos. El estado de oxidación más estable para el americio es +3. [ 51 ] La química del americio(III) tiene muchas similitudes con la química de los compuestos de lantánidos (III). Por ejemplo, el americio trivalente forma fluoruro , oxalato , yodato , hidróxido , fosfato y otras sales insolubles. [ 51 ] También se han estudiado compuestos de americio en estados de oxidación +2, +4, +5, +6 y +7. Este es el rango más amplio que se ha observado con los elementos actínidos. El color de los compuestos de americio en solución acuosa es el siguiente: Am 3+ (amarillo rojizo), Am 4+ (amarillo rojizo), Am V O + 2 ; (amarillo), Am VI O 2+ 2 (marrón) y Am VII O 5− 6 (verde oscuro). [ 52 ] [ 53 ] Los espectros de absorción tienen picos agudos, debido a las transiciones f - f en las regiones visible e infrarroja cercana. Típicamente, Am(III) tiene máximos de absorción en aprox. 504 y 811 nm, Am(V) en aprox. 514 y 715 nm, y Am(VI) en aprox. 666 y 992 nm. [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]   

Los compuestos de americio con estado de oxidación +4 o superior son agentes oxidantes fuertes, comparables en fuerza al ion permanganato ( MnO₄⁻ ) en soluciones ácidas. [ 58 ] Mientras que los iones Am⁴⁺ son generalmente inestables en soluciones y se convierten fácilmente en Am³⁺ , [ 59 ] compuestos como el dióxido de americio (AmO₂ ) [ 60 ] y el fluoruro de americio(IV) (AmF₄ ) son estables en estado sólido. [ 61 ]

El estado de oxidación pentavalente del americio se observó por primera vez en 1951. [ 62 ] En solución acuosa ácida, el ion AmO + 2 es inestable con respecto a la desproporción . [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ] La reacción

3 [ AmO 2 ] + + 4H + → 2 [ AmO 2 ] 2+ + Am 3+ + 2H 2 O

es típico. La química de Am(V) y Am ( VI ) es comparable a la química del uranio en esos estados de oxidación. En particular, compuestos como Li₃AmO₄ y Li₆AmO₆ son comparables a los uranatos y el ion AmO²⁺² es comparable al ion uranilo , UO²⁺² . Dichos compuestos pueden prepararse mediante la oxidación de Am(III) en ácido nítrico diluido con persulfato de amonio . [ 66 ] Otros agentes oxidantes que se han utilizado incluyen óxido de plata(I,III) , [ 57 ] ozono y persulfato de sodio . [ 56 ]

isótopos

Existen 19 isótopos de americio conocidos y 11 isómeros nucleares , con números de masa del 229 al 247. [ 5 ] Hay dos emisores alfa de larga vida; el 243Am tiene una vida media de 7350  años y es el isótopo más estable, [ 5 ] y el 241Am tiene una vida media de 432,6  años. [ 5 ] El isómero nuclear más estable es el 242m1Am , generalmente llamado simplemente 242mAm , con una larga vida media de 141  años. [ 5 ] Las vidas medias de otros isótopos e isómeros son mucho más cortas, con un máximo de 50,8  horas para el 240Am . [ 5 ] Al igual que la mayoría de los demás actínidos, los isótopos de americio con un número impar de neutrones tienen una fisión relativamente alta con neutrones térmicos y una masa crítica baja. [ 67 ]

El americio-241 se desintegra en 237Np , emitiendo partículas alfa de diferentes energías, principalmente a 5,486  MeV (85,2 %) y 5,443  MeV (12,8 %). [ 68 ] Debido a que los estados resultantes son metaestables , también se emiten rayos gamma a energías discretas entre 26,3 y 158,5  keV, siendo la más intensa a 59,5  keV. [ 69 ]

El estado fundamental del americio-242 es un isótopo de corta duración con una vida media de 16,02  h. [ 70 ] Se convierte mayoritariamente (82,7 %) por desintegración β en 242 Cm, pero también por captura electrónica en 242 Pu (17,3 %). [ 70 ]

Casi todo (99,55%) del 242m Am metaestable se desintegra por conversión interna a 242 Am y el 0,45% restante por desintegración α a 238 Np. [ 71 ]

El americio-243 se transforma por emisión α en 239Np . [ 72 ]

compuestos químicos

compuestos de oxígeno

Se conocen tres óxidos de americio, con estados de oxidación +2 (AmO), +3 (Am₂O₃ ) y +4 (AmO₂ ) . El óxido de americio(II) se preparó en cantidades mínimas y no se ha caracterizado en detalle. [ 73 ] El óxido de americio(III) es un sólido de color marrón rojizo con un punto de fusión de 2205  °C. [ 74 ] El óxido de americio(IV) es la forma principal de americio sólido que se utiliza en casi todas sus aplicaciones. Como la mayoría de los demás dióxidos de actínidos, es un sólido negro con una estructura cristalina cúbica ( fluorita ). [ 75 ]

El oxalato de americio(III), secado al vacío a temperatura ambiente, tiene la fórmula química Am₂ ( C₂O₄ ) ₃ · 7H₂O . Al calentarse al vacío, pierde agua a 240 °C y comienza a descomponerse en AmO₂ a 300 °C; la descomposición se completa a unos 470 °C. [ 51 ] El oxalato inicial se disuelve en ácido nítrico con una solubilidad máxima de 0,25 g/L. [ 76 ]    

Halogenuros

Los haluros de americio son conocidos por los estados de oxidación +2, +3 y +4, [ 77 ] donde el +3 es el más estable, especialmente en soluciones. [ 61 ]

La reducción de compuestos de Am(III) con amalgama de sodio produce sales de Am(II): los haluros negros AmCl₂ , AmBr₂ y AmI₂ . Son muy sensibles al oxígeno y se oxidan en agua, liberando hidrógeno y volviendo al estado Am(III). Las constantes de red específicas son:

  • AmCl 2 ortorrómbico : a =896,3 ± 0,8  pm , b =757,3 ± 0,8  pm y c =453,2 ± 0,6  pm
  • AmBr 2 tetragonal : a =1 159 .2 ± 0.4  pm y c =712,1 ± 0,3  pm . [ 78 ] También se pueden preparar haciendo reaccionar americio metálico con un haluro de mercurio apropiado HgX 2 , donde X = Cl, Br o I: [ 79 ]
Soy+HgX2mercurio haluro→400−500∘doAmX2+mercurio{\displaystyle {\ce {{Am}+{\underset {mercury\ halide}{HgX2}}->[{} \atop 400-500^{\circ }{\ce {C}}]{AmX2}+{Hg}}}}

El fluoruro de americio(III) (AmF₃ ) es poco soluble y precipita al reaccionar iones Am³⁺ e iones fluoruro en soluciones ácidas débiles:

Soy3++3F−⟶AmF3↓{\displaystyle {\ce {Am^3+ + 3F^- -> AmF3(v)}}}

El fluoruro de americio(IV) tetravalente (AmF 4 ) se obtiene haciendo reaccionar fluoruro de americio(III) sólido con flúor molecular : [ 80 ] [ 81 ]

2AmF3+F2⟶2AmF4{\displaystyle {\ce {2AmF3 + F2 -> 2AmF4}}}

Otra forma conocida de fluoruro de americio tetravalente sólido es KAmF 5 . [ 80 ] [ 82 ] También se ha observado americio tetravalente en fase acuosa. Para ello, se disolvió Am(OH) 4 negro en NH 4 F 15 M con una concentración de americio de 0,01 M. La solución rojiza resultante tenía un espectro de absorción óptica característico similar al de AmF 4 pero diferente de otros estados de oxidación del americio. Calentar la solución de Am(IV) a 90 °C no produjo su desproporción ni reducción; sin embargo, se observó una reducción lenta a Am(III), atribuida a la autoirradiación del americio por partículas alfa. [ 55 ] 

La mayoría de los haluros de americio(III) forman cristales hexagonales con ligeras variaciones de color y estructura exacta entre los halógenos. Así, el cloruro (AmCl₃ ) es rojizo y tiene una estructura isotípica al cloruro de uranio(III) (grupo espacial P6₃ / m) y un punto de fusión de 715  °C. [ 77 ] El fluoruro es isotípico al LaF₃ ( grupo espacial P6₃ / mmc) y el yoduro al BiI₃ ( grupo espacial R₃ ) . El bromuro es una excepción con la estructura ortorrómbica tipo PuBr₃ y grupo espacial Cmcm. [ 61 ] Los cristales de cloruro de americio(III) hexahidratado (AmCl₃ · 6H₂O ) se pueden preparar disolviendo dióxido de americio en ácido clorhídrico y evaporando el líquido. Estos cristales son higroscópicos y tienen un color amarillo rojizo y una estructura cristalina monoclínica . [ 83 ]

Los oxihaluros de americio en forma de Am VI O 2 X 2 , Am V O 2 X, Am IV OX 2 y Am III OX se pueden obtener haciendo reaccionar el haluro de americio correspondiente con oxígeno o Sb 2 O 3 , y el AmOCl también se puede producir por hidrólisis en fase gaseosa : [ 79 ]

AmCl 3 + H 2 O -> AmOCl + 2HCl

Calcogenuros y pnicturos

Los calcogenuros conocidos de americio incluyen el sulfuro AmS₂ , [ 84 ] los seleniuros AmSe₂ y Am₃Se₄ , [ 84 ] [ 85 ] y los telururos Am₂Te₃ y AmTe₂ . [ 86 ] Los pnicturos de americio ( ²⁴³Am ) del tipo AmX son conocidos para los elementos fósforo , arsénico , [ 87 ] antimonio y bismuto . Cristalizan en la red de sal de roca . [ 85 ]

Siliciros y boruros

El monosiliciuro de americio (AmSi) y el "disiliciuro" (nominalmente AmSi x con: 1,87 < x < 2,0) se obtuvieron por reducción de fluoruro de americio(III) con silicio elemental en vacío a 1050  °C (AmSi) y 1150−1200  °C (AmSi x ). El AmSi es un sólido negro isomorfo con el LaSi, tiene una simetría cristalina ortorrómbica. El AmSi x tiene un brillo plateado intenso y una red cristalina tetragonal (grupo espacial I 4 1 /amd), es isomorfo con el PuSi 2 y el ThSi 2 . [ 88 ] Los boruros de americio incluyen AmB 4 y AmB 6 . El tetraboruro se puede obtener calentando un óxido o haluro de americio con diboruro de magnesio en vacío o atmósfera inerte. [ 89 ] [ 90 ]

compuestos organoaméricos

Estructura predicha del ameroceno [(η 8 -C 8 H 8 ) 2 Am]

De forma análoga al uranoceno , se predice que el americio forma el compuesto organometálico ameroceno con dos ligandos de ciclooctatetraeno , con la fórmula química (η 8 -C 8 H 8 ) 2 Am. [ 91 ] También se conoce un complejo de ciclopentadienilo que probablemente sea estequiométricamente AmCp 3 . [ 92 ] [ 93 ]

La formación de complejos del tipo Am(nC₃H₇ - BTP ) ₃ , donde BTP representa 2,6-di(1,2,4-triazin-3-il)piridina, en soluciones que contienen iones nC₃H₇ - BTP y Am³⁺ ha sido confirmada mediante EXAFS . Algunos de estos complejos de tipo BTP interactúan selectivamente con el americio y, por lo tanto , son útiles para su separación selectiva de lantánidos y otros actínidos. [ 94 ]

Aspectos biológicos

El americio es un elemento artificial de origen reciente y, por lo tanto, no tiene requerimiento biológico . [ 95 ] [ 96 ] Es perjudicial para la vida . Se ha propuesto el uso de bacterias para la eliminación de americio y otros metales pesados ​​de ríos y arroyos. Así, las Enterobacteriaceae del género Citrobacter precipitan iones de americio de soluciones acuosas, uniéndolos en un complejo metal-fosfato en sus paredes celulares. [ 97 ] Se han publicado varios estudios sobre la biosorción y bioacumulación de americio por bacterias [ 98 ] [ 99 ] y hongos. [ 100 ] En el laboratorio, se encontró que tanto el americio como el curio favorecen el crecimiento de metilotrofos . [ 101 ]

Fisión

El isótopo 242m Am (vida media 141 años) tiene las secciones transversales más grandes para la absorción de neutrones térmicos (5700 barns ), [ 102 ] lo que resulta en una masa crítica pequeña para una reacción en cadena nuclear sostenida . La masa crítica para una esfera desnuda de 242m  Am es de aproximadamente 9–14 kg (la incertidumbre resulta del conocimiento insuficiente de sus propiedades materiales). Se puede reducir a 3–5  kg con un reflector de metal y debería ser aún más pequeña con un reflector de agua. [ 103 ] Una masa crítica tan pequeña es favorable para armas nucleares portátiles , pero las basadas en 242m Am aún no se conocen, probablemente debido a su escasez y alto precio. Las masas críticas de los dos isótopos fácilmente disponibles, 241 Am y 243 Am, son relativamente altas: 57,6 a 75,6  kg para 241 Am y 209  kg para 243 Am. [ 104 ] La escasez y el alto precio aún dificultan la aplicación del americio como combustible nuclear en reactores nucleares . [ 105 ]

Se ha propuesto el uso de reactores de alto flujo de 10 kW muy compactos que utilizan tan solo 20  gramos de 242mAm . Estos reactores de baja potencia serían relativamente seguros para su uso como fuentes de neutrones en radioterapia en hospitales. [ 106 ]

Aplicaciones

Vista exterior e interior de un detector de humo basado en americio.

Detector de humo de tipo ionización

El americio se utiliza en el tipo más común de detector de humo doméstico , que emplea 241 Am en forma de dióxido de americio como fuente de radiación ionizante . [ 107 ] Este isótopo se prefiere al 226 Ra porque emite cinco veces más partículas alfa y relativamente poca radiación gamma dañina. [ 108 ]

La cantidad de americio en un detector de humo nuevo típico es de 1 microcurio (37 kBq ) o 0,29 microgramos . Esta cantidad disminuye lentamente a medida que el americio se desintegra en neptunio -237, un elemento transuránico diferente con una vida media mucho más larga (aproximadamente 2,14 millones de años). Con su vida media de 432,2 años, el americio en un detector de humo incluye aproximadamente un 3 % de neptunio después de 19 años y aproximadamente un 5 % después de 32 años. La radiación pasa a través de una cámara de ionización , un espacio lleno de aire entre dos electrodos , y permite una pequeña corriente constante entre los electrodos. Cualquier humo que entre en la cámara absorbe las partículas alfa, lo que reduce la ionización y afecta a esta corriente, activando la alarma. En comparación con el detector de humo óptico alternativo, el detector de humo de ionización es más barato y puede detectar partículas demasiado pequeñas para producir una dispersión de luz significativa; sin embargo, es más propenso a las falsas alarmas . [ 109 ] [ 110 ] [ 111 ] [ 112 ]  

radionúclido

Como el 241Am tiene una vida media aproximadamente similar a la del 238Pu (432,2 años frente a 87 años), se ha propuesto como elemento activo de generadores termoeléctricos de radioisótopos , por ejemplo, en naves espaciales. [ 113 ] Aunque el americio produce menos calor y electricidad (el rendimiento energético es de 114,7  mW/g para el 241Am y de 6,31  mW/g para el 243Am [ 1 ] ( en comparación con los 390  mW/g del 238Pu ) [ 113 ] ) y su radiación supone una mayor amenaza para los humanos debido a la emisión de neutrones, la Agencia Espacial Europea está considerando utilizar americio para sus sondas espaciales. [ 114 ]

Otra aplicación espacial propuesta del americio es como combustible para naves espaciales con propulsión nuclear. Se basa en la altísima tasa de fisión nuclear del 242mAm , que puede mantenerse incluso en una lámina de un micrómetro de espesor. El pequeño espesor evita el problema de la autoabsorción de la radiación emitida. Este problema es relevante para las barras de uranio o plutonio, en las que solo las capas superficiales proporcionan partículas alfa. [ 115 ] [ 116 ] Los productos de fisión del 242mAm pueden propulsar directamente la nave espacial o calentar un gas de empuje. También pueden transferir su energía a un fluido y generar electricidad mediante un generador magnetohidrodinámico . [ 117 ]

Otra propuesta que aprovecha la alta tasa de fisión nuclear del 242mAm es una batería nuclear. Su diseño no se basa en la energía de las partículas alfa de americio emitidas, sino en su carga; es decir, el americio actúa como un "cátodo" autosostenible. Una sola carga de 3,2  kg de 242mAm en dicha batería podría proporcionar aproximadamente 140  kW de potencia durante un período de 80 días. [ 118 ] Aun con todos los beneficios potenciales, las aplicaciones actuales del 242mAm todavía se ven limitadas por la escasez y el alto precio de este isómero nuclear en particular . [ 117 ]

En 2019, investigadores del Laboratorio Nacional Nuclear del Reino Unido y de la Universidad de Leicester demostraron el uso del calor generado por el americio para iluminar una pequeña bombilla. Esta tecnología podría dar lugar a sistemas para alimentar misiones con una duración de hasta 400 años en el espacio interestelar , donde los paneles solares no funcionan. [ 119 ] [ 120 ]

Fuente de neutrones

El óxido de 241 Am prensado con berilio es una fuente de neutrones eficiente . En este caso, el americio actúa como fuente alfa, y el berilio produce neutrones debido a su gran sección transversal para la reacción nuclear (α,n):

Soy95241⟶Notario público93237+Él24+γ{\displaystyle {\ce {^{241}_{95}Am -> ^{237}_{93}Np + ^{4}_{2}He + \gamma}}}
Ser49+Él24⟶do612+norte01+γ{\displaystyle {\ce {^{9}_{4}Be + ^{4}_{2}He -> ^{12}_{6}C + ^{1}_{0}n + \gamma}}}

El uso más extendido de las fuentes de neutrones de 241AmBe es como sonda de neutrones , un dispositivo utilizado para medir la cantidad de agua presente en el suelo, así como la humedad y la densidad para el control de calidad en la construcción de carreteras. Las fuentes de neutrones de 241Am también se utilizan en aplicaciones de registro de pozos, así como en radiografía de neutrones , tomografía y otras investigaciones radioquímicas. [ 121 ]

Producción de otros elementos

El americio es un material de partida para la producción de otros elementos transuránicos y transactinidos ; por ejemplo, el 82,7 % del 242 Am se desintegra en 242 Cm y el 17,3 % en 242 Pu. En el reactor nuclear, el 242 Am también se convierte por captura de neutrones en 243 Am y 244 Am, que se transforma por desintegración beta en 244 Cm.

Soy95243→(norte,γ)Soy95244→10.1 hβ−Centímetro96244{\displaystyle {\ce {^{243}_{95}Am ->[{\ce {(n,\gamma)}}] ^{244}_{95}Am ->[\beta^-][10.1 \ {\ce {h}}] ^{244}_{96}Cm}}}

La irradiación de 241 Am con iones de 12 C o 22 Ne produce los isótopos 247 Es ( einstenio ) o 260 Db ( dubnio ), respectivamente. [ 121 ] Además, el elemento berkelio ( isótopo 243 Bk) fue producido e identificado intencionalmente por primera vez bombardeando 241 Am con partículas alfa, en 1949, por el mismo grupo de Berkeley, utilizando el mismo ciclotrón de 60 pulgadas. De manera similar, el nobelio fue producido en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear , Dubna , Rusia, en 1965 en varias reacciones, una de las cuales incluyó la irradiación de 243 Am con iones de 15 N. Además, una de las reacciones de síntesis del lawrencio , descubierto por científicos de Berkeley y Dubna, incluyó el bombardeo de 243 Am con 18 O. [ 12 ]

Espectrómetro

El americio-241 se ha utilizado como fuente portátil de rayos gamma y partículas alfa para diversos usos médicos e industriales. Las  emisiones de rayos gamma de 59,5409 keV del 241Am en dichas fuentes pueden utilizarse para el análisis indirecto de materiales en radiografía y espectroscopia de fluorescencia de rayos X , así como para el control de calidad en medidores de densidad nuclear fijos y densímetros nucleares . Por ejemplo, el elemento se ha empleado para medir el espesor del vidrio y así ayudar a crear vidrio plano. [ 28 ] El americio-241 también es adecuado para la calibración de espectrómetros de rayos gamma en el rango de baja energía, ya que su espectro consiste en casi un solo pico y un continuo Compton insignificante (al menos tres órdenes de magnitud menor intensidad). [ 122 ] Los rayos gamma del americio-241 también se utilizaron para proporcionar un diagnóstico pasivo de la función tiroidea mediante la estimulación de la emisión característica de rayos X de los átomos de yodo. [ 123 ] Esta aplicación médica ha sido reemplazada por pruebas de yodo radiactivo . [ 124 ]

Problemas de salud

Debido a su alta radiactividad, el americio y sus compuestos deben manipularse únicamente en un laboratorio adecuado y bajo medidas especiales. Si bien la mayoría de los isótopos de americio emiten principalmente partículas alfa, las cuales pueden ser bloqueadas por capas delgadas de materiales comunes, muchos de sus productos de desintegración emiten rayos gamma y neutrones, los cuales tienen una gran profundidad de penetración. [ 125 ]

Si se consume, la mayor parte del americio se excreta en pocos días, absorbiéndose solo un 0,05 % en la sangre, de los cuales aproximadamente el 45 % se dirige al hígado y el 45 % a los huesos, y el 10 % restante se excreta. La absorción hepática depende del individuo y aumenta con la edad. En los huesos, el americio se deposita primero sobre las superficies corticales y trabeculares y se redistribuye lentamente por el hueso con el tiempo. La vida media biológica del 241Am es de 50 años en los huesos y de 20 años en el hígado, mientras que en las gónadas (testículos y ovarios) permanece de forma permanente; en todos estos órganos, el americio promueve la formación de células cancerosas como resultado de su radiactividad. [ 23 ] [ 126 ] [ 127 ]

El americio suele llegar a los vertederos procedente de detectores de humo desechados. Las normas relativas a la eliminación de detectores de humo son laxas en la mayoría de las jurisdicciones. En 1994, David Hahn, de 17 años, extrajo el americio de unos 100 detectores de humo en un intento de construir un reactor nuclear reproductor. [ 128 ] [ 129 ] [ 130 ] [ 131 ] Se han dado algunos casos de exposición al americio, siendo el peor el de Harold McCluskey , un técnico de operaciones químicas que, a los 64 años, estuvo expuesto a 500 veces el límite ocupacional de americio-241 como consecuencia de una explosión en su laboratorio. McCluskey falleció a los 75 años por una enfermedad preexistente no relacionada. [ 132 ] [ 133 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ La "m" indica que se trata de un estado metaestable.

Referencias

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  • El americio en la tabla periódica de vídeos (Universidad de Nottingham)
  • ATSDR – Declaración de Salud Pública: Americio
  • Asociación Nuclear Mundial – Detectores de humo y americio