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Californio

El californio es un elemento químico sintético ; su símbolo es Cf y su número atómico es 98. Fue sintetizado por primera vez en 1950 en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley...

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El californio es un elemento químico sintético ; su símbolo es Cf y su número atómico es 98. Fue sintetizado por primera vez en 1950 en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (entonces Laboratorio de Radiación de la Universidad de California) mediante el bombardeo de curio con partículas alfa ( iones de helio-4 ). Es un elemento actínido , el sexto elemento transuránico sintetizado , y posee la segunda masa atómica más alta de todos los elementos producidos en cantidades lo suficientemente grandes como para ser visibles a simple vista (después del einstenio ). Recibió su nombre en honor a la universidad y al estado estadounidense de California .

Existen dos formas cristalinas a presión normal: una por encima y otra por debajo de 900 °C (1650 °F) . Una tercera forma existe a alta presión. El californio se empaña lentamente en el aire a temperatura ambiente. Los compuestos de californio están dominados por el estado de oxidación +3. El isótopo más estable de los veinte conocidos del californio es el californio-251, con una vida media de 898 años. Esta corta vida media significa que el elemento no se encuentra en cantidades significativas en la corteza terrestre. [ a ] 252 Cf, con una vida media de aproximadamente 2,645 años, es el isótopo más común utilizado y se produce en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) en los Estados Unidos y en el Instituto de Investigación de Reactores Atómicos en Rusia.  

El californio es uno de los pocos elementos transuránicos con aplicaciones prácticas. La mayoría de estas aplicaciones aprovechan la capacidad de ciertos isótopos del californio para emitir neutrones . Por ejemplo, el californio se puede utilizar para facilitar la puesta en marcha de reactores nucleares y como fuente de neutrones en el estudio de materiales mediante difracción y espectroscopia de neutrones . También se puede utilizar en la síntesis nuclear de elementos de mayor masa; el oganesón (elemento 118) se sintetizó bombardeando átomos de californio-249 con iones de calcio-48 . Quienes utilizan californio deben tener en cuenta las preocupaciones radiológicas y la capacidad del elemento para alterar la formación de glóbulos rojos al bioacumularse en el tejido óseo.

Características

Propiedades físicas

El californio es un metal actínido de color blanco plateado [ 11 ] con un punto de fusión de 900 ± 30 °C (1650 ± 50 °F) y un punto de ebullición estimado de 1743 K (1470 °C; 2680 °F) [ 12 ] . El metal puro es maleable y se corta fácilmente con un cuchillo. El californio comienza a vaporizarse por encima de los 300 °C (570 °F) cuando se expone al vacío. [ 13 ] Por debajo de 51 K (−222 °C; −368 °F), el metal californio es ferromagnético o ferrimagnético (actúa como un imán); entre 48 y 66 K es antiferromagnético (un estado intermedio); y por encima de 160 K (−113 °C; −172 °F) es paramagnético (los campos magnéticos externos pueden magnetizarlo). [ 14 ] Forma aleaciones con metales lantánidos , pero se sabe poco sobre los materiales resultantes. [ 13 ]                  

El elemento tiene dos formas cristalinas a presión atmosférica estándar : una forma hexagonal doble compacta denominada alfa (α) y una forma cúbica centrada en las caras denominada beta (β). [ b ] La forma α existe por debajo de 600–800  °C con una densidad de 15,10  g/cm³ y la forma β existe por encima de 600–800  °C con una densidad de 8,74  g/cm³ . [ 16 ] A 48 GPa de presión, la forma β cambia a un sistema cristalino ortorrómbico debido a la deslocalización de los electrones 5f del átomo , lo que los libera para formar enlaces. [ 17 ] [ c ] 

El módulo de compresibilidad de un material es una medida de su resistencia a la presión uniforme. El módulo de compresibilidad del californio es50 ± 5  GPa , que es similar a los metales lantánidos trivalentes pero menor que metales más conocidos, como el aluminio (70  GPa). [ 17 ]

Propiedades químicas y compuestos

El californio presenta estados de oxidación de 4, 3 o 2. Generalmente forma ocho o nueve enlaces con átomos o iones circundantes. Se predice que sus propiedades químicas son similares a las de otros elementos actínidos con valencia principalmente 3+ [ 19 ] y al elemento disprosio , que es el lantánido que se encuentra por encima del californio en la tabla periódica. [ 20 ] Los compuestos en estado de oxidación +4 son agentes oxidantes fuertes y aquellos en estado +2 son agentes reductores fuertes . [ 11 ]

El elemento se empaña lentamente en el aire a temperatura ambiente, y la velocidad de oxidación aumenta al añadir humedad. [ 16 ] El californio reacciona al calentarse con hidrógeno , nitrógeno o un calcógeno (elemento de la familia del oxígeno); las reacciones con hidrógeno seco y ácidos minerales acuosos son rápidas. [ 16 ]

El californio solo es soluble en agua como el catión californio(III) . Los intentos de reducir u oxidar el ion +3 en solución han fracasado. [ 20 ] El elemento forma cloruro , nitrato , perclorato y sulfato solubles en agua , y precipita como fluoruro , oxalato o hidróxido . [ 19 ] El californio es el actínido más pesado que presenta propiedades covalentes, como se observa en el borato de californio. [ 21 ]

isótopos

Todos los datos nucleares que no se indiquen de otra manera provienen de la fuente estándar: [ 22 ]

Se conocen veinte isótopos de californio con números másicos que van desde 237 hasta 256; los más estables son el 251Cf con una vida media de 898 años, el 249Cf con una vida media de 351 años, el 250Cf con 13,08 años y el 252Cf con 2,645 años. Todos los demás isótopos tienen una vida media inferior a un año, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a 20 minutos.

El 249Cf se forma por desintegración beta del berkelio-249, y los isótopos más pesados ​​de californio se obtienen al someter el berkelio a una intensa radiación de neutrones en un reactor nuclear . Aunque el californio-251 tiene la vida media más larga, su rendimiento de producción es relativamente bajo debido a su rápido agotamiento por reacción con otro neutrón (alta sección transversal de neutrones ). [ 23 ]

El 252Cf es un emisor de neutrones muy fuerte , lo que lo convierte en un isótopo radiactivo extremadamente peligroso . [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] El 252Cf , en el 96,9% de los casos, se desintegra alfa a curio -248; el otro 3,1% de las desintegraciones son fisión espontánea . Un microgramo de 252Cf emite 2,3  millones de neutrones por segundo (aproximadamente 3,7 neutrones por fisión). [ 27 ] Los otros isótopos principales del californio (248-251) también se desintegran alfa a los del curio , con una fracción de fisión mucho menor.

Historia

Grandes piezas de equipo con un hombre de pie cerca.
El ciclotrón de 60 pulgadas de diámetro (1,52 m) se utilizó para sintetizar californio por primera vez. 

El californio fue creado por primera vez en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California , Berkeley , por los investigadores de física Stanley Gerald Thompson , Kenneth Street Jr. , Albert Ghiorso y Glenn T. Seaborg , alrededor del 9 de febrero de 1950. [ 28 ] Fue el sexto elemento transuránico en ser descubierto; el equipo anunció su descubrimiento el 17 de marzo de 1950. [ 29 ] [ 30 ]

Para producir californio, se bombardeó un blanco de tamaño microgramo de curio-242 ( 242Cm ) con partículas alfa de  35 MeV ( 4He ) en el ciclotrón de 60 pulgadas de diámetro (1,52 m) en Berkeley, lo que produjo californio-245 ( 245Cf ) más un neutrón libre ( n ). [ 28 ] [ 29 ] 

242 96 Cm+ 4 2 He→ 245 98 Cf+ 1 0 n

Para identificar y separar el elemento, se emplearon métodos de intercambio iónico y adsorción. [ 29 ] [ 31 ] En este experimento se produjeron solo unos 5000 átomos de californio, [ 32 ] y estos átomos tuvieron una vida media de 44  minutos. [ 28 ]

Los descubridores nombraron el nuevo elemento en honor a la universidad y al estado. Esto supuso una ruptura con la convención utilizada para los elementos del 95 al 97, que se inspiró en cómo se nombraban los elementos inmediatamente superiores en la tabla periódica. [ 33 ] [ e ] Sin embargo, el elemento inmediatamente superior al elemento 98 en la tabla periódica, el disprosio , tiene un nombre que significa "difícil de alcanzar", por lo que los investigadores decidieron dejar de lado la convención de nombres informal. [ 35 ] Añadieron que "lo mejor que podemos hacer es señalar que... a los investigadores de hace un siglo les resultaba difícil llegar a California". [ 34 ]

Las primeras cantidades medibles de californio se produjeron mediante la irradiación de blancos de plutonio en el Reactor de Pruebas de Materiales de la Estación Nacional de Pruebas de Reactores , en el este de Idaho ; estos hallazgos se informaron en 1954. [ 36 ] En estas muestras se observó la alta tasa de fisión espontánea del californio-252. El primer experimento con californio en forma concentrada tuvo lugar en 1958. [ 28 ] Los isótopos 249Cf a 252Cf se aislaron ese mismo año de una muestra de plutonio-239 que había sido irradiada con neutrones en un reactor nuclear durante cinco años. [ 11 ] Dos años más tarde, en 1960, Burris Cunningham y James Wallman del Laboratorio de Radiación Lawrence de la Universidad de California crearon los primeros compuestos de californio —tricloruro de californio, oxicloruro de californio(III) y óxido de californio— tratando el californio con vapor y ácido clorhídrico . [ 37 ]

El reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) en ORNL en Oak Ridge, Tennessee , comenzó a producir pequeñas cantidades de californio en la década de 1960. [ 38 ] Para 1995, el HFIR producía nominalmente 500 miligramos (0,018 oz) de californio anualmente. [ 39 ] El plutonio suministrado por el Reino Unido a los Estados Unidos en virtud del Acuerdo de Defensa Mutua entre EE. UU. y el Reino Unido de 1958 se utilizó para la fabricación de californio. [ 40 ] 

La Comisión de Energía Atómica vendió 252 Cf a clientes industriales y académicos a principios de la década de 1970 por $10/microgramo, [ 27 ] y se enviaron un promedio de 150 mg (0,0053 oz) de 252 Cf cada año desde 1970 hasta 1990. [ 41 ] [ f ] El metal californio fue preparado por primera vez en 1974 por Haire y Baybarz, quienes redujeron óxido de californio(III) con metal lantano para obtener cantidades de microgramos de películas de espesor submicrométrico. [ 42 ] [ 43 ] [ g ]  

Aparición

Se pueden encontrar trazas de californio cerca de instalaciones que utilizan este elemento en la prospección de minerales y en tratamientos médicos. [ 45 ] El elemento es bastante insoluble en agua, pero se adhiere bien al suelo común; y sus concentraciones en el suelo pueden ser 500 veces mayores que en el agua que rodea las partículas del suelo. [ 46 ]

La lluvia radiactiva de las pruebas de armas nucleares atmosféricas anteriores a 1980 aportó una pequeña cantidad de californio al medio ambiente. [ 46 ] Se ha observado californio-249, -252, -253 y -254 en el polvo radiactivo recogido del aire tras una explosión nuclear. [ 47 ] El californio no es un radionúclido importante en los emplazamientos heredados del Departamento de Energía de Estados Unidos, ya que no se produjo en grandes cantidades. [ 46 ]

En el pasado se creía que el californio se producía en supernovas , ya que su desintegración coincide con la vida media de 60 días del 254 Cf. [ 48 ] Sin embargo, estudios posteriores no lograron demostrar ningún espectro de californio, [ 49 ] y ahora se cree que las curvas de luz de las supernovas siguen la desintegración del níquel-56 . [ 50 ]

Los elementos transuránicos hasta el fermio , incluido el californio, deberían haber estado presentes en el reactor de fisión nuclear natural de Oklo , pero cualquier cantidad producida entonces se habría desintegrado hace mucho tiempo. [ 51 ]

Producción

El californio se produce en reactores nucleares y aceleradores de partículas . [ 52 ] El californio-250 se obtiene bombardeando berkelio-249 ( 249 Bk ) con neutrones, formando berkelio-250 ( 250 Bk ) mediante captura de neutrones (n,γ) que, a su vez, se desintegra rápidamente en fase beta ( β − ) para formar californio-250 ( 250 Cf ) en la siguiente reacción: [ 53 ]

249 97 Bk(n,γ) 250 97 Bk→ 250 98 Cf+ β−

El bombardeo de 250 Cf con neutrones produce 251 Cf y 252 Cf. [ 53 ]

La irradiación prolongada de americio , curio y plutonio con neutrones produce cantidades de miligramos de 252 Cf y cantidades de microgramos de 249 Cf. [ 54 ] Desde 2006, los isótopos de curio 244 a 248 se irradian con neutrones en reactores especiales para producir principalmente californio-252 con cantidades menores de isótopos 249 a 255. [ 55 ]

Se pueden obtener cantidades de microgramos de 252 Cf para uso comercial a través de la Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos . [ 52 ] Solo dos instalaciones producen 252 Cf: el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en los Estados Unidos y el Instituto de Investigación de Reactores Atómicos en Dimitrovgrad, Rusia . A partir de 2003, las dos instalaciones producen 0,25 gramos y 0,025 gramos de 252 Cf por año, respectivamente. [ 56 ]

Se producen tres isótopos de californio con vidas medias significativas, que requieren un total de 15 capturas de neutrones por uranio-238 sin que se produzca fisión nuclear o desintegración alfa durante el proceso. [ 56 ] El 253Cf está al final de una cadena de producción que comienza con uranio-238 e incluye varios isótopos de plutonio , americio , curio y berkelio , y los isótopos de californio 249 a 253 (véase el diagrama).

Un diagrama de flujo complejo que muestra varios isótopos.
Esquema de producción de californio-252 a partir de uranio-238 mediante irradiación neutrónica.

Aplicaciones

Gran estructura cónica sobre una polea, con un hombre en la parte superior y dos cerca de la base.
Contenedor de transporte de cincuenta toneladas construido en ORNL que puede transportar hasta 1 gramo de 252 Cf. [ 57 ] Se necesitan contenedores de transporte grandes y fuertemente blindados para evitar la liberación de material altamente radiactivo en caso de accidentes normales e hipotéticos. [ 58 ]

Fuente de neutrones

252El Cf tiene varios usos especializados como emisor de neutrones fuertes ; produce 139 millones de neutrones por microgramo por minuto. [ 27 ] Esta propiedad lo hace útil como fuente de neutrones de arranque para algunos reactores nucleares [ 16 ] y como fuente de neutrones portátil (no basada en reactor) para análisis de activación neutrónica para detectar cantidades traza de elementos en muestras. [ 59 ] [ h ] Los neutrones del californio se utilizan como tratamiento de ciertos cánceres de cuello uterino y cerebro donde otras radioterapias son ineficaces. [ 16 ] Se ha utilizado en aplicaciones educativas desde 1969 cuando el Instituto Tecnológico de Georgia obtuvo un préstamo de 119 μg de 252 Cf del Sitio de Savannah River . [ 61 ] También se utiliza con analizadores de carbón elemental en línea y analizadores de materiales a granel en las industrias del carbón y el cemento.

La penetración de neutrones en los materiales hace que el californio sea útil en instrumentos de detección como escáneres de barras de combustible ; [ 16 ] radiografía de neutrones de componentes de aeronaves y armas para detectar corrosión , soldaduras defectuosas, grietas y humedad atrapada; [ 62 ] y en detectores de metales portátiles. [ 63 ] Los medidores de humedad de neutrones usan 252 Cf para encontrar capas de agua y petróleo en pozos de petróleo, como fuente de neutrones portátil para prospección de oro y plata para análisis in situ, [ 20 ] y para detectar el movimiento del agua subterránea. [ 64 ] Los principales usos del 252 Cf en 1982 fueron, arranque de reactor (48,3%), escaneo de barras de combustible (25,3%) y análisis de activación (19,4%). [ 65 ] Para 1994, la mayor parte del 252 Cf se usaba en radiografía de neutrones (77,4%), siendo el escaneo de barras de combustible (12,1%) y el arranque de reactor (6,9%) usos importantes pero secundarios. [ 65 ] En 2021, se utilizaron neutrones rápidos de 252 Cf para la transmisión inalámbrica de datos. [ 66 ]

Producción de elementos superpesados

En octubre de 2006, investigadores anunciaron que se habían identificado tres átomos de oganesón (elemento 118) en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear en Dubna , Rusia , mediante el bombardeo de 249Cf con calcio-48 , convirtiéndolo en el elemento más pesado jamás producido. El blanco contenía aproximadamente 10  mg de 249Cf depositados sobre una lámina de titanio de 32 cm²  de área. [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] El californio también se ha utilizado para producir otros elementos transuránicos; por ejemplo, el lawrencio se sintetizó por primera vez en 1961 mediante el bombardeo de californio con núcleos de boro . [ 70 ]

Armas nucleares hipotéticas

251El Cf tiene una masa crítica calculada muy pequeña de aproximadamente 5 kg (11 lb) , [ 71 ] alta letalidad y un período relativamente corto de irradiación ambiental tóxica. La baja masa crítica del californio dio lugar a algunas afirmaciones exageradas sobre los posibles usos del elemento. [ i ]  

Precauciones

El californio que se bioacumula en el tejido óseo libera radiación que altera la capacidad del cuerpo para formar glóbulos rojos . [ 73 ] Este elemento no desempeña ningún papel biológico natural en ningún organismo debido a su intensa radiactividad y baja concentración en el medio ambiente. [ 45 ]

El californio puede ingresar al cuerpo al ingerir alimentos o bebidas contaminados o al respirar aire con partículas suspendidas de este elemento. Una vez en el cuerpo, solo el 0,05 % del californio llega al torrente sanguíneo. Aproximadamente el 65 % de ese californio se deposita en el esqueleto, el 25 % en el hígado y el resto en otros órganos o se excreta, principalmente en la orina. La mitad del californio depositado en el esqueleto y el hígado desaparece en 50 y 20 años, respectivamente. El californio en el esqueleto se adhiere a las superficies óseas antes de migrar lentamente por todo el hueso. [ 46 ]

Este elemento es más peligroso si se ingiere. Además, el californio-249 y el californio-251 pueden causar daño tisular externo mediante la emisión de rayos gamma . La radiación ionizante emitida por el californio en los huesos y el hígado puede causar cáncer. [ 46 ]

Notas

  1. ↑ La Tierra se formó hace 4.500 millones de años , y el alcance de la emisión natural de neutrones en su interior que podría producir californio a partir de elementos más estables es extremadamente limitado.
  2. ↑ Una celda unitaria hexagonal doblemente compacta (dhcp)consta de dos estructuras hexagonales compactas que comparten un plano hexagonal común, lo que da a dhcp una secuencia ABACABAC. [ 15 ]
  3. ↑ Los tres elementos transplutónicos de menor masa — americio , curio y berkelio — requieren mucha menos presión para deslocalizar sus electrones 5f. [ 17 ]
  4. ↑ Otros estados de oxidación +3 incluyen el sulfuro y el metaloceno . [ 18 ]
  5. ↑ El europio , en el sexto período directamente encima del elemento 95, recibió el nombre del continente donde fue descubierto, por lo que el elemento 95 se denominó americio . El elemento 96 se denominó curio en honor a Marie Curie y Pierre Curie, como analogía con el nombre del gadolinio , que recibió su nombre del científico e ingeniero Johan Gadolin . El terbio recibió el nombre del pueblo donde fue descubierto, por lo que el elemento 97 se denominó berkelio . [ 34 ]
  6. ↑ La Comisión Reguladora Nuclear reemplazó a la Comisión de Energía Atómica cuando se implementó la Ley de Reorganización Energética de 1974. El precio del californio-252 fue aumentado varias veces por la NRC y alcanzó los 60 dólares por microgramo en 1999; este precio no incluye el costo de encapsulación y transporte. [ 27 ]
  7. ↑ En 1975, otro artículo afirmó que el metal californio preparado el año anterior era el compuesto hexagonal Cf₂O₂Sy el compuesto cúbico centrado en las caras CfS. [ 44 ] El trabajo de 1974 fue confirmado en 1976 y el trabajo sobre el metal californio continuó. [ 42 ]
  8. ↑ Para 1990, el californio-252 había reemplazado a las fuentes de neutrones de plutonio- berilio debido a su menor tamaño y menor generación de calor y gas. [ 60 ]
  9. ↑ Un artículo titulado "Hechos y falacias de la Tercera Guerra Mundial" en la edición de julio de 1961 de la revista Popular Science decía: "Una bomba atómica de californio no necesita ser más grande que una bala de pistola. Se podría construir un revólver de seis balas que explotaría al contacto con la fuerza de 10 toneladas de TNT". [ 72 ]

Referencias

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